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      基于環(huán)境因子的土壤養(yǎng)分預測制圖

      2014-07-11 14:21:29王丹宋軒陳杰
      江蘇農(nóng)業(yè)科學 2014年4期
      關(guān)鍵詞:環(huán)境因子土壤養(yǎng)分

      王丹 宋軒 陳杰

      摘要:土壤養(yǎng)分空間變異由氣候、母質(zhì)、地形、植被等結(jié)構(gòu)性因素和施肥、耕作措施等隨機因素共同作用。以河南省封丘縣為研究對象,選擇高程、坡度、平面曲率、剖面曲率、地形濕度指數(shù)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)等環(huán)境因子為輔助變量模擬土壤結(jié)構(gòu)性分量,并分別采用普通克里格插值法和反距離權(quán)重法處理空間相關(guān)的隨機分量,提出了結(jié)合環(huán)境因子的空間插值方法,并對土壤有機質(zhì)和全氮進行預測制圖。交叉驗證結(jié)果表明,結(jié)合環(huán)境因子的空間插值方法能夠提高土壤養(yǎng)分空間分布的預測精度,是一種有效的土壤養(yǎng)分預測制圖方法。

      關(guān)鍵詞:土壤養(yǎng)分;環(huán)境因子;克里格插值法;反距離權(quán)重法;河南封丘

      中圖分類號: S158.9 文獻標志碼: A 文章編號:1002-1302(2014)04-0277-04

      收稿日期:2013-08-29

      基金項目:國家自然科學基金(編號:40971128);鄭州大學研究生創(chuàng)新基金。

      作者簡介:王丹(1989—),女,河南許昌人,碩士研究生,從事土地資源遙感與信息技術(shù)研究。E-mail:wdzzu2012 @126.com。

      通信作者:宋軒。E-mail:songxuan@zzu.edu.cn。土壤并非勻質(zhì)體,其空間變異由氣候、母質(zhì)、地形、植被、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素和施肥、耕作措施、種植制度等隨機因素共同作用[1]。土壤養(yǎng)分的空間變異對環(huán)境預測、精準農(nóng)業(yè)和自然資源管理具有重要意義,已成為土壤科學研究的熱點之一。由于受多方面因素限制,采樣點數(shù)量是有限的,為了解整個研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布狀況,就需要采用空間插值技術(shù)。20世紀80年代初,Mathern的區(qū)域化變量理論和地統(tǒng)計方法被引入到土壤特性的研究中[2],土壤養(yǎng)分空間分布預測逐漸由定性轉(zhuǎn)為定量。此后地統(tǒng)計方法廣泛應用于土壤制圖領(lǐng)域,被證明是分析土壤要素空間分布特征最為有效的方法之一[3]。20世紀90年代以來,隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感技術(shù)(RS)的發(fā)展,使用環(huán)境變量輔助預測土壤養(yǎng)分的方法開始受到土壤調(diào)查人員的青睞。研究表明,定量化的環(huán)境因子與土壤屬性之間存在顯著相關(guān)性,可以輔助預測土壤屬性[4]。這種基于環(huán)境因子進行土壤預測性制圖的方法,如空間回歸模型,彌補了較少考慮影響土壤養(yǎng)分空間分布結(jié)構(gòu)性因素的地統(tǒng)計學方法的不足。然而,在環(huán)境變化較為均一的地區(qū),環(huán)境因子與土壤屬性的相關(guān)性較低,僅利用環(huán)境因子進行預測制圖難以得到理想的效果。劉靜等結(jié)合海拔高度改進空間插值方法,該方法對土壤有機質(zhì)預測效果明顯優(yōu)于反距離權(quán)重法和普通克里格方法[5]。Sumfleth等認為,將環(huán)境因子與插值方法相結(jié)合是土壤制圖的有效方法[6]。因此,將環(huán)境因子與插值方法相結(jié)合是土壤養(yǎng)分精確制圖的關(guān)鍵。本研究以河南省封丘縣為對象,以高程、坡度、平面曲率、剖面曲率、地形濕度指數(shù)、歸一化植被指數(shù)等環(huán)境因子為輔助變量模擬土壤結(jié)構(gòu)化分量,分別采用普通克里格插值法和反距離權(quán)重法處理空間相關(guān)的隨機分量,對研究區(qū)有機質(zhì)和全氮含量進行了數(shù)字化制圖研究,以期為精準農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設提供精確的數(shù)字土壤地圖。

