基于GIS的秦安县土壤养分空间变异特征研究

姬宏 杜芳芳

摘   要：借助地统计学和GIS相结合的方法，研究了秦安县土壤养分中的有机质、全氮、有效磷、缓效钾、速效钾的空间变异特征。结果表明：①土壤各养分项目的变异系数都在0.1～1，为中等变异，其中变异系数最大的是有效磷，为51.21%。②有机质、速效钾、缓效钾的空间变异都为中等相关性，空间相关性依次减弱，其中最弱的是有效磷，为75.26%。③有机质含量较高的乡镇是西川镇、中山乡、王尹乡、云山乡;缓效钾和缓效钾含量较高的乡镇是安伏乡、叶堡乡、郭嘉镇、王甫乡。

关键词：GIS;秦安县;土壤养分;空间变异;特征

土壤是覆盖于地球表面连续变化的疏松层，土壤生成过程中受到外部和自身内部因素的影响，其中自然属性变异中最为重要的是空间变异性。空间变异性主要受内外部因素的影响，外部因素一般有人类种植活动、人为施肥、种植措施、种植制度等;内部因素是指是受到自然环境的影响，主要包括土壤母质、降水、地形、气候等[1]。近年来，为了提高粮食生产量，人们盲目过度施肥，导致肥料消耗增加，但利用率却很低，造成土壤层的破坏和环境的污染。

以往对土壤养分变异性的研究都是基于传统的统计学，只对空间变量进行定性描述，由于土壤具有变异性，要求对其进行定量研究。在对土壤养分项目的属性进行管理时，地统计学很难对数据进行管理，所以需要利用GIS来实现对土壤属性的管理。以往研究显示，施肥对粮食增产的贡献率达到50%以上，我国长期存在非精准施肥，使得施肥的效果降低，且植物未能吸收的剩余肥料导致生态环境污染严重，水体富营养化，严重时使土壤板结，土壤肥力越来越低。分析区域土壤变异特征和分布特征，对促进农业长远可持续发展至关重要。本文对秦安县土壤特性的研究，旨在合理规划管理区域养分、对耕地进行正确施肥培肥，从而提高肥料利用率，提高粮食产量。

1   数据与方法

1.1   研究区概况

秦安县位于甘肃省东南部、天水市北部，北纬34°51′、东经105°40′，下辖17个乡镇，东西长约65 km，南北宽约50 km，总面积1 601 km2;秦安县属于温和半湿润季风气候，气候较温和，降水较少，大陆性季风气候显著，年均日照时数2 206.7 h，年平均温度10.4 ℃，降水和蒸发量差别较小;地貌以丘陵为主，土壤类型主要是黄绵土，由于不良耕作方式的影响，土壤肥力一般较低。最低海拔148 m、最高海拔4 500 m，相差较大[2]。图1为研究区行政区划图。

1.2   数据来源

该土壤农化样点数据来源于2012年测土配方施肥项目，土壤农化样点分布如图2所示。经过专业人员对所采集的土壤样品進行风干，磨碎过筛，在实验室进行测定。

1.3   研究方法

由于土壤本身是一个连续变化的复杂自然体，传统的统计学很难准确表达其空间变异性。本文应用地统计学研究方法，定量描述其空间变化规律，该理论主要基于半方差和空间插值来完成。

1.3.1   半方差函数

半方差用于研究对象空间相关性，又称为半变异函数，主要是在一维条件下，当空间采样点X在一维轴X轴上变化时，区域变量Z（x）在点X和X+h处的值为Z（x）与Z（x+h）差的1/2，定义为区域变量Z（x）在X轴上的变异函数，记为r（x，h），如公式1所示，即半变异函数r（h）的估量为公式2。

受到采样误差和空间变异等因素的影响，使得2个采样点非常接近时，变异函数值不为0，即存在块金值（Co），当其值小于25%，空间相关性最强;当其值处于25%～75%，空间相关性中等;大于75%系统空间相关性较弱。

1.3.2   空间插值法

空间插值主要是运用区域化变量的初始数据和变异函数的结构特征，对没有采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计。

在进行空间插值时，首先对采集的数据进行正态分布验证，对异群值的非正态分布的数据进行变换，使数据呈基本的正态分布，然后选择插值模型，在选择模型时按照标准平均值最接近于0、均方根预测误差最小、平均标准误差接近于均方根预测误差、标准均方根最接近于1的原则并借助于拟合曲线进行[3]。

2   结果与分析

2.1   土壤养分基本统计特征

通过直方图统计（表1）分析可知，秦安县土壤养分基本特征为：土壤中有机质含量在2.7～26.5 g/kg，平均含量为11.835 g/kg;土壤全氮含量在0.17～1.38 g/kg，平均含量为0.71 g/kg;有效磷含量在1～72.1 mg/kg，平均含量为11.30 mg/kg;土壤缓效钾含量在234～2 130 mg/kg，平均含量为1 103.7 mg/kg;土壤速效钾含量在52～498 mg/kg，平均含量为202.33 mg/kg。根据农业土壤养分分级标准（表2）可知，泰安县土壤中有机质含量低，属于4级;全氮含量也较为低，属于5级;有效磷含量较低，属于3级;缓效钾和速效钾的含量都很高，属于1级。

