县域土壤养分空间变异特征及合理采样数研究

以地统计学和GIS相结合,以山东费县为例探讨了土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾5种养分空间变异特征及县域尺度土壤养分的合理采样数。研究表明,有效磷的变异系数最大,由大到小依次为有效磷>速效钾>有机质>碱解氮>全氮。有机质、全氮、速效钾3种养分呈现中等强度的空间相关性且变程较大,基于土壤养分的空间相关性和克里格插值的独立验证得出费县有机质、全氮和速效钾3种养分合理采样数分别为1 035、842和1 033个,合理采样间距约为1 352、1 500和1 354 m。碱解氮不存在空间相关性,后续采样需要加大采样密度进一步研究其空间结构性。而有效磷呈现很强的空间相关性,但是变程很小,小范围内受人类活动等随机性因素较大,后续采样不能低于目前采样密度。     

基于GWRK的土壤有效磷空间预测及其超标风险评估

以江苏省金坛区土壤有效磷的空间预测为例,构建地理加权回归克里格（GWRK）模型,即采用地理加权回归（GWR）来量化土壤有效磷与主要土壤因子（即：土壤全磷、土壤pH值和土壤有机质）之间的局部空间关系,并结合局部回归残差的插值结果来预测土壤有效磷的空间分布状况.GWR结果显示主要土壤因子对土壤有效磷含量的影响程度随空间位置的变化而变化.同时,采用独立验证样本对比GWRK模型和普通克里格（OK）模型的空间预测精度.结果显示,GWRK预测结果具有更低的平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和更高的Pearson相关系数（r）,且较OK预测结果的相对提高指数（RI）为19.61%.此外,根据GWRK预测结果,对金坛区土壤有效磷含量的超标风险进行了评估.结果表明土壤有效磷含量超过其环境安全阈值（40mg/kg）的区域集中分布在金坛区北部,其面积为175.58km²,约占金坛区总面积的18%.因此,GWRK模型能有效评估区域土壤元素有效量空间分布状况,且GWR局部空间回归系数能为区域土壤元素有效量的调控提供更精确空间决策支持.     

典型区土壤重金属空间插值方法与污染评价

选择最优的空间插值方法对土壤重金属空间分布特征的反映和污染评价具有重要的意义.以湖北省恩施市典型区表层土壤重金属As和Cd为例,选取常用的反距离权重法(IDW)、径向基函数法(RBF)、局部多项式法(LPI)和普通克里格法(OK)进行空间插值,对比分析了不同插值方法的插值精度及结果差异.同时采用地累积指数和指示克里格法(IK)评价了土壤重金属污染状况.结果表明,不同插值方法对于同一种元素的预测误差相差较小,但对土壤重金属含量的空间分布特征存在明显差异,其中LPI法表现出明显的平滑效应,OK法次之,而IDW法和RBF法极大地保留了元素含量的极值信息,插值结果较详尽.为准确了解局部高背景区土壤重金属的空间分布状况,应优选IDW法或RBF法进行插值.以湖北省深层土壤重金属含量算术均值作为背景值,地累积指数污染评价结果显示:As和Cd的超标样点分别占5.5%和99.0%,研究区Cd污染程度较高.IK法污染评价显示:Cd中度-强污染以上的高概率污染区域主要位于研究区的中部,应重视土壤Cd污染分布,并对其有效治理与修复.     

秦岭山地松栎混交林土壤养分空间变异及其与地形因子的关系

在陕西省境内秦岭山脉中段油松-锐齿槲栎混交林集中分布的区域设置20 块调查样地,采取土壤样品测定了该区森林土壤0~20、20~40 和40~60 cm 3 个土层的全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、有机质7 项养分指标。通过计算不同土壤养分指标的变异系数并应用典范对应分析(CCA)技术,对秦岭山地松栎混交林土壤养分空间变异与海拔、坡位、坡向和坡度4 项地形因子的关系进行分析。结果表明:①单因素方差分析显示,随着土层深度增加,全氮、有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量均呈极显著下降趋势,而全磷、全钾在不同土层中的含量无显著性差异;②变异系数计算结果表明,各土层的7 项养分指标均表现为中等程度变异性,变异系数最大者是0~20 cm土层速效氮,最小者为0~20 cm土层全钾;③从CCA排序结果看,地形因子对不同土层养分变异的影响程度及因子种类明显不同。0~20 cm表层土壤养分变异受地形因子制约作用较小,20~40 cm土层养分的主要影响因子为坡向和海拔,40~60 cm土层养分的主要影响因子为海拔和坡位,而坡度和海拔则是控制0~60 cm整体土壤层养分变异的主要因素。综上所述,地形高异质性的微生境造成了秦岭山地松栎混交林土壤养分空间分布格局的差异。     

