省域尺度下土壤養(yǎng)分的最佳采樣尺度確定

胡沖沖，畢如田

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

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省域尺度下土壤養(yǎng)分的最佳采樣尺度確定

胡沖沖，畢如田*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：合理的采樣尺度，尤其是在大尺度區(qū)域，對(duì)實(shí)時(shí)掌控土壤養(yǎng)分的空間分布狀況以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文以山西省為例，以368 843個(gè)土壤養(yǎng)分采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，選擇11個(gè)格網(wǎng)尺度(0.5 km×0.5 km、1 km×1 km、1.5 km×1.5 km、2 km×2 km、2.5 km×2.5 km、3 km×3 km、3.5 km×3.5 km、4 km×4 km、4.5 km×4.5 km、5 km×5 km、5.5 km×5.5 km)對(duì)土壤養(yǎng)分點(diǎn)進(jìn)行樣點(diǎn)選擇，比較分析不同尺度下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷的基本統(tǒng)計(jì)信息、半方差變異函數(shù)和普通克里金插值精度，以確定山西省土壤養(yǎng)分的最佳采樣尺度。研究表明：在不同尺度下，這4種土壤養(yǎng)分均處于中等變異強(qiáng)度，平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差變化不大。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在大尺度下受結(jié)構(gòu)性因素影響變大，速效鉀則變化不明顯，速效磷空間變異分析結(jié)果較差，對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行了剔除。分析不同尺度下插值精度指標(biāo)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀的最佳預(yù)測(cè)尺度分別為4.5 km、3.5 km、2.5 km尺度。綜合各分析結(jié)果，最后確定2.5 km為山西省土壤養(yǎng)分最佳的采樣尺度。對(duì)不同地貌原始密度樣點(diǎn)和2.5 km尺度下樣點(diǎn)空間制圖，分析不同地貌下土壤養(yǎng)分含量各等級(jí)分布面積占總面積的差異，發(fā)現(xiàn)兩種密度分布狀況在不同地貌、不同等級(jí)的差異甚小。

關(guān)鍵詞：不同格網(wǎng)尺度；半變異函數(shù)；普通克里金插值：最佳采樣尺度；省域尺度

土壤養(yǎng)分是衡量作物產(chǎn)量和質(zhì)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)，預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分及其空間變化特征是精確農(nóng)業(yè)中精確施肥的一個(gè)目標(biāo)[1]。土壤養(yǎng)分空間變異特征的分析主要是基于一定的土壤采樣數(shù)據(jù)，若能選擇一個(gè)合適的采樣尺度，使得土壤養(yǎng)分的預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到同等精度，將會(huì)在節(jié)省人力、物力的同時(shí)，對(duì)土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)起到重要作用。近年來(lái)，眾多的研究者對(duì)土壤采樣合理性進(jìn)行了研究，潘瑜春等[2]研究了采樣尺度對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異分析影響作用，為最佳采樣數(shù)的確定提供指導(dǎo)。王建軍等[3]研究了不同地貌類型下不同采樣密度對(duì)土壤養(yǎng)分空間插值結(jié)果的影響，從插值精度角度為合適采樣密度的確定提供思路。王宇航等[4]研究采樣點(diǎn)數(shù)目對(duì)反距離加權(quán)插值結(jié)果的影響，揭示了采樣點(diǎn)數(shù)目與插值精度之間的關(guān)系，為大區(qū)域采樣方案設(shè)計(jì)提供參考。陳署晃等[5]利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、地理信息技術(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分變異及合理取樣數(shù)進(jìn)行了研究，用純隨機(jī)取樣法探討了研究區(qū)域不同土壤養(yǎng)分的合理取樣數(shù)。劉吉平等[6]對(duì)不同采樣尺度下土壤堿解氮進(jìn)行了研究，確定研究區(qū)堿解氮的最佳采樣尺度在80～113 m。盛建東等[7]對(duì)不同取樣尺度農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分空間變異特征進(jìn)行了研究。楊琳等[8]采用模糊c均值聚類方法選出代表性樣點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)字土壤制圖。齊雁冰等[9]對(duì)縣域農(nóng)田土壤養(yǎng)分合理采樣點(diǎn)進(jìn)行研究。盡管目前對(duì)土壤合理采樣點(diǎn)問(wèn)題無(wú)論采樣數(shù)量、采樣密度、采樣位置等方面有了不少研究[10]，但針對(duì)最佳采樣尺度選擇的研究還相對(duì)缺乏，尤其是對(duì)省域級(jí)別或更大級(jí)別研究區(qū)的研究較少。

