基于GIS和多种土壤属性的烟田养分分区管理研究

以平顶山典型烟区烟田土壤为研究对象,用111个样点耕层土壤（0 ~ 20 cm）的pH、有机质、总N、碱解N、速效P、速效K、活性有机质、阳离子交换量等数据对烟田进行管理分区研究。利用主成分分析从繁杂的数据中提取3个主成分,利用MZA软件进行模糊聚类分析从而实现分区,采用FPI和NCE来确定最佳分区数。结果表明研究区的最佳分区数为3,模糊指数为1.5。各分区内土壤养分的变异系数都较整个研究区有所降低,而分区间土壤养分差异显著。研究区的平均混乱度指数为0.37,不同模糊类别交叠程度较小,地理空间上土壤的隶属关系相对明确。通过模糊聚类分析法可以较好地进行管理分区的划分,分区结果可以作为变量施肥的单独作业单元进行肥料管理。     

Spatial Distribution and Management Zones for Sulphur and Micronutrients in Shiwalik Himalayan Region of India

Agricultural land degradation due to nutrient deficiencies is a threat to agricultural sustainability. As nutrients availability is influenced by soil heterogeneity, climatic conditions and anthropogenic activities; hence, delineation of nutrient management zones (MZs) based on spatial variability could be an effective management option at regional scale. Thus, the present study was carried out to delineate MZs in the Shiwalik Himalayan region of India by capturing spatial variability of soil properties and secondary and micronutrients status because of the emerging nutrient deficiencies. For the study, a total of 2575 geo‐referenced representative surface (0–15 cm depth) soil samples were collected from the study region covering an area of 53,483 km². The soils were analysed for pH, electrical conductivity, soil organic carbon, available sulphur (S) and micronutrients (Zn, Fe, Cu, Mn, B and Mo) concentrations. There was a wide variation in soil properties with coefficient of variation values of 14 (for pH) to 86% for available Mo. Geostatistical analysis revealed spherical, Gaussian, exponential, stable, circular and K‐Bessel best‐fit models for soil properties. Most of the soil properties were having moderate spatial dependence except soil pH and S (strong spatial dependence) and Zn (weak spatial dependence). About 49%, 10%, 2%, 13%, 11%, 12% and 8% area of the study region were found to be deficient (including acute and marginal deficiency) in S, Zn, Fe, Cu, Mn, B and Mo, respectively. The principal component analysis and fuzzy c‐mean clustering were performed to develop the MZs. Four principal components with eigenvalues greater than 1 and accounting 65·4% of total variance were retained for further analysis. On the basis of fuzzy performance index and normalized classification entropy, four potential MZs were identified. Analysis of variance confirmed the heterogeneity in most of the studied soil properties among the MZs. The study indicated that the methodology of delineating MZs can be effectively used in site‐specific S and micronutrients management in the Shiwalik Himalayan region of India. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Assessing soil spatial variability and delineating site-specific management zones for a coastal saline land in eastern India

ABSTRACT

The present study was to delineate management zones (MZs) in salt affected Mahakalpada block in eastern India by capturing both spatial variability of soil parameters along with satellite derived Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Enhanced Vegetation Index (EVI). Grid wise 237 soil samples collected from the study area were analyzed and spatial maps were generated for physicochemical properties, DTPA extractable micronutrients, i.e. iron, zinc, copper, and manganese and major nutrients, i.e. available nitrogen (AN), phosphorous (AP), and potassium (AK). Soil electrical conductivity and AK showed a high CV of 100% and 56.7%, respectively. Principal component analysis was performed using the soil spatial maps, NDVI and EVI maps and only four principal components which produced eigenvalues > 1 and accounting for 75.4% of the total variability were retained for further analysis. Further, fuzzy c-mean clustering was used to delineate the MZs based on fuzzy performance index (FPI) and normalized classification entropy (NCE) was used for identifying the three MZs. There was a significant difference between MZ1 and MZ2 for all the variables except AN and EVI whereas all the variables were significantly different between MZ1 and MZ3 highlighting the usefulness of MZs delineation technique for site-specific nutrient management.     