基于GIS的近海沉积物痕量元素空间分布特征插值方法选择

基于GIS空间分析模块,对雷州半岛近海沉积物实测同步提取态金属砷(simultaneously extracted metals As,SEMAs)数据分别使用反距离权重法(inverse distance weighted,IDW)、张力样条法(tension spline,TS)和普通克里格法(ordinary kriging,OK)进行空间插值;通过交叉验证法和插值图像对比分析,对各插值方法的精度进行了评价。所得结果表明:三种方法的平均相对误差(mean relative error,MRE)的排序为OKIDWTS,平方根误差(root mean squared error,RMSE)的排序为OKIDWTS,其中TS法的MRE及RMSE显著高于OK和IDW法,OK法的MRE及RMSE略低于IDW法。OK法所得的插值等值线图较平滑,在采样点密集处比稀疏区域更好的反映了近海沉积物中SEMAs分布特征,IDW法所得结果图与OK法相类似,但IDW法存在明显的局部误差。TS法所得数据结果溢出原始数据区间且出现了负值,与实际不符。总体来看,OK法更适合于描述近海沉积物痕量元素的空间分布特征。     

不同土地利用方式对赤红壤理化性质的综合影响

通过比较不同土地利用方式下赤红壤pH值、粘粒、容重、孔隙度、有机碳、氮磷钾全量及其速效养分含量的差异,并运用主成分分析方法分析各变量的相互关系、土壤综合理化特征及其关键改良因子。研究结果表明：新垦旱地容重最高,粘粒含量和孔隙度最低;有机碳、全量氮磷钾养分和速效氮磷养分含量均处于较低水平（P<0.05）。果园土容重显著低于其他土地利用方式土壤,且全氮、碱解氮和速效磷钾水平均处于较高水平（P<0.05）。桉树林的全钾和速效钾含量显著高于灌木林,而粘粒含量和速效磷含量相对较低（P<0.05）。主成分分析结果显示：新垦旱地、果园和桉树林、灌木林土壤理化综合质量差异显著（P<0.05）,其中新垦旱地当前质量相对较差。有机碳、全氮和速效氮养分缺乏是当前新垦旱地土壤理化质量较差的主要原因。较少的速效磷钾养分含量是当前桉树林地、灌木林土壤质量的限制因素。主成分分析不仅能够区分不同土地利用方式下赤红壤理化质量差异,而且也是探查改良土壤质量因子的有效方法。     

基于现场快速检测技术的土壤采样优化策略

合理的土壤采样策略是精确刻画场地污染情况的关键。以湖南某铬污染场地为研究对象,基于现场快速检测数据对反距离加权法（IDW）、普通克里金法（OK）、局部多项式法（LPI）和径向基函数法（RBF）4种空间插值方法的精确度和适用性进行了比较;通过冗余分析确定了实验室分析样品的布点数量;分析对比了实验室检测与快速检测空间插值结果。结果表明:1）不同空间插值方法对场地污染分布识别存在明显差异,适用性排序为IDW法 > RBF法 > OK法 > LPI法;2）经基于快速检测阶段235个点位数据进行的采样策略优化,需送往实验室分析的采样点位减少至113个;3）快速检测技术可有效反映场地铬污染区域分布趋势。     

