堆龙德庆县农田土壤养分空间变异研究

胡 俊

(拉萨市农业技术推广总站·西藏拉萨·850000)

堆龙德庆县农田土壤养分空间变异研究

胡 俊*

(拉萨市农业技术推广总站·西藏拉萨·850000)

为推进西藏测土配方施肥工作深入开展,提升农民施肥技术,以堆龙德庆县为例,采用GIS和地统计学相结合的方法,对其土壤养分的空间变异及分布特征进行了分析。研究结果表明,土壤有机质含量的空间变异函数为高斯模型,全氮、有效磷和速效钾均为球状模型,PH为指数模型。所有指标具有中等的空间相关性,说明其受结构因素和随机因素共同影响。Kriging插值图较为直观地描述了堆龙德庆县土壤养分的空间分布规律,并且与目前农民的施肥习惯、耕作制度等因素高度相符。

空间分析 GIS 地统计学 Kriging 土壤养分

土壤具有不均一变化特性和高度的空间变异性,对土壤空间变异量化过程的研究具有重要意义[1]。地统计学已经被证明是分析土壤特性空间分布特征及其变异规律的最为有效的方法之一[2]。我国相关科研部门从20世纪80年代以来,运用地统计学结合GIS方法对农田土壤养分空间变异特性进行了研究和应用。经过研究表明:与经典统计学相比,地统计学能更好地揭示随机变量在空间上的分布、变异和相关特性[3]。西藏自治区从2006年开始测土配方施肥项目,进行了大量的野外土样采集和化验工作,掌握了大量的一手资料。本文拟采用堆龙德庆县测土配方数据库土样化验数据,运用GIS软件平台和地统计学对土壤养分进行空间变异分析,有利于深刻认识农业生产的复杂性和时空变异性,有利于构建循环高效的农田生产系统,推动农业的健康、可持续发展[4]。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

堆龙德庆县位于西藏自治区中南部,拉萨市的西北边缘,其地理位置为北纬29°26'～30°39',东经90°10'～90°27'之间,总土地面积2672.3平方公里。堆龙德庆县全境均属高原温带半干旱气候区,多年平均日照时数3000小时以上,全年太阳辐射总量186千卡/厘米2,日照百分率为68%。年平均气温7.5℃,六月最高气温15.4℃,一月平均最低气温-2.3℃,≥10℃积温2124.3℃,年降水量444.8毫米,降水非常集中,水热同期。年平均相对湿度45%,年蒸发量为降水量的5倍。种植业较单一,以春青稞和冬小麦为主,一年一熟制。

1.2 土壤采集和测定

按照农业部《测土配方技术规范》关于采样单元的规定,按照100亩为一个采样单位的原则,将堆龙德庆县8.27万亩耕地划分为827个采样单元,在全县范围内共采集混合土样827个,采样深度为0—20cm,并用GPS定位。土壤测定项目包括:有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾、水溶态硼、PH。测试方法如下:PH用电位法、有机质用重铬酸钾-硫酸溶液-油浴法、有效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法、碱解氮用扩散法、全氮用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法、全钾用氢氧化钠熔融-火焰光度法、水溶态硼用姜黄素比色法。在Arcgis中导入采样点坐标,生成采样点分布图如下:

1.3 研究方法

1.3.1 描述性统计。

运用SPSS17.0软件,对有机质、全氮、有效磷、速效钾及PH进行描述性统计,掌握数据的基本特征。

1.3.2 正态性检验。

运用SPSS17.0非参数检验K-S检验,结合Arcgis地统计分析模块中的Explore Date中的Histogram、Normal QQPlot及半方差/协方差云图对数据进行正态性判断。通过检验,所有指标均符合正态分布。

1.3.3 地统计分析。

运用Arcgis9.3中的地统计分析模块,选择合适的模型,拟合半方差函数,求得相关参数。采用Kriging插值法对县域内所有指标进行插值,得到养分含量分布图。

2 结果分析

2.1 土壤养分描述性统计分析

运用传统统计方法,对堆龙德庆县农田土壤养分进行描述性统计,其统计特征值结果见表1。土壤有机质和全氮平均值为23.62和1.45g/kg,变程为3.5-58.4、0.12-3.27g/kg;有效磷和速效救平均含量为10.6、69.63mg/kg,变程为1.8-106.6、20-187.0mg/kg;PH平均7.35,变程5.6-8.7。按照标准(CV＜10%为弱变异性,10%≤CV≤30%为中等变异性,CV＞30%为强变异性[7]),堆龙德庆县农田土壤的PH为弱变异,有机质和全氮含量为中等变异,有效磷和速效钾含量为强变异。其中尤以速效磷的变异程度最大,达到78%。

表1 堆龙德庆县农田土壤养分描述性统计特征值

2.2 土壤养分空间变异特征

块金效应值可以反映土壤养分的空间相关程度。土壤养分空间变异是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果[3]。块金效应值表达式[C0/(C0+C)],其中C0为块金值,表示由试验误差和小于实际取样尺度引起的变异,表示随机部分的空间异质性;(C0+C)为基台值,表示系统内的总变异;块金效应值即块金值与基台值的比值,表示随机部分引起的空间变异占总变异的比例。若块金效应值大,说明随机部分引起的空间异质性程度高,而结构性因素作用小;相反,若块金效应值小,说明随机部分引起的空间异质性程度低,而结构性因素作用大。在实际工作中,若块金系数＜25%,则认为具有强烈的空间相关性;若块金系数在25%-75%,则认为有中等的空间相关性;若＞75%,则认为空间相关性很弱[8]。

