基于GIS和地统计学的土壤养分时空变异特征分析——以合阳县为例.doc

基于GIS和地统计学的土壤养分时空变异特征分析以合阳县为例西北农林科技大学 毕 业 论 文基于GIS和地统计学的土壤养分时空变异特征分析以合阳县为例学 院 资环学院专 业 地理信息系统年 级 2005级姓 名 冯鹏指导教师 刘京（2009年 4 月）目录1 文献综述11土壤有机质概况12地统计学在土壤有机质研究中的应用13合阳县概况2 数据采集与方法21图样采集与测定22数据处理与统计23克立格方法的基本原理3 结果分析31土壤有机质时空变化趋势分析32土壤全氮和碱解氮时空变化趋势分析33土壤速效磷时空变化趋势分析34土壤速效钾时空变化趋势分析4 结论参考文献致谢 摘要运用ArcGIS的地统计学和空间分析模块,研究了合阳县从1984年到2007年间的土壤表层有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾5种养分的含量水平、分布以及演变趋势。研究结果表明,合阳县县土壤有机质含量明显上升,氮素有所积累;磷素以升为主;但速效钾含量有所下降,这些变化与合阳县长期以来的肥料施用和土地利用有关。运用地理信息系统和地统计学方法能够很好地模拟土壤养分的空间分布特征,便于研究者直观地发现土壤养分时空变化趋势。关键词：地统计学；ArcGIS；土壤养分；时空变化；合阳县Investigation of Temporal-spatialVariability of SoilNutrients in Heyang CountyAbstract:The geostatistical analysismodel and spatial analysismodel of ArcGIS were applied to investigate the temporal-spatial variability of the organicmatter, totalnitrogen, available nitrogen, available phosphorus and available potassium in soil surface of Heyang County forover20 years.The results showed that the contentof soil organicmatter, totalnitrogen, available nitrogen, available phosphorus have gone up, but the contentof available potassium has come down rapidly. These changes are related to the use of fertilizer and land. It is indicated that the distribution character and temporal-spatial variability of soil nutrients can be discovered effectively by applying geographic information system and geostatisticsmethods.Key:words:geostatistics; ArcGIS; soilnutrients; temporal-spatial variability; Kriging; Heyang County基于GIS和地统计学的土壤养分时空变异特征分析以合阳县为例1 文献综述11土壤有机质概况土壤是岩石圈表面的疏松表层，是陆生植物生活的基质和陆生动物生活的基底。土壤不仅为植物提供必需的营养和水分，而且也是土壤动物赖以生存的栖息场所。土壤的形成从开始就与生物的活动密不可分，所以土壤中总是含有多种多样的生物，如细菌、真菌、放线菌、藻类、原生动物、轮虫、线虫、蚯蚓、软体动物和各种节肢动物等，少数高等动物（如鼹鼠等）终生都生活在土壤中。据统计，在一小勺土壤里就含有亿万个细菌，25克森林腐植土中所包含的霉菌如果一个一个排列起来，其长度可达11千米。可见，土壤是生物和非生物环境的一个极为复杂的复合体，土壤的概念总是包括生活在土壤里的大量生物，生物的活动促进了土壤的形成，而众多类型的生物又生活在土壤之中。土壤有机质（Soil organic matter，SOM）由一系列存在于土壤中、组成和结构不均一、主要成分为和的有机化合物组成。