Using Geostatistics and Geographic Information System Techniques to Characterize Spatial Variability of Soil Properties,Including Micronutrients

Soil properties including micronutrients and their balanced use can significantly affect plant growth and crop production. Hence, the objective of this research was to evaluate the spatial variation of different soil properties including micronutrients in the Dasht-e-Tabriz in the northwest of Iran. Ninety-eight soil sampling sites were selected to collect soil samples from the soil surface layer at a 1000-m distance according to the grid sampling method and analyzed. Soil physical and chemical properties, including the micronutrient concentrations of iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), and zinc (Zn), were measured. Spatial variabilities of soil properties were determined using the statistical software packages Grow and SPSS. The spatial variabilities of micronutrients in the region were a function of sequenced soil sedimentation, high level of underground water, and the differences in the pedogenesis and hydrological processes. Using such analyses, it is possible to plan appropriate soil management practices, including fertilization.     

土壤特性空间变异研究进展

对土壤特性空间变异的影响因素作了扼要分析 ;对土壤特性空间变异研究方法的发展概况作了初步讨论 ,并对土壤特性空间变异定量研究中涉及的主要分析方法及其参数作了初步介绍 ;对土壤养分空间变异定量研究的进展作了简要回顾     

坡面尺度土壤特性的空间变异性

通过对20m长坡面土壤特性空间变异性的经典统计学分析,结果表明:(1)在同一土壤剖面内,各级粒径含量呈弱变异性,而有机质含量随土层深度的增大而逐渐降低,呈中等变异性;(2)土壤干容重的空间变异性较小,呈弱变异性,但土壤饱和导水率的空间变异性较大,呈中等变异性;(3)水分特征曲线具有一定的空间变异性,比水容量空间变异性较大,呈中等变异性。坡面土壤饱和导水率和干容重的等值线图表明,土壤饱和导水率的变化趋势并不仅仅取决于土壤干容重的相对大小,可能与有机质含量、黏粒含量以及根系分布情况等也有一定的关系。     

坡面土壤水分特性的空间变异及其水库贮量

利用地统计学方法研究了我国西南丘陵区坡面土壤水分特性的空间变异。结果表明:西南丘陵区坡面土壤水分特性在不同的剖面深度具有一定的空间结构,可用纯块金效应模型、线性模型、指数模型和球状模型进行拟合;土壤水分特性变异为含水量>萎蔫含水量>田间持水量>饱和含水量>容重,变异系数都介于1%～100%之间,均属中等变异;水分特性随剖面深度表现出一定的变化规律,但半方差模型各参数随土壤深度无明显变化规律;土壤水库容为:有效水库容>通透库容>无效水库容,其空间分布主要受土层厚度和地形影响。     

地统计学在土壤空间变异研究中的应用

地统计学应用于土壤科学中,探索其空间分布特征及其变异规律,已为越来越多的学者所推崇。本文对地统计学基本原理及地统计学在土壤物理特性、土壤养分、土壤盐分、土壤重金属等土壤空间变异研究中的应用进行了论述,并针对存在的问题及发展趋势提出了一些看法。     

测定尺度对所测土壤导水参数及其空间变异性的影响

用 3种盘径 (14.4,2 0 ,30cm)的负压入渗仪在 2个供水负压 (1和 10cm)下 ,在 65个测点测定了田间水分入渗。基于入渗数据 ,计算了宏观毛管上升高度和 2个基模吸力的导水率。导水率和宏观毛管上升高度的值呈对数正态分布。用大盘径负压入渗仪测定获得的导水率和宏观毛管上升高度的空间连续性最好。当供水负压为 1cm ,盘径为 14.4cm(小盘径 ) ,导水率和宏观毛管上升高度的空间连续性没有表现出来。导水率的均值随测定尺度增加而趋于减少 ,宏观毛管上升高度的均值和标准偏差均随测定尺度增加而趋于减小。导水率和宏观毛管上升高度的样本半方差 ,半方差金砖方差 (nugget)和平台方差 (sill)随测定尺度增加而减少     

Removing Moisture Effect on Soil Reflectance Properties: A Case Study of Clay Content Prediction

Visible, near-infrared and shortwave-infrared (VNIR-SWIR) spectroscopy is an efficient approach for predicting soil properties because it reduces the time and cost of analyses. However, its advantages are hampered by the presence of soil moisture, which masks the major spectral absorptions of the soil and distorts the overall spectral shape. Hence, developing a procedure that skips the drying process for soil properties assessment directly from wet soil samples could save invaluable time. The goal of this study was twofold:proposing two approaches, partial least squares (PLS) and nearest neighbor spectral correction (NNSC), for dry spectral prediction and utilizing those spectra to demonstrate the ability to predict soil clay content. For these purposes, we measured 830 samples taken from eight common soil types in Israel that were sampled at 66 different locations. The dry spectrum accuracy was measured using the spectral angle mapper (SAM) and the average sum of deviations squared (ASDS), which resulted in low prediction errors of less than 8% and 14%, respectively. Later, our hypothesis was tested using the predicted dry soil spectra to predict the clay content, which resulted in R² of 0.69 and 0.58 in the PLS and NNSC methods, respectively. Finally, our results were compared to those obtained by external parameter orthogonalization (EPO) and direct standardization (DS). This study demonstrates the ability to evaluate the dry spectral fingerprint of a wet soil sample, which can be utilized in various pedological aspects such as soil monitoring, soil classification, and soil properties assessment.     

