基于ArcGIS地统计分析模块的土壤养分与pH值空间变异分析——以云南省寻甸县为例

齐伟恒， 彭 琳， 郜鲁涛， 叶 丹

(云南农业大学大数据学院/云南省高校农业信息技术重点实验室，云南昆明 650201)

随着自然因素和人为因素的不断影响，土壤空间变异不断扩大。近年来农业的快速发展和农业污染不断加剧使土壤空间变异研究得到重视，并逐渐成为土壤科学研究的热点之一[1]。了解土壤养分空间变异，掌握土壤养分的空间分布，对农田土壤养分管理、作物种植指导与合理施肥具有重要作用，同时是推进精准农业的前提和基础，是实现农业可持续发展的必然要求[1]。

统计学应用于土壤科学研究在20世纪70年代就已经开始了，特别是地理信息技术快速发展和地统计学的结合，使得近些年国内很多学者对土壤空间变异分析做了大量研究，但也存在一些问题。例如，杨东等研究的基于地理信息系统(geographic information system，简称GIS)和地统计学的张掖市甘州区土壤全氮、有机质的空间变异特征分析，主要是对土壤的全氮和有机质进行空间变异分析，没有考虑其他的土壤养分空间变异[2]。刘晓林等基于地统计分析模块的土壤养分空间变异分析，针对不同土壤养分空间变异进行研究，缺少考虑pH值对土壤养分空间变异的影响[1]。研究地统计分析时很少会有作者结合当地实际作物产量进行研究与分析。因此，本研究对土壤养分和pH值进行综合空间变异研究的同时结合寻甸回族彝族自治县作物近10年产量进行分析，为农业种植提供施肥建议。

云南省昆明市寻甸回族彝族自治县是一个传统的农业大县，是云南省第一批高原特色农业示范县。然而不断的农业开发、滥用化肥、缺乏对土壤养分状况的了解，不仅使化肥利用率降低，而且会加重农民的经济负担，同时还会造成严重的土地污染，使当地农业的可持续发展面临严峻挑战。一直以来，对云南省寻甸回族彝族自治县土壤养分空间变异的研究很少，所以本研究以寻甸回族彝族自治县为例，利用ArcGIS 10.2地统计分析模块，选择土壤有效磷含量、速效钾含量、有机质含量、全氮含量和pH值对其空间变异进行研究，了解寻甸回族彝族自治县4种土壤养分和pH值空间变异规律，帮助农民科学了解土壤养分情况，达到精准施肥、提高肥料利用率的目标，为寻甸回族彝族自治县的土壤养分合理利用与管理提供有效的帮助。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

云南省昆明市寻甸回族彝族自治县地处云南省东北部，位于102°41′～103°33′E、25°20′～26°01′N之间，总面积为359 800 km2，全县共13个乡镇，常驻人口约45.7万人。云南省寻甸回族彝族自治县地形错综复杂，有高山、丘陵、坝子、坡地等多种地形地貌。县内最高海拔为3 294 m，最低海拔为 1 480 m，冬季无严寒，夏季无酷暑，冬春日照充足，气候温暖，干旱少雨；夏秋多雨，凉爽潮湿。年平均降水量为1 045 mm，年平均温度为14.5 ℃，无霜期229 d，属北亚热带季风气候。全县耕地面积为3 500 km2，主要种植玉米、水稻、马铃薯、烟草等，是云南省重要的粮食生产基地。

1.2 数据来源

本研究数据为云南省测土施肥工程项目测得数据。在寻甸回族彝族自治县选取具有代表性的地方，利用全球定位系统(global position system，简称GPS)定位技术记录采样点的坐标。划定采样单元，一般5～10 km2为1个单元进行采样，去掉土壤的表层覆盖物，按标准规定进行均匀取土，水田约占20%，旱地约占60%，水浇地约占20%。经过处理检测与分析，用半微量开式法测全氮含量，重铬酸钾外加热法测定有机质含量，用抗比色法测定有效磷含量，速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，pH值测定采用计电位法[2-3]，得到 1 147 个土壤采样点的数据。整理采样点数据选取采样数据中的有效磷含量、速效钾含量、有机质含量、全氮含量、pH值进行空间变异分析。

