土壤盐分和含水量的空间变异性及其CoKriging估值——以黄河三角洲地区典型地块为例

以黄河三角洲地区典型地块为研究区，运用经典统计学和地统计学相结合的方法研究了不同深度土层盐分和含水量的空间变异特征。结果表明：研究区土壤盐分和含水量普遍较高，土壤表层积盐作用明显；各层土壤盐分均属于中等变异强度，土壤含水量除表层为中等变异强度外，其余各层为弱变异强度；受结构性因素和随机性因素的共同作用，各土层盐分和含水量均具有中等的空间相关性。对Kriging插值结果分析表明，研究区各土层盐分和含水量在一定的范围内均存在着空间上的相关性和变异性，表层土壤盐分和含水量的空间分布主要受微地形和气候条件的影响，地下水性质是主导深层土壤盐分及含水量空间分布的主要因素。分别采用表层土壤盐分及相应土层含水量对深层土壤盐分进行CoKriging估值，均能提高估值精度，采用表层土壤盐分对深层土壤盐分进行CoKriging估值的精度要明显高于采用土壤含水量，其估计方差减少百分数最大达到167．36％。     

不同采样尺度下土壤图和Kriging法的空间估值精度比较——以砂姜黑土典型地区的研究为例

在河南省驻马店市西平县砂姜黑土(砂姜潮湿雏形土)区,采用0.5 km×0.5 km网格法采集248个土壤耕作层样本,其中124个作为估值数据集,124个作为验证数据集,设计了3种不同采样尺度的估值数据集抽样方案,对比了土壤图法和Kriging法对土壤有机质、全氮、全磷、缓效钾和速效钾的估值效果。结果表明土壤图法对土种内变异系数较小,但土种之间差异较大的全磷、全氮和有机质的估值精度仅稍低于Kriging方法,在空间变异格局表达方面的功能也大致相同。对土种内变异系数较大,但空间变异结构性明显的速效钾,Kriging估值效果显著优于土壤图法。降低采样密度使Kriging估值平滑效应增加,估值精度降低,且集中出现在那些内部变异系数较大的土种内。该结论揭示在土壤调查的初级阶段采集少量的样点对土种内的土壤变量的变异程度做出估计对进一步的采样方案设计和土壤估值方法选择有指导意义。     

苏北海涂围垦区土壤水分空间变异性及其协同克立格估值

以苏北滨海滩涂围垦区为研究区域,应用地统计学方法研究了剖面不同深度土壤含水量的空间变异特征,以0～20 cm表土层含水量作为协同变量,分析了不同深度土壤含水量的交互半方差特征,探讨了土壤含水量的普通克立格和协同克立格估值方法.结果表明:各层土壤含水量都表现为弱变异强度;受结构性因素和随机性因素的共同作用,各土层含水量均呈中等空间自相关性;协同区域化变量间均表现为正相关,且协同区域化变量的空间结构性要优于单一变量;协同克立格对土壤水分局部变异的描述较普通克立格更为详细;与普通克立格法相比,协同克立格法估值产生的均方误差减小10.1%～21.3%,平均标准误差减小11.3%～17.7%,预测值和实测值间的相关系数提高15.9%～26.4%.该研究为滨海滩涂地区土壤水分分区管理和水盐优化调控提供了一定的理论参考.     

基于土壤类型和微量元素辅助信息的土壤属性空间模拟

为探讨大尺度区域土壤属性空间化的方法,以吉林省为例,研究土壤养分（pH值、有机质、速效磷、速效钾和碱解氮）和地形地貌、微量元素等变量之间的关系;并在考虑土壤类型基础上,将相关性较高的变量作为协因子进行土壤养分的Cokriging插值研究。结果表明,pH值与经度、有效铁、锰和速效氮的相关系数分别高达-0.66、-0.71、-0.70和-0.67;有机质与经度、pH值、有效钙、锰的相关系数分别为0.55、-0.58、0.56和0.52;碱解氮与经度、纬度、pH值、有效铁、锌的相关系数分别为0.57、-0.57、-0.67、0.56、0.54;速效磷与速效钾、有效锌的相关系数分别为0.67和0.64。分析发现以相关性较高的微量元素作为协因子进行Cokriging插值精度均优于采用地形变量作为协因子的Cokriging插值。交叉检验和检验站验证结果表明,与普通Kriging相比,基于土壤类型和微量元素的Cokriging插值在增加估值精度方面有所提高。     

