基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究 定稿论文.docx
- 文档编号:23659736
- 上传时间:2023-05-19
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:2.39MB
基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究 定稿论文.docx
《基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究 定稿论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究 定稿论文.docx(37页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究定稿论文
基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究
目录
文献综述……………………………………………………………………………Ⅰ
中文摘要……………………………………………………………………………Ⅱ
外文摘要……………………………………………………………………Ⅲ
1.前言……………………………………………………………………1
2.材料与方法……………………………………………………………………………2
2.1材料………………………………………………………………………………2
2.1.1研究区概况………………………………………………………………2
2.1.2漳州莲雾基地特征………………………………………………………2
2.2方法………………………………………………………………………………2
2.2.1样品的采集与分析………………………………………………………2
2.2.2资料分析步骤……………………………………………………………2
3结果与分析……………………………………………………………………………3
3.1莲雾果园土壤养分分布特征……………………………………………………3
3.2园地土壤氮磷钾有机质肥力等级指标…………………………………………3
3.3克立格法方法中观测模型的选择………………………………………………3
3.3土壤养分空间变异…………………………………………………………3
4结论与讨论……………………………………………………………………………4
参考文献…………………………………………………………………………………5
致谢………………………………………………………………………………………6
基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究
学生:
符欢长江大学农学院
指导老师:
熊勤学长江大学农学院
孔庆波福建省农业科学院土肥所
[摘要]莲雾〔Syzygium.samarangense(BI.)Merr.etPerry〕是典型的热带果树,客观地评价莲雾果园土壤肥力及其空间变异是推荐施肥及生产莲雾专用肥的关键和基础。
本研究以福建漳州市的东山和长泰县二块莲雾果园作为主要的研究区域,通过分析123个取样点的养分(土壤氮、磷和钾、有机质、pH值)数据,辅之以地统计方法等相关GIS技术来研究莲雾果园内养分空间变化特征及规律,其具体方法为:
利用GS+5.1中的地统计学组件计算土壤养分变异函数值,发现养分数据的地统计特点(是否为正态分布、有没有趋势效应、各向异性等),选择与确定半方差理论模型,并运用普通克里格法(OrdinaryKriging)内插获得长泰和东山莲雾基地土壤养分含量的空间分布等值线图,获取土壤氮、磷和钾、有机质、pH5个级别的空间分布图(在ArcGIS9.0平台上实现)。
通过对莲雾养分需求特征分析后得出如下结论:
东山、长泰莲雾果园土壤磷素养分较为丰富,磷素大部分区域盈余;长泰莲雾果园土壤氮素部分缺乏,东山缺氮严重,有机质含量也比较低,尤其是结合东山莲雾地区的实际情况;目前莲雾土壤养分管理的重点,保证氮肥的同时,有目的的多施有机肥,少施磷肥。
