（韶關(guān)學(xué)院英東農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

基于地統(tǒng)計(jì)的土壤有效磷空間變異分析
——以廣東乳源縣乳城鎮(zhèn)為例

林昌華，李潔麗

（韶關(guān)學(xué)院英東農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

在借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)乳城鎮(zhèn)采集的土壤樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤有效磷的空間變異分析.結(jié)果表明：研究區(qū)的土壤有效磷在空間分布上西部含量高于東部.土壤有效磷含量20～40 mg/kg分布面積最廣，約占總面積的69%.在此基礎(chǔ)上，提出合理施用磷肥的建議.

土壤有效磷；空間變異；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；乳城鎮(zhèn)

合理施肥對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展越來(lái)越需要精準(zhǔn)的土壤養(yǎng)分管理.隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展，土壤養(yǎng)分的空間預(yù)測(cè)逐漸發(fā)展起來(lái).上世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤學(xué)中的應(yīng)用得到了廣泛的認(rèn)可，使得土壤空間分析的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，逐漸成為了土壤肥力分析中不可缺少的推理、決策和預(yù)測(cè)工具［1］.通過(guò)預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分在空間上的分布情況，可以進(jìn)行針對(duì)性施肥，提高作物產(chǎn)量，降低資源浪費(fèi)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［2］.根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究成果，土壤養(yǎng)分在空間上變異的預(yù)測(cè)方法有反距離加權(quán)法、克里格法、樣條插值法、趨勢(shì)面法等，而利用克立法既能對(duì)變量進(jìn)行線(xiàn)性最優(yōu)無(wú)偏估值，又能保留變量在整個(gè)研究區(qū)域和局部地段的各自分布特點(diǎn)，精度和適應(yīng)程度較其他方法高［2-4］.

本文主要借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)分析韶關(guān)乳源縣乳城鎮(zhèn)土壤表層（0～20 cm）有效磷的空間分布特征，利用克里格插值方式繪制乳城鎮(zhèn)土壤有效磷的空間變異分布圖，從而更加準(zhǔn)確和直觀地了解該鎮(zhèn)有效磷的空間分布狀況，及時(shí)調(diào)整該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥的合理施用，確實(shí)開(kāi)展測(cè)土配方施肥工作.

1 研究區(qū)概況

乳源瑤族自治縣位于廣東省北部、韶關(guān)市區(qū)西部31 km處，東鄰武江區(qū)，西連陽(yáng)山縣，南毗英德市，北與樂(lè)昌市接壤，西北角與湖南宜章縣相依.乳城鎮(zhèn)是乳源瑤族自治縣政府所在地，是全縣的工業(yè)重鎮(zhèn)、政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通樞紐中心.該鎮(zhèn)東臨武江區(qū)，西連東坪鎮(zhèn)，北與游溪、一六鎮(zhèn)交界，南鄰武江區(qū).國(guó)道323線(xiàn)、坪乳公路和京珠高速公路在鎮(zhèn)區(qū)交匯，素有乳源“東大門(mén)”之稱(chēng)，全鎮(zhèn)土地總面積209 km2，其中耕地面積351.3 hm2；下轄13個(gè)村委會(huì)和5個(gè)居委會(huì)，總戶(hù)數(shù)18 107戶(hù)，人口67 690人.該鎮(zhèn)地形西北高，東南低，大部分是海撥300 m以下的丘陵平原地帶，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候.林地面積3 550 hm2，森林覆蓋率為75.5%.

2 研究方法

2.1 研究方法

（1）地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法.地統(tǒng)計(jì)學(xué)是基于區(qū)域化變量理論、以半方差函數(shù)為基本分析工具的一種數(shù)學(xué)方法，已經(jīng)在土壤、環(huán)境等的時(shí)空變異分析及空間插值中得到了廣泛應(yīng)用［5］.

（2）GIS技術(shù).GIS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土壤特性空間變異、土地利用規(guī)劃、水文、地質(zhì)、氣象、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域.運(yùn)用GIS空間分析與制圖可以更加直觀地分析某一研究對(duì)象的空間格局.本研究利用ArcGIS平臺(tái)及其地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊分析乳源縣乳城鎮(zhèn)土壤有效磷的空間分布.

2.2 土壤樣點(diǎn)確定、采集與分析

2.2.1 土壤樣點(diǎn)的確定

針對(duì)乳源縣乳城鎮(zhèn)的地形地貌、土壤類(lèi)型、耕作制度、產(chǎn)量水平及土地利用現(xiàn)狀等因素，兼顧采樣點(diǎn)的代表性與均勻性，將乳城鎮(zhèn)劃分為若干個(gè)采樣區(qū)域.在各個(gè)區(qū)域中，根據(jù)種植制度、作物種類(lèi)及面積大小等因素確定各區(qū)域的布點(diǎn)數(shù)量，并標(biāo)注編號(hào).然后，根據(jù)室內(nèi)預(yù)定采樣點(diǎn)的位置，用GPS定位到實(shí)際田間地塊進(jìn)行取樣.本研究將樣點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高斯克里格投影、西安80坐標(biāo)系.采樣點(diǎn)的分布見(jiàn)圖2所示.