样点密度对土壤有机质空间预测结果的影响——以河南封丘县土壤为例

以河南省封丘县表层土壤有机质含量为例,探讨土壤样点密度对区域化土壤变量描述性统计特征、半方差函数理论模型拟合效果、普通Kriging插值预测结果的精度与表现目标变量空间变异的能力等多方面的影响。研究结果表明,样点数量从5000个大幅减少至20个,研究区表层样品有机质含量均值未发生显著变化。当土壤样点≥625个时,表层土壤有机质含量半方差函数模型具有较好的拟合效果,可以通过Kriging插值手段获得精度较高且对目标变量空间变异特征解释能力较强的预测结果;当土壤样点≤78个时,半方差函数模型理论上无法通过拟合获得,通过普通Kriging插值手段不能获得研究区表层土壤有机质含量理想的预测结果。     

土壤属性空间预测中变异函数套合模型的表达与参数估计

针对当前地统计学方法中理论变异函数的参数估计多集中于对单一理论模型的参数估计,而缺乏对多尺度套合模型参数估计的研究现状,该文首先根据多尺度套合模型的特征,提出其在计算机中的统一叠加表达形式,从经验半方差散点图判断模型类型及参数取值范围,然后用遗传算法进行参数估计,并用Matlab R2010a开发了应用程序,最后以土壤养分（有机质和全钾）为例,与当前流行的地统计软件对比,证实了所提方法不仅在理论模型参数估计精度上优于传统估值方法（对比R2,分别提高6.32%和83.47%）,而且后期的Kriging插值结果的精度上更是大大优于传统方法的插值精度,证明该文所提方法在精度和套合结构支持方面均具有优势。     

基于地图直接对比的土壤空间表达尺度效应研究——以封丘土壤属性制图为例

将封丘县3 608个土壤样点分为3 463和145个点,分别构成制图数据总集和验证数据总集,再从制图数据总集中通过4%～96%的多尺度随机抽样,构成17个制图子集。分别按Kriging、IDW和以点代面法对土壤有机质、有效磷和速效钾进行预测制图,基于地图直接对比计算制图子集和制图数据总集制图结果的相关系数以评价土壤属性图变化的尺度效应,并与验证数据集评价的多尺度制图结果进行了对比。最后,采用多子集制图结果的变异系数指示多尺度地图表达的不确定性,并将其与基于Kriging估值方差及随机模拟的不确定性表达进行了对比。研究表明,基于地图直接对比可发现,制图效果与样本数量具有显著的分形关系,且分形维数受制图方法和土壤属性空间可变性的双重影响:同样条件下以Kriging方法最小,而以点代面法最大;以土壤速效钾最小,而土壤有效磷最大。验证数据集实测值和估计值的相关系数及均方根误差没有表现预期的分形特征。Kriging估值方差及随机模拟表达的单一尺度制图不确定性明显受采样点分布与Kriging估值大小影响,而基于地图直接对比的多尺度制图的不确定性更客观地反映土壤自然变异,其中土壤有机质、土壤速效钾有较强规律可循,而土壤有效磷则没有规律。     

农田土壤颗粒组成及其剖面分层的空间变异分析

对60m55m的农田尺度上100个取样点土壤颗粒组成及剖面层次的空间变异性的传统统计分析表明,各属性的变异系数属中等强度。半方差函数模型均为球状模型,各属性具有一定的空间相关性,并表现有一定的各向异性。在对土壤颗粒组成及剖面层次空间分布趋势分析的基础上,根据半方差函数模型,对各属性选择不同趋势和异向性的普通Kriging内插值比较的结果表明,考虑变量在空间分布趋势和异向性的插值结果比不考虑要好。在以上分析基础上,利用Kriging内插值绘制各层深度和颗粒组成的等值线图,并分析了其空间分布规律。     