      1材料與方法

      1.1研究區(qū)概況

      封丘縣位于河南省東北部,界于144°14′~114°46′E、34°53′~35°14′N,總面積1 225 km2;地處黃河故道,地貌復雜,沙崗、平原、洼地兼有;黃河大堤以南地勢較高,其余地勢低洼,整體由西南向東北傾斜,屬暖溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫13.9 ℃,年均降水量615.1 mm,無霜期214 d。主要土壤類型是新成土和雛形土,占全縣土壤總面積的98%以上。

      1.2研究方法

      1.2.1土壤樣品采集與分析利用SPOT遙感圖像,兼顧代表性和均勻性,共布設355個土壤樣點,樣點分布如圖1所示。取0~20 cm的表層土壤,采用四分法取樣,并通過GPS獲取采樣點坐標。所有土壤樣品經(jīng)自然風干后,采用重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量,采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量。

      1.2.2環(huán)境因子的提取與處理研究選擇的環(huán)境因子包括地形因子和植被因子,其中,地形因子包括高程(H)、坡度(β)、平面曲率(Ch)、剖面曲率(Cv)和地形濕度指數(shù)(Φ,也稱復合地形指數(shù))[6],是在ArcGIS9.3支持下,利用研究30 m分辨率的數(shù)字高程模型計算得到;植被因子選取反映農(nóng)作物長勢和營養(yǎng)狀況的歸一化植被指數(shù)(NDVI)[3],該指數(shù)采用同期Landsat ETM+遙感數(shù)據(jù)計算得到。不同環(huán)境因子的量綱是不同的,需要進行標準化處理[7]。采用主成分分析可以消除環(huán)境因子間的多重共線性,用主成分替代原始環(huán)境因子可以提高土壤養(yǎng)分建模的預測精度[8]。

      2.2土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子的關(guān)系

      利用ArcGIS所提取的環(huán)境因子與所測土壤有機質(zhì)、全氮進行相關(guān)性分析。由表2可見,土壤有機質(zhì)和全氮含量與高程相關(guān)系數(shù)分別為-0.213和-0.294,均呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。一般而言,隨著海拔的升高,風力加大,太陽輻射增強,水熱條件加快了有機質(zhì)的分解速度,并且在重力和侵蝕作用下,海拔高處土壤中的物質(zhì)和能量被運移到海拔較低處,海拔高處的有機質(zhì)和全氮含量比海拔低處低。有機質(zhì)和全氮含量與植被指數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為0.315和0.271,均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明土壤有機質(zhì)和全氮對植物生長影響較大。通常情況下,良好的植被覆蓋可以有效減少侵蝕作用,利于土壤保水、保肥,植被長勢良好,覆蓋度大,凋落物及田間殘留物相對較多,腐殖化作用顯著,表層土壤有機質(zhì)含量較高,而有機質(zhì)對土壤水、氣、熱等各種肥力因素起重要調(diào)節(jié)作用,影響?zhàn)B分的保持和供給,使氮素等其他養(yǎng)分含量增高[3]。除此之外,全氮與坡度呈顯著負相關(guān)關(guān)系(r=-0.118),表明坡度越陡,全氮含量越低,這是由于坡度越陡,土壤養(yǎng)分越容易流失造成的。全氮與地形濕度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.110),地形濕度指數(shù)在一定程度上與土壤含水量和沉積物運移相關(guān),土壤水分含量較高的地區(qū)全氮含量較大。有機質(zhì)與地形濕度指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,但不顯著。地形濕度指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性較低,遠沒有達到預期效果,這與連綱等的研究結(jié)論[4,13]相似。endprint

      2.3土壤有機質(zhì)和全氮的空間分布

      本研究首先采用傳統(tǒng)反距離權(quán)重法(IDW)和普通克里格方法(OK),然后采用結(jié)合環(huán)境因子的反距離權(quán)重法和普通克里格插值法對土壤有機質(zhì)和全氮進行空間預測制圖,結(jié)果如圖2、圖3所示??傮w上看,4種插值方法得到的土壤養(yǎng)分空間格局分布結(jié)果相似:有機質(zhì)空間分布呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的趨勢,全氮空間分布呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的趨勢;有機質(zhì)、全氮空間分布的整體趨勢與研究區(qū)南高北低的地勢相反,較高值出現(xiàn)于地勢相對低洼的地區(qū)。

      通過對比原方法(IDW、OK)與改進方法(改進IDW、改進OK)得到的養(yǎng)分空間分布圖發(fā)現(xiàn),改進后的方法表現(xiàn)出更加明顯的梯度變化,能更準確地反映出土壤養(yǎng)分隨環(huán)境的變化趨勢和由于環(huán)境變化所帶來的局部差異。

