县域农田土壤养分空间变异及合理样点数确定

以武功县为例,应用地统计学和GIS相结合的方法,对土壤有机质、速效磷、速效钾、碱解氮等土壤养分空间变异特征进行研究,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,以确定县域有机质合理采样数。研究结果表明:各土壤养分均存在中等强度空间变异,土壤养分变异系数的顺序是速效磷速效钾有机质碱解氮。各土壤养分均存在正的基底效应,其中,有机质和速效钾的空间变异性受人为因素影响较小,控制其空间变异性的主要因素与成土母质、土壤类型、气候条件等有关。而碱解氮和速效磷的空间变异性受人为因素影响较大,控制其空间变异性的主要因素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,适当减少样点数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,确定县域土壤有机质合理采样数应控制在2213个以上,即最大以17.8 hm2为一个采样单元。     

基于乡镇级耕层土壤养分空间变异研究

利用地统计学方法和地理信息系统技术分析辽宁省昌图县朝阳镇耕层土壤养分的数据统计特征、空间变异性和分维数及空间分布规律.研究结果表明,有机质的含量普遍较低,碱解氮的含量普遍较高;有机质及速效养分含量的变异系数顺序为碱解氮＜速效钾＜有机质＜速效磷;地统计学半方差分析结果显示,有机质、速效磷的块金值与基台值的比值介于25%～75%之间,具有中等程度空间相关性.碱解氮的块金值与基台值的比值大于75%,空间相关性较弱.速效钾的块金值与基台值的比值小于25%,具有强烈的空间相关性.碱解氮的分维值D最大为1.996,速效钾的分维值D最小为1.802,表明碱解氮的空间分布比速效钾的空间分布复杂.     

艾比湖湿地土壤碱解氮的空间变异性分析

选择艾比湖湿地的博尔塔拉河、精河下游河岸带为研究区域,针对土壤中的碱解氮进行定量测定,采用描述性统计法、地统计学方法和空间分析法,讨论研究区土壤碱解氮的空间变异及分布特征。结果表明:在0~20、20~40和60~80 cm土层碱解氮含量的块金值与基台值之比分别为47.60%、49.98%和58.21%,具有中等的空间相关性。在40~60 cm和80~100 cm土层块金值与基台值之比分别为3.64%和22.69%,具有较强的空间相关性。研究区0~100 cm各层土壤碱解氮含量平均值分别为49.16、37.26、30.22、20.35和17.80 mg/kg,经统计分析15~20 mg/kg的样本频数最多,表明研究区碱解氮含量整体偏低,属于极缺乏性。土壤碱解氮垂直分异规律为:随土层深度的增加而递减;碱解氮含量水平分异规律为:博河区域精河及精河东部区域博、精河间的中部区域。     

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。     

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。     

吉林省玉米种植区土壤养分空间变异特征研究

本文以吉林省中部玉米种植区9县市为研究区域,采用传统统计学和地统计学相结合的研究方法,探讨研究区域表层土壤（020cm）有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和pH值的空间变异特征。结果表明:各养分的变异系数在10%～100%之间,属中等变异;有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的块金值（C0）与基台值（C0+C）比值介于25%～75%之间,表现出中等强度的空间自相关,而全氮和pH值表现强烈的空间自相关;根据决定系数（R2）和残差平方和（RSS）进行模型选择,几种养分均用指数模型拟合的效果较好;依据GIS所做的养分空间变异图可以很好地反应该地区的土壤养分空间分布状况,可以为该地区土壤养分的综合评价和施肥管理决策提供依据。     

近20年城乡交错带土壤养分时间空间变异特征分析——以北京市大兴区为例

以北京市大兴区为城乡交错带的分析样区,通过对1982年、2000年2期土壤养分变化情况进行时间空间变异特征分析,结果发现:1982～2000年近20年间大兴土壤养分除土壤速效K含量略有下降外,其他土壤养分含量均呈上升趋势,尤以速效P含量增长最多。各项养分增加值分别为有机质31.02%、全N 50 %、碱解N 37.89%、速效P 177%,而速效K则减少6.97%。1982年的5种土壤养分中,速效P的变异系数最高,为0.50;全N次之,为0.4;有机质、速效K、碱解N的变异系数较小,在0.28～0.32之间。2000年的5种土壤养分中,变异系数最高的仍是速效P,为0.57;速效K次之,为0.36;有机质、全N和碱解N含量的变异系数较小,在0.19～0.23之间。1982年有机质的块金值与基台值之比为45.32%,2000年的为26.54%,说明其在小尺度上的空间相关性增强。1982年速效K的块金值与基台值之比为36.96%,2000年的为29.82%。2000年全N、碱解N和速效P的块金值与基台值的比值大于1982年的比值。2000年各项土壤养分的空间相关距离均比1982年增大,基本上趋向于以大块状变异为主,具有较强的渐变性分布规律。     