基于烤烟品质确定烟田的养分管理分区

探明影响烤烟品质的关键土壤养分因子,为划分不同管理分区进行精准管理提供科学依据。在平顶山地区以20 m间隔的网格法取耕层（020 cm）土样111个,测定了8种土壤养分含量;进行逐步回归分析和模糊聚类分析。结果表明,研究区内有机质、总氮、碱解氮和速效磷含量偏低,速效钾含量偏高,且各种养分的差异性均较大;所有养分均可用球状模型进行较好拟合。逐步回归显示,土壤有机质、速效磷、速效钾和阳离子交换量对烟叶品质有较大的影响;应用模糊聚类分析将研究区域划分为4个管理区,验证表明分区结果是可行的。说明土壤有机质、速效钾、速效磷和阳离子交换量是制约烟叶品质的关键土壤养分因子;利用这4种因子可以科学合理地将研究区域划分为4个分区进行烟田养分的精准管理。     

盐碱地土壤养分的空间变异及合理取样密度研究

本研究以东营市河口区新户土地开发项目二期为研究区,运用经典统计法和地统计分析相结合的方法,对土壤有机质、速效磷、速效钾、碱解氮等养分以及土壤全盐的空间变异性质进行研究,并对不同采样密度下有机质的空间插值结果进行分析比较,用均方根误差和相关系数检验不同密度下的插值精度,以确定盐碱地有机质的合理取样密度。结果表明,研究区速效钾的变异系数为18.4%,属于低等程度的变异;有机质、碱解氮、速效磷、土壤全盐的变异系数在57.4%~76.9%之间,属中等程度变异。研究区的各种土壤属性均具有较好的空间结构,表现出一定的空间自相关性。有机质和速效钾的空间变异性主要影响因素与成土母质、土壤类型、气候条件等有关,而碱解氮、速效磷、土壤全盐的空间变异性与耕作方式及农业生产中施肥等有关。随着采样点密度的增加,克里格插值精度提高,适当减小样点密度可以满足插值分析的需要,充分考虑土壤养分空间变异评价的精度分析,确定研究区土壤有机质合理取样数为111个,合理取样单元为48 hm~2,合理取样间距为692 m。     

潍坊市土壤大量营养元素有效量及其影响因素

为研究山东省潍坊市土壤大量营养元素有效量分布规律及其影响因素，通过网格化采样，并进行分析测试，获得了碱解氮、有效磷、速效钾等土壤大量营养元素有效量，及对应元素全量、pH和有机质等数据，进行了丰缺空间绘图、相关性和差异性分析。结果表明：碱解氮、有效磷、速效钾含量均具有较强的空间变异性，尤以有效磷变异系数最高。空间分布上，碱解氮以较缺乏区占比最高，有效磷和速效钾以丰富区占比最高。碱解氮、有效磷、速效钾分别在砂姜黑土、潮土、滨海盐土中含量最高，且均与其他土壤类型差异显著。碱解氮、有效磷、速效钾与土壤理化指标关系密切，3种元素有效量均与有机质呈显著正相关；碱解氮与全氮、有效磷与全磷均呈显著正相关；碱解氮、有效磷与土壤pH均呈显著负相关；速效钾与土壤pH呈显著正相关。本研究揭示了大量营养元素有效量在土壤中的本底差异及影响因素，可为土壤肥力的空间调控提供科学依据，助力提升农业生产力水平。     

梁子湖湿地土壤养分的空间异质性

2003年10月利用地统计学方法对梁子湖湿地保护区内一块63.9km2区域的土壤养分的空间变异进行了研究。以400m400m的网格采集了101个表层(015cm)土壤样品。分析结果表明,土壤养分有较大的空间变异,土壤有机质、全氮、全磷、速效氮变异系数分别是36.0%、30.6%1、3.7%和29.3%;速效磷的变异系数最高为50.4%。土壤有机质、全氮、全磷、速效氮和速效磷的理论模型均为球状模型。土壤有机质、全氮、全磷、速效氮具有中等空间自相关性,随机变异分别是68.5%、68.3%、75%和71.5%;速效磷的自空间相关性较弱,变异为82.4%。5种养分的空间自相关距离比较接近,变程在2853m～963m之间。通过克里格插值进行土壤养分空间插值制图显示,土壤养分表现出空间分布的相似性。     

