基于GIS和FCM的宁乡植烟土壤养分管理分区

唐春闺+李强+李帆+杨红武+向世鹏+刘优雄+李立

摘要：采用GPS、地统计学和模糊c均值聚类相结合的方法，对湖南省宁乡植烟土壤主要养分的空间变异特征和管理分区进行研究。结果表明，宁乡植烟土壤主要养分指标均为中等程度变异，有机质、有效磷和速效钾3项指标的块金效应在25%～75%之间，表明研究区域该3项养分指标是由结构性因素和随机因素共同作用的结果；碱解氮的块金效应>75%，表明研究区土壤碱解氮主要由随机性因素决定。土壤有機质为高水平，碱解氮和速效钾均为中等水平，有效磷为极高水平，研究区大部分区域有机质、碱解氮、有效磷为中等至极高，但约有40%的面积土壤速效钾缺乏。宁乡烟区可划分为3个养分管理分区，分区间有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量差异极显著。

关键词：烟区；土壤养分；空间变异；管理分区

中图分类号：S158；S572 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）06-1029-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.06.009

Abstract： Base on GPS， geo-statistics and fuzzy c-mean algorithm， spatial variability and management zone of soil major nutrients in tobacco fields in Ningxiang were studied. The results indicates that soil main nutrients were intermediate variability. The nugget to sill ratio of organic matter， available potassium and available phosphorus was 25%～75%， which was of moderate spatial dependence. Spatial variability of these 3 nutrients were caused by structural factors and random factors. And the nugget to sill ratio of alkali hydrolyzable nitrogen was >75%， which was of week spatial dependence. Spatial variability of alkali hydrolyzable was caused by random factors. Soil organic matter was high level， alkali hydrolyzable nitrogen and available potassium and available phosphorus were moderate level. Available phosphorus was very high level. Most of study area organic matter， hydrolyzable nitrogen， total nitrogen， available phosphorus are moderate to extremely high， but about 40% of the area of soil available potassium deficiency. Ningxiang tobacco area could be divided into 3 nutrient management zone， there were very significant in organic matter， available potassium， available phosphorus and alkaline hydrolyzable nitrogen between management zone.

Key words： tobacco area； soil nutrients； spatial variability； management zone

土壤是烟草矿质养分的主要来源，是烟叶生产的基础，植烟土壤养分状况直接影响烤烟生长发育、营养状况，进而影响烟叶的产量、品质和风格[1，2]。适宜的土壤养分是烟草获取优质适产的重要前提，探明土壤养分状况是制定施肥方案的重要参考。因此中国烟区就植烟土壤养分状况分析、丰缺评价、综合评价等方面开展了大量研究[3-5]。近年来，养分管理分区成为研究热点，有大量对不同尺度植烟土壤养分管理分区的报道[6，7]，对植烟土壤养分的差异化管理起到很好的作用。湖南省宁乡烟区是中国浓香型优质烟区之一，其烟叶品质纯正，配伍性好，受到众多重点卷烟工业企业的青睐，但有关其植烟土壤的报道主要为含量状况分析[8]和综合评价方面[9]，但未见有关该烟区土壤养分管理分区的报道。鉴于此，本研究采用地统计学和模糊c均值聚类相结合的方法对宁乡植烟土壤主要养分空间分布进行研究，并进一步对该烟区进行了养分管理分区，旨在为烟区土壤养分精准管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域自然概况

宁乡位于湖南省东部偏北，长沙市西部，是湖南省烟草种植大县，位于东经111°53′-112°46′，北纬27°55′-28°29′之间，宁乡东西长88 km，南北宽69 km，总面积2 906 km2。境内多为丘陵地带，境内地貌有山地、丘岗、平原。地表轮廓大体是北、西、南缘山地环绕，东南丘陵起伏，北部岗地平缓，东北低平开阔，整个地势由西向东呈阶梯状逐级倾斜。宁乡县属中亚热带向北亚热带过渡的大陆性季风湿润气候，四季分明，寒冷期短，炎热期长。年平均气温16.8 ℃，1月平均气温4.5 ℃，7月平均气温28.9 ℃。年平均无霜期274 d，年平均日照1 737.6 h，境内雨水充足，年均降水量1 358.3 mm，年平均相对湿度81%。土壤类型有红壤、黄壤、水稻土、黄棕壤及冲积土等。