西安市蔬菜种植区土壤属性的空间变异与肥力适宜性

[目的]对西安市蔬菜区土壤属性空间变异与肥力适宜性进行评价,为相关部门土壤培肥和蔬菜种植提供决策依据。[方法]选择与蔬菜生长密切相关的土壤pH值、电导率、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾六个指标,利用半变异函数进行空间变异分析,应用模糊综合法计算土壤肥力适宜性指数(SFI),对SFI进行Kriging插值,采用等间距法划分等级,并对土壤肥力进行综合评价。[结果]半变异函数能较好的拟合蔬菜区土壤空间变异特征,人为施肥成为影响土壤电导率、碱解氮空间变异的主要因素,土壤pH值和其他养分则同时受到结构性因素和随机性因素的作用。[结论]西安市蔬菜区土壤肥力适宜性处于中等较好水平,限制蔬菜生长的主要因素是土壤有机质和碱解氮含量。临潼区东南部,鄠邑区、周至县北部地区以及长安区和鄠邑区北部交界处蔬菜区土壤肥力有待提高,菜农需要采取措施提高土壤有机质含量和补施氮肥。     

农田表层土壤养分空间变异特性研究

为给田间养分监测设施布设方法提供依据,在陕西杨凌选取2块农田,采用12 m×12 m嵌套6 m×6 m的采样方法,采集表层土壤(0～20 cm)养分数据,运用经典统计、地统计学结合Kriging插值方法,分析农田土壤养分空间变异特征。结果表明:冬小麦抽穗期与成熟期农田表层土壤全氮(TN)变异系数10%,为弱变异,土壤有机质(SOM)、有效磷(AP)变异系数介于10%与100%之间,为中等变异,有效钾(AK)和铵态氮(NH_4~+-N)变异系数100%,为强变异,成熟期硝态氮(NO_3~--N)由强变异转为中等变异。土壤养分最优半方差模型为球状模型,作物不同生育阶段,土壤养分空间相关性存在一定的差异,土壤SOM、TN块金系数25%,空间相关性强烈,以结构性因素为主导;冬小麦抽穗期速效态养分块金系数介于25%与75%之间,空间相关性中等,随机性因素主导,成熟期25%,空间相关性增强。采样密度由6 m×6 m变为12 m×12 m时,变异程度保持不变,土壤养分空间变异系数差值在0.04%～59.48%范围内,成熟期2号样地的AK除外,块金系数差值在0.065%～34.177%范围内,2种采样间距获得的土壤养分空间变异特征基本一致,建议选用12 m×12 m网格。     

湘中南土地整理后烟田土壤肥力指标评价及空间变异特征

掌握土地整理区土壤养分特征已成为烟田快速培肥和提升土壤质量的首要问题。采用GIS与地统计学相结合的方法,评价了土地整理后烟田土壤养分等肥力指标的适宜性等级状况及其空间变异特征。结果表明:研究区土壤偏酸,有机质、碱解氮含量普遍缺乏,存在较大面积的缺钾现象;各肥力指标均属于中等变异,变异系数大小顺序依次为有效磷 > 速效钾 > 碱解氮 > 有机质 > 全氮 > 全磷 > 全钾 > pH值。有机质和速效钾的变异函数比较符合指数模型,全钾、碱解氮用高斯模型拟合效果好,而pH值、全磷、全氮和有效磷则以球状模型拟合效果最佳。肥力指标的块金系数[C₀/（C₀+C）]中,土壤有机质、全钾、碱解氮分别为0.903,0.998,0.823,空间相关性较弱;而pH值、全氮、全磷和有效磷的块金系数[C₀/（C₀+C）]变化范围为0.501~0.724,具有中等空间相关性;各肥力指标空间变程为99~1 003 m,最大和最小值分别为全钾和碱解氮;各肥力指标表现出不同的空间分布特征,其中,pH值呈斑块状,碱解氮及全钾呈条带状,全磷整体上呈从北至南含量增加的梯度分布格局。     