本文以山西省為例，因其地形復(fù)雜，多種地貌并存，在研究省域土壤養(yǎng)分的最佳采樣尺度中該區(qū)域較具有代表性。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在大尺度區(qū)域較少受農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響，而土壤速效鉀、速效磷受人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響較大，所以本文以這4種土壤養(yǎng)分為代表，以不同格網(wǎng)尺度選擇樣點(diǎn)。利用GIS技術(shù)結(jié)合地統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷這4種土壤養(yǎng)分在不同格網(wǎng)尺度下變異狀況分析，確定山西省最佳采樣尺度，旨在為大尺度區(qū)域土壤養(yǎng)分最佳采樣尺度的確定提供參考，對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分管理、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施能有一定的指導(dǎo)作用。

1數(shù)據(jù)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

山西省處于中國(guó)的華北地區(qū)，東靠太行山，東西南北方向分別與河北、陜西、河南、內(nèi)蒙古自治區(qū)毗連，呈東北斜向西南的平行四邊形。地理位置為東經(jīng)110°15′～114°33′，北緯34°34′～40°43′，整個(gè)地勢(shì)表現(xiàn)為東北高，西南低，高低起伏異常顯著，地形較為復(fù)雜，境內(nèi)有山地、丘陵、高原、盆地、平原等多種地貌類型，其中山地占全省總面積的40%，丘陵占40.3%，平原和臺(tái)地面積較小，僅占全省總面積的19.7%，自南向北依次有大同盆地、忻定盆地、太原盆地、臨汾盆地、運(yùn)城盆地、長(zhǎng)治盆地等六大盆地，高程逐級(jí)降低。海拔最高點(diǎn)為五臺(tái)山的北臺(tái)葉斗峰，為3 059 m。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3～14 ℃，年降雨量均值介于400～650 mm之間[11]。

圖1　山西省地理位置及DEM數(shù)據(jù)Fig.1　The Geographical location of Shanxi Province and DEM data

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)獲取

土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于山西省2006-2013年測(cè)土配方施肥土壤調(diào)查得到的GPS采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，將GPS測(cè)得的帶有坐標(biāo)記錄的采樣點(diǎn)，利用ArcGIS軟件轉(zhuǎn)為具有空間坐標(biāo)的空間點(diǎn)，并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，最后得到具有土壤養(yǎng)分含量信息的樣點(diǎn)分布圖，去除空值點(diǎn)后，樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為369 881個(gè)。為了減少數(shù)據(jù)中異常值對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，利用均值加減三倍的標(biāo)準(zhǔn)差法，去除離群值1 038個(gè)，最后剩下368 843個(gè)土壤養(yǎng)分點(diǎn)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)。

1.2.2基于不同格網(wǎng)尺度選點(diǎn)

格網(wǎng)的大小決定了采樣點(diǎn)密度和采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，

能較好的優(yōu)化采樣點(diǎn)，使之均勻分布。在ArcGIS軟件的支持下，利用格網(wǎng)法對(duì)原始數(shù)據(jù)以0.5 km為間隔進(jìn)行不同格網(wǎng)尺度樣點(diǎn)的選擇，對(duì) 0.5 km×0.5 km、1 km×1 km、1.5 km×1.5 km、2 km×2 km、2.5 km×2.5 km、3 km×3 km、3.5 km×3.5 km、4 km×4 km、4.5 km×4.5 km、5 km×5 km、5.5 km×5.5 km 11個(gè)網(wǎng)格尺度均以土壤養(yǎng)分均值和距離中心點(diǎn)最近原則，選擇不同尺度的樣點(diǎn)。本文以土壤全氮值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同格網(wǎng)尺度單元樣點(diǎn)的選擇。由于山西地形地貌關(guān)系，耕地分布較為廣泛，但面積較小。在較高的山地和溝壑處由于無(wú)人耕作，樣點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，不同尺度下格網(wǎng)選擇的樣點(diǎn)數(shù)會(huì)與理論值不一致，這并不影響對(duì)山西省土壤養(yǎng)分的整體分布狀況的分析。

1.3研究方法

1.3.1基本統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS軟件對(duì)不同尺度采樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)特征值包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等。