圖2 采樣點(diǎn)分布圖

2.2.2 土壤樣品的采集

土壤樣品采自采點(diǎn)處10 m×20 m長(zhǎng)方形4個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)，各取表層（耕層0～20 cm）土壤約1 kg，混勻后用4分法從中選取1 kg土壤作為代表該點(diǎn)的混合土樣.本次研究中，共采集土壤樣品280個(gè).

2.2.3 土壤樣品的分析

土壤樣品采集回來(lái)以后，將土樣進(jìn)行風(fēng)干處理并測(cè)定其有效磷含量.本研究采用“NaHCO3浸提——鉬銻鈧比色法”測(cè)定土壤中的有效磷含量.

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用ArcGIS的探索性空間數(shù)據(jù)分析(ESDA)中的直方圖和正態(tài)QQPlot圖來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布.利用ArcGIS中的地統(tǒng)計(jì)學(xué)半方差分析模塊提供的球狀、圓形、橢球、指數(shù)、高斯等多種模型分別對(duì)土壤有效磷進(jìn)行空間插值與誤差分析，最終以平均誤差(ME)的絕對(duì)值最接近于0、均方根誤差(RMSE)越小、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差(ASE)與均方根誤差(RMSE)最接近、均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差(RMSSE)最接近于1等四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定適宜的半方差模型，借助克里格插值方法，在ArcGIS中對(duì)未采樣區(qū)域進(jìn)行空間預(yù)測(cè)，生成空間插值圖.

3 結(jié)果分析

3.1 土壤有效磷的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

根據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析表顯示，研究區(qū)有效磷的平均值為23.79 mg·kg-1，變化范圍為0.74～98.55 mg·kg-1，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，有效磷分布并不均勻，變幅很大.大部分土壤有效磷在平均值23.79 mg·kg-1以下，約占64.07%，換言之有64.07%的土地土壤有效磷在平均水平以下.

通常，有效磷小于5 mg·kg-1時(shí)，表明土壤嚴(yán)重缺磷，已經(jīng)成為作物生長(zhǎng)的限制因子；小于10 mg·kg-1時(shí)，土壤磷供應(yīng)不足；而達(dá)到20 mg·kg-1時(shí)，可以滿(mǎn)足大多數(shù)作物高產(chǎn)的要求［5］.統(tǒng)計(jì)表明，土壤中小于5 mg·kg-1的樣點(diǎn)占總樣品的3.83%，小于10 mg·kg-1的樣點(diǎn)占5.92%，大于20 mg·kg-1的樣點(diǎn)占52.96%，說(shuō)明研究區(qū)有一半?yún)^(qū)域的有效磷含量豐富，而仍有一半?yún)^(qū)域的有效磷含量不足，說(shuō)明研究區(qū)域仍需增施磷肥.

變異系數(shù)反映了有效磷變異程度，通常認(rèn)為變異系數(shù)CV<10%時(shí)為弱變異，10%

表1研究區(qū)土壤有效磷含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析和正態(tài)分布檢驗(yàn)

3.2 土壤有效磷空間變異的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

3.2.1 數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)

地統(tǒng)計(jì)學(xué)要求樣本能夠符合正態(tài)分布，才能得到較好的結(jié)果.通過(guò)直方圖和Normal QQPlot圖對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行ESDA分析.從直方圖可以直觀地看出有數(shù)據(jù)符合何種分布.Normal QQPlot圖通過(guò)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖與正態(tài)圖中單變量整體分布的點(diǎn)比較，數(shù)據(jù)對(duì)稱(chēng)說(shuō)明與直線(xiàn)吻合比較好，符合正態(tài)分布，反之則不符合.通過(guò)直方圖和Normal QQPlot圖可分析數(shù)據(jù)的分布效果從圖中可看到，本研究中有效磷數(shù)據(jù)的直方圖近似鐘形曲線(xiàn)，其N(xiāo)ormal QQPlot圖中的數(shù)據(jù)與直線(xiàn)吻合較好，故本研究中有效磷數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布.

