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        基于Kriging法的涼州區(qū)耕地土壤微量元素的空間插值研究

        2013-12-26 01:08:58賈曉娟袁政祥
        甘肅農(nóng)業(yè)科技 2013年7期
        關鍵詞:涼州區(qū)插值微量元素

        賈曉娟,王 祎,韓 梅,袁政祥

        (甘肅省武威市涼州區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣中心,甘肅 武威 733000)

        Kriging法是地質統(tǒng)計學中礦品位的最佳內(nèi)插方法,近年來已廣泛應用于GIS中的空間內(nèi)插。Kriging法的內(nèi)蘊假設條件是區(qū)域變量的可變性和穩(wěn)定性,也就說,一旦趨勢確定后,變量在一定范圍內(nèi)的隨機變化是同性變化,位置之間的差異僅僅是位置間距離的函數(shù)[1]。采用Kriging法進行空間插值,需要根據(jù)數(shù)據(jù)的空間變化趨勢消除趨勢干擾,然后選擇半變異函數(shù)模型。地統(tǒng)計學中半變異函數(shù)理論模型的選擇主要是根據(jù)距離和半變異函數(shù)計算值之間的關系,以及專業(yè)理論或經(jīng)驗來確定合適的理論模型,也可以利用散點圖來推測合適的理論模型[2]。涼州區(qū)位于武威市中部,南連天祝藏族自治縣、古浪縣;西鄰肅南裕固族自治縣;北抵民勤縣、永昌縣。東西長約122 km,南北寬約90 km。全區(qū)地形由西南向東北傾斜。西南和南部是祁連山區(qū),海拔1 800~4 847 m,占總面積的38.97%;中部是走廊平原,有河灌區(qū)、井灌區(qū),是河西走廊重要的商品糧生產(chǎn)基地,海拔1 440~1 800 m,占總面積的31.96%;東北和東部是沙漠地帶,海拔1 500~1 700 m,占總面積的29.07%。研究應用Arcgis的地統(tǒng)計模塊進行Kriging插值分析,對涼州區(qū)耕地土壤銅、鋅、鐵、錳等微量元素含量狀況及時空變化進行分析,以期為制定科學合理的施肥方案提供技術支撐,為實現(xiàn)土壤可持續(xù)利用提供理論基礎。

        1 材料與方法

        1.1 研究資料

        包括涼州區(qū)1∶5萬比例尺地形圖、土壤圖,1∶10萬行政區(qū)劃圖,1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖;行政區(qū)基本情況數(shù)據(jù),第二次土壤普查資料及相關調查資料,耕地調查點基本情況及土壤化驗結果數(shù)據(jù)等。

        1.2 研究方法

        采用野外定點采樣,用EDTA提取—原子吸收分光光度計測定法獲取采樣點土壤銅、鋅、鐵、錳含量,并將采樣點位圖與分析數(shù)據(jù)庫進行鏈接,再運用ArcGIS軟件的kriging插值法對各屬性數(shù)據(jù)進行空間插值,從而自動生成各土壤微量元素屬性專題圖。將GPS測定的采樣點地理數(shù)據(jù)導入ArcGIS中,獲得樣點分布空間數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中運用“編號”關鍵字段將該地理數(shù)據(jù)與化驗分析的結果數(shù)據(jù)進行掛接,作為Kriging插值的源屬性數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)檢查剔除特異值后根據(jù)半方差函數(shù)圖和各擬和參數(shù)的檢驗情況選擇適當?shù)腒riging插值模型。運用Crossin-Validation交叉驗證對所選擇的插值模型進行驗證,并對各參數(shù)進行修正,以得到最合理的土壤微量元素含量分布的等值區(qū)圖。利用Arcgis的空間分析模塊將各微量元素含量插值結果圖件與行政轄區(qū)圖件進行空間疊加,得到整個行政轄區(qū)范圍內(nèi)的土壤微量元素含量分布的等值區(qū)圖。

        1.3 空間變化趨勢分析

        空間樣點值由確定性表面(趨勢)和空間自相關誤差兩部分組成。Kriging插值需要預測數(shù)據(jù)的趨勢,先消除趨勢的影響,再模擬空間的自相關誤差。地統(tǒng)計分析中,去除數(shù)據(jù)趨勢是獲得良好Kriging 插值的關鍵。Z( s)= μ( s)+ ε(s)式中,Z(s)是空間樣點的預測值,μ(s)是數(shù)據(jù)的確定性表面(趨勢),ε(s)是數(shù)據(jù)的空間自相關誤差。ArcGIS的趨勢分析工具提供了數(shù)據(jù)的三維可視化透視圖。X軸和Y軸分別代表了采樣點的正東和正北方向,樣點值大小用Z軸表示。利用趨勢分析工具將樣點數(shù)據(jù)值投影到X,Z平面和Y,Z平面上,并根據(jù)投影平面上的散點圖用多項式進行曲線擬合[2]。通過拉動Location的滾動條改變觀察者的視角,從各個方向判別數(shù)據(jù)的趨勢。

