刁興良，楊再潔，于景鑫，李奇峰，張 馨，鄭文剛，史磊剛

（1北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097；2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018；3中化化肥有限公司，北京100031）

0 引言

作物賴以生存的基礎(chǔ)之一是土壤，土壤質(zhì)量包括土壤肥力、土壤環(huán)境和土壤健康3個(gè)方面，其中，土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性[1]，土壤肥力的高低決定著作物產(chǎn)量的高低和品質(zhì)的優(yōu)劣。因而通過研究土壤肥力指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是很有必要及現(xiàn)實(shí)意義的。

關(guān)于土壤肥力評(píng)價(jià)方法，灰色關(guān)聯(lián)法、模糊評(píng)判法、聚類分析法等是近年來土壤肥力質(zhì)量定量評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，能夠客觀、準(zhǔn)確地篩選土壤屬性的變異性[2-4]。利用GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合的方式來研究土壤養(yǎng)分空間變異性是相關(guān)研究的熱點(diǎn)之一[5-7]。趙凱等[8]針對(duì)山東省泰安市桑園土壤肥力的研究，對(duì)桑園的土壤肥力的評(píng)價(jià)方法提出了理論依據(jù)；張連金等[9]利用因子分析法評(píng)價(jià)了土壤質(zhì)量；趙業(yè)婷等[10]利用GIS與地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合的方法評(píng)價(jià)了關(guān)中地區(qū)土壤養(yǎng)分肥力；張瑞等[11]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)方法研究了北京近郊土壤肥力性質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行了豐缺評(píng)價(jià)；郭安廷等[12]利用GIS與地統(tǒng)計(jì)方法研究了河南滑縣土壤養(yǎng)分的空間變異；楊美玲等[13]分析了庫車縣耕層土壤養(yǎng)分的空間變異的主要影響因素是土壤類型、土壤質(zhì)地以及施肥等人為因素；溫延臣等[14]在山東省禹城市開展了不同施肥制度對(duì)土壤肥力的研究，提出不同施肥制度對(duì)土壤肥力確有影響；還有其他學(xué)者對(duì)不同土壤類型展開土壤肥力研究[15]。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)，結(jié)合GIS技術(shù)來研究土壤性質(zhì)的空間變異，不僅可以有效地揭示屬性變量的空間變異，而且可以更科學(xué)地解釋隨機(jī)因素和結(jié)構(gòu)性因素對(duì)變量空間變異的影響[16-17]。

近年來，對(duì)區(qū)域尺度及市縣尺度上的有關(guān)土壤肥力質(zhì)量的研究較多[18-19]，全省范圍內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)的研究相對(duì)較少，并且鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)尺度的研究多針對(duì)某些特定作物[20-21]。此外前人研究多基于定點(diǎn)取樣數(shù)據(jù)，然后采用空間插值方法，用于評(píng)價(jià)土壤肥力空間分布[22-23]。由于土壤本身空間變異較大，基于樣點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)干預(yù)宏觀尺度上土壤分布規(guī)律的總結(jié)，同時(shí)鄉(xiāng)鎮(zhèn)村小尺度上也難以形成統(tǒng)一的科學(xué)施肥方案。本研究選擇鄉(xiāng)鎮(zhèn)多地取樣值的平均值來代表該鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤肥力，可以有效減低組內(nèi)變異，提高數(shù)據(jù)在空間上的連貫性，使分析結(jié)果更加的精確；進(jìn)一步利用空間熱點(diǎn)分析方法，反映出山東省土壤肥力分布規(guī)律，明確土壤肥力豐缺敏感區(qū)域，提升山東省各區(qū)土壤改良和施肥的精裝性。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省位于中國東部沿海、黃河下游，北緯34°25′—38°23′、東經(jīng) 114°36′—122°42′之間。地處北溫帶，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，降水集中，春秋短，冬夏長(zhǎng)。全境南北最長(zhǎng)約437.28 km，東西最寬約721.03 km，總面積1571.26萬hm2，約占全國總面積的1.63%。其中，農(nóng)用地1156.6萬hm2，占土地總面積的73.61%；建設(shè)用地251.1萬hm2，占土地總面積的15.98%。土壤類型多樣化，尤以潮土、棕壤和褐土的面積較大，分別占耕地的48%、24%和19%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

（1）山東省底圖來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2012年中國行政分布圖。

（2）土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)來自農(nóng)業(yè)部測(cè)土配方施肥項(xiàng)目，個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)缺失數(shù)據(jù)利用周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)相應(yīng)指標(biāo)平均值代替。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的基礎(chǔ)上，土壤養(yǎng)分理論上變化不大，因此使用平均值來帶代替采樣點(diǎn)代表該鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤養(yǎng)分是可行的。