白鹤滩水电站项目区土壤肥力评价及其空间变异分析

土壤肥力对于水利水电工程、水土保持和生态修复建设中具有重要意义。本研究采用地统计学、GIS和模糊数学方法,系统地调查分析了白鹤滩水电站项目区土壤肥力状况及其空间变异特征,旨在为项目区陆生生态修复和水土流失预防提供理论依据。研究结果显示,研究区的碱解氮和速效钾具有较强的空间变异性,有机质和速效钾的空间变异性为中等水平,而阳离子交换量和Chao1变异系数的空间变异性最小,为较弱水平。0~10cm和 10～20 cm土壤中碱解氮、有机质、阳离子交换量、速效钾、速效磷和Chao1的平均值分别为14.08mg/kg、14.02g/kg、8.04cmol/kg、98.53mg/kg、0.65mg/kg、0.9732 和 12.14mg/kg、12.7g/kg、8.02cmol/kg、109.78mg/kg、0.74mg/kg、0.927。碱解氮和速效磷的平均含量低于土壤养分分级标准的6级水平,而有机质和阳离子交换量处于4级水平,速效钾处于3级水平。深层速效钾在空间上呈现较弱的自相关性,而碱解氮、有机质、阳离子交换量、表层Chao1和深层速效磷块金系数均小于25%,在空间上呈现较强的自相关性。通过空间插值图可以看出,研究区土壤综合肥力指标、碱解氮和有机质呈现由西北向东南逐渐降低的趋势,而其它肥力指标则具有不同的空间分布特征。研究区整体土壤肥力水平较低,其中速效磷和碱解氮是主要的限制因素。     

Precision Manure Management on Site-Specific Management Zones: Topsoil Quality and Environmental Impact

Maintenance and improvement of soil quality across spatially variable soils in continuous cropping systems are critical to sustaining agricultural productivity and environmental quality. The objectives of this project were (i) to study the effects of variable-rate application of animal manure on selected topsoil quality parameters across site-specific management zones (MZs) and (ii) to evaluate the variable-rate applications of manure using risk-assessment tools of nitrogen (N) leaching and phosphorus (P) runoff indices to understand its impact on environmental quality. This study was conducted in northeastern Colorado on continuous and furrow-irrigated maize fields. Experimental strips, 4.5 m wide and 540 m long, spanned across all MZs with treatments nested within MZs in the field. Variable rates of dairy and beef feedlot manure applied on irrigated and dryland fields respectively ranged from 0 to 67 Mg ha^?1. Surface soil quality parameters evaluated before and after this study included bulk density, organic matter, water-holding capacity, electrical conductivity, and particle-size analysis. Results indicate that animal manure applications of 44 and 67 Mg ha^?1 significantly (P ≤ 0.05) increased soil organic matter and decreased bulk density of low- and medium-productivity-level MZs and had no significant impact on surface soil organic matter and bulk density of the high-productivity-level MZs. Animal manure significantly (P ≤ 0.05) increased surface soil water-holding capacity and soil electrical conductivity across zones; however, the maximum manure-induced soil EC was 1.0 dS m^?1, which was below levels regarded as potentially harmful for maize production. Soil texture was not affected by animal manure applications. Colorado N leaching and P index indicated no environmental hazard associated with variable rate application of animal manure across MZs. This study indicates that variable-rate application of animal manure across MZs has potential to improve or maintain soil quality parameters over time without impairing the environment.     