      通過結(jié)合環(huán)境因子的插值方法得到的4副預測圖(圖2、圖3)可以看出,研究區(qū)離散分布著許多小塊狀的低值區(qū),以及中部明顯的塊狀低值區(qū)和南部出現(xiàn)的條帶狀低值區(qū)。這是由于歸一化植被指數(shù)反映植被覆蓋狀況,能有效地識別植被覆蓋地區(qū)和非植被覆蓋地區(qū),這些低值區(qū)與非植被覆蓋地區(qū)相吻合,離散的小塊狀以及中部明顯的塊狀低值區(qū)均為建設用地,南部條帶狀低值區(qū)則為黃河灘地。因此,應用結(jié)合環(huán)境因子的插值方法生成的土壤養(yǎng)分圖,在一定程度上也反映了土地利用情況,2種改進方法相比,克里格插值法有效地消除了反距離權(quán)重法的“牛眼”現(xiàn)象,在目視效果上優(yōu)于改進的反距離權(quán)重法。

      2.4不同插值方法精度比較

      3小結(jié)與討論

      封丘縣土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的空間分布趨勢,全氮呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的空間分布趨勢。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分變異較低,屬弱變異性。環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分空間分布具有一定影響,但這種影響在不同環(huán)境因子間表現(xiàn)出差異性。高程和歸一化植被指數(shù)是影響土壤養(yǎng)分分布的主要因素,其對土壤有機質(zhì)、全氮具有極顯著影響。坡度和地形濕度指數(shù)顯著影響全氮的空間分布,平面曲率和剖面曲率對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響。與傳統(tǒng)普通克里格插值法和反距離權(quán)重法相比,結(jié)合環(huán)境因子的插值方法考慮了影響土壤養(yǎng)分空間分布的環(huán)境因素,可以有效地提高土壤養(yǎng)分空間分布預測精度。從制圖目視效果和預測精度來看,結(jié)合環(huán)境因子的普通克里格插值法整體最優(yōu)。

      影響土壤養(yǎng)分空間分布的因素復雜,除了考慮環(huán)境因素外,還可以考慮如人為因素、土地利用狀況等其他影響因素,這樣可以更加精確地了解研究區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布狀況。

      參考文獻:

      [1]賈樹海,張琦,孟維軍,等. 基于GIS與地統(tǒng)計學土壤養(yǎng)分空間變異特性研究[J]. 水土保持通報,2009,29(3):197-202.

      [2]王坷,許紅衛(wèi),史舟,等. 土壤鉀素空間變異性和空間插值方法的比較研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報,2000,6(3):318-322,344.

      [3]張素梅,王宗明,張柏,等. 利用地形和遙感數(shù)據(jù)預測土壤養(yǎng)分空間分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(5):188-194.

      [4]連綱,郭旭東,傅伯杰,等. 基于環(huán)境相關(guān)法和地統(tǒng)計學的土壤屬性空間分布預測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(7):237-242.

      [5]劉靜,蔡國學,劉洪斌. 西南丘陵地區(qū)土壤有機質(zhì)含量的空間插值法研究[J]. 西南大學學報:自然科學版,2008,30(3):107-112.

      [6]Sumfleth K,Duttmann R. Prediction of soil property distribution in paddy soil landscapes using terrain data and satellite information as indicators[J]. Ecological Indicators,2008,8(5):485-501.

      [7]AnselinL,Syabri I,Kho Y. GeoDa:an introduction to spatial data analysis[J]. Geographical Analysis,2006,38(1):5-22.

      [8]Hengl T,Heuvelink G B,Stein A. A generic framework for spatial prediction of soil variables based on regression-kriging[J]. Geoderma,2004,120 (1/2):75-93.

      [9]Gessler P E,Moore I D,Mckenzie N J,et al. Soil-landscape modeling and spatial prediction of soil attribute[J]. International Journal of Geographical Information Systems,1995,9(4):421-432.

      [10]李新,程國棟,盧玲.青藏高原氣溫分布的空間插值方法比較[J]. 高原氣象,2003,22(6):565-573.

      [11]連綱,郭旭東,傅伯杰,等. 黃土高原小流域土壤容重及水分空間變異特征[J]. 生態(tài)學報,2006,26(3):647-654.

      [12]徐麗華,謝德體,李兵. 距離倒數(shù)和克里克方法在土壤養(yǎng)分制圖中的比較研究[J]. 農(nóng)機化研究,2011,33(11):56-61,70.