1.3 研究方法

土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法如下：根據(jù)全國第二次土壤普查及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合山東省養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，如表1所示，將土壤主要養(yǎng)分含量分為6個(gè)級(jí)別。

使用Excel 2016軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用SPSS 25軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。利用ArcGIS10.2軟件對(duì)矢量數(shù)據(jù)與土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行校正匹配。首先對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行分級(jí)，對(duì)單指標(biāo)的豐缺狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用ArcGIS軟件，生成山東省土壤肥力單指標(biāo)豐缺分布圖，土壤肥力綜合評(píng)價(jià)采用主成分分析法，之后將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綜合得分作為土壤肥力評(píng)價(jià)新指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類。最后，為了更好地反映土壤肥力的空間分布特點(diǎn)，利用ArcGIS軟件，生成山東省土壤肥力空間分布圖。

表1 土壤主要養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

聚類分析是按照一定標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)研究對(duì)象特征，使其組內(nèi)的數(shù)據(jù)具有高相似性，組間具有高差異性的一類數(shù)據(jù)分類分析方法。聚類分析的方法有很多，包括K-均值聚類法、層次聚類法等，考慮到本研究的數(shù)據(jù)來源，因此采用的聚類方法為熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)。通過此方法，希望要素能夠得出具有顯著聚集或離散的結(jié)論。為了熱點(diǎn)能夠具有顯著統(tǒng)計(jì)意義，首先因素要具有高值，其次要被其他同樣具有高值的因素所包圍。將某個(gè)因素及其相鄰因素的總和與所有因素的總和進(jìn)行比較，如果結(jié)果與預(yù)期相比具有明顯差異，說明不隨機(jī)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的z值。p值表示概率，反映某一事件發(fā)生的可能性。通過得到的z值和p值，可以清楚地知道高值或低值因素的空間聚類位置。

Getis-Ord局部統(tǒng)計(jì)可表示成式(1)。其中xj是要素j的屬性值，wi,j是要素i和j之間的空間權(quán)重，n為要素總和，Xˉ和S的計(jì)算公式如(2)～(3)所示。統(tǒng)計(jì)的是z得分，所以不需要進(jìn)一步計(jì)算。

在單指標(biāo)層面上，主要分為2步：首先將數(shù)據(jù)根據(jù)有關(guān)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，然后采用熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間聚類。在綜合評(píng)價(jià)方面，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)過主成分分析后，根據(jù)綜合得分分值，選擇聚類個(gè)數(shù)，采用熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。

本研究采用熱點(diǎn)分析方法，熱點(diǎn)代表土壤肥沃地區(qū)，冷點(diǎn)代表土壤貧瘠地區(qū)，更為直觀地在空間上反映出土壤養(yǎng)分單因素豐缺分布以及土壤肥力綜合分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東省土壤養(yǎng)分單因素豐缺分析

作為評(píng)價(jià)土壤供肥的重要依據(jù)的土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)，具有鮮明的區(qū)域性[24]。為了對(duì)山東省的土壤肥力質(zhì)量狀況有整體的認(rèn)識(shí)了解，對(duì)各個(gè)土壤肥力指標(biāo)進(jìn)行了初步的描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。

一般認(rèn)為變量的變異系數(shù)在0～10%之間屬于具有強(qiáng)烈自相關(guān)性的弱變異；在10%～100%之間為具有中等自相關(guān)性的中等變異；100%以上的為自相關(guān)性微弱的強(qiáng)變異性[25]。由表2中各指標(biāo)的變異系數(shù)來看，各個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)均處于中等變異，其中土壤有效磷的變異系數(shù)最高，為61.91%，說明土壤有效磷的含量受外界影響顯著，全氮、有機(jī)質(zhì)和速效鉀的變異系數(shù)分別為41.16%、30.33%和44.76%，說明這3個(gè)指標(biāo)在土壤中相對(duì)穩(wěn)定。

表2 土壤肥力指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.2 山東省土壤養(yǎng)分單因素空間分布特征