土壤有机质的成分中既有化学结构单一、存在时间只有几分钟的单糖或多糖，也有结构复杂、存在时间可达几百到几千年的腐殖质类物质（Humic substance），既包括主要成分为纤维素、半纤维素的正在腐解的植物残体，也包括与土壤矿质颗粒和团聚体结合的植物残体降解产物、根系分泌物和菌丝体。土壤有机质中所含的C为土壤有机C（Soil Organic Carbon，SOC）。施肥必须考虑土壤，这是因为：第一，只有在土壤对某一养分供应不足时，才需要施肥，并不需要把所有的必需元素施入土壤，因为大多数营养元素，土壤(或大气)已能充分供应，否则会造成浪费，甚至造成作物中毒。这一点有时被忽视。第二，肥料施入土壤后会发生一些列变化，会在不同程度上影响影响肥料效果，不考虑土壤，也就谈不上真正的合理施肥。如在水田中施用硝态氮肥，必然会降低肥效等。土壤由于长年累月的开发利用，不仅使土壤土质下降，并且由于一些不合理开发利用引起了侵蚀、沙化、酸化、养分贫瘠、环境污染等一系列问题，严重地威胁着人类的生存和发展。人类诱导作用所引起的土壤变化及其对生态环境和社会经济的影响已成为全球关注的重要问题。本次实习以合阳县为例，试图通过GIS和地统计学对其土壤耕层养分（土壤有机质，全氮，速效氮，速效磷，速效钾）的时空变异进行分析，探讨农业土壤养分的时空变异特征及其持续利用方式，为决策者和规划者提供信息来源与决策依据。12地统计学在土壤有机质研究中的应用地统计学是70年代发展起来的一门新兴的数学地质学科，国外学者自60年代提出研究空间变异以来，经过近30年的努力，已经取得了长足的进展，尤其是在土壤物理学方面；研究的方法从Fisher的经典统计分析过渡到Matheron提出的地统计分析（Geostatistics），并已将理论研究成果应用于实际之中。它是以统计学中区域化变量理论为基础、以变异函数为主要工具、以地质工作中那些在空间分布上既有随机性又有结构性的自然现象（如矿石品位、矿体的厚度、物化探观测值等）所存在的空间分布结构特征及变化规律为研究对象的科学。由于它把数学、地质学和电子计算机技术的应用结合起来，因而不仅在地质矿产业的各个领域均得到了广泛的应用，取得了良好的效益，而且已经应用于地质矿产业以外的领域，如林业资源估计、农业作物产量估计、气象业中的大气降雨量估计、海洋业的鱼群密度估计等。可以说，凡是涉及到空间分布数据最优无偏估计的问题，都可以应用地质统计学土壤等许多自然现象在空间上是连续变化的，空间相近的点比空间分散的点在理化性质等方面具有更大的相似性，也就是说，它们在统计学意义上相互依赖。这是区域化变量和地统计学应用的前提。区域化变量是研究那些分布于空间中并显示出一定结构性和随机性的自然现象。它有两个最基本的假设即平稳假设和本征假设，它要求所有的随机误差都是二阶平稳的，也就是随机误差的均值为零且任何两个随机误差之间的协方差依赖于它们之间的距离和方向而不是它们的确切位置。半方差函数是用来描述区域化变量结构性和随机性并存这一空间特征而提出的，其中块金系数、基台值、变程作为半方差函数的重要参数，用来表示区域化变量在一定尺度上的空间变异和相关程度。克立格法是利用原始数据和半方差函数的结构性，对未采样点的区域化变量进行无偏最优估值的一种插值方法。地统计学提供了大量的克立格法来对未采样点进行插值和预测。使用者可以根据不同的研究目的和侧重点来选择不同的方法。13合阳县概况合阳县地处陕西省渭北旱塬东部，东临黄河与山西省临猗县相望，西隔大峪河与澄城县毗邻，北依梁山与黄龙县、韩城市相连，南至铁镰山与大荔县、澄城县接壤。距省会-西安市160km，距市政府所在地-渭南市120km，是国家生态环境示范县，也是新一轮国家扶贫开发工作重点县。全县呈阶梯地形，自东南向西北逐渐升高，海拔在342-1543.2m之间，南北长41.8km，东西宽35. 6km，总面积1341.46。其中耕地面积621。地貌类型依次为河谷阶地、黄土台塬和低中山。在总面积中，塬面占65.6%，沟壑18.2%，素有一山一滩川，二沟六分原之称。属暖温带大陆季风气候。年均日照时数为2528.3h，日照率57%。年平均气温11.5；年平均降雨量550mm，无霜期208d，是世界八大苹果优生区之一。中国黄河流域最大湖泊型湿地风景名胜区洽川，位于在陕西省合阳县城东20km的黄河岸边，总面积165。“千眼神泉，万亩芦荡，百种珍禽，十里荷塘，一条黄河，秦晋相望”。这是文人墨客来游洽川时留下的感叹！而生长在洽川湿地上的芦苇是目前我国最大的野生自然芦苇荡群，面积达66。这里是鸟的乐园，栖息着丹顶鹤、黑鹳、大鸨、大天鹅、苍鹭等珍稀鸟类。景区瀵泉七眼，日出水量73000，水温常年保持在29至31。