An application of PCA and fuzzy C-means to delineate management zones and variability analysis of soil

Within-field variability is a well-known phenomenon and its study is at the centre of precision agriculture (PA). In this paper, site-specific spatial variability (SSSV) of apparent Electrical Conductivity (EC_a) and crop yield apart from pH, moisture, temperature and di-electric constant information was analyzed to construct spatial distribution maps. Principal component analysis (PCA) and fuzzy c-means (FCM) clustering algorithm were then performed to delineate management zones (MZs). Various performance indices such as Normalized Classification Entropy (NCE) and Fuzzy Performance Index (FPI) were calculated to determine the clustering performance. The geo-referenced sensor data was analyzed for within-field classification. Results revealed that the variables could be aggregated into MZs that characterize spatial variability in soil chemical properties and crop productivity. The resulting classified MZs showed favorable agreement between EC_a and crop yield variability pattern. This enables reduction in number of soil analysis needed to create application maps for certain cultivation operations.     

关帝山云杉次生林土壤的空间异质性及其与地形相关性

为揭示森林土壤空间变异特征及其变异机制,参照CTFS样地土壤采样方案,在关帝山4 hm2云杉次生林样地199个采样点进行土壤取样和测定,运用经典统计方法分析寒温性云杉林土壤pH值、有效氮、有效磷、有效钾和有机质的水平和垂直空间分布特征,应用地统计学和ArcG IS插值的方法,重点分析了0～ 10 cm层土壤性质的空间异质性及其分布格局,并基于RDA排序和方差分解定量评价地形因子对土壤各指标空间变异的影响程度和解释量.结果表明:云杉次生林土壤的pH值、有效氮、有效磷、有效钾和有机质含量呈明显的水平及垂直空间变异,0 ～ 10 cm层土壤上述5个指标的变异系数分别为8.78％、41.15％、58.36％、46.60％和48.38％;土壤变异的空间自相关范围为4.9～58.8 m,pH值和有效氮呈中等程度的空间自相关,有效磷、有效钾和有机质呈强烈的空间自相关变异;有效氮、有机质和有效钾呈相似的空间斑块状分布格局,即样地有效氮含量高的斑块中有机质和有效钾含量也高.pH值和有效磷则表现出相反的斑块分布格局;地形因子中,pH值、有效氮和有效磷受海拔影响最大,其中,海拔与pH值、有效磷呈正相关,分别解释其空间变异的40.43％和28.81％,而与有效氮呈负相关,能单独解释其空间变异的19.48％.凹凸度对有效钾和有机质的影响最大,可分别解释9.37％和6.88％的有效钾和有机质的空间变异,与这2个土壤性质指标为负相关.研究可为深入认识华北地区植物分布和物种共存提供基础依据.     

云南玉溪植烟土壤速效养分空间变异特征及应用

为探讨烟田土壤养分空间变异特征及利用空间变异进行分区管理的技术路线,以全国烤烟种植典型产区云南省玉溪市烟田土壤为例,形成土壤养分空间变异分析—空间分布—肥料养分推荐—分区配方的技术思路。基于烟区土壤养分数据,应用地理信息系统(GIS),采用地统计学方法研究烟区耕作层(0~20 cm)土壤碱解氮、有效磷和速效钾的变异特征和空间分布。以乡镇作为管理单元,依据烟田土壤肥力评价及养分管理指标体系,计算出乡镇烤烟养分管理的氮、磷、钾肥料推荐量。采用聚类分析方法,结合烤烟养分管理"核心是氮、品质元素是钾"的特点,提出玉溪烤烟养分管理5个管理分区、5个基肥配方、2个追肥配方。研究表明:玉溪烟田土壤速效养分为中等强度空间变异,拟合模型为指数模型,变异来源于结构性因素和施肥等人为因素;土壤有效磷的变异最大,高于速效钾和碱解氮,与氮肥和钾肥用量相对稳定,而磷肥相对随机等农艺措施相关;超过67%的土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量处于高和极高水平,肥料氮、磷、钾推荐量低于云南省烤烟养分管理平均水平11%左右;提出5个烤烟养分管理分区及相应的基肥和追肥配方,以满足"大配方、小调整"原则,实现分类指导和分区管理。     

