土壤理化性質(zhì)的空間變異性及其空間插值

自1970年以來，土壤空間變化規(guī)律得到了初步研究。80年代初,Matheron的區(qū)域化變量理論和地統(tǒng)計方法被進一步引用到土壤特性的研究。到90年代,隨著發(fā)達國家精確施肥技術的提出和開展,土壤特性及作物產(chǎn)量的空間變異和空間插值技術研究得到眾多農(nóng)學家的關注,同時空間采樣布局和采樣策略研究得到了重視。我國從80年代起開始從事這方面的研究,但多數(shù)采用地統(tǒng)計方法進行土壤特性研究,對精確施肥采樣中的土壤和作物的空間變異性及布局研究甚少。本研究分析了土壤特性的統(tǒng)計特征,并采用半方差分析和克立格方法對牧草田土壤各元素的25m×25m采樣點進行了空間變異性及其插值研究。1關于研究1.1土壤、肥土和施肥機對土壤養(yǎng)分含量的影響以英國北愛爾蘭Hillsborough農(nóng)業(yè)研究所附近的一塊7.9hm2的坡地為試驗區(qū),其地形兩邊高中間低,最高點與最低點的高程落差達13m(圖1)。土壤為第三紀紅砂巖上發(fā)育的棕壤,質(zhì)地為砂粘壤土,pH為6.0。該地塊在1990年翻耕播草種,一年收割三次。在施用一定數(shù)量有機肥的基礎上,每年施肥機以均勻方式噴灑300kg/hm2氮素及混入數(shù)量不等的磷鉀硫肥。1999年開始本研究,當年沒有施用有機肥料,而且年氮肥總用量降低至250kg/hm2,以優(yōu)化肥料管理。1.2土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量測定從北愛爾蘭地籍數(shù)據(jù)庫中找到該地塊,將該地塊圖形輸入到ARCVIEW地理信息系統(tǒng)軟件中,然后用25m×25m網(wǎng)格覆蓋該地塊并確定各采樣點,總共為123個(圖2)。再把田塊取樣點分布圖輸入到GPS儀(Trimble)。GPS在接收四顆以上衛(wèi)星信號定位的同時,接收英國海岸坐標定位信號,進行定位校正,定位精度可達幾十厘米級。在田間取樣時,利用DGPS確定各采樣點位置,并以該點為中心,在取樣半徑約1m的圓形區(qū)域內(nèi)多點混合取樣,取樣深度7.5cm。土樣經(jīng)風干、磨碎及過篩后,按英國農(nóng)業(yè)部標準常規(guī)分析方法進行有關土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量測定。其中土壤pH采用1∶2.5土水比的懸濁液測定;土壤有效磷采用NaHCO3試劑提取,用分光光度計(880nm)測定由鉬酸銨與磷在抗血酸存在下生成的蘭色絡合物含量來測定提取液中的磷含量;土壤有效鉀采用pH7.0的1mol/L醋酸銨提取,提取液鉀濃度用火焰光度計測定。對牧草用干熱法處理后,用LECOP-2000元素分析儀分析干牧草樣品中的N含量;用硝酸/高氧酸為4/1的混合酸進行消化處理后,用ICP法來分析P,K的含量。2金h型估計點的權值區(qū)域化變量理論常用于土壤特性的空間分異性研究。區(qū)域化變量和土壤屬性在空間存在一定的依賴性,即一定范圍內(nèi)某點上的土壤屬性總是與它臨近的點的屬性相似。這種一定范圍內(nèi)的土壤屬性的空間依賴性可用半方差函數(shù)表示,其半方差的值同樣反映出土壤屬性的空間分異性。半方差的值r可用公式(1)計算:r(h)=12N(h)r(h)=12Ν(h)∑i=1n∑i=1n[Z(Xi)-Z(Xi+h)]2(1)式(1)中:h為一定的間隔距離;N(h)為該范圍內(nèi)的觀察點數(shù);Z(Xi)為觀察點Xi的土壤屬性值。半方差函數(shù)可采用線性、球形和指數(shù)等模型從0°,45°,90°和135°四個方向進行擬合。而一定間隔范圍內(nèi)各點的土壤屬性值需采用適當?shù)目臻g插值法對測點進行插值得到。一般而言,距離越遠的觀察點對估計點的影響越小,其加權值也隨距離變化而不同。因此,估計點s0的值常采用若干臨近點si的線形加權來擬合。見公式(2):Z?(s0)=Ζ^(s0)=∑i=1n∑i=1nλiZ(si)(2)克立格插值方法是地統(tǒng)計中最為常用的插值法,它跟逆距離加權方法一樣也是一種局部估計的加權平均。但是它對各觀察點的權重的確定是通過半方差圖分析獲取的。