短距离样点对土壤呼吸空间变异预测精度的影响

不同采样设计会对土壤呼吸空间变异特征的预测精度产生重要影响。本研究选取黄淮海平原北部潮土区1 km×1 km夏玉米样地,在7×7单元规则格网(样点间距167 m)、完全随机(样点平均间距433 m)以及3×3单元规则格网+完全随机(样点平均间距405m)3种布点方式的基础上,保持样本总量(49)不变,以占总样点2%～14%的短距离样点(样点间距4m)随机替换原方案相应样点个数的方法优化布点方式,应用普通克里金法插值,以均方根误差(RMSE)和确定系数(R2)作为验证指标,检验基于3种布点方式设置的短距离样点对土壤呼吸空间变异预测精度的影响。结果表明:研究区土壤呼吸平均速率为2.65μmol·m?2·s?1,空间分布均呈西高东低,表现出中等程度变异。采样设计对土壤呼吸空间分布的预测精度影响显著,基于3种布点方式设置短距离样点可提高预测精度7%～13%。无短距离样点替换时,规则格网+完全随机的布点方式最优,比完全随机布点和规则格网布点的空间插值预测精度分别提高10%和22%;设置短距离样点替换后,在最优布点方式(规则格网+完全随机)中,对土壤呼吸空间变异的预测精度可再提高4%～7%,其中短距离样点个数占样本总量10%对土壤呼吸空间变异预测精度的提高最为明显。研究发现,基于相同的样本数量设置短距离样点可增加区域范围内样点密度,提高土壤呼吸空间变异预测精度及试验结果的可靠性。因此,在黄淮海平原北部潮土区100 hm2尺度的夏玉米样地中,规则格网+完全随机+10%短距离样点的布点方式是预测土壤呼吸空间变异最适宜的采样布点方式。     

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。     

热带低丘地区农场尺度土壤质量指标的空间变异

本文以我国热带地区海南儋州一个典型农场为样区,采用地统计学方法研究土壤质量指标的空间变异。研究选择了土壤质量评价最小数据集中的7项土壤质量指标(总有机碳,容重,粘粒含量,速效P、K,阳离子交换量,pH)进行分析,统计分析的结果表明,研究区域土壤存在酸化和养分贫瘠化现象。地统计学分析结果表明,表层土壤基底值普遍高于表下层土壤,说明表层土壤由于受随机因素影响更为强烈导致空间变异性增强。在各项土壤质量指标中,pH和土壤容重主要表现为基底效应,总有机碳、阳离子交换量,速效P、K含量以及亚表层土壤粘粒含量表现出中等空间相关性,表层粘粒含量空间变异随距离增加而增加。在GIS支持下,采用块段克立格方法(blockkriging)进行各项土壤质量指标的空间内插得到指标的等级分布图。研究结果可以为进一步的土壤质量综合评价提供方法和理论依据。     

大型喷灌条件下马铃薯田间土壤含水率空间变异特征及合理采样数研究

[目的]研究马铃薯田间不同深度土壤含水率的空间分布规律及其合理采样数,为大型喷灌条件下精准灌溉制度的制定提供科学依据。[方法]在约34 hm~2的农田中采用固定与随机相结合的方法布设了116个取样点,分别测定了0—20 cm和20—40 cm深度的土壤含水率,采用经典统计学与地统计学相结合的方法,研究喷灌前后马铃薯生长期内土壤含水率的空间分布特征及其合理采样数。[结果] 0—20 cm深度灌溉前和灌溉后的平均土壤含水率的变化范围7.61%～13.79%,20—40 cm深度灌溉前和灌溉后的平均土壤含水率的变化范围为8.71%～16.12%;总体上土壤含水率变异系数变化范围为16.47%～28.55%,均表现为中等程度的变异性,20—40 cm深度的土壤含水率变异程度略高于表层。连续2 a马铃薯各时期土壤含水率总体表现为中等程度的空间相关性,土壤含水率空间变异受随机因素与结构因素共同影响。田间水分总体上呈斑块状分布,灌水后期土壤含水率的分布较灌前更为分散。地统计学得出田间合理采样数为87个。[结论]在大型喷灌条件下马铃薯田间土壤含水量存在中等程度的空间变异性,并且地统计学与传统统计学两种方法均适用于确定农田平均土壤含水率的最优采样数量。     

基于时空变异的旱地土壤有机碳高效采样策略研究

土壤有机碳(SOC)空间分布具有时序差异性,明确样点数量对不同时期SOC预测精度影响是制定高效采样策略的基础。选取3.93×10~4 km~2江苏北部旱地作为案例区,运用普通克里金插值方法,分析样点数量对不同时期SOC空间预测精度的影响。结果表明:不同数量样点数据集下1980年苏北旱地SOC预测值与实测值的相关系数r和均方根误差RMSE变幅分别在0.15～0.56和2.09～2.63 g·kg~(–1)之间,当样点数量大于75%时,预测精度较高且能达到相对稳定水平,最佳采样数目在563个左右;而2008年r和RMSE变幅分别在0.24～0.63和2.11～2.62 g·kg~(–1)之间,预测精度对于样点数量的变化更为敏感,70%的样点数量即可达到相对稳定水平,最佳采样数目在526个左右,这表明不同时期SOC空间预测精度对于样点数量变化的响应不同,土壤属性的空间自相关性越大,预测精度对于采样数量的敏感性越强,空间信息达到饱和状态所需样点数量也相对较少;此外,本研究也发现在SOC高、低值等关键区域设置足够的样点数量是提高土壤空间预测效果的重要手段之一。     

