土壤养分含量的协同克里格法插值研究

土壤养分含量的空间分布是农业领域研究的重要内容,空间插值是获取土壤养分含量空间分布的重要方法。空间插值方法很多,不同的空间插值方法结果精度各不相同。文章以石家庄城乡交错带土壤全氮、速效磷、速效钾三种养分含量为主变量,土壤有机质含量为辅助变量,选取普通克里格法和协同克里格方法,对85个采样点的土壤养分数据进行空间插值分析,获取土壤养分含量空间分布图。采用交叉验证法对其插值结果精度进行分析和评价,结果表明,采样点数量相同时协同克里格方法的结果精度明显高于普通克里格插值法;利用协同克立格法, 主变量数目在减少至70个,辅助变量不变的情况下,精度仍高于普通克里格法,且空间分布高度相似。说明在适当减少土壤样本的情况下,协同克里格法仍能保证插值精度,适合土壤养分空间插值。     

夏尔希里地区表层土壤养分空间异质性研究

以夏尔希里地区为研究区,运用统计学和地统计学相结合的方法,研究土壤表层(0～10cm)的有机质(OM)、有效磷(AP)、速效钾(AK)养分含量以及空间变异特征。结果表明:研究区土壤表层OM、AP、AK含量分别为(3.267±2.25)%、(6.751±4.85)mg/kg、(25.82±14.72)mg/kg,OM、AP、AK含量均为中等变异;研究区土壤OM、AK最佳拟合模型为球状模型,AP最佳拟合模型为指数模型,决定系数均很高(0.738～0.994);OM、AP为空间强烈自相关,AK为中等空间自相关。OM、AP变程较长(7 905.52、5 346.75 m),空间上连续性较好。AK变程较短(4 325.64 m),空间依赖性较强。土壤OM含量空间分布呈现山地森林区>绿洲区>荒漠区的特征,AP、AK含量空间分布均呈现绿洲区>山地森林区>荒漠区的特征;山地森林区表层土壤空间异质性主要受坡度、海拔高度、坡面曲率的影响。夏尔希里地区表层土壤养分存在不同空间异质性和空间关联性,这为干旱区土壤养分管理、可持续利用策略以及生态恢复提供了理论依据。     

基于协同克里格的耕层土壤速效钾空间异质性研究

基于万年县配方施肥项目野外采集的耕层(0~20 cm)土壤数据,运用常规性统计和地统计学方法定量刻画土壤速效钾的空间异质性。结果表明,研究区土壤速效钾值域为33.46~164.84 mg·kg^-1,均值为82.04 mg·kg^-1,属于4级(第二次土壤普查土壤养分分级标准),变异系数为30.49%,呈中等程度变异。成土母质、土壤类型(亚类和土属)、高程、pH和阳离子交换量(CEC)对研究区耕层土壤速效钾空间变异影响极显著(P<0.01)。交叉验证的结果表明,加入辅助变量的协同克里格法较普通克里格法可以提高模拟精度,辅助变量个数越多,模拟精度越高,空间异质性描述越详细。通过插值得出土壤速效钾的空间分布图,可为当地土壤钾素管理和精准农业提供科学依据。     

新疆野生樱桃李林自然保护区不同海拔梯度土壤养分特征及相关性分析

为探明新疆野生樱桃李林自然保护区土壤养分在不同海拔的变化特征,以新疆霍城县大西沟野生樱桃李林自然保护区的土壤为研究对象,测定了6个不同海拔梯度0～100 cm土层剖面土壤养分含量,并对土壤养分含量的变化规律及相关性进行分析。结果表明：野生樱桃李林土壤养分含量呈现明显的垂直分布特征,不同海拔梯度土壤有机质（OM）、全氮（TN）、速效氮（AN）、全磷（TP）、速效磷（AP）、全钾（TK）和速效钾（AK）含量随土层深度的增加均呈现出逐渐降低的趋势。野生樱桃李林土壤养分含量分布变化范围为土壤OM含量2.73～128.95 g/kg,土壤TN、TP、TK含量分别为0.55～5.28 g/kg、0.46～3.66 g/kg、1.399～8.786 g/kg,土壤AN、AP、AK含量分别为17.45～146.69 mg/kg、6.31～81.13 mg/kg、6.43～69.94 mg/kg,不同土壤养分含量在土壤表层的占比均较高,说明土壤养分含量主要集中分布在土壤表层。野生樱桃李林各土壤养分之间有明显的相关性,OM与TN、TP和TK呈极显著正相关（P<0.01）;AN与AP、AK、OM、TN和TK呈显著正相关（P<0.05）;AP与AK、OM、TN、TP和TK呈显著正相关（P<0.05）;AK与OM、TN、TP和TK呈极显著正相关（P<0.01）。     