基于方差四叉树法的滨海盐土电导率采样布局研究

利用土壤空间变异特性和空间分布特征进行采样设计是当前土壤采样研究的重要内容。采用方差四叉树法（Variance quad-tree method，简称VQT），结合半方差函数，设计滨海盐土采样的最优布局。并利用普通克立格法对传统网格采样法与方差四叉树采样法所得到的不同的样点数目进行插值，计算估值误差并进行精度比较。结果发现，同样的样本数目，利用方差四叉树法得到的克立格估值误差明显地较利用网格采样法得到的克立格估值误差小，其采样效率提高约16％一25％。该方法的优势在于，可设计在土壤特性变异大的区域密集采样而在变异较小的区域稀疏地采样，从而在有效表达土壤空间变异性的同时，提高了采样效率，减少了采样成本。     

丹江鹦鹉沟小流域坡耕地土壤属性剖面分布研究

在丹江鹦鹉沟小流域,利用土钻对坡耕玉米地不同深度的水分含量和养分含量进行了采样测定,应用传统统计学和地统计学的方法,对不同深度土壤属性进行了分析.结果表明:总氮和土壤有机碳的均值总体上表现为随土层深度的增加而降低;土壤水分含量则随土层深度的增加而增加;总磷随土层深度的变化不明显.总氮、土壤水分含量、土壤有机碳和总磷呈中等强度变异和强空间依赖性.在4个采样深度下,半方差模型对总氮、土壤水分含量和总磷在0-10 cm和10-20 cm的空间结构有很好的模拟精度;土壤有机碳的空间结构则较差,不能用半方差模型进行很好的模拟.经Kriging插值分析,总氮、土壤水分含量和总磷在0-10 cm和10-20 cm主要呈层状分布;从0-10cm到10-20 cm,总氮平均含量由0.598 g/kg减小为0.310 g/kg,土壤水分含量和总磷的平均含量则分别从12.988％,0.229 g/kg增大到15.439％,0.366 g/kg.     

基于人工神经网络的田间信息插值方法研究

提出了一种基于人工神经网络的田间信息插值新方法，并利用ArcView3.2软件绘制碱解氮的BP神经网络插值空间分布图和球状插值分布图，并对BP神经网络插值方法和克立格球状插值方法的结果进行了误差分析。结果表明，BP神经网络的插值方法优于克立格球状插值法，该方法有利于田间信息空间分布特性准确、直观的表达，有利于农田精确施肥、灌溉、播种等精细农业生产管理。     

降水量空间插值方法在小样本区域的比较研究

针对降水量观测点数量少的小样本区域,寻求适合本区域的降水量空间插值方法,采用已知观测点降水量数据对待估点降水量进行预测,得到可信度较高的降水量预测结果,对指导当地生产生活具有十分重要的意义。在分析美国Upper Sangamon流域9个站点的72个月月降水量数据的基础上,比较了基于ArcGIS的普通克里金法、反距离权重法、样条函数法、趋势面法4种空间插值方法的插值结果与观测数据,分析了降水量空间插值方法对内插点和外推点的插值精度及应用不同插值方法时观测点数量对插值精度的影响。结果表明:反距离权重法较优于其他3种空间插值方法。空间插值精度随观测点数量变化而变化,对于按照距待估点距离由远及近减少观测点的选点方法,反距离权重法插值精度较高,受观测点数量影响较小,样条函数法与趋势面法受观测点数量影响较大,普通克里金法处于两者之间。     