1.3.2地統(tǒng)計(jì)分析方法

地統(tǒng)計(jì)又稱地質(zhì)統(tǒng)計(jì)，是以區(qū)域化變量為基礎(chǔ)，借助半變異函數(shù)，研究既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性，或具有空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的一門科學(xué)[12]。它能夠更好地、定性地揭示土壤各種屬性變量在空間上的分布、變異及其它相關(guān)特征，被廣泛用來(lái)研究土壤養(yǎng)分的空間變異特征[13]。半變異函數(shù)又稱半變差函數(shù)，是地統(tǒng)計(jì)分析的特有函數(shù)。半變異函數(shù)有三個(gè)重要參數(shù)：塊金值(Co)、變程(Range)和基臺(tái)值(Co+ C)。利用GS+確定不同尺度下各土壤養(yǎng)分的最佳擬合模型，通過(guò)各參數(shù)變化趨勢(shì)可分析不同尺度下土壤養(yǎng)分的空間變異的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性。

克里金插值方法是以空間自相關(guān)性為基礎(chǔ)，利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)區(qū)域化變量的未知采樣點(diǎn)進(jìn)行無(wú)偏估值的插值方法，運(yùn)用克里金插值方法進(jìn)行的插值，不僅可以得到預(yù)測(cè)結(jié)果，而且可以得到預(yù)測(cè)誤差，有利于評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性[14]。克里金插值方法有許多種，普通克里金插值方法以精度較高適用性較強(qiáng)的特點(diǎn)被廣泛的用于土壤學(xué)研究。

1.4精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

精度評(píng)價(jià)利用交叉驗(yàn)證方法。交叉驗(yàn)證方法是假設(shè)每一采樣點(diǎn)的要素值未知，采用周圍其他樣點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)該值，根據(jù)所有樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的誤差大小評(píng)判插值方法的優(yōu)劣，評(píng)估指標(biāo)包括：衡量插值精度的指標(biāo)有平均預(yù)測(cè)誤差(ME)、標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差(MSE)、平均標(biāo)準(zhǔn)差(ASE)、均方根預(yù)測(cè)誤差(RMSE)均方根標(biāo)準(zhǔn)差(RMSSE)5個(gè)指標(biāo)。前4個(gè)指標(biāo)的值越小越好，RMSSE的值越接近于1表示精度越高，其中ASE和RESE的值反映預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)樣本空間變異的估計(jì)水平，ASE與RMSE越接近，反映空間變異水平的估計(jì)越準(zhǔn)確[15]。為了更清楚的顯示不同尺度下土壤養(yǎng)分預(yù)測(cè)誤差和預(yù)測(cè)精度的變化趨勢(shì)，參考其他研究方法[16]，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到excel中進(jìn)行處理，求取︱ASE-RMSE︱的值來(lái)反映空間變異的估計(jì)水平，用︱1-RMSSE︱表示RMSSE與1的接近程度,并根據(jù)數(shù)據(jù)需要乘以或除以10、100、1 000，使4種精度指標(biāo)數(shù)據(jù)均處于0～1范圍內(nèi)，便于比較分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤養(yǎng)分空間變異的統(tǒng)計(jì)特征

表1是各土壤養(yǎng)分的基本描述統(tǒng)計(jì)特征說(shuō)明。由表1可知，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷含量水平與山西省原始數(shù)據(jù)含量水平較為一致[17]，不同尺度下的同一土壤養(yǎng)分平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差相差不大，較為接近，而且土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷的變異系數(shù)為37.7%～82.3%，根據(jù)變異系數(shù)(CV)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]：弱變異CV<10%，中等變異CV=10.0%～100%，強(qiáng)變異CV>100%，均處于中等程度的變異，但速效磷的變異系數(shù)整體較其余3種土壤養(yǎng)分大，說(shuō)明該養(yǎng)分在土壤中分布不均勻，受人類活動(dòng)影響較大。隨著尺度的增加，土壤全氮和土壤有機(jī)質(zhì)變異系數(shù)呈逐漸減小趨勢(shì)，即隨著樣點(diǎn)的減少，數(shù)據(jù)的離散程度減小，相對(duì)穩(wěn)定性變好，而土壤速效鉀和速效磷變異系數(shù)基本不變，數(shù)值整體較為集聚。

