不同采樣方法對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異特征的影響研究

徐 猛 ，張 澤 ，呂 新

（1石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2兵團(tuán)技術(shù)市場(chǎng)協(xié)會(huì)，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

農(nóng)田過(guò)量施用化肥是引起水資源污染和土壤退化的重要根源之一，這嚴(yán)重威脅到了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展及人類(lèi)與自然的和諧共處。處理這一關(guān)鍵問(wèn)題的核心在于制訂精準(zhǔn)、精量施肥技術(shù)，農(nóng)田土壤養(yǎng)分的時(shí)空變異規(guī)律的明確是實(shí)施精準(zhǔn)施肥技術(shù)的前提條件。農(nóng)田土壤養(yǎng)分各指標(biāo)中，多數(shù)具備空間變異特性，而造成作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量及品質(zhì)差異的重要因素是農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異[1]。眾多研究土壤科學(xué)的學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分規(guī)律在一定范圍內(nèi)存在空間上的相關(guān)性、連續(xù)性，不應(yīng)歸為純隨機(jī)變量范疇。Gotway[2]分析農(nóng)田土壤養(yǎng)分時(shí)應(yīng)用Kriging方法進(jìn)行了插值，通過(guò)分析，表明使用Kriging方法進(jìn)行土壤養(yǎng)分的空間預(yù)測(cè)的結(jié)果較為準(zhǔn)確；Webster[3]等也認(rèn)為Kriging插值方法明顯比其它方法優(yōu)越。

土壤取樣方式在一定程度上影響著土壤養(yǎng)分信息獲取的結(jié)果，科學(xué)、適宜的取樣方式仍亟待解決。對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分研究來(lái)說(shuō)，養(yǎng)分要素空間自變異程度、空間自相關(guān)性及養(yǎng)分間的相互作用等是實(shí)現(xiàn)科學(xué)、適宜取樣方式的前提。目前，以GIS為基礎(chǔ)的養(yǎng)分空間分布制圖法較為流行，多采用GPS定點(diǎn)取樣，再通過(guò)空間插值法實(shí)現(xiàn)，在以上環(huán)節(jié)中取樣方法對(duì)信息可靠性的影響有待進(jìn)一步研究。

本研究通過(guò)對(duì)比隨機(jī)采樣和網(wǎng)格采樣兩種采樣方式對(duì)土壤養(yǎng)分變異特征的影響，使用Kriging法，對(duì)刪除驗(yàn)證點(diǎn)位的土壤養(yǎng)分特性進(jìn)行插值，并對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。使用ArcGIS10.2軟件建立農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間分布圖，對(duì)其進(jìn)行綜合分析并總結(jié)歸納。以期為新疆農(nóng)田探索出合適的精準(zhǔn)、精量施肥管理策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置圖Figure 1 Location of study area

試驗(yàn)區(qū)位于兵團(tuán)石河子總場(chǎng) （東經(jīng) 86°10′，北緯 44°21′），平均海拔 435 m，光照充足，年均氣溫6.9℃。蒸發(fā)量大，降水量小，年均降水量172 mm左右。試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)土壤為中壤土，試驗(yàn)總面積為10 hm2，在0—20 cm土層中，測(cè)得各理化性指標(biāo)分別為：有機(jī)質(zhì) 17.81 g/kg，堿解氮 52.36 mg/kg、速效磷25.86 mg/kg，速效鉀191 mg/kg。方向?yàn)闁|西走向，保護(hù)行設(shè)置在試驗(yàn)地兩頭，棉花連作為該區(qū)域常年種植模式。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨機(jī)采樣法和網(wǎng)格采樣法作為本實(shí)驗(yàn)土樣的采樣方式，取0—20 cm土層土壤樣品各240個(gè)，網(wǎng)格采樣法間距定為20 m，隨機(jī)采樣法為隨機(jī)定點(diǎn)采樣。每個(gè)采樣點(diǎn)（精度為±1 m）用全球定位系統(tǒng)（GPS）定位，采樣示意圖見(jiàn)圖2、圖 3。

圖2 網(wǎng)格采樣點(diǎn)分布Figure 2 Distribution of grid sampling points

圖3 隨機(jī)采樣點(diǎn)分布Figure 3 Distribution of random sampling points

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采樣獲得的土樣進(jìn)行預(yù)處理，其養(yǎng)分含量主要指標(biāo)測(cè)定方法如表1所示。

表1 土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定方法Table 1 Determination method of main nutrient indexes in soil

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用IBM SPSS 22.0進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，

表2 兩種采樣方式下土壤全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量和堿解氮含量描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of soil total nitrogen content，organic matter content and alkali hydrolyzable nitrogen con tent under two sampling methods