土壤有机质空间变异与农用地自然质量关系研究

该文以广州市花都区赤坭镇为试验区，根据典型农用地类型的土壤采样基于Cokriging方法进行土壤有机质精确插值与空间变异分析，并将结果与农用地分等成果进行相关分析。结果表明，以土壤有机质和农用地类型为协因子的球状模型Cokriging总体插值精度最高，试验区内土壤有机质分布格局是四周丘陵和水库区含量较低，巴江河两岸的平原地区、西南角的山前冲积平原含量较高，这也是灌溉水田密集的区域；试验区内土壤有机质含量菜地分布比较均匀、空间相关性很强，而水浇地分布差异较大、空间变异性较高；土壤有机质分布在南北、东北-西南两个方向相关性较强具有各向同性特征，在东南-西北、东西方向具有各向异性特征，受到随机因素的影响变异性较大。土壤有机质Cokriging插值结果与试验区内农用地自然质量等指数的相关性很显著，菜地与农用地自然质量等指数相关性最强，灌溉水田其次，旱地最差。     

基于大尺度低密度样点的东北土壤全氮空间插值方法比较

基于全国第二次土壤普查东北地区土壤数据,以ArcGIS和GS⁺软件为支撑,对比分析了反距离加权法(IDW)、径向基函数(RBF)、普通克里金(OK)和回归克里金(RK)4种地统计空间插值方法在7个不同样本容量下土壤全氮含量(STNC)的空间插值效果。结果表明,由普查数据得到的东北地区STNC在0.08~21.48 g/kg之间,数据变异性较大;STNC空间结构表现出中强度空间自相关性,空间自相关范围大于同区域的小尺度采样研究;样本容量<171时,STNC空间变异性发生变化,空间结构特征和精度检验水平难以确信。4种空间插值方法对STNC空间趋势表达均呈现从东北向西南方向递减规律,空间趋势预测效果为:RK >OK >RBF >IDW。RK方法通过线性回归分析添加了阳离子交换容量(CEC)、年均温(MAT)、土层厚度(d)和pH值等辅助信息,比IDW,RBF和OK方法的插值精度分别提高了19.40%,18.50%和16.15%;在不同样本容量下RK方法的插值精度较为稳定且对无样点区STNC的空间趋势预测也体现出了更多细节信息,因此对于大尺度低密度采样的土壤属性空间插值可重点考虑RK方法。     

绿洲土壤表层含盐量空间变异分析的插值方法研究

为了比较土壤表层含盐量空间变异性研究的各种空间插值方法的优劣,以渭库绿洲为例,运用基于ArcGIS的4种空间插值方法（反距离加权、样条函数、克里格、协同克里格空间插值方法）,分析了土壤表层含盐量的空间变异性。并通过分析各个交叉检验统计量来验证评估数据的误差,从而选取最优的空间插值方法。结果表明:4种插值方法的插值结果基本能反映含盐量的空间分布特征,简单克里格法更适合绿洲表层土壤含盐量的空间插值;通过空间插值可以发现表层土壤含盐量呈现出东南高、西北低的态势。对渭库绿洲土壤盐分空间分布特征及空间变异进行了解,有利于土壤盐渍化的快速诊断,是盐渍化土壤治理和改良的重要基础。     

敦煌绿洲天然胡杨林下土壤水盐空间变化特征研究

利用经典统计学与地统计学相结合的方法对甘肃敦煌绿洲天然胡杨林下土壤水盐的空间变化特征进行研究。结果表明:敦煌绿洲天然胡杨林土壤含水量变化趋势总体表现为随深度增加而增加的趋势;0~60 cm土壤含水量变化程度较大,再向下各层土壤含水量变化趋于平缓。土壤全盐含量变化具有表浅层较高,平均含盐量达9.24%;从40~60 cm以下各层土壤全盐含量的变化均随深度增加而逐渐减少。土壤水盐含量的变异性在不同土壤层有较明显的差异,土壤含水量的变异性均属于中强度变异,土层越深,其含水量变化程度越小;而土壤全盐含量的变异均属于中度变异性,其变异程度由表层向下各不相同。采用ArcGIS的反距离加权(Inverse Distance Weighted)插值法分析表明,研究区土壤水盐含量存在明显的空间差异和较强的相似性,即各层土壤水盐均表现为西南低、东北高的空间分布规律。     