1.3 数据处理与分析方法

利用采样点的经纬度坐标，将整理好的采样数据导入ARCMap软件中，将采样点转化为以米(m)为单位的平面坐标系，同时将寻甸回族彝族自治县的边界线进行叠加，形成如图1所示的寻甸回族彝族自治县采样点分布图。在采样得到的数据点中会出现一些离群值，可能很高也可能很低，可能是采点过程中出现的一些错误操作造成的。所以使用ArcGIS中的地统计分析模块用半变异/协方差和直方图找出采样数据中的离群值。若样本平均值用a表示，标准差用s表示，离群值用c表示，当c>a+3s时用a+3s代替c；当c

2 结果与分析

2.1 土壤养分和pH值的统计特征分析

为研究土壤养分和pH值的变异情况，选取中值、平均值等指标，采用统计学方法对寻甸回族彝族自治县土壤有机质、有效磷、速效钾、全氮4种土壤养分数据和pH值进行描述和分析。变异系数大小表示各土壤养分之间的变异程度。从表1可以看出，寻甸回族彝族自治县土壤4种养分和pH值变异系数变化较大。变异系数的等级一般划分为：当变异系数<10%时为弱变异情况，当10%≤变异系数≤100%时为中等变异情况，当变异系数>100%时为强变异情况[1，4-5]。pH值变异系数最低，接近于弱变异。4种养分变异系数在64%～79%之间，均为中等变异。其中有机质变异系数最高，这可能与寻甸回族彝族自治县土壤的成土母质有关；有效磷的变异系数为75.590%，比有机质略低一些，变异系数较高可能受当地的施肥和耕作方法影响，但更多是受成土母质的影响。

研究地统计学的前提是样本要服从正态分布，在进行半变异分析之前对数据进行检验。利用SPSS 19.0对土壤养分数据进行正态分布检验[6]。从表1可以看出，全氮含量服从正态分布，有效磷含量、速效钾含量、有机质含量、pH值显示出一定的偏态效应，经过对数转换呈现正态分布，可进行地统计学研究。

表1 寻甸回族彝族自治县土壤养分特征统计

2.2 土壤养分和pH值的空间变异特征分析

ArcGIS地统计分析模块中的模型有很多种，如高斯模型、指数模型等。通过拟合参数比较选择适合的理论模型。拟合参数的选择一般包括均方根、平均预测标准差、标准化均方根、均值、标准化均值。根据模型的判断标准：标准均方根预测误差越接近于1，预测误差的均值越接近于0，其他值越小时，其模型拟合效果越好[1，7-8]。以pH值为例进行拟合参数，选择适合的模型，表2为pH值的模型拟合参数。可以看出，pH值拟合效果较好的是高斯模型。依据同样的标准，对其他的养分数据进行拟合，得到各养分最佳模型，如表3所示。块金值(C0)通常表示由测量误差和小于最小取样尺度引起的随机变异；基台值(C0+C)表示系统内的总变异，包括结构性变异和随机性变异；偏基台值(G)表示基台值与块金值的差值；块金系数[C0/(C0+C)]，别称基底效应，表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例，当块金系数小于25%，说明系统具有强烈的相关性，当块金系数大于75%，说明系统空间相关性很弱[1，9-11]。从表3可以看出，有效磷的块金系数较大，表明有效磷空间相关性很弱，主要是随机性因子影响造成的块金系数较大。pH值、有机质、全氮、速效钾变异范围在25%～75%之间，具有中等程度的空间相关性，表明它们受地形、气候、土壤等结构性因素和人为施肥、耕作等随机性因素共同影响[4]。

图2是pH值及4种养分对应各自模型的半变异函数散点图，其中横坐标是分离距离，纵坐标是半变异函数值。

表2 pH值不同模型拟合参数结果

表3 不同模型拟合与检验参数

2.3 土壤养分和pH值的空间分布格局

寻甸回族彝族自治县土壤的养分受成土母质、气候、人为因素等影响会产生差异。由图3可以看出，寻甸回族彝族自治县全氮含量主要集中在0.27～3.85 g/kg，分布相对不是很均匀，主要是因为在农业生产中氮肥的不合理使用，造成土壤中氮含量分布不均；有效磷含量集中在15.00～85.00 mg/kg，有由东向西逐渐增多的趋势；速效钾含量主要集中在 60.00～380.00 mg/kg，大部分地区含量相对较高，可以根据实际情况适当施用钾肥。有机质含量主要集中在6.00～80.00 g/kg，寻甸回族彝族自治县在农业生产中大量施用有机肥料，不断增加土壤中的有机质含量，保证土壤中有机质的丰富度。寻甸回族彝族自治县pH值主要集中在4.7～6.7之间，土壤大部分呈现弱酸性，在种植作物时要考虑作物适宜的酸碱度，种植适宜酸性土壤生长的作物，也可以施用石灰来调节土壤酸碱度。