泉水含人体所需的硒、铜、锶等微量元素，经常洗浴可祛病健身。其中令人拍手称奇的华夏绝景处女泉，人入水不沉，泉涌沙动，如“绸缎拂身”，似“沙浪沐浴”。景区西部有古朴浩荡的黄土峰林地貌，是大自然鬼斧神工雕刻的自然奇观。洽川古为“有莘国”，历史文化悠久.我国著名的诗经第一首诗：“关关雎鸠，在河之洲。窈窕淑女，君子好逑”就出自洽川。2 数据采集与方法22土样采集与测定这次收集了1984年合阳县速效磷/钾/碱解氮点位图、1984年合阳县有机质分布及全氮点位图，2007年合阳县土壤有机质，全氮，碱解氮，速效磷，速效钾相关数据和高程数据。以1984年合阳县速效磷/钾/碱解氮点位图和1984年合阳县有机质分布及全氮点位图为基础, 首先在ArcMap中通过对两幅图的几种土壤养分分别进行数字化,获得1984年几种土壤养分各样点定位数据及属性数据。 以2007年合阳县调查点基本情况数据表为基础，将Excel数据导入ArcMap，得到：该表包含2007年合阳县土壤有机质，全氮，碱解氮，速效磷，速效钾相关数据和高程数据。22数据处理与统计分析以1984年合阳县速效磷/钾/碱解氮点位图、1984年合阳县有机质分布及全氮点位图为基础，首先在ArcMap中通过对土壤养分图数字化,获得1984年各样点定位数据及属性数据;再把2007年合阳县调查点基本情况数据表导入ArcMap中,获得2003年样点数据,共同存储于样点数据库中,作为Kriging插值的基础数据。采用的地统计学方法为Kriging插值法,它是建立在变异函数理论及结构分析基础上,在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏最优估计的一种方法。该方法一般要求数据符合正态分布,ArcGIS的GeostatisticalAnalyst模块提供了多种分析工具。同时在ArcGIS中进行各养分组成在不同方向上的变化趋势预测,结果表明各养分分别存在着零阶或二阶的趋势。ArcGIS对趋势效应的处理方法是先在变异函数建模时去掉它,而后在克里格预测时把它追加回来。本次调查时间变化主要是指1984年与2007年的变化，空间变化主要是指在2007年各土壤养分在合阳县的空间分布。利用ArcGIS提供的OrdinaryKriging方法,首先绘制实际半变异函数曲线,然后选择几个模型分别进行拟合,通过交叉验证,从中选择最优的理论模型,最后生成各养分含量的表面预测图,其半方差函数理论模型及相关参数见表。项目年份样本数块金值基台值偏基台值块金系数/%变程/km有机质198411200.0975790.1642780.06669959398746205220077650.0460030.0616160.015613746608全氮19845610.0389310.1237690.0848383145464608220077650.0542640.0776190.023355699107速效氮19845530.0312790.075740.04446141297946038120077650.11560.1311420.015542881487速效磷198411080.211030.2453460.03431686013246157820077650.504790.5149340.0101449803速效钾19845530.0867370.104810.01807382756426386320077650.139890.167740.02785833969一般认为块金值代表随机变异的量,而基台值代表变量空间变异的结构性方差,块金系数是块金值与基台值的比值,按照区域化变量空间相关性程度的分级标准,块金系数小于25%说明系统具有强烈的空间相关性,在25%5%之间表明系统具有中等的空间相关性,大于75%时则说明系统空间相关性较弱。由上表可见,1984年大部分养分含量具有中等程度的空间相关性，而到了2007年，大部分阳分含量的空间相关性已经很弱了。全氮和速效氮的块金值系数在这13年间变化极大,说明一些随机因素如施肥、耕作措施、种植制度等人为活动对其分布影响极大，尤其是氮肥的使用对土壤养分的改良作用十分明显。土壤养分质量评价指标等级划分为了量化土壤养分高低的变化,按照本次研究项目制定土壤养分质量评价标准,将Kriging插值图转化为分级别等值线图,运用ArcGIS的空间分析模块,通过叠加分析并提取等级变化区域,获得23年来土壤养分的级别变化图。