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样点密度对土壤有机质空间预测结果的影响_以河南封丘县土壤为例_程道全

'样点密度对土壤有机质空间预测结果的影响_以河南封丘县土壤为例_程道全'
样点密度对土壤有机质空间预测结果的影响 ———以河南封丘县土壤为例 程道全 1, 巫振富2, 刘晓冰2, 兰传宾2, 陈 杰 2* (1 . 河南省土壤肥料站, 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ; 2 . 郑州大学 水利与环境学院, 自然资源与生态环境研究所, 河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要: 以河南省封丘县表层土壤有机质含量为例, 探讨土壤样点密度对区域化土壤变量描述性统计特征、 半方差函数理 论模型拟合效果、 普通 K r i g i n g 插值预测结果的精度与表现目标变量空间变异的能力等多方面的影响。研究结果表明, 样点 数量从 5 0 0 0 个大幅减少至 2 0 个, 研究区表层样品有机质含量均值未发生显著变化。当土壤样点≥ 6 2 5 个时, 表层土壤有 机质含量半方差函数模型具有较好的拟合效果,可以通过 K r i g i n g 插值手段获得精度较高且对目标变量空间变异特征解释 能力较强的预测结果; 当土壤样点≤ 7 8 个时, 半方差函数模型理论上无法通过拟合获得, 通过普通 K r i g i n g 插值手段不能 获得研究区表层土壤有机质含量理想的预测结果。 关键词: 土壤有机质; 土壤样点密度; 半方差函数; 空间预测 中图分类号: S 1 5 9 - 3文献标识码:A文章编号: 0 5 6 4 - 3 9 4 5 ( 2 0 1 3 ) 0 4 - 0 8 4 4 - 0 7 收稿日期:2 0 1 2 - 0 3 - 1 0 ;修订日期:2 0 1 3 - 0 3 - 1 2 基金项目:国家自然科学基金项目 (4 1 1 7 1 1 7 7 ) 资助 作者简介:程道全 (1 9 6 6 - ) , 男, 河南邓州人, 硕士, 推广研究员, 主要从事测土配方施肥和耕地地力评价研究。E - m a i l : d z c d q @ s o h u . c o m *通讯作者: E - m a i l : j c h e n @ z z u . e d u . c n 土壤通报 C h i n e s e J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e 第44卷第4期 2013年8月 Vol.44,No.4 Aug.,2013 土壤样品采集的主要目的是用于确定土壤属性及 其空间变异强度, 为土壤资源利用与管理提供基础信 息。众所周知,土壤是一个在地理空间 (g e o g r a p h i c s p a c e ) 和属性空间 (a t t r i b u t es p a c e ) 上都具有连续特征 的历史自然体, 因此一个区域内任何密度的土壤样品 采集事实上都是一个有限过程[ 1 ~ 3 ]。毋容置疑, 同一采 样原则下土壤样点的密度大小对土壤属性及其空间变 异信息获取的精度与定量表达的程度具有决定性影 响。一个样区内样点数量越大, 样品的代表性就越强, 其蕴含的属性信息越接近于样区土壤的 “理论真实” 。 然而, 样点密度越大, 意味着人力、 物力以及时间成本 的投入越高, 盲目增加样点密度、 扩大样品数量很多情 况下不仅不现实, 而且不必要。如何在满足土壤信息 精度要求的前提下, 科学制订采样方案、 合理设置样点 数量, 最大限度地控制野外样品采集和实验室分析测 试环节的成本投入, 一直以来是国内外土壤学者普遍 关注的问题[ 4 ~ 1 2 ]。 以往相关研究应用不同技术手段较为系统的阐释 了样点密度对土壤属性及其空间变异预测精度的影 响,在区域尺度上对特定条件下土壤样点的合理数量 进行了分析与测算, 取得了较好的预期效果。但在一 些案例研究中, 普遍存在三个方面的问题: 首先, 一些 案例研究中样点密度的设置仅考虑土壤属性的随机特 征, 如依据 C o c h r a n 公式 (n= ( t×Std) 2 / d2, 其中 n 为需要 的采样数; t 是与显著水平对应的标准正态偏差; Std 为样本标准差; d 等于样本均值与相对误差的乘积 ) 估 算样品采集数量[ 1 3 ]。这种以经典统计学方法计算获得 的样点数量由于忽略了样点之间的结构性,从而导致 获取的土壤信息存在较大误差。 其次, 在样点数量较大 的情况下,样点数据的的重复使用往往导致土壤信息 输出结果的可靠性下降[ 1 4 ]。 最后, 一些研究将参与土壤 属性预测的样点数据同时作为预测精度检验的数据, 其检验结果事实上无法证明其采样方案和样点密度设 置的合理性。 针对上述问题, 本研究以河南省封丘县为研究区, 基于表层土壤有机质含量的描述性统计特征、空间变 异结构特征、预测误差分析结果与土壤样点数量的相 互关系, 反推土壤样点设置的合理密度, 为黄河冲积平 原区土壤采样方案的制订提供相关依据。 1材料与方法 1.1研究区概况 封丘县位于河南省东北部,地理位置 114°14′ ~ 114°46′ E,34°53′ ~ 35°14′ N 之间, 东、 南两面毗邻黄 河,地处黄河大冲积扇平原的北半部。全县总面积 1 2 2 0 . 5k m 2 , 其中耕地面积 8 . 7 3× 1 0 4h m2 , 是全国商 品粮基地县、 著名的优质小麦和优质水稻生产基地。 海 拔 6 5 . 0~8 2 . 5m 。 全县大地貌虽为冲积平原, 但微域地 形复杂, 沙岗、 平原、 洼地地貌类型兼有; 地势由西南向 东北倾斜, 黄河大堤以南滩地较高, 其余地势低洼。境 4期程道全等:样点密度对土壤有机质空间预测结果的影响———以河南封丘县土壤为例 图 1研究区训练样点与检验样点分布图 F i g . 1 D i s t r i b u t i o n o f t r a i n i n g a n d v a l i d a t i n g s o i l - s a m p l e d s i t e s d e s i g n e d i n t h e s t u d i e s a r e a 内主要土壤类型为新成土和雏形土,二者占全县土壤 总面积的 9 8 %以上, 成土母质为第四纪全新世以来的 各种黄河冲积物。 1.2数据处理与分析 1.2.1样本数量与抽样分组研究区土壤样品采集与 表层有机质含量测试分析已由“封丘县测土配方施肥 补贴项目” 于 2 0 0 8 年度完成。全县共采集表层土壤样 品 5 6 0 1 个, 采样密度约为 4 . 5 个 k m - 2 。将全部样点随 机分为训练样点和检验样点, 分别包含样点 5 0 0 0 个和 6 0 1 个。为最大限度避免样点数据重复使用可能导致 的预测结果可靠性下降,本研究区采用不重复随机抽 样法,以倍减形式从 5 0 0 0个训练样点中分别抽取 2 5 0 0 、 1 2 5 0 、 6 2 5 、 3 1 2 、 1 5 6 、 7 8 、 3 9 、 2 0 和 1 0 个样点组成 9 个训练样点子集。 训练样点、 训练样点子集以及检验 样点空间分布如图 1 。上述训练样点和各训练样点子 集用于研究区土壤有机质含量描述性统计、空间变异 特征分析以及未采样区域有机质含量空间预测,验证
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