哈尔滨市辖区黑土速效养分空间异质性分析

研究在哈尔滨市所辖黑土区的6个市县进行,共采集表层(0～20cm)黑土土样411个,测定了全部样点的有机质、全氮的养分含量,同时测定了部分样点的碱解氮、速效磷、速效钾的养分含量,利用地统计学中协同克立格分析方法并结合经典统计学和GIS技术分析碱解氮、有效磷、速效钾养分空间异质性。分析表明有效磷空间分布符合指数模型,碱解氮、速效钾符合高斯模型,其块金值与基台值之比分别为50.0%、39.7%、6.3%,有效磷和碱解氮为中等程度空间相关水平,速效钾为强度空间相关水平;与克里格对比,应用协克里格插值绘制的三种速效养分空间分布图精度显著提高,为协克里格方法在土壤养分空间异质性分析上的应用提供了实践依据。     

环渤海沿海区域土壤养分空间变异及分布格局

大尺度研究土壤养分空间变异和分布,是实现区域平衡施肥和精准化农业的重要前提,大批量土壤养分的实验室分析比较费时费力且耗资较大,地统计及GIS插值技术可以有效解决这一问题。利用432个采样点,进行环渤海沿海区域0~30 cm和30~60 cm土层土壤养分空间变异和空间分布格局研究。土壤养分指标包括土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质及全氮。对各土壤养分指标进行传统统计和地统计分析并采用kriging进行空间插值成图。结果表明:同一养分指标变异程度在0~30 cm和30~60 cm土层均相近;各养分指标在两土层均具有良好的空间结构性;研究区土壤有效磷和速效钾含量相对丰富,碱解氮、有机质和全氮含量较缺乏,总体而言本研究区域土壤养分较缺乏,30~60 cm土层各养分含量较0~30 cm土层更加缺乏。     

曲靖植烟土壤pH和主要养分空间变异特征及其影响因素

2017—2020年用GPS定位采集云南省曲靖市9个县区核心烟田耕层（0~20 cm）土壤样品6 685个，测定pH、有机质、水解性氮、有效磷和速效钾，运用地统计学和地理信息系统（GIS）分析上述指标的空间分布特征及其变异主控因素。结果表明：土壤pH、有机质、水解性氮、有效磷和速效钾变幅分别介于4.16~8.50、2.23~99.93 g/kg、14.88~393.36 mg/kg、2.45~142.78 mg/kg和19.65~991.33 mg/kg，均值分别为6.30、32.83 g/kg、125.42 mg/kg、29.92 mg/kg和270.38 mg/kg，变异系数分别为11.59%、33.54%、29.93%、64.54%和35.18%，均为中等程度变异。pH集中在微酸至中性，较适宜烤烟种植，有机质、有效磷和速效钾含量集中在中等至极高等级，共占研究区总面积的70%以上。半方差分析表明，土壤pH空间自相关性较强，变异受自然因素（土壤类型、质地和降雨）的主导；有机质、水解性氮和速效钾空间自相关性中等，变异受自然和人为因素（施肥）共同影响；有效磷的空间自相关性很弱，人为因素是造成其空间差异的主控因素。克里格空间插值结果揭示土壤pH空间连续性好，整体呈聚集分布，强酸和极强酸土壤主要分布在马龙、宣威和会泽；有机质、水解性氮、有效磷、速效钾呈不规则的块状分布，随机性较强，其中有机质、水解性氮、速效钾的高值区主要在富源、罗平，有效磷较高的区域集中在陆良、罗平。     