2.2不同尺度下土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)分布

本文采用GS+對(duì)不同尺度下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷養(yǎng)分點(diǎn)進(jìn)行了半方差擬合與分析，見表2。由表2可以看出，在不同的尺度下，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀采樣點(diǎn)擬合度R2均較高，除少數(shù)尺度下稍低外，其余均大于0.9，半方差函數(shù)擬合模型較好，而速效磷擬合度R2小于0.77，擬合度較低。由表2可知,這4種土壤養(yǎng)分的變程由大到小分別為速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷，說(shuō)明其空間可變性：速效鉀<有機(jī)質(zhì)<全氮<速效磷，而且空間相關(guān)距離均大于采樣間距，說(shuō)明用地統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行的空間分析對(duì)大區(qū)域尺度分析比較適合。從結(jié)構(gòu)性因素的角度分析，基底效應(yīng)的百分?jǐn)?shù)可表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，其值<25%，變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，在25%～75%之間，具有中等的相關(guān)性，>75%變量空間相關(guān)性很弱[17]。根據(jù)空間相關(guān)性的劃分標(biāo)準(zhǔn)，不同尺度下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀的基底效應(yīng)值均處于50%～75%，具有中等程度空間相關(guān)，而速效磷基底效應(yīng)值小于11%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，說(shuō)明速效磷的空間變異受結(jié)構(gòu)性因素的影響較大，受人為因素的影響較小，這與前文中速效磷具有較大的變異系數(shù)和最強(qiáng)可變性的結(jié)論相悖，與他人的相關(guān)研究也有較大的出入，這可能是速效磷較低的擬合度導(dǎo)致的結(jié)果，由于數(shù)據(jù)較強(qiáng)的空間變異性和有限的擬合模型，導(dǎo)致數(shù)據(jù)擬合效果不佳，所以后續(xù)的研究中以其他3種土壤養(yǎng)分為依據(jù)。隨著采樣尺度的增大，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀的基底效應(yīng)值表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，整體上土壤有機(jī)質(zhì)的呈逐漸減少之勢(shì)，而全氮基底效應(yīng)值隨尺度的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，在3.5 km尺度達(dá)到最小值，3.5 km尺度之后，基底效應(yīng)值逐漸增加。而速效鉀的基底效應(yīng)值呈逐漸增加的趨勢(shì)，表明隨著尺度的增加，速效鉀的空間相關(guān)性在減弱。隨著尺度的增加，有機(jī)質(zhì)塊金值由31.1 減小為27，全氮塊金值由0.056減小為0.038，速效鉀塊金值由3 120.0減小為3 039.0，3種土壤養(yǎng)分的塊金值逐漸減小，是隨機(jī)性因素影響作用逐漸減弱，受結(jié)構(gòu)性因素，如土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素影響逐漸增強(qiáng)。在小尺度上，土壤養(yǎng)分的空間變異較多的來(lái)自于施肥水平、管理狀況、作物種類等因素的影響，尤其在山西地區(qū)，小區(qū)域范圍受人為因素影響較為嚴(yán)重。