基于环境因子和邻近信息的土壤属性空间分布预测

为探索乡镇尺度上土壤属性空间分布预测的最佳方法,以江西省万年县齐埠镇为例,借助四方位搜索法、地统计学和遥感影像分析技术提取环境因子（地形因子和植被覆盖指数）和邻近信息[w（有机质）与w（速效钾）],构建OK法（普通克里金法）、RK1法（仅基于环境因子的回归克里金法）以及RK2法（基于环境因子和邻近信息的回归克里金法）对齐埠镇耕地表层（0~20 cm）土壤w（有机质）、w（速效钾）空间分布进行预测.结果表明:齐埠镇土壤w（有机质）平均值为35.03 g/kg,w（速效钾）平均值为96.73 mg/kg,均为中等空间变异性.对62个样点进行建模,16个测试样点进行独立验证的误差分析表明,RK2法对土壤w（有机质）、w（速效钾）预测结果的均方根误差、平均绝对误差和平均相对误差较OK法分别降低了18.05%、18.01%、21.77%和7.25%、9.49%、9.84%;较RK1法分别降低了22.48%、20.91%、22.02%和9.27%、12.61%、13.52%.研究显示,RK2法明显提高了土壤w（有机质）、w（速效钾）空间分布模拟精度,并且存在改进和提高的空间.      

江津市紫色土中N、P养分元素区域空间变异性研究

利用地统计学,结合GIS研究紫色土土壤表层(0～20cm)的全氮、碱解氮、全磷和速效磷4种养分含量的空间分布特征结果表明,全氮和速效氮为正态分布,全磷和速效磷为对数正态分布;通过半方差函数分析,发现全氮存在纯块金效应,块金值为0.2,其它养分在一定间距内(50m)存在空间相关性,且为中等强度的空间自相关性(块金值与基台值之比在25%～75%之间);用普通克立格法和对数正态克立格法进行最优内插,做各种养分含量的分布图.结合GIS可充分了解土壤中N、P养分的空间变异性规律,并可进一步应用于精确施肥和农业非点源污染预测和控制.     

基于组合赋权TOPSIS模型的土壤养分空间分析及综合评价——以瓮安县为例

通过野外采样布点和室内理化分析,对瓮安县农产品生产基地农用地97个土壤样品进行采样、检测与分析,以有机质、全氮、有效磷、速效钾为评价因子,综合运用GIS、地统计分析法和组合赋权TOPSIS模型法对瓮安县农产品生产基地土壤养分进行综合评价研究。研究结果表明:1)研究区土壤养分整体处于中等水平,其中土壤速效钾含量丰富,有机质、全氮、有效磷含量为适量水平;2)研究区土壤养分综合评价图分析显示,研究区土壤养分等级总体较高,土壤养分状况良好。其中,猴场镇、雍阳办事处等部分区域土壤养分等级极高,以面状形式为主,面积占0.47%;珠藏镇、建中镇、玉山镇、永和镇等部分地区土壤养分等级为高,以带状为主,面积占14.51%;中等土壤养分空间分布区域面积最广,面积占68.09%;江界河镇、中坪镇、平定营镇等部分区域土壤养分等级为低,面积占14.47%;极低的土壤养分分布最少,面积占2.46%。研究结果为掌握瓮安县农产品生产基地土壤养分肥力状况、空间变异特征及对其精准施肥提供了参考。     

非平稳型区域土壤汞含量的各种估值方法比较

准确地描述土壤重金属含量的空间分布对于防治土壤重金属污染是十分重要的.以分布类型为对数正态分布,同时具有一阶和二阶趋势效应的土壤重金属Hg为例,分别应用普通克立格法(OK),简单克立格法(SK),对数正态克立格法(LNK),泛克立格法(UK),析取克立格法(DK)和距离反比权重法(IDW)等6种内插方法对其进行了估值,综合比较了各种内插方法的预测误差、统计特征值及插值结果分布图.结果表明一阶趋势的OK方法比0阶和二阶趋势的OK方法插值结果要好.一阶趋势的OK方法中半方差函数模型选用高斯型的比选用球状和指数型的插值效果相对要好.由于"压缩"作用,原始数据经过对数转换后的插值效果要比没有经过转换的插值方法要差.带趋势项的插值方法要比不带趋势项的插值方法要好,其中一阶趋势的UK方法插值效果最好,而IDW方法最差.     