2.4 土壤养分与当地主要种植作物的关系

寻甸回族彝族自治县不仅是云南省高院特色农业示范县，而且也是昆曲绿色经济示范带县区，2012年农业总产值 131 931 万元，占农林牧渔业总产值的45%左右，在第一产业的发展中占有很大比例。寻甸回族彝族自治县农产品主要有玉米、小麦、稻谷、马铃薯等，图4是近些年来寻甸回族彝族自治县农产品产量和以马铃薯为例的马铃薯产量折线图。粮食总量从1999年到2012年整体呈增长趋势，同样马铃薯在十几年间产量也是增长趋势[12]。马铃薯是典型的喜钾作物，需氮肥次之，需磷肥较少，一般生产15 000 kg/hm2马铃薯需从土壤中吸收氮82.5 kg，五氧化二磷33 kg，氧化钾153 kg。农户种植马铃薯时须要根据地块肥力特性在马铃薯生长的不同时期施用合理的氮、磷、钾肥。寻甸回族彝族自治县土壤pH值基本满足马铃薯的正常生长发育需要，当pH值在 5.0～5.5时最适宜马铃薯生长，当pH值低于4.8时会影响马铃薯的生长发育，寻甸回族彝族自治县中部部分地区不适宜马铃薯种植。因此，要因地制宜地种植马铃薯，避免盲目种植，盲目施肥[13-14]。玉米生长对土壤要求不是十分苛刻，一般高产玉米田，耕层有机质含量在1.0%～1.5%之间，全氮含量为 0.7 g/kg，有效磷含量约为15～85 mg/kg，速效钾含量为 150 mg/kg，pH值一般在5～8之间。从实际情况可以看出，寻甸回族彝族自治县在种植玉米时须要大量施用氮肥，大部分地区都可以满足玉米生长所需要的磷肥，在北部地区种植玉米时须要施用一定量的钾肥，须要大量施用有机质肥，不仅可以保证玉米不脱肥、不早衰，而且还可以获得玉米高产。寻甸回族彝族自治县北部和中部部分地区由于土壤酸性比较强，所以不适合玉米种植，弱酸地区可以施用适量石灰中和酸性，保证玉米最优产量[15-17]。

3 结论与讨论

目前，土壤养分空间变异分析研究采用GIS和地统计学相结合的方法进行。通过土壤样本采样与分析，测定不同成分的含量，利用地统计分析模块进行空间变异分析。但一般研究只是考虑1种或2种土壤养分[1-2]，研究样本单一，更不会考虑pH值并结合当地作物产量进行研究。

本研究以云南省寻甸回族彝族自治县为例，利用ArcGIS地统计分析功能研究寻甸回族彝族自治县土壤有机质含量、全氮含量、速效钾含量、有效磷含量和pH值的空间变异情况，4种养分和pH值均为中等变异，其中pH值变异稍弱。经过半变异函数的参数拟合，得到有效磷含量、速效钾含量和pH值为高斯模型，全氮含量和有机质含量为指数模型。pH值、有机质含量、全氮含量、速效钾含量是中等空间相关性，主要是受结构性因素和人为影响造成的，有效磷含量呈弱相关性，受随机因素影响较大，在今后的土地利用中要加强用养结合，科学施用化肥。通过结合寻甸回族彝族自治县近些年粮食总产量以及玉米、马铃薯几种主要粮食作物产量，进一步分析了玉米、马铃薯不同作物需肥量及生长在不同酸碱度土地的适宜情况。寻甸回族彝族自治县大部分地区的pH值适合马铃薯和玉米生长，同时大部分地区满足马铃薯和玉米生长的需肥量，少部分地区可根据情况改善土壤酸碱度和施用少量化肥来满足玉米和马铃薯的种植。本研究能为寻甸回族彝族自治县农户的种植提供一定的建议。