空间变异理论在土壤特性分析中的应用研究进展

空间变异理论是研究随机变量空间变异性的理论。该理论是建立在地统计学基础之上,其研究的主要对象就是那些在空间上具有一定变异性的随机变量。空间变异理论被广泛的应用到土壤学、生态学、地质学、水文学、气象、资源环境以及其它存在“空间变异性”的领域。对空间变异理论的研究方法进行了简要的介绍,并且对空间变异理论在土壤的物理、化学特性及微量元素中应用的研究进行了介绍。在对空间变异理论的研究方法和在土壤特性中应用的归纳和分析中,指出了空间变异理论在理论和应用中的存在的问题并为其提出了展望。     

Within-Field Variability of Winter Wheat Yield and Grain Quality versus Soil Properties

Within-field variability in wheat grain yield and its quality always exists in production fields and depends, among other factors, mainly on various soil properties related to nutrients and water availability. The aim of the research was to examine the relationships between selected soil properties such as texture; pH; content of the available phosphorus (P), potassium (K), magnesium (Mg), and organic carbon; and winter wheat grain yield and quality under rainfed conditions. Six crop fields with winter wheat (Triticum aestivum, L.) in three sites located in different regions of Poland were examined during two seasons. The grain yield was mainly determined by the soil texture, and the majority of the chemical soil properties did not have a significant effect on grain yield. The grain quality traits were determined by the examined soil properties to a smaller degree than grain yield. The relationships were not consistent across sites and years.     

空间变异理论在土壤特性分析中的应用研究进展

空间变异理论是研究随机变量空间变异性的理论.该理论是建立在地统计学基础之上,其研究的主要对象就是那些在空间上具有一定变异性的随机变量.空间变异理论被广泛应用到土壤学、生态学、地质学、水文学、气象、资源环境及其存在"空间变异性"的领域.对空间变异理论的研究方法进行简要的介绍,并且对空间变异理论在土壤的物理、化学特性及微量元素中的应用研究进行介绍.在对空间变异理论的研究方法和在土壤特性中应用的归纳和分析中,指出空间变异理论在理论和应用中存在的问题并为其提出展望.     

农田土壤养分的空间变异性特征

对一块面积为１ｈｍ^２麦田内的９８个观测点取样分析,测定了代表不同土壤含水率水平下的两个时期土壤表层和底层的ＮＨ_４-Ｎ、ＮＯ₃-Ｎ、Ｏｌｓｅｎ-Ｐ、表层有机质和全氮等养分。应用地统计学的方法对所取的数据进行了分析,结果表明底层土壤的ＮＨ_４-Ｎ、表层土壤的有机质服从正态分布;其余养分基本上服从对数正态分布;按一定的精度和置信水平确定了合理的取样数目。通过半方差函数分析,发现这些养分在一定范围内存在空间相关性;采用Ｋｒｉｇｉｎｇ方法对未测点进行了估值,绘制了等值线图,并对两个时期的养分动态的空间变异进行了初步分析。该成果可用于提高氮肥利用率和精确农业（施肥）的研究和实践。     

滨海盐土盐分含量与其光谱特征的关系研究

以连云港典型滨海盐土盐分含量和室内高光谱反射率为研究对象,分析了盐土的光谱特征和盐分含量的分布特点,研究了土壤盐分含量与光谱反射率及其变换形式之间的相关性。运用多元逐步线性回归和曲线模拟构建土壤盐分含量的高光谱预测模型。结果表明,盐土在400～900nm范围内整体呈现先下降后缓慢上升的规律,在600～625nm范围内不同土样的反射率存在较大差异。土壤盐分含量与光谱反射率的一阶导数以及反射率倒数的一阶导数存在显著相关性,与615nm波段的反射率一阶导数相关性最大,相关系数达-0.739。运用S函数构建土壤盐分含量的预测模型精度最高,R2为0.555。该研究可为深入探讨典型滨海盐土盐分含量的快速检测提供一种新的途径和方法。     

