基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的植煙土壤養(yǎng)分空間變異及管理分區(qū)研究.pdf

1、土壤作為一個(gè)時(shí)空連續(xù)的變異體,具有高度的空間異質(zhì)性。土壤肥力狀況是影響煙葉產(chǎn)量與質(zhì)量的重要因素。因此,精確的掌握田間土壤特性的空間分布狀況,確定合理的土壤養(yǎng)分管理單元,并以此調(diào)整相應(yīng)的肥料投入量,是實(shí)現(xiàn)煙田土壤精準(zhǔn)管理的基礎(chǔ)。對(duì)確保煙草產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展,煙葉質(zhì)量不斷提高,煙農(nóng)增產(chǎn)增收都具有重要的意義。
　　 地理信息系統(tǒng)(GIS)具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)管理功能,地統(tǒng)計(jì)學(xué)則具有較強(qiáng)的空間分析功能,二者的結(jié)合可以取長補(bǔ)短,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢

2、,揭示植煙土壤肥力的空間變異特征。本研究基于GIS和GPS定位技術(shù),結(jié)合網(wǎng)格取樣,用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了河南省洛寧縣王嶺現(xiàn)代煙草示范基地植煙土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律,并繪制了土壤養(yǎng)分空間分布圖。農(nóng)田土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,對(duì)植煙土壤屬性的農(nóng)田精確管理分區(qū)研究,采用模糊c.均值聚類算法(FCM),用以評(píng)價(jià)植煙土壤養(yǎng)分分區(qū)管理的可行性,為實(shí)現(xiàn)煙區(qū)土壤的差異化管理奠定了基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi):

3、有機(jī)質(zhì)和堿解氮的平均含量為13.49g/kg和65.39mg/kg,屬偏低范圍,全氮的平均含量為0.743g/kg,屬于低范圍；土壤速效磷的平均含量為9.88mg/kg,屬于適宜范圍；速效鉀的平均含量為158.8mg/kg,屬于高范圍。土壤速效微量元素中,速效鐵、速效銅和速效鋅的平均含量分別為3.27mg/g、0.256mg/kg和0.244mg/kg,屬于很缺范圍；速效錳的平均含量為7.11mg/kg,屬于適中范圍。土壤各指標(biāo)存在不同

4、程度的變異,變異范圍在4.43～39.3％。土壤pH值和堿解氮的變異系數(shù)分別為4.43％和9.2％,均小于10％,屬于弱變異；其他的土壤養(yǎng)分變異系數(shù)為17.36-39.3％,均屬于中變異,土壤全磷、速效磷和速效鋅的變異系數(shù)較大,土壤養(yǎng)分的最大差異率為25.08-423.4％,其中pH值最小,為25.08％。偏態(tài)檢驗(yàn)除pH值外均為正值,表明分布曲線以向左側(cè)傾斜為主；對(duì)土壤養(yǎng)分用K-S正態(tài)分驗(yàn)概率進(jìn)行檢驗(yàn),除速效鉀外,其他各養(yǎng)分的K.S值均

5、大于5％,達(dá)到顯著水平,呈正態(tài)分布；速效鉀為偏態(tài)分布,經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后,服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。
　　 (2)在研究區(qū)域內(nèi),大部分植煙土壤養(yǎng)分間存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系。除堿解氮和速效銅外,所有的養(yǎng)分屬性均與土壤pH值存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明在一定程度上降低土壤pH值能夠提高各養(yǎng)分的含量及有效性,土壤有機(jī)質(zhì)與速效銅存在極顯著的負(fù)相關(guān),與全鉀、速效鉀和速效磷、全氮、堿解氮、全磷和速效鐵、錳、鋅存在正相關(guān),表明提高土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)提高其它養(yǎng)分的

6、含量有促進(jìn)作用。
　　 (3)對(duì)研究區(qū)域土壤養(yǎng)分屬性進(jìn)行半方差函數(shù)分析,研究土壤養(yǎng)分屬性在空間上的變異特征。研究結(jié)果表明:植煙土壤養(yǎng)分要素除堿解氮表現(xiàn)為塊金效應(yīng)外,其余的土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出明顯的空間相關(guān)性,較好地?cái)M合了地統(tǒng)計(jì)學(xué)模型,主要是球狀模型、指數(shù)模型和線型模型,其中堿解氮為線型模型,pH值、全鉀和速效銅理論模型與球狀模型擬和較好,其決定系數(shù)為0.954、0.965和0.947,其余的土壤養(yǎng)分的理論模型均為指數(shù)模型,各模型決定系