借助GIS空间分析技术可获得土壤氮磷钾肥力的空间分布图,实现由点向面的拓展,可为莲雾精确施肥提供基础。
研究证明,运用GIS和地统计学相结合的方法能够很好地模拟土壤养分的空间分布特征,便于研究者直观地了解土壤养分时空变化趋势,并以此来指导生产实践。
[关键词]地理信息系统;地统计学;克立格插值;养分时空变异;莲雾;果园养分
1前言
土壤是一个不均匀的和连续变化的物体,即便是同一类土壤其特征值在不同空间位置也具有明显的差异,这就是土壤特征的空间变异性。
这种属性就是土壤特性的空间变异性[1],土壤养分的空间变异较为普遍存在。
研究土壤特性空间变异,使得土壤养分的空间变异定量化,能够为更准确预测、模拟土壤养分变化的真实情况。
随着现代信息科学技术的进步,以土壤肥力维持和提高为中心的土壤养分管理开始向信息化方向发展。
农业生产中施肥技术从经验施肥、测土施肥发展到当前的微机决策平衡施肥,正在向着智能决策信息化管理的方向迈进,使现代信息技术与农田施肥技术紧密地结合起来,达到根据土壤、作物的生长情况进行合理施肥的目的。
因此,通过施肥模型和参数研究充分挖掘“测土”数据,解译土壤养分状况,结合GIS技术,地统计学全面分析土壤养分空间分布状况。
有些研究认为,研究土壤的养分空间时空变异性质和其变异规律的有效方法只要是地统计学[2]。
随着精准农业的提出与发展,基于地理信息系统GIS(GeographicInformationSystem)和全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)技术对农田土壤养分进行定量的实时诊断,充分了解大田生产力的空间变异成为土壤养分管理研究的热点。
因此,通过GIS技术和地统计学等方法深入地了解土壤养分的现状及动态变化,达到根据土壤、作物的生长情况进行合理施肥的目的。
这对于科学指导农业生产、合理使用土地资源、管理土地资源、合理施肥及促进农业生态环境系统的和谐和促进农业持续发展具有重要的理论和实际意义[3]。
2土壤养分空间变异
2.1土壤养分空间变异的研究方法
2.1.1Fisher统计法
前人的研究中,研究土壤变异较多采用Fisher创立的传统统计方法(FisherRA,1925;FisherRA,1956),这种方法也被我国许多土壤工作者一直采用,用于田间试验的研究(孙羲等,1990;蒋仁成等,1990:
康绍忠等,1991:
朱元洪等,1991)。
这一传统方法的统计原理是假设研究的变量为纯随机变量,完全独立的样本且服从某已知的概率分布。
其统计方法是按质地将土墩在平面上划分为若干较为均一的区域,在深度上划分为不同土层,通过计算样本的均值、标准差、方差、变异系数以及进行显著性检验来描述土壤特性的空间变异。
许多研究者采用变异系数等来描述土壤特性的空间变异。
这种方法在土壤科学研究工作中已经取得了一定的成功,但是也有一定的不足,由于基本上是定性描述,只能概括土坡特性变化的全貌,而不能反映其局部的变化特征,对每一个观测值的空间位置不予重视,因此在很多情况下很难确切地描述土壤特性的空间分布。
国外许多土壤科学工作者从事土坡特性空间变异性规律方面的一些学者研究得出,许多土壤特性在空间上并不是独立的,不是纯随机变量,而是在一定范围内存在空间上的相关性(Burrough,1993),可能是由于土壤形成过程的连续性、气候带的渐变性等所导致的。
发现了土壤特性自相关,对传统的Fisher统计原理适用范围提出疑问,传统的统计方法已经不能对土壤空间变异给出充分的解释。
这就需要寻找一种新的方法来对土壤的空间变异给出更加科学的解释。
到20世纪70年代,地统计学方法被土壤学家成功地引入到土壤科学研究领,可以定量地分析土壤特性空间变异特征[8-9]
2.1.2地统计学方法
地统计学(Geostatistics),又称地质统计学,60年代在法国著名统计学家GMatheson的大量理论研究工作基础上形成一门新的统计学分支,他在Krige于1951年提出的矿产品位和储量估值方法基础上,提出了区域变量理论,它是传统的地学方法与统计学方法相结合,形成的一套较为完整的研究理论和实验方法体系,又称地质统计学或空间信息统计学。