土壤改良剂聚丙烯酰胺对紫色土物理性质及其空间变异的影响

聚丙烯酰胺(PAM)作为一种良好的土壤改良剂.对土壤结构的改善及其土壤对水分和养分的保持发挥了巨大作用,为了研究PAM对紫色土物理性质及其空间变异的影响.进行了野外径流小区试验.试验采用PAM的4种施用模式,包括A模式(浓度为30 g/m~3PAM液施)、B模式(浓度为60 g/m~3PAM液施)、C模式(浓度为30g/m~3PAM液施结合添加剂)、D模式(浓度为60 g/m~3PAM液施结合添加剂),并对紫色土坡面及其不同坡位的土壤水稳性团聚体、机械组成、容重、初始含水率以及土壤渗透率进行了测定.结果表明,C模式对促进>0.25mm水稳性土壤团聚体形成最明显,增大了23.87%,而相同模式下的不同坡位>0.25 mm水稳性团聚体含量的增量排序均为:上坡>中坡>下坡;4种模式在坡面及其不同坡位都促进了土壤中砂粒、粘粒的增加和粉粒和土壤容重的减少,其促进作用为:C模式>B模式>A模式>D模式;在坡面位置C模式分别提高初渗速率和稳渗速率1.790 mm/min和0.701 mm/min,同一模式下,土壤稳渗率的增量表现为:上坡>中坡>下坡.因此适当浓度的PAM结合添加剂的方式对紫色土物理性质的改良效果最好.     

基于L波段的裸土区土壤水分微波遥感反演研究

以北京市大兴区为研究区,探讨利用ALOS/PALSAR数据反演裸土土壤水分的方法。由于PALSAR的后向散射系数主要与土壤水分及地表粗糙度有关,本研究使用AIEM理论模型计算地表的同极化后向散射系数,Oh半经验模型计算交叉极化的后向散射系数;由分析可知,同极化与交叉极化的差异不随土壤水分的变化而变化,仅随地表粗糙度的增加而减少,为此可建立后向散射系数与粗糙度之间的函数关系。本文利用BP神经网络算法反演研究区的裸土土壤水分含量,并利用实测数据对反演结果进行验证,结果表明估测裸土土壤水分含量误差为0.035 m3/m3,相对误差为13.9%。因此,可以利用L波段主动微波遥感反演裸土土壤水分含量,且具有较高的精度。本研究成果可为农业灌溉、灾害监测、环境评估等提供信息支持,具有重要的现实意义与应用价值。     

新疆盐渍化区土壤盐分离子的空间变异特征

土壤中盐分含量与空间分布是了解多孔介质中水盐运移规律并进而因地制宜提出盐渍土改良措施的关键。利用地统计学,结合地理信息系统（GIS）,在面积约为2 000 km2的新疆典型盐渍化区渭干河流域布设了土壤取样点43个,测定了土壤表层（0～30 cm）盐分及其组成（Ca^2＋、Mg^2＋、K^＋、Na^＋、SO4^2-、Cl^-、HCO3^-）的空间变异性规律。结果表明：Ca^2＋、HCO3^-为正态分布,其余盐分离子符合对数正态分布;半方差分析得出总盐分符合球状模型,Mg^2＋、K^＋、Na^＋、Cl^-、SO4^2-符合指数模型,Ca^2＋符合高斯模型,而HCO3-则是纯块金效应;盐分离子的变程在14.3 km～64.1 km之间;盐分离子均表现为中等强度的空间自相关,但程度有所差异。用Kriging插值法对未测点的盐分离子进行最优估计,绘制含量分布图,从而可以更直观的反映研究区土壤盐分离子的空间变异特征。     

Geographic Information System and Geostatistical Techniques to Characterize Spatial Variability of Soil Micronutrients Including Toxic Metals in an Agricultural Farm

Knowledge of spatial variability of soil properties is critical for precision farming and identification of pollution hot spots. This study examined the spatial dependence and variability of microelements to produce nutrient maps for site-specific nutrient management and for environmental modeling. A total of 94 grid samples (50 × 50 m²) were collected and analyzed for available zinc (Zn), copper (Cu), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), cadmium (Cd), and lead (Pb) using an atomic absorption spectrometer. Coefficient of variation (CV) indicated that all the microelements were high in heterogeneity (CV > 35%). Available Zn was found deficient in 66.4% of soil samples and might be one of the limiting nutrients for crop growth, Cu and Ni were in medium, and Fe and Mn in very high range. Pb and Cd were lower than standard values, but careful management will avoid toxicity. Significant correlation was found between Zn with Fe (r = 0.377); Ni with Mn and Fe (r = 0.350 and 0.205, respectively); and Pb with Mn and Ni (r = 0.298 and 0.221, respectively). Spatial variability of soil microelements was mapped by ordinary kriging using exponential model for Fe, Mn, Ni, Cd, and Pb; Gaussian model for Cu, and spherical model for Zn. Semivariogram showed strong to weak degree of spatial dependence for all microelements. The study highlighted the importance for the creation of nutrient management zones for Zn availability. The spatial variability maps generated could be used as a guide for precise and site-specific micronutrient management in the study region.     