广元植烟土壤有效态微量元素的空间变异特征及影响因素

为揭示广元植烟区土壤有效态微量元素含量空间变异特征及影响因素,采用地统计学、相关分析及回归分析等研究方法,结合地理信息系统(GIS)技术对研究区土壤有效铁、锰、铜、锌钼及硼等6种土壤有效态微量元素进行分析。结果表明,研究区土壤有效铁、锰及铜含量丰富,总体处于中等以上水平;有效钼含量适中;有效锌和硼缺乏,总体处于缺乏或极度缺乏水平。半方差分析表明,6种土壤有效态微量元素块金系数均在29.72%~67.59%之间,具有中等强度的空间自相关性,其空间变异受结构性因素和随机性因素共同影响。空间分布上,土壤有效铁、锰、铜及钼含量表现出北高南低的空间分布趋势,土壤有效锌和硼含量呈现出西高东低的空间分布格局。影响因素分析表明,6种土壤有效态微量元素与土壤有机质呈正相关,与p H值呈负相关,相关性总体高于地形因子。土壤有机质对有效铁、铜、锌及硼有极显著影响,其空间变异性为5.5%~27.2%。除有效锌外,土壤p H值对其余5种土壤有效态微量元素含量空间变异均有极显著影响,其空间变异性为5.0%~30.4%。土类对土壤有效铁、锰及铜有极显著影响,其空间变异性8.4%~12.3%。熟制和种植制度对6种土壤有效态微量元素含量空间变异的影响较弱,进一步说明研究区土壤有效态微量元素含量空间变异受结构性因素和随机性因素共同影响,但结构性因素的作用强于随机性因素。本研究结果为广元植烟区土壤微肥施肥管理及优质烤烟栽培提供了可靠的参考依据。     

北京山区土壤养分空间变化特征研究

为了揭示土壤养分空间变异分布特征并且指导土壤规划管理,以北京市西部山区水源林和京津风沙源地带为研究对象,在野外大田采集样本的基础之上,运用了地统计学与GIS相结合的研究方法,探究了典型区域土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质和全氮的空间变化格局,同时采用模糊模式识别理论对土壤养分等级进行了综合评价,并结合地区的实际情况分析了其变异特性的影响因素。结果表明:土壤养分的空间分布整体上符合正态分布(P0.05),有效磷、速效钾和有机质的空间分布变异性较强,碱解氮和全氮的变异系数相对降低,并且随着土层深度的增加,土壤的养分含量呈现逐渐缩小趋势。土壤养分的各项指标能够较好地符合半方差函数模型,有机质和全氮具有较好的空间自相关性,碱解氮、速效钾和有效磷体现出中等自相关性,土壤养分整体分布格局的空间自相关性水平较强。土壤碱解氮含量等级为中等的比重最大,其面积占比为27.87%;有效磷、速效钾含量整体处于缺乏状态;而有机质含量在很丰富等级比重较大,且区域73.77%的土壤质地类型属于有机质丰富;全氮含量变化程度较低,并且大部分地区处于丰富的水平;区域土壤肥力的综合水平为IV。研究成果为区域土壤资源使用划分、修复重建以及可持续利用提供科学依据。     

不同尺度下土壤养分空间变异特征的研究

在不同取样尺度下采集了农田土壤样品并测定土壤有机质、全N和有效P含量，研究不同尺度下地统计学方法对土壤养分空间变异分析的适用性和空间插值质量。研究结果表明，大比例尺下土壤有机质含量、有效P含量、全N含量的分布呈正态分布，在中小比例尺下呈现轻微偏态分布。各养分空间变异系数存在明显空间变异(C．V.介于17％—27％之间)，大比例尺下，空间变异较小；中小比例尺下，空间变异程度大(C.V.和峰度值较小)。在各种尺度下，土壤养分均存在典型的半方差结构，表明在各种取样比例尺下采用地统计学方法进行土壤养分空间变异分析都是可行的。在大中比例尺下，各养分块金系数介于0．28—0．38之间，表明土壤养分具有明显空间自相关；而在小比例尺下，块金系数介于0—0．17之间，表明土壤养分具有强烈空间自相关，其中有机质含量具有恒定的空间自相关(块金系数为0)，有效P含量的空间自相关程度相对较弱；空间插值和交互检验结果表明，球状模型空间插值结果与实测结果符合性很好，交互检验均达到极显著水平。在小比例尺下其估计比大比例尺下精度更高。不同养分的空间预测结果质量不尽相同，土壤有机质含量空间预测符合度最高。