丘陵区水稻土Cu污染空间变异的协同克里格分析

针对丘陵红壤区铜冶炼厂周围水稻土污染区(1.40 km2),在景观尺度上,采用协同克里格方法,研究了影响表层土壤Cu含量空间分布预测的辅助因子.基于空间自相关性、间距、长轴方位角以及各种预测误差,评价了辅助变量(包括秸秆全Cu含量StrawCu、籽粒全Cu含量GrainCu、土壤全Cd含量Cd、土壤pH、土壤有机质OM、高程H)对表层土壤Cu含量分布预测精度的影响.结果表明,单辅助变量的协同克里格预测值与实测值相关系数的大小顺序为Cu/Cd＞Cu/H＞Cu/StrawCu＞Cu/GrainCu＞Cu/OM、Cu/pH,而多辅助变量协同克里格预测的相关系数大小顺序为Cu/(Cd,StrawCu)＞Cu/(Cd,StrawCu,H)＞Cu/(Cd,StrawCu,GrainCu)＞Cu/(StrawCu,GrainCu)＞Cu/(Cd,H).与土壤全Cu含量的普通克里格插值精度相比,利用表层土壤全Cd含量、水稻秸秆全Cu含量、高程作为辅助变量与水稻土表层全Cu含量进行协同克里格插值可以显著提高预测精度;但水稻籽粒全Cu含量作为辅助变量对预测精度影响不显著;而土壤有机质含量和土壤pH作为辅助变量反而降低了预测精度.在对表层土壤全Cu含量分布的多辅助变量协同克里格预测中,表层土壤全Cd含量和水稻秸秆全Cu含量的影响最大,其次是高程,水稻籽粒全Cu含量不能提高对表层土壤全Cu含量分布的预测精度.     

大别山低海拔区不同植被类型土壤生物学特性

以大别山低海拔区常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、杉木林和毛竹林林下土壤为研究对象,系统分析了土壤养分、土壤微生物含量和土壤酶含量大小。结果表明：（1）不同植被类型土壤有机质（SOM）、全碳（TC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、有效磷（AP）和速效钾（AK）含量均差异显著。SOM、TC 和TN 含量表现为阔叶林跃竹林跃针叶林。毛竹林土壤TP（0.37±0.05g/kg）、AP（17.2±0.05 mg/kg）、TK（6.15±0.02 g/kg）和AK（80.31±0.05 mg/kg）都处于较高水平,杉木林土壤TK（7.18±0.05 g/kg）最高,但其他养分含量均较低,常绿阔叶林TK（1.73±0.05 g/kg）含量最低,其他养分含量均处于中上等水平。（2）不同植被类型土壤微生物碳、土壤微生物氮和土壤微生物磷含量的变化范围分别为249.0~780.1、59.27~190.1、30.95~107.1 mg/kg,在不同植被类型中差异均显著。（3）不同植被类型土壤酶含量差异显著,常绿阔叶林的脲酶（0.98±0.01 mg/g·d）、蛋白酶（0.22±0.02 mg/g·d）、磷酸酶（30.01±1.02 mg/g·d）和蔗糖酶 （22.14±1.03 mg/g·d）含量均最高。     