      [13]宋軒,李立東,寇長林,等. 黃水河小流域土壤養(yǎng)分分布及其與地形的關(guān)系[J]. 應用生態(tài)學報,2011,22(12):3163-3168.

      [14]孫孝林,趙玉國,趙量,等. 應用土壤-景觀定量模型預測土壤屬性空間分布及制圖[J]. 土壤,2008,40(5):837-842.endprint

      2.3土壤有機質(zhì)和全氮的空間分布

      本研究首先采用傳統(tǒng)反距離權(quán)重法(IDW)和普通克里格方法(OK),然后采用結(jié)合環(huán)境因子的反距離權(quán)重法和普通克里格插值法對土壤有機質(zhì)和全氮進行空間預測制圖,結(jié)果如圖2、圖3所示??傮w上看,4種插值方法得到的土壤養(yǎng)分空間格局分布結(jié)果相似:有機質(zhì)空間分布呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的趨勢,全氮空間分布呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的趨勢;有機質(zhì)、全氮空間分布的整體趨勢與研究區(qū)南高北低的地勢相反,較高值出現(xiàn)于地勢相對低洼的地區(qū)。

      通過對比原方法(IDW、OK)與改進方法(改進IDW、改進OK)得到的養(yǎng)分空間分布圖發(fā)現(xiàn),改進后的方法表現(xiàn)出更加明顯的梯度變化,能更準確地反映出土壤養(yǎng)分隨環(huán)境的變化趨勢和由于環(huán)境變化所帶來的局部差異。

      通過結(jié)合環(huán)境因子的插值方法得到的4副預測圖(圖2、圖3)可以看出,研究區(qū)離散分布著許多小塊狀的低值區(qū),以及中部明顯的塊狀低值區(qū)和南部出現(xiàn)的條帶狀低值區(qū)。這是由于歸一化植被指數(shù)反映植被覆蓋狀況,能有效地識別植被覆蓋地區(qū)和非植被覆蓋地區(qū),這些低值區(qū)與非植被覆蓋地區(qū)相吻合,離散的小塊狀以及中部明顯的塊狀低值區(qū)均為建設用地,南部條帶狀低值區(qū)則為黃河灘地。因此,應用結(jié)合環(huán)境因子的插值方法生成的土壤養(yǎng)分圖,在一定程度上也反映了土地利用情況,2種改進方法相比,克里格插值法有效地消除了反距離權(quán)重法的“牛眼”現(xiàn)象,在目視效果上優(yōu)于改進的反距離權(quán)重法。

      2.4不同插值方法精度比較

      3小結(jié)與討論

      封丘縣土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的空間分布趨勢,全氮呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的空間分布趨勢。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分變異較低,屬弱變異性。環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分空間分布具有一定影響,但這種影響在不同環(huán)境因子間表現(xiàn)出差異性。高程和歸一化植被指數(shù)是影響土壤養(yǎng)分分布的主要因素,其對土壤有機質(zhì)、全氮具有極顯著影響。坡度和地形濕度指數(shù)顯著影響全氮的空間分布,平面曲率和剖面曲率對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響。與傳統(tǒng)普通克里格插值法和反距離權(quán)重法相比,結(jié)合環(huán)境因子的插值方法考慮了影響土壤養(yǎng)分空間分布的環(huán)境因素,可以有效地提高土壤養(yǎng)分空間分布預測精度。從制圖目視效果和預測精度來看,結(jié)合環(huán)境因子的普通克里格插值法整體最優(yōu)。

      影響土壤養(yǎng)分空間分布的因素復雜,除了考慮環(huán)境因素外,還可以考慮如人為因素、土地利用狀況等其他影響因素,這樣可以更加精確地了解研究區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布狀況。

      參考文獻:

      [1]賈樹海,張琦,孟維軍,等. 基于GIS與地統(tǒng)計學土壤養(yǎng)分空間變異特性研究[J]. 水土保持通報,2009,29(3):197-202.

      [2]王坷,許紅衛(wèi),史舟,等. 土壤鉀素空間變異性和空間插值方法的比較研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報,2000,6(3):318-322,344.

      [3]張素梅,王宗明,張柏,等. 利用地形和遙感數(shù)據(jù)預測土壤養(yǎng)分空間分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(5):188-194.

      [4]連綱,郭旭東,傅伯杰,等. 基于環(huán)境相關(guān)法和地統(tǒng)計學的土壤屬性空間分布預測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(7):237-242.

      [5]劉靜,蔡國學,劉洪斌. 西南丘陵地區(qū)土壤有機質(zhì)含量的空間插值法研究[J]. 西南大學學報:自然科學版,2008,30(3):107-112.