圖3 有效磷的直方圖

圖4 有效磷的NormalQQPlot分布圖

3.2.2半方差函數(shù)擬合

通過(guò)半方差函數(shù)模型，對(duì)比球狀、圓形、橢球、指數(shù)、高斯等多種模型的平均誤差、均方根誤差、平均標(biāo)準(zhǔn)誤差、均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差，最終選擇高斯模型作為半方差函數(shù)，其中平均誤差為0.076 04，均方根誤差為16.28，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為18.56，均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差0.894，半方差模型參數(shù)見(jiàn)表2所示.該模型表明，有效磷在空間上存在塊金值，說(shuō)明土壤的有效磷受到耕作、施肥、管理水平等隨機(jī)因素影響；有效磷的C0/（C0+ C）比值為69.14%，屬于中等空間相關(guān)，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)土壤有效磷受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素的共同影響.由于施肥、田間管理等人為活動(dòng)對(duì)土壤中有效磷養(yǎng)分的含量影響很大，而不同農(nóng)戶(hù)有不同的施肥習(xí)慣和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤中有效磷的空間變異程度增加.

圖5 有效磷半方差圖

表2土壤有效磷養(yǎng)分空間變異參數(shù)

圖6 乳城鎮(zhèn)有效磷插值分布圖

3.2.3 土壤有效磷空間插值

在半方差函數(shù)理論模型的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS9.2的地統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)土壤有效磷進(jìn)行普通克里格插值，繪制土壤有效磷的空間分布圖，詳見(jiàn)圖6所示.從擬合的成果圖可以看出，乳城鎮(zhèn)的土壤有效磷空間變異存在“東低西高”的特征，西部含量高于東部，而中間最高區(qū)位位于中北部，接近鎮(zhèn)中心.

按土壤有效磷含量豐缺程度分級(jí)，面積最多的是20～40 mg·kg-1，占總面積69%；其次是10～20 mg·kg-1，占總面積25%；5～10 mg·kg-1和大于40 mg·kg-1面積較少，各占總面積3%.總體上乳城鎮(zhèn)土壤磷含量處于中等水平，大部分區(qū)域能夠達(dá)到20 mg/ kg，可以滿(mǎn)足大多數(shù)作物高產(chǎn)的要求.但空間上變異較大，西部區(qū)域有效磷偏高，而東部區(qū)域土壤磷不足，需要結(jié)合各區(qū)域所種的作物的不同特點(diǎn)，有針對(duì)性地施用磷肥，以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，同時(shí)提高磷肥的利用效率.

4 施肥建議

研究結(jié)果表明，乳城鎮(zhèn)耕地土壤有效磷的含量在空間上存在較大差異.西部區(qū)域有效磷含量普遍較高，處于豐富程度，因此在這一區(qū)域進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)要控制磷肥的施用.施用過(guò)多的磷肥會(huì)造成磷素在土壤中的大量累積，既造成了磷肥資源的浪費(fèi)，也必然導(dǎo)致農(nóng)田徑流中磷濃度的增加，加速了水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程.東部區(qū)域土壤的有效磷含量絕大部分小于20 mg·kg-1，基本不能滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)發(fā)育的需求，因此該區(qū)域在施肥時(shí)應(yīng)注重配施一定數(shù)量的磷肥，做到平衡施肥，提高肥料的利用率.

此外，還應(yīng)在掌握土壤供肥情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體地塊所種植作物的需肥特點(diǎn)和臨界值以及肥料釋放規(guī)律，確定磷肥的合理施用量及與其他肥料配合的科學(xué)比例，真正做到土壤的可持續(xù)利用，實(shí)現(xiàn)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，節(jié)約肥料保護(hù)環(huán)境，降低過(guò)多磷素對(duì)環(huán)境的污染.

［1］徐敬敬.基于GIS的崇明土壤養(yǎng)分空間變異及肥力綜合評(píng)價(jià)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

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Spatial variability aanlysis of soil available phosphorus based on geostatistics——A case study of Rucheng town of Ruyuan country in Guangdong Province

LIN Chang-hua,LI Jie-li
（Yingdong College of Agricultuval Science and Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The paper analyzed the spatial distribution of the soil available phosphorus content in Rucheng by soil sampling and geostatistics,based on research achievements of domestic and foreign scholars.The result showed that the west in the spatial distribution of the available phosphorus content is higher than the east and the area from 20 to 40 mg·kg-1is the most widely distributed,accounted for about 69%of the total area.On this basis,this paper put forward suggestions for the reasonable use of phosphate fertilizer.

soil available phosphorus;spatial variation;geostatistics;Rucheng town

S151.9*5

：A

：1007-5348（2014）10-0056-05

（責(zé)任編輯：邵曉軍）

2014-06-21

2010年韶關(guān)學(xué)院香港銘源基金項(xiàng)目.

林昌華（1976-），男，廣東韶關(guān)人，韶關(guān)學(xué)院英東農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，博士研究生，主要從事土壤、植物營(yíng)養(yǎng)與施肥研究.