罗江县农田土壤全氮协同克里格插值和采样数量优化研究

[目的]研究县域土壤全氮含量的空间分布和采样数量,为紫色土丘陵区采样提供参考。[方法]利用协同克里格法,以初始的1 777个土壤全氮含量数据为随机抽取的数据,分别随机抽取1 599、1 421和1 243个数据为目标变量,并以初始的1 777个土壤有机质数据为辅助变量,对四川省罗江县土壤全氮含量进行插值分析,从而利用协同克里格法对县域尺度下农田土壤全氮含量在不同样点数量下空间分布中的适用性进行评价。[结果]在相同取样数量下,全氮协同克里格法的均方根误差相对于普通克里格法降低0.019 6%～0.072 5%,预测值和实测值之间的相关系数提高0.69%～0.90%。利用协同克里格法,土壤全氮含量数据在缩减30%情况下,其估值精度高于1 777个样点下的普通克里格估值,且二者的分布图都具有较高的拟合度。[结论]协同克里格法是一种经济、精准的方法,可为县域土壤养分含量的空间分布提供基础信息。     

山地丘陵耕地土壤养分最优插值方法研究——以江西省渝水区水北镇为例

以江西省渝水区水北镇为研究区,利用823个采样点的耕地土壤养分数据,分析区内耕地土壤养分含量与海拔、坡度的相关性,采用协同克里格插值方法,结合海拔、坡度进行插值,并把经交叉检验后的结果与逆距离权重法、普通克里格法的结果进行比较.结果表明,结合海拔、坡度进行插值后,精度有明显提高.插值精度排序为协同克里格法>普通克里格法...     

植烟土壤养分的空间变异性研究

采用网格法取样,利用传统统计学和地统计学分析了平项山地区典型烟区(0～20 cm)土壤养分的空间变异特征,并运用普通克里格(Kriging)进行最优无偏线性插值,制作了土壤pH、有机质(OM)、土壤活性有机质(ASOM)、全氮(TN)、碱解氯(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、速效微量元素(Fe,Mn,Cu,Zn...     

基于随机森林的农耕区土壤有机质空间分布预测

以陕西省周至县农耕区为研究区,采集192个土壤样品,通过随机森林模型(random forest, RF)对土壤有机质含量进行回归预测,通过29个(15%)独立验证点对预测结果进行精度验证,并与普通克里格(ordinary kriging,OK)和协同克里格(cokriging,COK)插值结果进行对比分析。结果表明,研究区土壤有机质含量在训练集和验证集中均属于中等变异性,含量处于中等偏低水平,大致表现为中、南部黑河东岸土壤有机质含量相对较高,东北部渭河沿岸含量较低。对变量重要性进行排序,影响研究区土壤有机质的主要因素为数字高程(DEM)和降水量。与OK、COK相比, RF对土壤有机质的预测值和实测值的相关系数(0.782)更高,而平均绝对误差(0.618 g·kg^-1)和均方根误差(2.062 g·kg^-1)更低,说明RF能够更精确地反映局部土壤有机质含量的空间变化信息。     

基于环境因子的土壤养分预测制图——以河南省封丘县为例

土壤养分空间变异由气候、母质、地形、植被等结构性因素和施肥、耕作措施等随机因素共同作用。以河南省封丘县为研究对象,选择高程、坡度、平面曲率、剖面曲率、地形湿度指数、归一化植被指数(NDVI)等环境因子为辅助变量模拟土壤结构性分量,并分别采用普通克里格插值法和反距离权重法处理空间相关的随机分量,提出了结合环境因子的空间插值方法,并对土壤有机质和全氮进行预测制图。交叉验证结果表明,结合环境因子的空间插值方法能够提高土壤养分空间分布的预测精度,是一种有效的土壤养分预测制图方法。     

基于协同克里格的县域耕地质量监测点优化布设

根据耕地质量的空间分布特征优化监测样点布局,可提高耕地质量的监测效率和准确性。本研究筛选与耕地质量协同变化的环境因子作为辅助变量,利用地统计学方法分析耕地质量的空间变异特征,采用协同克里格法优化耕地质量监测样点的布设。结果表明：利用与耕地质量相关性较好的地下水位为辅助变量,在不同规格网格的样点布设下,协同克里格在最适（5 km×5 km）网格尺度下得到66个监测点的插值精度,优于普通克里格在小（2 km×2 km）网格尺度下得到390个监测点的插值精度;而在相同规格网格的样点布设下,协同克里格方法得到监测点的插值精度均优于普通克里格。研究表明,结合易于获取的辅助变量信息的协同克里格方法可优化耕地质量监测点布设,得到更少的监测点的样点方案,在耕地质量监测中可实现减少成本的同时提高监测精度。     