关中盆地县域农田土壤碱解氮空间分异及变化研究

论文以陕西省兴平市为例,采用2009年实测的耕层土壤碱解氮数据,运用地统计学结合GIS技术,建立其最佳半方差函数模型,分析关中盆地农田土壤碱解氮的空间特征、丰缺状况及其含量变化,为土壤培肥和农业生产提供理论基础。结果表明:研究区土壤碱解氮含量介于7.70~82.60 mg·kg^-1,多集中在30~40 mg·kg^-1,平均37.76 mg·kg^-1,较第二次土壤普查下降28.62%。在间距约300 m的采样尺度下,最优理论模型为指数模型,表现为弱的空间相关性,施肥管理、种植制度等随机因素起主导作用。含量高低区域分布明显,大致呈中间高四周低格局。72.67%的农田氮素缺乏,27.33%的农田氮素含量中等。近30 a,原土壤碱解氮1~3级农田区含量显著下降,原5、6级区有所改善,整体集中于4级水平。应进一步实地考察分析具体障碍因素,积极采取分区"补氮"措施。     

基于GIS的盐渍土改良区耕地土壤适宜性评价

论文以山东禹城市为例, 进行了盐渍土改良区耕地土壤适宜性评价研究。采用灰色关联分析法与Delphi法结合筛选参评因素,用层次分析法(AHP) 确定其权重,建立了土壤适宜性综合评价模型。通过比较空间插值方法后,采用反距离加权(IDW)空间插值技术,获取了研究区土壤适宜性等级空间分布图。结果显示,禹城市耕地土壤适宜性总体状况良好,Ⅰ、Ⅱ等级面积占27.24%;Ⅲ、Ⅳ等级面积占45.48%,Ⅴ、Ⅵ等级面积占27.28%。耕地土壤适宜性等级分布受到地形地貌的影响,由地势较高的河滩高地向地势较低的洼地过渡,土壤适宜性变差;土壤适宜性等级分布同时受引黄灌溉的影响,在引黄干渠的低洼处,土壤适宜性差。该研究探索了盐渍土改良区耕地土壤适宜性的评价技术方法,对盐渍土改良区耕地资源的持续利用和土壤改良有积极意义。     

河套灌区不同灌季土壤氮素时空分布特征分析

以内蒙古河套灌区东段乌拉特灌域为研究区,在春灌、夏灌和秋浇(2005年4月、7月和11月)3个不同特征灌季进行采样分析,应用传统统计学方法和地统计学中的普通 kriging 法,对研究区0～20cm土壤中氮污染物的空间分布特征进行了研究.结果表明,不同灌溉时期土壤中总氮、铵态氮和硝态氮的理论变异函数模型主要为球状、高斯和指数模型,与实际变异函数间的残差平方和在0.0009与0.1238之间,拟合效果较好;除11月铵态氮具有中等空间相关性外.其它参数均具有强烈的空间相关性;在4、7月土壤中总氮元素含量大体表现为东北高、西南低;研究区整体土壤总氮和硝态氮含量4月最高、11月最低,土壤铵态氮含量7月最高、11月最低.土壤中氮元素的上述时空变异受研究区地下水位、引水和农田排水不同期变化具有较大的影响.     

黑土耕作区土壤含水量空间自相关及农业生产分区

论文以东北黑土耕作区土壤表层（0~20 cm）含水量为研究对象,基于3S技术和Moran指数进行空间自相关分析,掌握黑土区土壤表层含水量的空间自相关类型及其分布格局,划定农业生产中的优先区域,为农业生产中土壤含水量的分区管理、农业设施合理配置提供理论依据。结果表明：海沟河小流域土壤含水量空间差异大,变异程度为中等变异,受人类活动等随机因素的影响较大;全局空间自相关系数为0.417 7,表现出较强的正自相关特征,且不同方向存在较大差异;局部空间自相关系数为0.374 4,局部空间自相关类型主要为H-H型（高-高关联）和L-L型（低-低关联）,空间集聚特征明显,H-H型主要分布于研究区西北部地势平坦的地区,形成高含水量且高度空间自相关的格局,耕作优势突出,为农业生产中的优先区域,L-L型分布于东部山地与平原的过渡带,形成低含水量集聚的格局,为农业生产中的一般区域。基于土壤含水量空间自相关分布特征,进行农业生产区域的划定及分区管理具有重要的实践价值。