表1　土壤養(yǎng)分基本統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

表2　不同尺度下土壤養(yǎng)分半方差函數(shù)模型分析

2.3不同尺度下土壤養(yǎng)分預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

由于在空間變異結(jié)構(gòu)分析中，速效磷最佳模型的擬合度較低，空間變異強(qiáng)度分析結(jié)果較差，所以選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀這3種土壤養(yǎng)分進(jìn)行山西省土壤養(yǎng)分的最佳采樣尺度研究。根據(jù)這3種土壤養(yǎng)分在GS+軟件中分析得到的最優(yōu)擬合模型及相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用ArcGIS軟件的地統(tǒng)計(jì)分析模塊中的普通克里金插值方法進(jìn)行空間制圖，然后以交互檢驗(yàn)的方法，對(duì)不同尺度下土壤養(yǎng)分的預(yù)測(cè)精度和預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行綜合比較分析，結(jié)果見表3。表3表明，總體上不同尺度下土壤養(yǎng)分點(diǎn)的平均預(yù)測(cè)誤差(ME)、標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差(MSE)值均較小，說(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差很小，除全氮外，其余2種土壤養(yǎng)分點(diǎn)的均方根標(biāo)準(zhǔn)差(RMSSE)與1非常接近，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)空間變異預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。為了更清楚的顯示各土壤養(yǎng)分預(yù)測(cè)誤差和預(yù)測(cè)精度的變化趨勢(shì)，參考其他研究方法[16]，對(duì)精度指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成曲線圖見圖2～圖4，由圖可知隨著尺度的增加，ME與MSE變化趨勢(shì)較為一致。在不同的尺度中，這3種土壤養(yǎng)分精度指標(biāo)變化趨勢(shì)差異較大。圖2表明，隨著尺度的增大土壤有機(jī)質(zhì)的ME、MSE絕對(duì)值逐漸增大，在3 km尺度達(dá)到最大值，而后逐漸減小在4.5 km尺度達(dá)到最小值，而︱ASE-RMSE︱和︱1-RMSSE︱值隨著尺度的增加，呈逐漸減小的趨勢(shì)。由此表明有機(jī)質(zhì)預(yù)測(cè)誤差隨著尺度的增大先增加后減小，而插值精度隨尺度的增加逐漸提高。由圖3可知全氮插值精度指標(biāo)隨著尺度的增大，ME和MSE的絕對(duì)值整體呈上升的趨勢(shì)，在3.5 km尺度之前變化相對(duì)較為平緩，在3.5 km尺度之后變化呈明顯上升趨勢(shì)，而ASE與RMSE的值較為接近，呈平緩的上升趨勢(shì)，RMSSE與1的接近程度隨著尺度的增大而增大，但變化趨勢(shì)較為緩慢。由圖4得，土壤速效鉀的︱ME︱和︱MSE︱變化趨勢(shì)相同，在2.5 km尺度兩者變化幅度較小，2.5 km尺度之后陡然上增，起伏變化較大。︱ASE-RMSE︱和︱1-RMSSE︱的值隨著尺度的增加，呈逐漸減小趨勢(shì)，變化幅度不大，較為平緩，而且變化趨勢(shì)較為一致，且2.5 km尺度之后誤差的增大并沒有帶來(lái)精度相應(yīng)的變化。

圖2　土壤有機(jī)質(zhì)精度指標(biāo)分析圖Fig.2　The accuracy index analysis chart of soil organic matter

圖3　土壤全氮精度指標(biāo)分析圖Fig.3　The accuracy index analysis chart of soil total nitrogen

表3　不同尺度下土壤養(yǎng)分空間插值誤差精度比較

圖4　土壤速效鉀精度指標(biāo)分析圖Fig.4　The accuracy index analysis chart of soil available potassium

綜合上述分析，隨著采樣尺度的增加，基本統(tǒng)計(jì)分析中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異程度變化較小，不能反映最佳采樣尺度范圍。通過(guò)半方差函數(shù)分析得出最優(yōu)擬合模型，在不同尺度下的擬合度均較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型相關(guān)性較為顯著，交叉驗(yàn)證的結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)在4.5 km尺度下的精度較高，預(yù)測(cè)效果好，全氮在3.5 km尺度下較好，速效鉀采樣尺度在2.5 km尺度下為宜，綜合3種土壤養(yǎng)分，依據(jù)研究區(qū)土壤養(yǎng)分最小采樣間距[19]，確定最佳采樣尺度為2.5 km，采樣點(diǎn)數(shù)為19 359，不宜再減少采樣點(diǎn)，否則會(huì)影響個(gè)別土壤養(yǎng)分的空間插值精度，從而不能很好的揭示山西省土壤養(yǎng)分的分布規(guī)律。

為了更直觀地反映土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀在原始數(shù)據(jù)與2.5 km尺度下的空間分布差異，在半方差分析及模型擬合的基礎(chǔ)上，利用普通克里金插值方法，獲得3種土壤養(yǎng)分在兩個(gè)尺度上的空間分布圖，并根據(jù)表5所示的全國(guó)第二次土壤普查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]分級(jí)制圖(圖5，圖6)，由圖5可知兩種尺度下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間分布變化趨勢(shì)完全一致，均為東南高西北低，由東南向西北逐漸遞減，速效鉀在兩種尺度下其空間分布變化極小，均為晉中地區(qū)、長(zhǎng)治地區(qū)、運(yùn)城地區(qū)含量較高，晉西北地區(qū)含量較少，這3種土壤養(yǎng)分的空間分布與山西省實(shí)際情況較為一致，圖6亦符合與圖5的分布趨勢(shì)基本一致。通過(guò)對(duì)兩個(gè)尺度空間分布圖的比較可知，原始數(shù)據(jù)插值圖較為破碎，零星斑塊較多，而2.5 km尺度下的插值圖將原始數(shù)據(jù)制圖中較為破碎的斑塊進(jìn)行了合并，整個(gè)圖面碎斑較少，圖面較平滑，2.5 km尺度采樣點(diǎn)具有較高的代表性，利用其制圖，可以很好的展現(xiàn)山西省的土壤養(yǎng)分分布狀況，能夠滿足不同土壤養(yǎng)分的制圖精度。