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      [10]李新,程國棟,盧玲.青藏高原氣溫分布的空間插值方法比較[J]. 高原氣象,2003,22(6):565-573.

      [11]連綱,郭旭東,傅伯杰,等. 黃土高原小流域土壤容重及水分空間變異特征[J]. 生態(tài)學報,2006,26(3):647-654.

      [12]徐麗華,謝德體,李兵. 距離倒數(shù)和克里克方法在土壤養(yǎng)分制圖中的比較研究[J]. 農(nóng)機化研究,2011,33(11):56-61,70.

      [13]宋軒,李立東,寇長林,等. 黃水河小流域土壤養(yǎng)分分布及其與地形的關(guān)系[J]. 應用生態(tài)學報,2011,22(12):3163-3168.

      [14]孫孝林,趙玉國,趙量,等. 應用土壤-景觀定量模型預測土壤屬性空間分布及制圖[J]. 土壤,2008,40(5):837-842.endprint

      2.3土壤有機質(zhì)和全氮的空間分布

      本研究首先采用傳統(tǒng)反距離權(quán)重法(IDW)和普通克里格方法(OK),然后采用結(jié)合環(huán)境因子的反距離權(quán)重法和普通克里格插值法對土壤有機質(zhì)和全氮進行空間預測制圖,結(jié)果如圖2、圖3所示??傮w上看,4種插值方法得到的土壤養(yǎng)分空間格局分布結(jié)果相似:有機質(zhì)空間分布呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的趨勢,全氮空間分布呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的趨勢;有機質(zhì)、全氮空間分布的整體趨勢與研究區(qū)南高北低的地勢相反,較高值出現(xiàn)于地勢相對低洼的地區(qū)。

      通過對比原方法(IDW、OK)與改進方法(改進IDW、改進OK)得到的養(yǎng)分空間分布圖發(fā)現(xiàn),改進后的方法表現(xiàn)出更加明顯的梯度變化,能更準確地反映出土壤養(yǎng)分隨環(huán)境的變化趨勢和由于環(huán)境變化所帶來的局部差異。

      通過結(jié)合環(huán)境因子的插值方法得到的4副預測圖(圖2、圖3)可以看出,研究區(qū)離散分布著許多小塊狀的低值區(qū),以及中部明顯的塊狀低值區(qū)和南部出現(xiàn)的條帶狀低值區(qū)。這是由于歸一化植被指數(shù)反映植被覆蓋狀況,能有效地識別植被覆蓋地區(qū)和非植被覆蓋地區(qū),這些低值區(qū)與非植被覆蓋地區(qū)相吻合,離散的小塊狀以及中部明顯的塊狀低值區(qū)均為建設用地,南部條帶狀低值區(qū)則為黃河灘地。因此,應用結(jié)合環(huán)境因子的插值方法生成的土壤養(yǎng)分圖,在一定程度上也反映了土地利用情況,2種改進方法相比,克里格插值法有效地消除了反距離權(quán)重法的“牛眼”現(xiàn)象,在目視效果上優(yōu)于改進的反距離權(quán)重法。

      2.4不同插值方法精度比較

      3小結(jié)與討論

      封丘縣土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)北部偏高、南部偏低的空間分布趨勢,全氮呈現(xiàn)東北部偏高、東南部偏低的空間分布趨勢。研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分變異較低,屬弱變異性。環(huán)境因子對土壤養(yǎng)分空間分布具有一定影響,但這種影響在不同環(huán)境因子間表現(xiàn)出差異性。高程和歸一化植被指數(shù)是影響土壤養(yǎng)分分布的主要因素,其對土壤有機質(zhì)、全氮具有極顯著影響。坡度和地形濕度指數(shù)顯著影響全氮的空間分布,平面曲率和剖面曲率對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響。與傳統(tǒng)普通克里格插值法和反距離權(quán)重法相比,結(jié)合環(huán)境因子的插值方法考慮了影響土壤養(yǎng)分空間分布的環(huán)境因素,可以有效地提高土壤養(yǎng)分空間分布預測精度。從制圖目視效果和預測精度來看,結(jié)合環(huán)境因子的普通克里格插值法整體最優(yōu)。

      影響土壤養(yǎng)分空間分布的因素復雜,除了考慮環(huán)境因素外,還可以考慮如人為因素、土地利用狀況等其他影響因素,這樣可以更加精確地了解研究區(qū)的土壤養(yǎng)分空間分布狀況。

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