基于高光谱与协同克里金的土壤耕作层含水率反演

为研究土壤耕作层(0~40 cm)含水率的空间分布情况,利用EO-1的Hyperion传感器高光谱数据,对研究区域(106°20′~109°19′E,40°19′~41°18′N)的表层(0~10 cm)含水率进行定量反演,并利用表层含水率反演结果作为协同克里金插值的协变量,同时利用103个采样点实测的耕作层含水率作为主变量,进行协同克里金插值。结果表明:通过特征指数法提取水分反演的敏感波段集中在1 295~2 224 nm波长区间,特征指数法模型校正的相关系数r0.5但模型验证的精度较低(r0.2);通过偏最小二乘法建模,模型校正的r0.8,模型验证的r0.5,效果较好;运用协同克里金插值时,将反演的表层含水率作为协变量,可以弥补主变量耕作层含水率样本点少,变异函数欠稳定的缺点,同时,所提取理论模型的块金值(C0)与基台值(C0+C)的比值均25%,随机因素比例小,模型稳健。此外,协同克里金插值方法与利用表层与耕作层含水率线性拟合进行预测相比,能够有效提高预测精度,决定系数r2和Nash效率系数(nash-sutcliffe modelling efficiency,NSE)分别提高72.6%和89.9%,因此,将高光谱反演与协同克里金方法相结合,可以综合两者优势,节约采样成本,提高预测效率。     

农田土壤速效钾含量的空间变异研究

论文以高产潮土区2007年104个土壤采样点耕层速效钾含量为基础,基于地统计学原理,结合GIS空间分析技术,探讨了土壤速效钾含量的空间变异特征,建立了土壤速效钾含量的空间变异模型,形成了土壤速效钾含量的空间分布图,阐明了影响高产农田土壤速效钾含量分布不均衡的原因。研究结果表明,高产潮土区土壤速效钾含量平均为287．476gkg^-1,最高为483．433gkg^-1,最低为119．435gkg^-1,球状模型是土壤速效钾连续性空间分布的最佳模型,其块金值,基台值为0．399,说明土壤速效钾在变程为57．691米的范围内具有中等强度的空间变异性,含量高低的区域分布比较明显,在地块东南部和中部为其含量较高的区域,含量较低的两个突出区域呈典型的圈层分布,由内向外含量递增,具有较强的渐变性分布规律。总的来看,土壤速效钾约有60．1％的空间变异来自于土壤母质、地形地貌、气候等非人为的结构性因素,39．9％的变异来自于随机性因素如施肥、灌溉、管理水平等因素的影响。     

苹果主产区土壤养分空间分布特征及其影响因素——以陕西省礼泉县为例

客观、定量化分析土壤养分空间异质性及其影响因素,可为作物精准施肥提供科学依据。本研究以陕西省礼泉县苹果产区为研究区,基于“S”形的样点布设法采集果园0~40 cm土层的土壤样品,运用地统计学和GIS研究了土壤有机质、碱解氮、速效钾和有效磷4种养分的预测精度,并通过交叉验证和相对预测误差确定最优预测模型,绘制果园土壤养分空间分布图,综合分析土壤养分空间分布特征,及结合相关性分析和多元线性回归分析,探讨土壤养分的影响因素及其权重。结果表明:1在最佳变异函数理论模型下,普通克里格法对果区土壤碱解氮的预测精度高,协同克里格对其他3种养分的预测精度高。2土壤有机质的空间分布格局是由骏马-阡东和建陵-昭陵一带向中部递减;赵镇至史德镇的东部为碱解氮的高值区,分别向东、北和西南递减;速效钾的高值区主要分布在研究区南部,北部大多数地区钾含量偏低;有效磷的高值区分布在烽火和骏马镇、石潭-昭陵镇一线。3有机质与地形因子具有显著相关性,碱解氮受NDVI、土壤类型和地形因子的影响,速效钾与当地坡度、坡向具有显著相关性,但有效磷与三大类因子的相关性不显著。