泾阳南塬黄土边坡饱和渗透系数变异性分析

[目的]研究泾阳县南塬耕植土下部黄土层饱和渗透系数空间变异性特征,为研究水的渗透对黄土滑坡的影响提供依据。[方法]通过室内变水头渗透试验测定泾阳县南塬54个测试点的垂直饱和渗透系数和水平饱和渗透系数,并用传统统计学和地统计学方法进行分析。[结果]探槽取样区的饱和渗透系数在10~(-2)~10m/d范围之内,平硐取样区的渗透系数明显小于探槽渗透系数值,在10~(-4)~1m/d范围之间。探槽垂直方向空间相关程度中等,变程为5.05,水平方向空间相关程度强,变程为3.50;平硐垂直方向空间相关度中等,变程为17.46,水平方向空间相关程度弱,变程为16.00。[结论]黄土边坡饱和渗透系数的空间变异性较强。     

基于磁感式土壤表观电导率空间变异性的插值方法比较

针对目前黄河三角洲地区存在的土壤盐渍障碍问题，以该地区典型地块为研究对象，运用磁感大地电导率仪(EM38)，结合GIS与地统计学研究了不同样点密度下土壤表观电导率的空间变异特征，确定了最佳的空间插值模式，并采用偏差指数对各分布图层的空间相似性进行了评价。结果表明：不同样点密度下的土壤表观电导率均呈中等变异强度，并服从对数正态分布；各样点密度下的土壤表观电导率均表现为强空间相关性，其空间变异主要表现在小于10 m的田间尺度上，且对于预测精度，泛克立格>普通克立格>反距离权重>局部多项式。偏差指数法分析表明，各插值方法分布图的空间相似性均随样点密度的降低而下降；对于相同的样点密度减小比例下的空间信息保留度，泛克立格>普通克立格>反距离权重>局部多项式，采用泛克立格法可以在保证预测精度的基础上合理降低样点密度。该研究为黄河三角洲地区盐渍土地磁感式田间数据采集的合理密度确定以及优化空间插值模式选取提供了理论依据与技术参考。     

不同采样尺度下土壤碱解氮空间变异性研究——以榆树市农田土壤为例

在精准农业的实施过程中,研究如何用较少的样本来反映田间信息的空间变异规律,再用科学的插值方法进行插值和预估是精准农业研究中的一个关键问题。以东北典型黑土区——吉林省榆树市为研究区域,在榆树市弓棚镇13号村内选择相对平整的地块进行土壤采样并测试其土壤养分。在对原始采样格网点按一定的样点间隔和布局进行抽取的基础上,利用克里格插值方法和BP神经网络方法分别进行空间插值,比较不同采样尺度（40m×40m,56m×56m,80m×80m,113m×113m,160m×160m五个尺度）对空间插值精度的影响。结果表明:（1）随着采样尺度的增大,碱解氮的空间结构系数C/（C₀+C）有减小的趋势,表明采样间距以内的不可估计误差逐渐增大,其空间结构的表现能力在逐渐减弱;（2）Kriging插值精度总体优于BP神经网络,随着采样尺度的增加,两种模型的模拟精度都有所下降,BP神经网路的插值精度和Kriging模型的插值精度的差距逐渐减小;（3）两种模型在113m×113m尺度上插值精度都发生了突变,如考虑碱解氮的空间变异规律和经济因素,碱解氮的最佳采样尺度应在80～113m。     

不同样点数量对土壤有机质空间变异表达的影响

以南京市六合区为研究区,通过完全随机和限制最小采样间距抽样分别设置5个样点系列,基于每个样点系列100次重复抽样的变异结构推断及空间预测误差结果,探讨了不同样点数量对土壤有机质(SOM)空间变异表达的影响。结果表明,两种抽样方式降低样点数量后推断的SOM含量的块金效应(C0/C0+C)均随样点数量减少而降低且限制最小采样间距抽样推断的C0/C0+C要低于完全随机抽样方法,说明适当的减少样点数量以便降低与SOM变异尺度不匹配的样点对变异结构推断的影响有助于提高SOM空间变异结构表达的可靠性。普通Kriging预测的SOM误差对比则表明,尽管两种抽样方式下空间预测的均方根误差(RMSE)随样点数量变化而波动,但均低于全部样点的预测误差;通过限制最小采样间距减少样点至250个时,SOM空间预测的RMSE最低,较全部样点预测误差降低了6%,因此,为了实现样点密度与SOM变异尺度相匹配,合理设置土壤采样点的间距及样点数量较单纯的增加采样点数量更为重要。