变异系数（C.V.）表示土壤特性空间变异性的大小，变异系数C.V.≤0.1时为弱变异性，0.1

2.2   土壤养分的空间结构特征

2.2.1   最优模型选择

对土壤中有机质、全氮、有效磷、缓效钾、速效钾养分分别用不同模型进行拟合参数的比较选择最优模型，以速效钾养分项目为例，通过对表3养分项目模型拟合参数分析可看出，拟合模型较好的是三角函数。表4是其各养分要素的最优模型，有机质的最优模型为球面模型，速效钾和缓效钾的最优模型均为三角函数，全氮和有效磷的模型均为指数模型。

2.2.2   土壤养分的空间变异结构分析

块金值与基台值的比称为基底效应，表示样本间的变异程度，其值越大，表示样本间的变异更多的是由随机因素引起的，该值小于25%，空间相关性最强;25%～75%处于中等空间相关性;大于75%系统空间相关性最弱。从表5可以看出，有机质、速效钾、缓效钾、全氮都为中等相关性，且空间相关性依次变弱，其中有效磷空间相关性最弱，为75.26%。

偏基台值和基台值的比值所反映的是土壤空间相关性的强弱，该值越大，空间相关性越强。空间相关性最强的是有机质，为58.56%，进一步表明有机质的空间变异是由于结构性因素的差异引起的。空间相关性最弱的是有效磷，为24.74%，其是由于受到随机因素而引起的，与空间变异性结果一致。

2.3   土壤养分的空间分布

本研究通过空间插值和分级得到各养分的空间分布，可以看出，土壤中有机质和全氮含量的分布趋势基本相似，其是由于土壤中有机质本身和全氮含量密切相关。有机质含量较高的乡镇有西川镇、中山乡、王尹乡、云山乡;有效磷主要分布在刘坪乡、叶堡乡、兴国镇;缓效钾的含量较高，主要分布在西北部，主要乡镇有安伏乡、郭嘉镇、王甫乡;速效钾的含量也较高，主要分布在中部，分布的乡镇有叶堡乡、郭嘉镇、西川镇。总体土壤养分各项目的分布没有明显的特征，主要受到该研究区地形地貌分的影响，由于该地区地形起伏不平、山川沟壑，而土壤各养分项目的含量中有机质含量较低，缓效钾、速效钾含量较高，受到土壤母质、人为施肥、种植制度等各因素的影响;该地区土壤类型是黄绵土，所以土壤腐殖质低、肥力低。研究表明，土壤养分的分布受到地形的影响，而土壤养分含量的丰缺主要跟土壤类型相关。

3   结论

通过对秦安县0～20 cm耕层土壤养分空间变异分析可以得知，该地区有机质含量较低，钾肥含量极高，所以土壤肥力差，不利于植物的生长。

主要研究结果如下： （1）根据农业土壤养分分级标准，该地区有机质的含量較低，缓效钾和速效钾含量极高;有机质、全氮、有效磷、缓效钾、速效钾的变异系数都在0.1～1，为中等变异，其中变异系数最大的是有效磷，为51.21%;变异系数最小的是缓效钾，为17.61%。

（2）由半方差函数参数得出，有机质、速效钾、缓效钾、全氮都为中等相关性，并且空间变异性依次变弱，且空间变异性最弱的是有效磷，这主要是由随机因素引起的;空间相关性最强的是有机质，为58.56%，空间相关性最弱的是有效磷，为24.74%，这和空间变异性得出的结果一致。

（3）通过对土壤养分的分布分析得知，该地区有机质含量较低，缓效钾和速效钾的含量又很高，说明该研究区土壤肥力较低，总体来看，土壤养分较高的地区是西川镇、中山乡、云山乡、王尹乡，养分较低的地区是郭嘉镇、安伏乡、刘坪乡、兴国镇。研究表明，土壤养分的分布受地形的影响，而土壤养分含量的丰缺主要和土壤母质相关。

参考文献：

[ 1 ] 岳惠玲.农田土壤养分的空间变异性特征分析[J].农业开发与装备，2020（4）：63-64.

[ 2 ] 钟文挺，李浩，谢丽红，等.基于GS+和ArcGIS的蒲江县耕地土壤养分空间变异分析[J].农业研究与应用，2020（2）：37-43.

[ 3 ] 陈英，冯定邦，蔡立群，等.耕作层土壤养分含量的空间自相关分析——以秦安县郭嘉镇为例[J].干旱地区农业研究，2016（1）：66-73，107.