基于遥感与作物模型的土壤速效养分时空变异分析

目的 研究在均衡施肥模式下,双山农场2012—2016年间土壤速效养分的时空变异特征,分析施肥管理、轮作模式等人为因素和气象、地形等自然因素对速效养分变化的影响,该研究成果可为土壤速效养分管理和作物变量施肥提供参考依据。方法 以双山基地农场为例,通过时间序列HJ-1 CCD遥感数据和作物模型WOFOST反演得到土壤速效养分。基于以上土壤速效养分数据在不同时间尺度（年际间和生长季内）和不同空间尺度（农场尺度和田块尺度）上的速效养分时空变异分析。利用土壤速效养分分级图来定性分析养分在5年内的空间变异特征;选取相应的统计参量对土壤速效养分的平均含量和变异性进行定量分析;利用线性回归来分析速效养分的变化量与初始含量的关系;以及养分变化曲线图分析速效养分的时间变化特征。结果 在均衡的农田施肥管理模式下,2012—2016年农场的土壤速效氮（AN）、速效磷（AP）和速效钾（AK）含量平均值变化不大,速效养分高值和低值都在向中间值靠拢,分别集中于280—360 mg·kg ^-1、38—42 mg·kg ^-1和160—200 mg·kg ^-1,该部分面积比例分别增加18.5%、23.1%和23.8%,养分含量整体呈现均一化特征。AN、AP和AK的变异系数分别从2012年的0.314、0.112和0.257变为2016年的0.131、0.034和0.098,速效养分分布的空间差异性在减弱。AN,AP变化量均与初始值呈现极显著的负相关,R ²分别为0.839和0.882,AK的R ²为0.569,其相关性较弱与土壤中的速效钾本身不稳定有关。通过相邻地块的养分变化分析可知,田块尺度上的土壤速效养分也表现出明显的均一化特征,轮作模式是影响田块间养分变化差异的主要因素,对于轮作模式完全相反的#1和#2田块,人工施肥决定了田块内养分变化的总体趋势,对于豆科作物,固氮作用对土壤速效氮的含量变化作用明显。温度升高在一定程度上会促进作物对养分的吸收,但这种影响不足以改变养分变化的总体趋势。土壤的淋洗对养分的空间变异起到决定性作用,特别是强度较大的降水。降水对养分空间变异的影响在地形差异较大的区域,表现得更加明显。 结论 农田的施肥管理和作物轮作模式是土壤速效养分变化的主导因素;其次是气候因素,雨水对土地的淋洗会导致土壤速效养分的流失和下降,该作用在地形差异较大的地区更加明显;速效养分的变化量与养分初始含量关系显著;温度的升高会促进土壤速效养分的降低,其影响力小于降水。以上变化规律均可纳入后期速效养分的预测研究中,对这些影响因子赋予不同的权值,进行预测模型的构建。以期对作物年际间和生长季内的速效养分的变化进行实时动态监测。     

三江源地区温度和降水量空间插值方法比较

以获取三江源地区1971～2000年的各月降水及平均气温的栅格数据为目的,选取青海省及其周边共58个基准气象站点的气候数据,结合100 m×100 m分辨率的数字高程模型（DEM）数据,采用协同克里格（Co-Kriging,COK）和薄盘光滑样条函数（Thin plate smoothing splines,TPS）2种方法进行气温及降水的空间插值。用广义交叉验证（General cross validation,GCV）的最小统计误差筛选最佳模型,用均方根预测误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）比较2种方法的精度。结果表明,①不论是COK还是TPS,引入协变量后模型插值结果的精度更优;②TPS的插值效果显著优于COK：对月均温模型,TPS的RMSE值比COK提高了69.48%,MAE验证指标提高了70.56%;而对于月降水模型,TPS的RMSE值比COK提高了28.07%,MAE值提高了29.06%。     