表5全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table 5Soil nutrient grading standards for the second soil survey in China

級(jí)別Grades有機(jī)質(zhì)/g·kg-1Qrganicmatter全氮/g·kg-1Totalnitrogen速效鉀/mg·kg-1Availablepotassium高>40>2>200較高30～401.5～2150～200一般20～301～1.5100～150稍低10～200.75～150～100低6～100.5～0.7530～50極低≤6≤0.5≤30

2.4不同地貌單元不同尺度土壤養(yǎng)分含量各等級(jí)面積變化

為了定量的分析土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀在兩種尺度下信息量的變化情況，對(duì)山西省不同地貌下的3種土壤養(yǎng)分各含量等級(jí)的面積變化情況進(jìn)行了分析。根據(jù)山西省地形特點(diǎn)將山西省地貌類型綜合為三種大地貌類型，分別為平川、丘陵、山地。由表6可知，2.5 km尺度下土壤有機(jī)質(zhì)值制圖各等級(jí)在不同地貌單元的面積比例與原始數(shù)據(jù)相比，在平川區(qū)域含量為6～10 g·kg-1范圍兩尺度相差2.46%，其他地貌區(qū)變化均較小。由表7可知土壤全氮在2.5 km尺度下與原始數(shù)據(jù)在不同地貌下分布狀況相比，幾乎一致，變化均小于1%。由表8可知，速效鉀在2.5 km尺度下與原始數(shù)據(jù)相比，在不同地貌的分布狀況，相差較小，較為一致，而且在平川、丘陵、山地3種地貌下各等級(jí)分布變化趨勢(shì)完全一致，結(jié)果表明在山西省區(qū)域通過(guò)格網(wǎng)方法選擇2.5 km尺度進(jìn)行采樣點(diǎn)選擇為最佳尺度。

圖5　原始采樣尺度土壤空間插值圖Fig.5　Spatial interpolation of soil in the original sampling scale

圖6　2.5 km采樣尺度土壤空間插值圖Fig.6　Spatial interpolation of soil in 2.5 km scale

表6土壤有機(jī)質(zhì)2.5 km尺度和原始尺度插值后各含量等級(jí)分布面積占總面積的比例/%

Table 6The proportion of each organic matter content distribution area of total area after the interpolation in 2.5 km scale and original scale

地貌類型Gcomorphictypes有機(jī)質(zhì)分級(jí)/g·kg-1Organicmattercontent≤66～1010～2020～3030～40L1L2L1L2L1L2L1L2L1L2平川0.880.670.032.4912.9613.573.623.540.290.13丘陵3.492.959.049.0623.4824.344.173.880.160.11山地1.261.005.405.6224.4824.967.967.650.170.04

注：L1為原始數(shù)據(jù)； L2為2.5 km尺度數(shù)據(jù)。表7，表8同。

Note: L1 is the original data. L2 is the data in 2.5 km scale. The same as in table 7 and table 8.

表7全氮2.5 km尺度和原始數(shù)據(jù)插值后各含量等級(jí)分布面積占總面積的比例/%

Table 7The proportion of each total nitrogen content distribution area of total area after the interpolation in 2.5 km scale and original scale

地貌類型Gcomorphictypes全氮分級(jí)/g·kg-1Totalnitrogencontent≤0.50.5～0.750.75～11～1.51.5～2L1L2L1L2L1L2L1L2L1L2平川1.441.277.047.007.418.244.353.850.160.04丘陵7.677.2115.0815.5410.8911.266.336.100.370.24山地3.352.9710.4511.0313.9214.2510.9610.520.580.50

表8速效鉀2.5 km尺度和原始數(shù)據(jù)插值后各含量等級(jí)分布面積占總面積的比例/%

Table 8The proportion of each rapidly available potassium content distribution area of total area after the interpolation in 2.5 km scale and original scale

地貌類型Gcomorphictypes速效鉀分級(jí)/mg·kg-1Availablepotassiumcontent≤3030～5050～100100～150150～200>200L1L2L1L2L1L2L1L2L1L2平川0.010.0030.170.053.63.66.356.27.087.843.192.71丘陵0.380.320.350.179.599.9116.2216.1611.612.052.201.74山地0.290.190.20.174.905.2217.3817.6213.9814.22.521.87