随着地统计学的发展,它不仅在地质学中应用,而且在土壤、农业、气象、海洋、生态、森林和环境治理方面也有广泛的应用,因此,一些地统计学工作者(Webster,1985;王仁铎等,1987;saks,1989;候景儒,等,1993)认为:
“地统计学是以区域化变量理论为基础,以变异函数为主要工具,研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性,或空间相关和依赖性的自然现象的科学”(王政权,1999)。
土壤是时空连续的变异体,具有高度的空间异质性[4-7],它是以区域化变量、随机函数和平稳性假设等概念为基础,以变异函数为核心,以克立格插值法为手段,分析研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性,或空间相关和依赖性的自然现象[5]。
80年代以来,利用地统计学方法研究土壤特性空间变异己经成为土壤科学研究的热点之一。
3GIS用于土壤养分时空变异的国内外研究现状
目前,关于GIS与地统计相结合的研究己有很多。
国外应用地统计学对土壤的空间变异性的研究较多(Wagenet,1985;Daneeta1.,1986;Wallender,1987;Zhangeta1.,1990;Kamgareta1.,1993;PierceandSadler,l997),而国内的研究起步较晚。
进入80年代以后,我国学者才逐渐认识到土壤空间及时间变异研究的重要性和实用性,并先后在土壤调查和土壤水分变异方面进行了研究(徐吉炎,1983;雷志栋等,1985;陈志雄等,1989)。
20世纪90年代以来,我国土壤土壤空间变异性研究取得了长足发展,并对土壤的化学性质特别是土壤养分的空间变异进行了大量研究[8-11]。
WebsterandNorcliff(1984)的研究发现,1hm2农田内的Fe和Mn有相当强的空间依赖性,空间相关距离在80-100m之间,但Zn和Cu则几乎没有。
相当数量的研究表明,小区域范围内土壤养分是空间相关的(Soleetal.,1999),土壤有机质的空间相关距离在50-350m之间(Milleretal.,1988;Boweredal.,1991;Chanetal.,1994;Nolanetal.,1996),有效磷和速效钾的空间相关距离有较大差别,一些研究者的结果在100m以上(Yostetal.,1982;WebsterandMcBratney,1987;Mulla,1989),而也有一些研究结果表明其相关距离在60m以下(Boyeretal.,l991;Chanetal.,1994;Nolanetal.,1996)。
还有一些研究指出,土壤养分空间变异可存在于几个毫米的空间上(Santosetal.,1997;WilkesandKaupenjohann,1997)。
Hoskinson(1999)研究了斯塔福德土壤养分的时空变化.Shi等(2002)也对英国牧草地土壤特性在田间尺度上的时空变异特征进行了分析研究。
由于地统计学通常要求均匀取样,这给大区域范围的土坡养分时空变异定量研究带来一定的困难,所以以往大多数有关土壤养分的空间变异研究局限于小尺度范围。
较早应用GIS和地统计学方法研究较大尺度下土壤养分空间变异的是Yost等人(1982),他们进行了夏威夷岛土壤养分的空间相关性研究,结果表明土坡P、K、Ca和Mg含量的空间相关距离在32-42m之间。
NdiayeBabala等,分析了塞内加尔河三角洲地区盐化土地粘土层厚度分布情况。
我国在80年代以来尤其是90年代中期以后对土壤养分空间变异作了大量的研究。
王学锋和章衡(1995)对4个地块按l0m×l0m的网格采取耕层土壤样品,研究了土壤有机质的空间变异性。
周惠珍等(1996)采用以50m距离为间距的网格法进行采样,分析牧地土壤表层有效磷和速效钾等的空间变异性。
李菊梅和李生秀(1998)采用5m间距的网格法采取红油土耕层土壤147个样点,探讨了液态氮、硝态氮、有效磷、水溶性钾、水溶性钙、水溶性镁的空间变异规律。
张有三等探索了内蕴假设、半方差函数以及Kriging差值等理论问题,对大比例尺区域土壤养分空间变异进行定量分析,绘制等值线图(张有三等,1998)。