Pk-s＞0.05，表明服從正態(tài)分布。 Pk-s＞0.05 shows normal distribution.GS+7.0和ArcGIS9.3用于模糊隸屬度的空間變異特征分析、半方差函數(shù)的計(jì)算、理論模型的擬合及Kriging插值圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采樣方式下農(nóng)田土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)表2可知，2種采樣方法采集的土壤全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量及堿解氮含量的變異系數(shù)均處于25%—75%，屬中等變異水平，表明試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)土壤肥力水平呈顯著性差異；通過(guò)分析最小值與最大值，2種采樣方法的3種養(yǎng)分含量數(shù)值變化范圍均差異較大，且網(wǎng)格法的3種養(yǎng)分含量的數(shù)值變化范圍均較隨機(jī)法大，表明隨機(jī)法中人為因素可能會(huì)對(duì)一些潛在重點(diǎn)區(qū)域忽略，以此指導(dǎo)實(shí)施變量施肥，必然難以實(shí)現(xiàn)期望目標(biāo)；經(jīng)K-S檢驗(yàn)可知，2種采樣方法土壤中3種養(yǎng)分含量的雙尾p值均大于0.05，服從正態(tài)分布。

2.2 不同采樣方式下農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間的Kriging插值結(jié)果分析

首先通過(guò)Kriging插值對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)未采集養(yǎng)點(diǎn)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行估算并制成柵格圖，再使用ArcGIS9.3軟件生成土壤養(yǎng)分含量的空間分布圖（見(jiàn)圖4、圖5、圖6）。對(duì)比可知：網(wǎng)格法中的OK插值養(yǎng)分分布格局較為精細(xì)，其中全氮含量最為鮮明，由于該方法不會(huì)造成連續(xù)較大面積的未測(cè)區(qū)域。其中片狀和斑塊狀層次顯示較為突出，說(shuō)明插值精度相對(duì)較高。

2.3 不同采樣方式下土壤養(yǎng)分的Kriging空間插值預(yù)測(cè)及其精度驗(yàn)證

圖4 2種采樣方式下農(nóng)田土壤全氮OK預(yù)測(cè)結(jié)果空間分布格局圖Figure 4 Spatial distribution pattern of total nitrogen OK in farmland soil under two kinds of sampling methods

圖5 2種采樣方式下農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)OK預(yù)測(cè)結(jié)果空間分布格局圖Figure 5 Spatial distribution pattern of Soil organic matter OK in farmland soil under two kinds of sampling methods

圖6 2種采樣方式下農(nóng)田土壤堿解氮OK預(yù)測(cè)結(jié)果空間分布格局圖Figure 6 Spatial distribution pattern of alkaline hydrolyzable nitrogen OK in farmland soil under two kinds of sampling methods

表3 2種采樣方式下的插值誤差與獨(dú)立性檢驗(yàn)Table 3 Interpolation error and independence test under two kinds of sampling methods

如表3所示，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選擇10個(gè)采集樣點(diǎn)進(jìn)行插值，并將2種采樣方式Kriging插值所得數(shù)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。由獨(dú)立檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，各養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)在網(wǎng)格法下的ME絕對(duì)值相比隨機(jī)法更接近于0；隨機(jī)法各養(yǎng)分的RMSE相比網(wǎng)格法的偏大。網(wǎng)格法中全氮含量的RMSE明顯小于ASE，表現(xiàn)為高估了土壤全氮含量；而隨機(jī)法中的全氮含量和速效鉀含量的RMSE均明顯小于ASE，可知高估了全氮含量、速效鉀含量。隨機(jī)法的全氮含量、有機(jī)質(zhì)含量的RMSSE大于1，而堿解氮含量的RMSSE小于1，說(shuō)明低估了全氮的含量，而高估了堿解氮的含量。

3 討論

本文結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用GIS技術(shù)，研究滴灌條件下棉田土壤養(yǎng)分空間分布受采樣方式的影響。研究表明，網(wǎng)格采樣法獲取的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)空間分布預(yù)測(cè)更加接近事實(shí)。雖然，眾多學(xué)者在基于GIS的土壤養(yǎng)分空間分布特征方面做了大量研究，但大多是以空間變量特征為重點(diǎn)進(jìn)行探究[4-7]，也有部分學(xué)者對(duì)比了不同要素對(duì)土壤養(yǎng)分空間變異特征的影響[8-10]，但大多圍繞不同插值方法和采樣尺度進(jìn)行研究[11-13]，而對(duì)土壤采樣方法的研究較少。

空間分布特征是需要將離散的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的面域，理論上采樣的均勻程度可以反映出采樣區(qū)域的大致情況。本文通過(guò)探究土壤養(yǎng)分空間分布受不同采樣方式的影響，證實(shí)了通過(guò)網(wǎng)格采樣具有更好的區(qū)域代表性，但此種方法需要較多的人力和物力資源，尤其是網(wǎng)格過(guò)密的情況下。如果對(duì)農(nóng)田信息獲取或精度要求不高，隨機(jī)采樣也是可行的采樣方式。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)不同采樣方式下的土壤養(yǎng)分進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為網(wǎng)格采樣法為土壤養(yǎng)分分析的最佳采樣方式。（2）網(wǎng)格采樣法中的OK插值結(jié)果圖養(yǎng)分分布格局反應(yīng)比較細(xì)微，各養(yǎng)分在網(wǎng)格采樣法下的ME絕對(duì)值較隨機(jī)采樣法更接近于0。

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