山東省各因素豐缺分布圖如圖1所示?？梢院苊黠@地看出，山東省速效鉀含量處于中等偏上水平，但有效磷的含量較低，有機(jī)質(zhì)與全氮的含量大都屬于4級(jí)，處于中低水平。山東省境內(nèi)全氮含量小于1 g/kg的地區(qū)約占73.05%，其中很缺乏地區(qū)為24.95%，缺乏地區(qū)為41.52%，含量處于中等水平的地區(qū)約為25.74%，豐富地區(qū)僅為1.2%。全氮空間分布由中部地區(qū)向四周發(fā)散，呈現(xiàn)先低后高再低的趨勢(shì)，山東半島大部分地區(qū)含量較低，但威海市西部與煙臺(tái)市中東部含量高；有效磷整體含量豐富，中等地區(qū)為23.32%，含量大于20 mg/kg的地區(qū)占75.68%，其中豐富地區(qū)為55.38%，極豐富地區(qū)為20.3%；速效鉀含量小于100 mg/kg的地區(qū)大約為28.31%，其中缺乏地區(qū)占27.39%，中等地區(qū)占47.73%，豐富地區(qū)大約為23.95%，豐富地區(qū)為17.05%，速效鉀豐富地多集中于北部及中東部地區(qū)；有機(jī)質(zhì)整體含量亦較低，含量小于20 g/kg的地區(qū)占97.37%，缺乏地區(qū)為82.56%，有機(jī)質(zhì)含量稍高零星分布在山東省中部和南部地區(qū)。

通過上面的分析，可以在總體上觀察土壤養(yǎng)分各指標(biāo)的豐缺度，因此，接下來采用熱點(diǎn)分析(Getis-Ord Gi*)，使結(jié)果看起來更為簡(jiǎn)潔明了，結(jié)果如圖2所示。

山東省全氮含量豐富地區(qū)主要分布在濟(jì)寧的西北及西南部、棗莊南部、臨沂中部、泰安東部、濟(jì)南東部、濱州南部、淄博北部、青島西北部、煙臺(tái)西部、中部及東南部；煙臺(tái)的北部以及東北部、濟(jì)寧東南部、棗莊西部、臨沂南部及東北部、日照西部、濰坊的西北部及中東部，有效磷含量豐富；速效鉀含量豐富地區(qū)多集中在濰坊市、東營市的南部、濱州市北部、濟(jì)寧市南部等地區(qū)；在臨沂市中部、棗莊南部、濟(jì)寧中部及南部、泰安中南部、萊蕪市、德州東南部地區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量豐富，同時(shí)在淄博、濱州及東營三市交界處，有機(jī)質(zhì)的含量也較為豐富。

2.3 山東省土壤綜合肥力空間分布特征

土壤肥力各項(xiàng)指標(biāo)具有不同的含義，同時(shí)在數(shù)量級(jí)和量綱上也都不同，為保證結(jié)果的客觀性和科學(xué)性，需對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[26]。對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表3所示，公因子方差均大于0.5，表明這4個(gè)土壤肥力指標(biāo)都能較好地反映原始變量的主要信息，可以綜合反映土壤肥力水平，同時(shí)各個(gè)指標(biāo)之間也相互影響土壤質(zhì)量。前2個(gè)成分的初始特征值大于1，因此選取前2個(gè)成分為特征值。其中有效磷和速效鉀為第一主成分信息；全氮和有機(jī)質(zhì)為第二主成分信息。用F表示土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，用X1、X2、X3、X4分別表示全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)初始值標(biāo)準(zhǔn)化后的值，則2個(gè)主成分表達(dá)式分別為式(4)、(5)。

圖1 山東省單因素豐缺分布圖

圖2 熱點(diǎn)分析-單指標(biāo)豐缺分布圖

土壤有效磷和速效鉀在第一主成分上的得分系數(shù)絕對(duì)值較大，且均為正值，這表明土壤有效磷和速效鉀的含量顯著影響土壤肥力水平，在一定范圍內(nèi)，土壤有效磷和速效鉀含量越高，土壤肥力質(zhì)量越好。在第二主成分表達(dá)式中，全氮和有機(jī)質(zhì)的得分系數(shù)絕對(duì)值大，因此在一定范圍內(nèi)，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的含量越高，土壤肥力質(zhì)量越好。

表3 土壤肥力指標(biāo)的主成分因子載荷矩陣、特征值和方差貢獻(xiàn)率

利用上述2個(gè)表達(dá)式求出主成分得分，然后對(duì)其進(jìn)行加權(quán)求和，其權(quán)重為主成分的公因子方差，得出綜合得分，隨后利用ArcGIS軟件，得到如圖3所示的山東省土壤養(yǎng)分綜合得分分布圖。