黄绍文等对乡镇级和县级区域粮田土壤养分空间变异与分区管理技术进行了研究,明确了土壤养分的空间变异规律与空间分布格局(黄绍文,2001)。
郭旭东等将GIS和地统计学方法相结合,研究了河北省遵化市20年前后土壤表层速效钾、有效磷和有机质三种养分的时空变异规律,指出人类的施肥、耕作措施的改变及土地利用变化是引起土壤养分变化的主要原因(郭旭东等,2000)。
陈浮等对太湖流域无锡市甘露乡近20年的河网平原黄泥土、乌泥土耕层土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效钾、有效磷、pH等指标进行了时空变异和驱动机理分析,指出土壤养分质量指数与国家政策、种植制度、耕作方式、农业投入和农业收益有密切关系(陈浮等,2002)。
刘杏梅,徐建明等对浙江省平湖市第二次土壤普查时的630个水稻田耕层土壤养分进行了空间变异分析,并绘制其空间分布图,为当地土壤质量时空变异研究以及精确农业管理提供了科学依据。
4土壤养分时空变异在地统计学的应用
4.1地统计学在生态学中的应用
地统计学是以区域化变量理论为基础的空间统计,它的应用已被扩展到分析各种自然现象的空间异质性和空间格局(Legendre等1989,Li等1991,Rossi等1992),它为空间格局分析提供从抽样设计到误差分析的综合理论(李哈滨等1992),它可以定量地定义生态学格局研究中抽样和预测地”代表性”,尤其是空间局部估计及克立格法制图(Krigingmaping),可在空间格局研究中精确地描述所研究的变量在空间上的分布、形状、大小、地理位置或相对位置。
这在确定空间定位图式方面是比较有效的方法(Robertson1987,Rossi等1992,Jackson等1993)。
通过变异函数计算出的格局的分数维值可描述不同尺度上空间格局的拓扑学形状和自相似性,有助于认识空间格局的共性特点。
因此,如果将种群统计的分布型与地统计学,空间局部估计及克立格法制图结合起来研究种群的空间分布格局,这样对空间分布格局的了解要更深刻或全面。
[12-14]
4.2基于GIS技术的“数字土壤”在测土配方施肥中应用
近20年来,欧美发达国家十分重视建立基于农作系统模型和GIS技术的数字化农业生产实验系统,并在示范应用中获得了突出的社会、经济和生态效益,已经成为农业信息管理系统的发展趋势[18-21]。
20世纪70年代末和80年代初,计算机作为一种计算工具在肥料试验和施肥研究中得到广泛应用。
80年代以来,各种施肥系统的开发和应用得到重视,发达国家利用计算机建立和开发出一些比较成熟的施肥咨询系统,如美国奥本大学计算机管理的推荐施肥系统有52类作物的施肥标准,美国国际农化服务中心应用“确定植物最佳生长所需养分的观察研究实验室和温室技术”研究的软件,可以为140种作物的11种营养元素提供咨询服务。
美国Richie提出的“作物一环境资源信息系统(CERES)”,该系统以大量的气候、作物品种、生理特征、水分及养分平衡等作为依据,对玉米和小麦进行氮素推荐。
随着信息技术的进一步发展,国际上提出了将多种信息技术如专家系统、模拟模型、GIS和RS等相结合的农业生产决策支持系统。
美国佛罗里达州立大学研制了将作物模拟模型与GIS相藕合的农业和环境决策支持系统AE-GIS[22]。
因此我们应该:
(1)建立国家级、省、地级管理信息系统,将测土配方施肥信息系统建立在以GIS为基础的系统平台上,以直观反映各种信息。
根据中国地块单元较小的特殊情况,以耕种地块为信息基本采集单元,以替代目前国际发展新趋势GPS。
根据中国农业技术服务网络比较完善,管理关系紧密,信息资料可以逐级汇总的特点,逐级建立MIS(管理信息系统),逐步进行RS(遥感系统)应用的试验示范。
(2)以计算机信息处理软件开发为重点,进行软件开发和资料库建设。
在购置补充必要的计算机设备以外,重点集中科技力量,结合专家经验,开发应用软件,主要是肥料质量监督检验、土壤测试数据采集汇总、地力监测、全国地理监测结果汇总、新型肥料试验评价、肥情肥效监测分析系统等软件开发与培训。
每个省选择一个条件较好的县进行试点。