尧都区西南部褐土耕层土壤养分的空间分布特征

【目的】为探讨褐土耕层土壤养分的空间分布特征及其变异规律.【方法】以临汾市尧都区为研究区,应用地统计学、克里格插值法和地理探测器等方法,研究褐土耕层有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾等土壤养分要素的空间分布特征及其影响因素.【结果】褐土耕层土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾均服从对数正态分布,平均含量分别为12.34g/kg,1.15g/kg,53.54mg/kg,23.45mg/kg和229.58mg/kg,变异系数在38.36%~85.40%之间,均呈中等变异强度.【结论】有机质与全氮的空间变异主要受结构性因素影响,而速效养分主要受随机因素影响;速效钾表现为单一斑块,其他养分均呈从两边区域向中间区域逐渐增加的趋势.人为管理措施对速效养分格局起主导作用,成土母质和灌溉水源条件是影响有机质和全氮分布的主要因素.此外,灌溉水源条件对各养分影响均较大,土壤质地的影响均较小.     

基于主成分分析的协同克里格插值模型对土壤铜含量的空间分布预测

以湖北省宜都市红花套镇的柑橘产区为例,选取土壤重金属全铜含量为研究对象,利用Pearson相关系数方法选择与土壤铜含量具有较高相关性的土壤因子(全K、全Cr、CEC、全Al、全N(P0.05))作为辅助变量,利用主成分分析(PCA)对辅助变量进行降维求总得分处理后,与协同克里格插值相结合构建土壤铜含量空间模型(COKPCA),同时构建土壤铜含量的普通克里格插值模型(OK)和以全K作为辅助变量构建协同克里格插值模型(COKK),对不同的空间模型进行模拟精度的对比和分析之后提出最优空间模型方法,进一步分析土壤铜含量在研究区域的空间分布特征。结果表明:普通克里格插值(OK)、协同克里格插值(COKK)和与主成分相结合的协同克里格插值(COKPCA)3种模型的RMSE分别为7.044、6.907和6.309,R2分别为0.716、0.743和0.852,赤池信息量准则(AIC)分别为101.591、96.908和87.203。综合比较,COKPCA具有最优的模拟插值结果,其次为COKK,而OK则相对较差。     

林芝市耕地连作方式下土壤生态化学计量特征研究

为了解西藏自治区林芝市连作地块土壤养分的分布特征,提高土地生产力,充分发挥土地的利用效率,对林芝市巴宜区3个连作地块（拉丁嘎村、拉当喀村、拉嘎娘村）进行研究,采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土层土壤,测定土壤的pH值、含水量以及土壤有机质（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、速效磷（AP）和速效钾（AK）含量,计算土壤化学计量比（C/N、C/P、N/P）。结果表明,林芝市巴宜区连作土壤养分含量总体处于中等水平,在土壤各组分差异性上,所有组分的变异系数为0.01≤CV≤1.00,属于中等变异;3个地区土壤TP含量平均值差异较小,拉丁嘎村与其他两个地区的土壤AK含量平均值差异较大;拉当喀村连作土壤C/N明显高于其他两个地区;研究区连作方式下,土壤有机质（SOM）平均含量除与TK含量呈负相关外,与其他养分含量均呈正相关;林芝市3个连作地块土壤养分中全氮（TN）、全磷（TP）、速效钾（AK）含量均较高,但全钾（TK）、速效磷（AP）含量较低,具有较大的空间差异性;人类活动干扰是影响土壤C、N、P、K含量和化学计量比的主要因素。     