鑒于只通過簡(jiǎn)單的聚類并不能很好的反應(yīng)山東省土壤狀況，因此對(duì)綜合系數(shù)分布圖進(jìn)行熱點(diǎn)分析，如圖4所示。山東半島東南部地區(qū)綜合系數(shù)較低，有機(jī)質(zhì)和速效鉀為限制因子，全氮也在一定程度上限制了其綜合系數(shù)。山東省中南部、西南部及東南部地區(qū)，有效磷和速效鉀的含量較低，導(dǎo)致土壤肥力處于較低水平，東南部地區(qū)的土壤肥力水平在一定程度上還受有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響。山東省西北及北部地區(qū)，土壤肥力主要限制因子為全氮和有效磷。雖然有效磷整體比較豐富，但也存在含量低的地區(qū)，因此這部分地區(qū)為提升土壤肥力，還是需要重點(diǎn)提升有效磷的含量。養(yǎng)分良好的地區(qū)，各項(xiàng)指標(biāo)均處于中等及良好的水平，共同作用提升土壤肥力水平。

3 討論與結(jié)論

圖3 山東省土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

圖4 熱點(diǎn)分析-山東省土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)

總體上，山東省土壤肥力質(zhì)量處于中等偏下水平，土壤肥力空間分布呈現(xiàn)北低南高的趨勢(shì)，自西向東呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。本研究從鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上總結(jié)了山東省土壤肥力空間分布特征，明確了有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀在空間的豐缺程度，對(duì)指導(dǎo)山東省科學(xué)施肥和土壤地力提升具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)山東省全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)在空間上表現(xiàn)出一定的集聚效應(yīng)，土壤肥力質(zhì)量呈現(xiàn)出北部低南部高的趨勢(shì)，自西向東，土壤肥力先升高后下降在升高；魯中地區(qū)土壤肥力較差，以中部為中心，土壤肥力高的地區(qū)成發(fā)散式、環(huán)形分布，魯西、魯西北大部分地區(qū)、東部沿海及東南部沿海地區(qū)，土壤肥力差，但煙臺(tái)市東北部地區(qū)，土壤肥力良好，這與亢寧等[27]對(duì)于構(gòu)建山東省縣級(jí)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)庫中的描述是一致的，在屬性值含量方面，與其略微有所出入，但與王立華等[28]對(duì)山東省耕地土壤養(yǎng)分調(diào)查結(jié)果相一致。因此考慮原因是全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)屬于變異系數(shù)較高的中等變異，受人為影響明顯，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間累積后，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量的變化[29-30]。全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)均是土壤肥力的限制因子，這與前人的研究結(jié)果也是一致的[31]。同時(shí)可以明顯看出，山東省土壤肥力良好地區(qū)，途徑濰坊市中部—淄博市—臨沂市東北及東南部—棗莊西部—濟(jì)寧東部，構(gòu)成一個(gè)S型。對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行主成分分析后，根據(jù)第一主成分表達(dá)式，土壤速效鉀和有效磷的含量顯著影響土壤肥力質(zhì)量，且正向影響。在第二個(gè)表達(dá)式中，全氮和有機(jī)質(zhì)的含量越高，土壤肥力質(zhì)量越好。山東省存在有效磷養(yǎng)分盈余的問題，有效磷的變異系數(shù)達(dá)到61.91%，受人為影響高，因此適當(dāng)降低磷肥的釋放量，可以避免養(yǎng)分過剩。全氮與有機(jī)質(zhì)含量在全省范圍內(nèi)含量低，為土壤肥力低的主要限制因素，建議適當(dāng)增加肥料施放量，來補(bǔ)充全氮和有機(jī)質(zhì)不足的問題。

在分析結(jié)論的過程中，發(fā)現(xiàn)采用專家打分的方法，雖然可以準(zhǔn)確地算出土壤的綜合得分，但是放在全省范圍內(nèi)，這種方法并不能很好的聚類，因此選擇舍棄，選用主成分分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上對(duì)山東省的研究，由于空間數(shù)據(jù)本身缺失和獲取途徑的局限性，沒有考慮土壤容重以及微生物等指標(biāo)對(duì)土壤肥力質(zhì)量的影響，筆者僅選擇了土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)4個(gè)主要養(yǎng)分指標(biāo)對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，導(dǎo)致累計(jì)貢獻(xiàn)率只有66.2%，但是研究結(jié)果能夠較清晰地反映出土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律，在后續(xù)的研究工作中將進(jìn)一步獲取更多影響因子數(shù)據(jù)，以使研究結(jié)果更加精準(zhǔn)有效地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。