(3)以“数字土壤”信息化技术为指导,建立适合中国特色测土配方施肥项目区。
配套建立GIS、GPS、RS和计算机自动控制系统。
实现真正的“数字化”测土配方施肥。
以卫星数据采集系统的开发为契机,推进监测手段的现代化。
积极与航天测绘部门联系,联合开发农业的卫星数据采集技术,尤其是传感器的应用开发,在测土配方施肥项目区建立卫星采集点,逐步探索遥感监测手段的现代化途经。
5存在的主要问题
5.1土壤养分的空间变异是普遍存在的,而且比较复杂,成土母质、地形、气候、生物、地形、人类活动等对土壤养分的空间变异均有较大影响[15]。
地统计学虽然在研究土壤空间变异方面取得了很大成功,但很多情况下其结果的准确性还有待进一步提高。
由于土壤性质的空间变异性是否符合内蕴假设的条件并无严格的判别标准,因而漂移(drift)问题的解决还需进一步探讨。
而且半方差函数的拟合曲线选择受主观因素影响较大,取样数目问题因能代表大面积测定的小区的代表性难以肯定,尚需进一步研究[16]。
5.2土壤的空间变异性随取样尺度的变化而变化。
不同比例取样的多级采样法适用于确定同一质地的具体田块具有普遍适用性的取样尺度范围,对于质地、取样间距各不同的具体田块的这种取样尺度范围的确定性问题,需要进一步研究。
5.3土壤特性的空间变异性是引起作物生长空间变异性的基础原因之一,掌握土壤与作物生长之间空间变异性的耦合规律,进行土壤各特性值空间变异性的相关性分析以及作物生长对土壤性质变异的响应性分析,寻找土壤空间变异研究与作物生长空间变异研究的最佳切合点。
因此,利用农业信息技术,优化农业投入,开展有针对性的田间管理,将为精确农业的实施提供理论基础。
但是,目前国内外多数研究仅局限于土壤某些特性空间变异性研究,对于土壤各特性变异性间的相关性研究较少。
即使进行土壤与作物生长空间变异的相空关研究,也只注重土壤某些单一特性与作物生长的关系探讨,而对于土壤综合特性的空间变异与作物生长变异的关系研究较少。
5.4土壤具有间变异特性,土壤养分也具有时空变异连续性。
因此,重视土壤养分的空间有效性、时间变异性、生物有效性特点以及作物生育期内利用养分的空间变异性,估算土壤养分限制作物生产的指标水平,是提高我国养分资源利用率的一个突破口。
另外,如何将土壤空间变异性的研究成果更好更快地应用于生产实际,也是现阶段土壤空间变异研究者们不容忽视的问题之一。
5.5目前利用GIS和地统计学对大尺度范围下的土壤时空变异研究尚少[17],尤其是对县/团区域的土壤养分空间变异研究更少。
我国地域辽阔,十分有必要通过较大范围内的土壤养分时空变异研究,揭示土壤养分时空变异的特征及规律,探讨土壤养分分区管理的可能性,为发展适合我国国情的推荐施肥技术提供理论依据。
6展望
对土壤空间变异性的研究是21世纪土壤科学发展的重要内容之一。
而当前,加强土壤空间变异性研究主要是加强与“3S”技术的结合,与数学模型的有机结合,以及开展大范围比例尺的时空变异性研究和土壤综合特性研究。
这些研究不仅是“数字土壤”技术和“精细农业”技术的必经之路,而且也是我国生态环境建设的基本前提。
6.1由于土壤性质的空间变异性是否符合内蕴假设的条件并无严格的判别标准,因而漂移问题的解决还需进一步探讨,虽然已有报道通过分离趋势项解决,但所分离的趋势方程通常不显著。
除此之外,进行半方差函数的拟合时,模型选择带有一定的主管色彩,因而对半方差的客观性,还需要进一步提高。
6.2结合土壤和作物相关数据,了解土壤特性的空间变异、作物状况和产量、寻找产量变化的原因,从而研究土壤养分和作物产量与品质之间的相关关系,建立定量模型,达到定量的推荐施肥管理,真正实现精准农业目的。
6.3土壤特性的空间变异性随取样尺度的变化而变化,结合我国国情,对较大区域的取样尺度范围的确定性问题,还需进一步探讨。
6.4地统计学正向着更完美的展现空间分布,更贴切的满足用户需求方向发展。
所以还要选用更加先进、实用的地统计学软件,来达到进一步的可视化研究,高质量的图形输入输出,以及空间分析的需求,使得地统计学与GIS更好的结合。
参考文献
[1]王政权.地统计学及在生态学中的应用[M].北京:
科学出版社,2004.