        2 結果與分析

        2.1 土壤微量元素的統(tǒng)計特征值

        在應用Arcgis的地統(tǒng)計模塊進行Kriging插值分析,對土壤銅、鋅、鐵、錳、含量的采樣數(shù)據(jù)進行了一般描述性統(tǒng)計分析,結果見表1。

        表1 土壤微量元素特征值

        涼州區(qū)有效態(tài)鋅平均含量0.50 mg/kg,在甘肅省養(yǎng)分分級標準中占Ⅳ級,含量偏低,其中大于0.5 mg/kg的分析樣31個,小于0.5 mg/kg的分析樣44個,表明涼州區(qū)缺有效態(tài)鋅的面積約為3/5;有效錳含量平均11.01 mg/kg,有效銅含量1.01 mg/kg、有效鐵含量14.60 mg/kg,在甘肅省養(yǎng)分分級標準中均占Ⅱ級,說明涼州區(qū)有效錳、有效銅、有效鐵總體上不缺。總的來看涼州區(qū)耕地土壤微量元素中較缺的是有效鋅,其它微量元素基本可滿足大田作物的生長需求。

        2.2 土壤微量元素空間相關性

        運用不同的半方差模型對涼州區(qū)土壤鋅含量進行擬和時各檢驗參數(shù)的選擇比較結果見表2。

        表2 Kriging插值模型比較

        從結構性因素的角度來看,基底方差值與基臺值的比例可以表明土壤微量元素的空間相關程度。該比例小于25%,說明系統(tǒng)具有強烈的空間相關性,其空間變異主要是由土壤母質、地形、氣候等非人為因素(空間自相關部分)引起的;比例為25%~75%,表明系統(tǒng)具有中等相關性;比例大于75%,說明系統(tǒng)相關性很弱,其空間變異主要是由人類活動引起的。通過表2的數(shù)據(jù)分析可知,錳、銅的空間相關性較弱,鋅、鐵、的空間相關性中等。

        圖1 不同區(qū)域耕層土壤微量元素含量

        2.3 微量元素的空間分布

        由圖1可知,微量元素含量區(qū)域分布有效鐵是黃羊區(qū)最高,張義區(qū)最低;有效錳豐樂區(qū)最高,清源區(qū)最低;有效銅黃羊區(qū)最高,張義區(qū)最低;有效鋅永昌區(qū)最高,張義區(qū)最低。

        3 小結與討論

        1)涼州區(qū)有效態(tài)鋅平均含量0.50 mg/kg,在甘肅省養(yǎng)分分級標準中占Ⅳ級,缺有效態(tài)鋅的面積約為3/5;有效錳含量平均11.01mg/kg,有效銅含量1.01mg/kg、有效鐵含量14.60 mg/kg,在甘肅省養(yǎng)分分級標準中均占Ⅱ級。其中微量元素含量有效鐵是黃羊區(qū)最高,張義區(qū)最低;有效錳豐樂區(qū)最高,清源區(qū)最低;有效銅黃羊區(qū)最高,張義區(qū)最低;有效鋅永昌區(qū)最高,張義區(qū)最低。錳、銅的空間相關性較弱,鋅、鐵的空間相關性中等。

        2)Kriging插值方法過程復雜,所需參數(shù)較多,每個參數(shù)的設置都影響到下一步的結果。因此,必須全面了解數(shù)據(jù)特點和認識Kriging各個參數(shù)的含義。影響土壤養(yǎng)分的因素有很多,如坡向、海拔等[3]。研究只從空間相關性來分析土壤養(yǎng)分空間分布,如果利用各影響因子來分析土壤養(yǎng)分狀況,得到的結果可能會更好。

        [1] 郭旭東,傅伯杰,馬克明,等.基于GIS和地統(tǒng)計學的土城養(yǎng)分空間變異特征研究——以河北省遵化市為例[J].應用生態(tài)學報,2000,11(4):557-563.

        [2] 雷志棟,楊詩秀,謝森傳.土坡水動力學[M].北京:清華大學出版社,1988.

        [3] 袁政祥,王 祎.基于GIS的涼州區(qū)耕層土壤主要養(yǎng)分時空變化研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技,2013(4):28-30.

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