本次实习所得结果数据估计有：1984、2007年土壤有机质分级图及级别变化1984、2007年土壤全氮分级图及级别变化1984、2007年土壤碱解氮分级图及级别变化1984、2007年土壤速效磷分级图及级别变化1984、2007年土壤速效钾分级图及级别变化3 结果分析3.1土壤有机质时空变化趋势分析1984年合阳县土壤有机质含量整体偏低,处于三级，四级和五级水平,以三级和四级为主,占总面积的76.83%，这一年的土壤有机质遵循北高南低的趋势，尤其是东南部的黄河湿地地区由于常年的水土流失致使土壤有机质含量特别低低。2007年土壤有机质含量有明显上升,特别是东南部的黄河湿地区,有机质含量主要为三级水平,占总面积的91. 33%,其余为二级和四级水平。由下图可知,原来的四级土壤有机质含量有较大幅度的变化,绝大多数部分转化为三级水平；原来的五级土壤几乎全部转化为三级水平。合阳县县土壤有机质增加的原因主要是近年来有机肥施用数量和质量比过去有所增加,尤其是有机肥的大量使用和对水土流失的综合治理，促进了土壤有机质品质的改善和数量得到极大的提高。1984、2007年土壤有机质分级图及级别变化3.2土壤全氮和碱解氮时空变化趋势分析1984年合阳县土壤全氮含量整体偏低,处于四级，五级和六级水平,其中五级占多,总共占总面积的67. 16%，这一年的土壤全氮含量基本呈现北高南低的趋势，尤其是东南部的黄河湿地地区以及附近地区由于常年的水土流失致使土壤全氮含量特别低。2007年土壤全氮含量有明显上升,特别是东南部的黄河湿地区及其附近地区,全氮含量主要表现为四级和五级水平,总共占了总面积的98.13%,其余为四级级水平，这一年的土壤全氮含量特别明显的呈现北高南低的趋势。由下图可知,原来的五级土壤全氮含量有产生区域性的明显变化,北方大多数部分转化为五级水平；原来的六级土壤几乎全部转化为五级级水平。合阳县土壤全氮的增加得力于氮肥的常年使用，促进了土壤有机质品质的改善和数量得到极大的提高。1984、2007年土壤全氮氮分级图及级别变化1984年和2007年合阳县土壤碱解氮含量均以六级水平地区（碱解氮含量25mg/kg）占了绝大部分,其中1984年一级地区占总面积的93.12%，而到了2007年一级地区占总面积的99.9%，但是在将一级地区细分以后会明显发现土壤速效磷含量明显增加了。由下图可知, 20世纪80年代以来,全县加大了对磷肥的投入,由于土壤表层速效磷水平与当季磷肥的施用量有显著的相关性,这一结果说明封丘县对磷肥的施用有所增加。3.4土壤速效钾时空变化趋势分析1984年合阳县土壤速效钾含量整体偏高,一级占了几大部分,其中一级地区（速效钾含量150mg/kg）占多,占总面积的88.12%，这一年的土壤全氮含量基本呈现西高东低的趋势，因为东部的河流谷地因为水土流失致使土壤速效钾含量低于别地方。2007年土壤速效钾含量有呈现总体略有下降、局部变化明显的特征，一级地区占总面积80.13；东部的黄河谷地地区含量明显增加，基本上都由转化为一级区；北方某些地区土壤速效钾含量下降明显。合阳县土壤速效钾含量总体略有下降的原因是，随着作物产量的大幅度提高,土壤中速效钾的消耗也相应增加，作物吸收、移出土壤的钾素逐年增加，北部地区尤其明显，而相应的钾肥施入量不够。东部黄河谷地地区土壤速效钾含量的上升得力于近十年来国家大力推广的退耕还林和退耕还草政策。4 结论（1）合阳县早期由于农业耕种粗放,土壤的生物养分积累量普遍偏低,历史上土壤养分的状况是有机质偏低、少氮、不缺磷钾,氮磷比例失调，而且在的黄河湿地地区过去因为水涝的原因是这个地区各种土壤成分含量都极低。土壤的速效养分含量除钾磷稍高外，碱解氮含量都较低,土壤肥力低下。20世纪80年代以来,各种土壤改良与培肥措施的采用,使土壤养分含量有了一定的提高,表现为有机质含量明显上升；氮素一定积累；磷素以升为主；但必须关注的是,速效钾含量总体略有下降局部下降明显。合阳县土壤养分的总体水平仍然不高,因此在今后的土地利用中,还需要加强对土壤的养用结合,科学施用化肥,注意氮磷钾养分平衡。（2）基于ArcGIS的地统计学分析模块提供了统计分析和趋势分析功能,并提供了多种空间插值方法,能够很好地模拟土壤养分的空间分布特征。本文通过分析土壤养分含量的数据分布特征和趋势去除,利用不同的Kriging理论模型进行空间插值,得出了最佳的土壤养分空间分布图,并在此基础上利用ArcGIS的空间分析模块获得了各土壤养分级别变化图。该方法基于GIS和地统计学进行土壤养分的时空变化研究,便于研究者直观地发现土壤养分空间变化趋势,可为今后更有针对性地进行土地利用和施肥、实现精准农业提供参考。参考文献1. 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