[2]张有山,林启美,秦耀东,李保国等.大比例尺区域土壤养分空间变异定量分析.华北农学报,1998,13
(1):
122~128.
[3]郭旭东,傅伯杰,马克明,陈利顶等.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究——以河北省遵化市为例.应用。
生态学报,2000,11(4):
557~563.
[4]孙英君,王劲峰,柏延臣等.地统计学方法进展研究.地球科学进展,2004,19
(2):
258~274.
[5]刘玫岑,李霞,蒋平安,盛建东.ASTER数据在棉花信息提取中的应用——以兵团农一师十六团为例.遥感技术与应用,2005,20(6):
591~595.
[6]马黎春,盛建东,蒋平安,汤庆峰等.克拉玛依地区土壤速效微量养分空间变异特征.干旱区地理,2006,01:
17~20.
[7]盛建东,杨玉玲,陈冰,武红旗.克拉玛依干旱生态农业区土壤有机质与全氮空间变异特征研究新疆农业大学学报,2003,26(4):
32~36.
[8]陈彦,吕新.基于GIS和地统计学的土壤养分空间变异特征研究——以新疆农七师125团为例.中国农学通报,2005,21(7):
389~391.
[9]郭旭东,傅伯杰,等.河北省遵化平原土壤养分的时空变异特征变异函数与Kriging插值分析.地理学报,2000,55(5):
555~566.
[10]刘杏梅,徐建民,章明奎.太湖流域土壤养分空间变异特征分析——以浙江省平湖市为例.浙江大学学报,2003,29
(1):
76-82.
[11]赵军伟,灌区土壤化学特性空间变异规律研究:
[硕士学位论文].乌鲁木齐:
新疆农业大学,2005.
[12]刘付程,史学正,于东升,潘贤章等.基于地统计学和GIS的太湖典型地区土壤属性制图研究——以土壤全氮制图为例.土壤学报,2004,41
(1):
20~27.
[13]胡克林,李保国,林启美等.农田土壤养分的空间变异性特征.农业工程学报,1999,15(3):
33~38.
[14]蒋艳,周成虎,程维明.新疆阿克苏河流域降水空间变异特征分析.地球信息科学,2006,8
(1):
131~138.
[15]陈署晃,马兴旺,许咏梅等.乌鲁木齐县蔬菜地土壤养分空间变异研究.新疆农业科学,2006,43
(1):
50~52.
[16]唐晓红,黄雪夏,魏朝富.不同尺度土壤有机碳空间分布特征研究综述.中国农学通报.
2005,21(3):
224~228.
[17]高义民,同延安,胡正义等.黄土区村级农田土壤养分空间变异特征研究.土壤通报,
2006,37
(1):
1~6.
[18]TANSNEEA,YOSTRS.A.Site-specificNutrientManagementApproachforMaize[J].BetterCropsInternational,2003,17
(1):
3-7.
[19]YADAVKS,HIRAN.Site-specificNutrientManagementforOptimalFoodgrainProductioninHaryana[J].BetterCrops,2004,88
(2):
21-23.
[20]ARVINDK,SHUKLAVK,SINGHBS,etal.Site-specificNutrientManagementforMaximumEconomicYieldoftheRice-WheatCroppingSystem[J].BetterCrops,2004,88(4):
18-21.
[21]JOSEE,FRANCISCOM,SERGIOC,etal.GIS-basedSite-Spec
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于GIS莲雾果园养分空间变异的研究 定稿论文 基于 GIS 莲雾 果园 养分 空间 变异 研究 定稿 论文