成都平原区土壤速效磷时空变化特征

根据1982年173个样点和2002年117个样点的分析数据,利用地统计学方法和GIS技术对成都平原耕层（0～20cm）土壤速效磷含量的时空变异特征进行了研究。结果表明,成都平原耕层土壤样点间速效磷平均含量由1982年的7.1mg／kg增至2002年的14.3mg／kg,平均增加了103.40％。20年间由于受区域间农业管理措施、土地利用方式和土壤颗粒组成差异的影响,占平原耕地面积75.86％的土壤速效磷含量增加,且区域增加幅度呈由东向西逐渐降低的趋势。土壤速效磷含量与土壤颗粒组成的相关性分析表明,1982年土壤速效磷含量与土壤砂粒（2～0.02mm）之间呈极显著的负相关,与土壤粉粒（0.02～0.002mm）之间相关未达到显著水平,与土壤粘粒（〈0.002mm）之间呈显著正相关;2002年土壤速效磷含量与土壤砂粒之间呈显著的负相关,与土壤粉粒之间呈极显著正相关,与土壤粘粒之间相关未达到显著水平。     

煤矿区次生裸坡土壤抗冲性的空间变异特征

为定量描绘矿区次生裸坡土壤抗冲性特征,以山西潞安王庄煤矿矸石山为例,运用传统统计学与地统计学相结合的方法,对煤矸石山土壤抗冲性进行空间变异特征研究.结果表明:矸石山土壤具有明显的空间异质性特征.土壤抗冲指数的最适理论模型为指数模型.在2,2.5,3,4 m共4个步长间隔范围内,拟合模型的精度随步长间距的增大而提高.土壤抗冲指数的块金系数C0/(C0+C)在10.91％～13.68％之间,具有强烈的空间自相关性,且空间变异主要受结构因素的影响.土壤抗冲指数的空间分布表现为条带状和斑块状的分布特点,且主要分布在0.06～0.12min/g之间,占83.02％.沿坡长方向,土壤抗冲指数呈现先减小后增大的趋势,且极显著服从于方程ANS=0.0001X2-0.0048X+0.1166.     

退化红壤区不同模式重建森林土壤水分空间变异性

采用地统计学的方法,研究了江西泰和退化红壤区不同模式重建森林在高温干旱季节土壤水分空间变异规律及其分布格局。结果表明,在该研究尺度下,湿地松纯林、枫香纯林、湿地松与枫香混交林0~20 cm,20~40cm土层含水量分布都符合正态分布,都可较好地拟合成球状模型,表现出明显的空间相关性和空间分布格局。3种重建模式样地0~20 cm,20~40 cm层土壤含水量变异函数的基台值、变程都较无林荒地明显增大,而且基台值和变程在0~20 cm,20~40 cm两土层间的差异明显大于无林荒地,说明植被恢复以后,土壤水分的空间分布特征明显改变,空间变异性增强,空间变异的程度和尺度都明显增大,土壤水分的空间变异也具有较为明显的层次性。与纯林相比,湿地松×枫香混交林土壤水分的空间变异程度较低,水分分布趋于均匀化。     

科尔沁沙地沙质草场土壤水分对干旱和降雨响应的空间变异性

采用地统计学的方法,研究了科尔沁沙地沙质草场土壤含水量对干旱和降雨响应的空间变异规律。结果表明,干旱时沙质草场表层(0～20cm)、亚表层(20～40cm)土壤含水量可很好地拟合成球状模型和指数模型,在1～2．26m,1～6．63m的中等尺度范围内表现出很高的空间自相关性,空间自相关度分别为0．92,0．87．分维数均表现出较弱的空间依赖性．分别为1．99,1．94,两层土壤含水量变异特征差异小,土壤水分的空间变异性强,破碎化程度高。降雨后沙质草场土壤表层、亚表层土壤含水量可很好地拟合成指数模型和球状模型,也具有空间结构特征,空间自相关度分别为0．62,0．98,变程分别为181．80m,4．55m,分维数为1．91,1．99,再有土壤水分空间格局图分析,表层土壤含水量空间变异性小,亚表层空间变异性大,两层土壤含水量变异特征存在明显差异。干旱时与降雨后沙质草场表层土壤水分统计特征、变异函数模型和参数、分维数和土壤水分空间格局分布图存在显著的差异,而亚表层差异较小。一定强度的降雨在短期内只能削弱处于干旱时沙质草场表层土壤水分的空间变异性,使其表层土壤水分破碎化程度、空间变异性减弱,而对土壤深层的水分补充和影响有限。