3結(jié)論與討論

本文對(duì)山西省區(qū)域368 843個(gè)土壤養(yǎng)分點(diǎn)數(shù)據(jù)，以0.5 km為間隔，進(jìn)行不同格網(wǎng)尺度的處理。選擇土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷為代表，通過(guò)對(duì)3種土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)在不同尺度下基本特征統(tǒng)計(jì)分析、半方差函數(shù)分析及插值精度綜合比較和分析，最終確定山西省在2.5 km尺度下土壤養(yǎng)分具有較好的代表性，為最佳采樣尺度。通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷的基本統(tǒng)計(jì)分析，3種土壤養(yǎng)分隨著尺度的增加，平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差變化不大。而土壤有機(jī)質(zhì)與全氮變異系數(shù)隨尺度增大而減小，速效鉀、速效磷變異系數(shù)變化不明顯。在半方差模型分析中發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在大尺度下受結(jié)構(gòu)性因素影響變大，隨機(jī)性因素對(duì)其影響作用減弱，由于速效磷的空間變異強(qiáng)度分析結(jié)果較差，所以在后續(xù)研究中對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行了剔除。通過(guò)不同尺度下土壤養(yǎng)分點(diǎn)插值各精度指標(biāo)分析，可知土壤有機(jī)質(zhì)在4.5 km尺度下的精度較高，預(yù)測(cè)效果好，全氮的在3.5 km尺度下較好，速效鉀采樣尺度在2.5 km尺度下為宜，最后綜合分析3種土壤養(yǎng)分隨尺度的基本統(tǒng)計(jì)信息、半方差參數(shù)以及制圖精度，最后確定2.5 km為山西省土壤養(yǎng)分最佳的采樣尺度。通過(guò)不同地貌下2.5 km尺度下各土壤養(yǎng)分含量各等級(jí)分布面積與原始土壤養(yǎng)分含量各等級(jí)分布面積比較，表明2.5 km尺度采樣點(diǎn)能較好的反映山西省土壤養(yǎng)分的分布狀況，土壤制圖精度較高，代表性較好。有望為山西省土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)查更新以及測(cè)土配方的實(shí)施提供指導(dǎo)。

本文在進(jìn)行最佳采樣尺度的選擇時(shí)，基于已有樣點(diǎn)的土壤屬性統(tǒng)計(jì)參數(shù)和空間變異特征等信息，但這并不適合于土壤養(yǎng)分空間特征未知的區(qū)域進(jìn)行首次采樣設(shè)計(jì)。在對(duì)土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行分析時(shí)，沒有結(jié)合研究區(qū)相關(guān)的地形地貌因素來(lái)研究合理的采樣尺度和采樣數(shù)目，對(duì)于大尺度采樣設(shè)計(jì)在以后的研究中可以綜合考慮地形、母質(zhì)、氣候等要素的影響作用，設(shè)計(jì)更加合理的采樣布局和構(gòu)型。

參考文獻(xiàn)

[1]李艷,史舟,徐建明，等. 地統(tǒng)計(jì)學(xué)在土壤科學(xué)中的應(yīng)用及展望[J]. 水土保持學(xué)報(bào),2003,17(1):178-182.

[2]潘瑜春,劉巧芹,閻波杰,等.采樣尺度對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異分析的影響[J]. 土壤通報(bào),2010,41(2):257-262.

[3]王建軍,王長(zhǎng)松,殷朝珍,等.不同采樣密度對(duì)土壤養(yǎng)分空間插值結(jié)果的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,22(7):87-90.

[4]王宇航,繆亞敏,楊昕.采樣點(diǎn)數(shù)目對(duì)反距離加權(quán)插值結(jié)果的敏感性分析[J]. 地理信息世界,2012,8(4):31-35.

[5]陳署晃,馮耀祖,許詠梅.土壤養(yǎng)分變異及合理取樣數(shù)的初步研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,40(6):328-331.

[6]劉吉平,劉佳鑫,于洋,等.不同采樣尺度下土壤堿解氮空間變異性研究——以榆樹市農(nóng)田土壤為例[J]. 水土保持研究,2012,19(2):106-110+115.

[7]盛建東,肖華,武紅旗,等.不同取樣尺度農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分空間變異特征初步研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(2):63-67.

[8]楊琳,朱阿興,秦承志，等.一種基于樣點(diǎn)代表性等級(jí)的土壤采樣設(shè)計(jì)方法[J]. 土壤學(xué)報(bào),2011,48(5):938-946.