7、數(shù)較大,表明模型的擬合度高。pH值的基底效應(yīng)為23.99％,小于25％,具有強(qiáng)空間相關(guān)性,說明在該研究區(qū)域內(nèi)pH值的強(qiáng)烈空間相關(guān)性的變量說明其變異程度主要由結(jié)構(gòu)性因素引起；堿解氮的基底效應(yīng)為100％,說明在該采樣尺度下不存在空間相關(guān)性；速效鐵的基底效應(yīng)為76.9％,其變量空間相關(guān)性很弱,說明其空間變異主要是人類活動(dòng)引起的；其余土壤養(yǎng)分的基底效應(yīng)為26.21.73.7％,具有中等的空間相關(guān)性,表明其變異是由結(jié)構(gòu)性因素作用的結(jié)果:說明氣候、

8、母質(zhì)、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)因素使得植煙土壤的空間結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)。不同土壤養(yǎng)分的變程差異較大,介于43.5m-610.7m之間,其中pH值相關(guān)距離最大,pH值達(dá)到610.7m；土壤全氮、全磷、速效銅和速效鋅的空間自相關(guān)距離次之,均在230m以上；土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和速效錳的空間自相關(guān)距離較小,在50m以下。
　　 (4)從Kriging插值結(jié)果可知,在研究區(qū)域內(nèi),植煙土壤pH值呈現(xiàn)自西北向東南逐漸升高的趨勢。速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量在研究區(qū)

9、域中心和東南角較高,植煙土壤堿解氮的最高或最低含量在研究區(qū)域內(nèi)呈點(diǎn)塊狀分布,其含量在65.53-73.65mgkg-1的面積占研究區(qū)域面積的73.65％,主要分布在研究區(qū)域的西部和東南角的區(qū)域；植煙土壤速效磷含量在6.65mgkg-1-11.69mgkg-1的占整個(gè)研究區(qū)域的86.59％,整個(gè)研究區(qū)域磷含量普遍較低,建議依據(jù)磷含量空間分布圖,全區(qū)補(bǔ)施磷肥,以確保煙葉正常生長；植煙土壤速效鉀含量在145.21-190.74.mgkg-1的

10、面積占研究區(qū)域面積的70.45％,主要分布在研究區(qū)域的西部、中部和東部的部分區(qū)域。土壤微量養(yǎng)分含量空間分布圖表明速效鐵在研究區(qū)普遍嚴(yán)重缺乏,速效錳在研究區(qū)內(nèi)含量較豐富,均處于中等含量偏高水平,速效鋅含量在研究區(qū)內(nèi)差異性較大,呈現(xiàn)零星分布,70％的地區(qū)含量處于偏低水平,速效銅在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)含量都處于中等偏上水平。故建議依據(jù)微量養(yǎng)分空間分布圖,全區(qū)補(bǔ)施鐵肥,西北和東南補(bǔ)施鋅肥,以確保煙葉正常生長。通過土壤養(yǎng)分的空間格局,可以直觀的了解煙田土

11、壤養(yǎng)分的空間分布,為煙田土壤的差異化管理奠定了基礎(chǔ)。
　　 (5)在充分了解研究區(qū)域土壤養(yǎng)分空間變異特征,并利用主成分分析法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后,應(yīng)用模糊c-均值聚類算法對(duì)研究區(qū)域煙田進(jìn)行了精確的田間管理分區(qū)劃分研究。主成分分析表明,提取了4個(gè)主成分,并且其特征值均大于1,即前4個(gè)主成分能把全部土壤指標(biāo)提供信息的70.19％反映出來。因此,該研究利用主成分分析是科學(xué)的、可靠的。利用兩個(gè)聚類效果評(píng)價(jià)指標(biāo)模糊效果指數(shù)FPI和歸一化分