根據(jù)統(tǒng)計學上無偏和最優(yōu)的要求,利用拉格朗日極小化原理,可倒推出權重值λi與半方差γ之間的公式(3)?！苆=1n∑j=1nλjγ[d(si,sj)]+φ=γ[d(s0,si)]i=1,…,n∑i=1n∑i=1nλi=1(3)式(3)中φ為拉格朗日算子。點狀克立格插值,又叫一般克立格插值法,是基于點狀測點的一種克立格插值方法。本研究采用克立格法進行土壤各屬性數(shù)據(jù)的插值,采用球形模型從四個方向擬合半方差函數(shù)。3結果3.1土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分、鉀、鎂、硫含量等生物量的特征特性,土壤從表1可知,土壤養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)的偏度值為正,峰度存左偏尖峰態(tài)。正態(tài)分布檢驗采用偏度的t檢驗方法,置信度為95%,查表得t0.05=1.98。從表1的t檢驗值來看,只有有機質(zhì)含量一項符合正態(tài)分布的要求。其他觀測量符合對數(shù)正態(tài)分布,經(jīng)對數(shù)變換(表2)后,除酸堿度外通過正態(tài)分布的t檢驗。從統(tǒng)計的變異系數(shù)看,土壤的有機質(zhì)、磷、鉀、鎂、硫含量的變異系數(shù)在14.6%~35.4%之間,土壤pH的變異系數(shù)為最低(5.2%),這與Carter,Bos和Teferi等在土壤特性變異系數(shù)研究結果相符。其中,鉀的變異系數(shù)最大,達到35.4%。因此,在相同精度要求下,有效鉀的采樣布點要比其它土壤特性多。3.2不重復抽樣公式不同的土壤特性具有不同的空間變異及不同的統(tǒng)計特征,在一定顯著水平下(α)和抽樣允許誤差范圍內(nèi)(±d),所要求的必要樣本數(shù)目(n)的計算采用公式(4):n=(tn,a/2s/d)2(4)式(4)中t為t氏分布值,s為樣本標準方差。如果計算所得樣本數(shù)大于總樣本容量N的10%,則采用不重復抽樣公式n′=n/(1+n/N)。表3是置信度取95%,在不同均值允許誤差(15%,10%,15%)條件下計算的樣本容量。從表3可見,不同土壤特性所需的樣本數(shù)是不一樣的,在5%允許誤差情況下,研究區(qū)內(nèi)土壤酸堿度所需的樣本最少,只需3個,而土壤有效鉀所需的樣本數(shù)最多,達到65個。這與土壤各特性的空間變異系數(shù)直接相關,變異系數(shù)小,所需樣本數(shù)少;變異系數(shù)大,所需樣本數(shù)多。同時,隨著均值誤差的提高,所需采樣數(shù)目減少。這一方面減少了采樣成本,但另一方面勢必降低對田間土壤特性的空間變異性的表達度和可信度,從而增加了以后的田間精確施肥的誤差。因此,在進行樣本容量的統(tǒng)計分析時,均值允許誤差的取值非常關鍵。3.3樣品點半方差折線表4是由球形模型得到的土壤各屬性數(shù)據(jù)的半方差分析結果?；仔腔字蹬c基臺值之比,反映土壤屬性的空間依賴性。變程指影響的范圍,反映空間依賴的最大距離。從表4可知,土壤各屬性的基底效應在25%~75%,說明試驗區(qū)的土壤各屬性具有中等空間依賴性。其中,土壤的酸堿度的基底效應最高,達到75%,磷和鎂其次,有機質(zhì)、鉀較低,而硫的基底效應最低(28%)。酸堿度的變程最小,有機質(zhì)的變程最大,達到350m。圖3和圖4分別是土壤磷和土壤鉀不同方向的半方差圖。從兩圖可以明顯地看出,土壤磷和土壤鉀在不同方向均存在程度不一的空間變異。其中,全方向半方差折線最接近所有采樣點的擬合曲線,45°斜線向的折線次之,而東西向最差。因此,在采樣總數(shù)一致的情況下,可以優(yōu)先考慮三角網(wǎng)布點。至于本研究中東西向采樣點半方差折線的擬合度不如南北向主要受到研究區(qū)域形狀的影響(南北長,東西窄)。從圖5可見,土壤有效鉀和有效磷的含量在空間上的分布是不同的,即土壤不同特性的空間分布不一致,因此,施肥時應根據(jù)其分布情況因地制宜地進行。4土壤特性的空間變異特征及采樣布局的半方差圖分析4.1不同的土壤特性有不同的空間變異規(guī)律,因此,對土壤采樣應采取不同的采樣策略。即通過對土壤各特性的統(tǒng)