图1 有机质半方差图

图2 全氮半方差图

图3 有效磷半方差图

图4 速效钾半方差图

图5 PH半方差图

拟合最佳模型,首先用Geostatistical Analysis模块进行分析,得到各种模型拟合的各种参数值,在众多模型参数中选取Mean参数最接近零,Root-Mean-square参数和Average standard Error参数最小,Root -Mean-Square-standardized参数最接近1的模型类型,最后确定此模型即为最佳拟合模型。堆龙德庆县土壤有机质用高斯模型拟合,全氮、有效磷、速效钾用球状模型拟合,PH用指数模型拟合。见图1-5,其拟合模型和相关参数见表2。

有机质、全氮、有效磷、速效钾、PH的块金效应值均在27%-75%之间,具有中等的空间相关性,说明其变异受结构因素和施肥、田间管理等随机因素的共同影响。空间自相关性总的情况是:全氮＞有机质＞PH＞速效钾＞有效磷。有效磷的块金效应值最大,为68.67%,说明人为活动对有效磷的影响较大,削弱了结构性因素造成的强的空间自相关作用。变程的大小为PH＞速效钾＞有机质＞全氮＞有效磷,表明PH空间自相关距离最短,有效磷空间自相关距离最长。

表2 堆龙德庆县土壤养分理论模型和相关参数

2.3 土壤养分空间分布

图6-8是堆龙德庆县土壤养分含量的空间布局插值图,显示了不同级别养分含量的分布状况。从中可以直观地看出,土壤有机质和全氮含量的空间分布规律相似,其高值中心出现在北部和中西部地区,低值中心出现在中东部地区。这种分布一方面说明有机质与全氮含量相关程度较高;另一方面与农民施肥习惯相符,北部和中西部地区的农区畜牧业比重比中东部地区高,有机肥质量和施用量普遍比中东部地区高,由于长期施用大量的优质有机肥,造成土壤有机质和全氮含量普遍高于中东部地区的分布格局。有效磷的高值分布于东南部地区,低值区为中部和北部地区,这与东南部农区农民喜欢施用高磷二元复合肥磷酸二铵有关系,与实际相吻合。速效钾的高值区分布在中北部地区,低值区分布在中南部地区,这与该县的种植制度和施肥习惯紧密相关,一方面堆龙德庆县长期以来不施用钾肥,只施用氮肥和磷肥;另一方面中北部地区长期以来只种植春青稞(生育期为120天左右),中南部地区不仅种植春青稞,还种植大面积的冬小麦(生育期为300天左右),由于耕作制度的差异,显然中南部地区耗钾量比中北部地区大,而钾肥有没有得到及时补充,造成了目前北高南低的分布格局。PH总的分布规律是北高南低,南部也出现两个高值带,其与气候条件、施肥习惯、耕作制度、田间灌溉等因素关系复杂,有待进一步分析。

3 结论

通过对堆龙德庆县土壤养分空间变异及分布特征的研究,得出主要结论如下:

3.1 从经典统计学分析结果来看,堆龙德庆县农田土壤的PH为弱变异,有机质和全氮含量为中等变异,有效磷和速效钾含量为强变异。其中尤以速效磷的变异程度最大,达到78%。

3.2 地统计学分析结果表明,堆龙德庆县农田土壤有机质适合高斯模型、全氮、有效磷、速效钾适合球状模型、PH适合指数模型所有指标的块金效应值均在27%-75%之间,具有中等的空间相关性,说明其变异受结构因素和随机因素的共同影响。

3.3 Kriging插值图直观地描述了堆龙德庆县土壤养分的分布格局。总的来看,土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾及PH都呈现出一定的规律性分布,并且与目前农民的施肥习惯、耕作制度等因素高度相符。

[1]张敏.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异研究.河南农业大学硕士学位论文,2010:1.

[2]郭旭东,傅伯杰,马克明.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究[J].应用学报,2000.11 (4):557-563.

[3]杨忠华,刘芳,赵泽英,冯延玺.基于GIS和地统计学的农田土壤养分空间变异性研究.贵州农业科学,2009,37(9):120-123.

[4]杨玉建.农田土壤速效钾含量的空间变异研究[C].农业信息技术应用研究和科学发展研讨会文集. 2008(7):54-58.

[5]王绍强,朱松丽,周成虎.中国土壤土层厚度的空间变异特征[J].地理研究,2001,20(2):161-169.

[6]李海滨,林忠辉,刘苏峡.Kriging法在区域土壤水分估值中的应用[J].地理研究,200 1,20(4):446-452.

[7]薛正平,杨星卫,段项锁等.土壤养分空间变异及合理取样数研究[J].农业工程学报,2002,(4):6-9.

[8]史利江,郑丽波,柳云龙.农田土壤养分空间变异特征研究[J].河南农业大学学报,2009,42(1):51-56.

Study on spatial variability of soil nutrients in Duilongdeqing county

Hu jun
(Lhasa City Agricultural Technology Extension Station 850000)

To promote Tibetan soil testing and fertilizer work in depth,fertilization technology to enhance farmers to Duilongdeqin County as an example,the use of GIS and geostatistics method of combining its spatial variability and distribution of soil nutrients were analyzed.The results showed that the spatial variability of soil organic matter content as a function of the Gaussian model,total nitrogen,phosphorus and potassium are spherical model,PH for the exponential model.All indicators with moderate spatial correlation,indicating that structural factors and random factors affected by both.Kriging interpolation maps more intuitive description of the distribution Duilongdeqin County soil nutrients in space,and with the current farmers'fertilizer habits,and other factors cropping system highly consistent.

spatial analysis;GIS;geostatistics;Kriging;soil nutrient

胡俊(1978-),男,高级农艺师。主要从事农业科研与技术推广工作。项目来源:西藏测土配方施肥项目。