喀斯特峰丛洼地小流域表层土壤养分的空间异质性

为研究喀斯特峰丛洼地小流域土壤化学性质的空间变异性,基于规则网格取样(80m×80m),测定了典型喀斯特峰丛洼地木连喀斯特小流域163个表层(0cm~20cm)土壤样点基本养分全氮TN(total nitrogen)、全磷TP(total phosphorus)、全钾TK(total potassium)、有效氮AN(available nitrogen)、速效磷AP(available phosphorus)、速效钾AK(available potassium)、有机质SOM(soil organic matter)含量和pH值,并利用经典统计学和地统计方法进行了空间变异特征分析。结果表明:研究区土壤这8种指标数值的差异及变异系数均较大,各项土壤养分指标的变异程度依次为TK >AP >AN >TN >SOM >AK >TP >pH。不同养分指标具有不同的空间结构和最佳拟合模型,除TK和pH呈现强烈空间自相关、变程较短、空间依赖性较强外,其余6种指标(TN、TP、AN、AP、AK、SOM)均呈中等空间自相关,变程较长,空间连续性较好。Kriging等值线图直观、清晰的反映了研究区土壤养分空间格局。TN、AN、SOM的Kriging等值线图相似并且它们的空间分布趋势与pH正好相反,TP和AP的Kriging等值线图相似,TK和AK的Kriging等值线图相似。除pH外,木连喀斯特小流域养分空间格局可概括为:东边高,西边低,南边高,北边低,洼地高,坡地低。人为干扰和自然条件(地形、地貌、植被、裸岩率、坡度、坡向)是土壤养分空间异质性的主要影响因素。     

震后土壤有效氮、磷、钾空间分布特征——以彭州市新黄村为例

运用地理信息系统(GIS)和地统计学相结合的方法研究了彭州市新黄村震后土壤碱解氮(AN)、有效磷(AP)和速效钾(AK)的空间分布特征.结果表明,该区土壤碱解氮、有效磷、速效钾的含量分别为(126.19±67.89) mg/kg、(37.18±17.18)mg/kg、(165.69±79.80) mg/kg;导致碱解氮空间变异的因素以随机性因素为主,而有效磷和速效钾为随机性因素和结构性因素共同影响的结果,但影响程度有所差异.基于ArcGIS 9.2平台的克里格插值分析结果显示,该区碱解氮含量总体上呈现由北向南逐渐增加的趋势,且呈条带状分布,高值区(＞165mg/kg)主要分布在该区的中部和南部,低值区(＜90 mg/kg)零星分布在研究区域内;有效磷含量在总体上呈现以低值区为中心向四周环状递增趋势,且呈两端高中间低的斑块状分布,高值区(＞44mg/kg)主要分布在北部山坡林地的中部,低值区(＜20 mg/kg)主要分布在低山丘陵与平坝的过渡地带;速效钾含量总体上呈斑块状分布,且呈现两端高中间低,西面高东面低的分布特征,以北部山坡林地和西南平坝一角的高值区(＞220 mg/kg)为中心,分别向南部和东部呈带状递减,并在低山丘陵区东部的旱地以及丘陵向平坝过渡的东部边缘区出现相对低值(＜110mg/kg)分布.显著性检验结果表明,震后压实对土壤速效养分有显著或极显著影响,且水田明显于旱地;不同土地利用方式对土壤速效养分含量也有显著影响.     

长期施肥下红壤养分指标阈值研究

土壤养分和作物产量间呈S形而非线性生长效应,养分指标的阈值是科学施肥和土壤肥力综合评价之关键。近30年的长期定位试验因大量的养分和产量梯度数据而成为养分指标阈值研究的最佳载体。本研究基于江西进贤红壤性稻田长期定位化肥、有机肥和旱地化肥试验监测数据,采用频率累积曲线、生长效应曲线和专家成果借鉴等多种方法,系统研究了有机质(OM)、全氮(TN)、速效氮(AN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、全钾(TK)、速效钾(AK)和pH等8项指标阈值。结果表明,养分指标与作物产量呈显著或极显著生长效应关系,并得出相应模拟方程,评价指标阈值：OM 30 g/kg、TN 2.0 g/kg、AN 200 mg/kg、TP 1.2 g/kg、AP 20 mg/kg、TK 14 g/kg、AK 100 mg/kg、pH 4.5(下)/6.5(上),可供红壤区参考施肥和土壤肥力评价。