[9]齊雁冰,常慶瑞,劉夢(mèng)云,等.縣域農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異及合理樣點(diǎn)數(shù)確定[J]. 土壤通報(bào),2014,45(3):556-561.

[10]韓宗偉,黃魏,張春弟,等. 基于土壤養(yǎng)分-景觀關(guān)系的土壤采樣布局合理性研究[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,33(1):56-61.

[11]袁瑞強(qiáng),龍西亭,王鵬，等.山西省降水量時(shí)空變化及預(yù)測(cè)[J]. 自然資源學(xué)報(bào),2015,30(4):651-663.

[12]湯國(guó)安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2007:289-349.

[13]薛志婧,侯曉瑞,程曼,等.黃土丘陵區(qū)小流域尺度上土壤有機(jī)碳空間異質(zhì)性[J]. 水土保持學(xué)報(bào),2011,25(3): 160-163+168.

[14]李俊曉,李朝奎,殷智慧.基于ArcGIS的克里金插值方法及其應(yīng)用[J]. 測(cè)繪通報(bào),2013(9):87-90+97.

[15]杜挺,楊聯(lián)安,張泉,等.縣域土壤養(yǎng)分協(xié)同克里格和普通克里格空間插值預(yù)測(cè)比較——以陜西省藍(lán)田縣為例[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,41(4):85-89.

[16]柴亞飛.基于不同地貌分區(qū)的土壤養(yǎng)分最佳采樣尺度研究[D].山西農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[17]張紅麗.基于TM影像的山西省耕地土壤有機(jī)質(zhì)空間分布與變化特征研究[D].山西農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[18]褚雅紅,畢如田,劉秀珍,等.黃土丘陵溝壑區(qū)壩地土壤養(yǎng)分的空間變異性[J]. 山西水土保持科技,2012(3):9-13.

[19]趙倩倩.縣域耕地土壤養(yǎng)分空間變異性及其合理采樣數(shù)研究——以山東省費(fèi)縣為例[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[20]范銘豐.基于GIS的土壤養(yǎng)分空間變異特征及預(yù)測(cè)方法比較[D].西南大學(xué),2010.

(編輯：趙紅)

Determination of the optimum sampling scale of soil nutrients in provincial scale

Hu Chongchong, Bi Rutian*

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China)

Abstract:The reasonable sampling scale, especially in large scale area, plays an important role in controlling the spatial distribution of soil nutrients and promoting the development of precision agriculture. In this study, existing high density of soil nutrient sampling data (368843) in Shanxi Province was made as the original data, 11 grid scales (0.5 km*0.5 km， 1 km*1 km, 1.5 km*1.5 km, 2 km*2 km, 2.5 km*2.5 km, 3 km*3 km, 3.5 km*3.5 km, 4 km*4 km, 4.5 km*4.5 km, 5 km *5 km, 5.5 km*5.5 km) of soil nutrient were used to choose sampling points. Through the comparison and analysis of basic statistical information, semi-variance function and the accuracy of ordinary Kriging interpolation for soil organic matter, total nitrogen, rapidly available potassium, available phosphorous, the best sampling scale was determined in Shanxi Province. The research showed that: in different scales, the three kinds of soil nutrients were in the medium variation intensity, the average, the median and the standard deviation of soil nutrients changed a little. The soil organic matter and total nitrogen were affected by the structural factors at the large scale, the available potassium was not the same, and spatial variation analysis results of available phosphorous is poor. The best prediction of soil organic matter, total nitrogen and available potassium respectively were 2.5 km、4.5 km、3.5 km.Comprehensive analysis of the results, best sampling scale of soil nutrients in Shanxi were 2.5 km. Through the analysis of spatial mapping about the original sample points and the points in 2.5 km scale of different landforms, the distribution area of all soil nutrients content levels in different landforms was analyzed, which showed that the differences of the two density distributions were very small.

Key words:Different grid scales; Semi-variance; Ordinary kriging interpolation; Optimal sampling scale; Provincial scale

中圖分類號(hào)：S159

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)03-0209-10

基金項(xiàng)目：山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20120311009-1)

作者簡(jiǎn)介：胡沖沖(1989-)，女(漢)，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向：3S技術(shù)與應(yīng)用*通訊作者：畢如田，教授，博士生導(dǎo)師，Tel:0354-6288912; E-mail: brt@sxau.edu.cn

收稿日期：2015-12-02修回日期：2016-01-04