1.2 样品采集与分析

2014年11～12月翻耕前，选取有代表性的植烟田块，并准确记载田块中心的GPS信息，采用五点取样法采集耕作层0～20 cm土壤，将五点土壤混匀，并采用四分法保留约1 kg样品进行风干过筛，用于主要养分指标测定，具体测定方法参照文献[10]进行。

1.3 土壤养分指标分级标准

植烟土壤主要養分分级标准的制定参考全国第二次土壤普查和文献[11]制定，将浏阳植烟土壤主要养分指标分为极低、低、中、高和极高5个等级（表1）。

1.4 模糊c均值聚类

模糊c均值聚类（FCM）是用隶属度确定每个数据点属于某个类别程度的一种非监督的聚类方法，在土壤、地形、产量和遥感等数据的分类中运用较多[12]。FCM是一个迭代优化的分类过程，具体是用隶属度将n个观测值分配到c个分类中的一种聚类算法[13]。聚类过程引入模糊性能指数（FPI）和归一化分类熵（NCE）2项参数对农田管理分区数（模糊类别数）进行定量化表达和聚类有效性检验[13]。分别可用公式表示如下：

FPI=1-■1-■■（uik）2/n （1）

NCE=■1-■■uikloga（uik） （2）

FPI数值介于0到1之间。FPI越小，表示聚类时共用数据少，类别划分越明显，聚类效果越好；反之，FPI越大，则聚类效果越差。NCE越小则模糊c分区的分解量越大，分类效果越好；反之，NCE越大，分类效果越差。FPI和NCE同时达到最小值时的聚类数为最佳分类数。

1.5 数据分析

采用拉依达准则法识别并剔除异常值。描述性统计和K-S检验（Kolmogorov-Smimov test）利用SPSS 19.0完成[14]。采用GS+9.0进行半方差函数分析和理论模型构建[15，16]，模型选取以RMSSE接近1，且MSE接近0为好，以确保选取的模型具有较高的拟合精度[17]。Kriging插值和绘图采用ArcGIS 10.2.2实现[18]。模糊c-均值聚类在MZA1.0.1中完成。

2 结果与分析

2.1 植烟土壤养分指标基本统计特征

植烟土壤主要养分基本统计特征列于表2。从土壤养分指标均值来看，有机质为37.26 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾均值分别为173.63、30.92、169.05 mg/kg。其中，有机质为高水平，碱解氮和速效钾均为中等水平，有效磷为极高水平；从土壤养分指标的变化范围来看，各指标的最大值与最小值均相差较大；从变异系数来看，各项养分指标的变异系数均在10%～100%，均为中等变异。峰度检验、偏度检验和K-S检验表明，有机质、碱解氮和速效钾符合正态分布，有效磷经对数转换后符合正态分布。

2.2 植烟土壤养分含量的空间变异

2.2.1 空间结构分析 分别用不同半方差函数模型对植烟土壤主要养分指标进行拟合，获得了各项指标最优半方差函数模型及其相关参数（表3），RMSSE接近1且MSE接近0，表明选取的模型具有很高的拟合精度。土壤有机质和速效钾最佳拟合模型为高斯模型，碱解氮和有效磷的最佳拟合模型为指数模型；有机质、有效磷和速效钾3项指标的块金效应在25%～75%之间，表明研究区域该3项养分指标是由结构性因素和随机因素共同作用的结果，并具有中等的空间相关性；碱解氮的块金效应>75%，表明研究区土壤碱解氮主要由随机性因素决定，且空间相关性较弱。

2.2.2 空间分布 根据所得的半方差函数模型，利用普通Kriging最优内插法，绘制了植烟土壤主要养分指标空间分布图（图1），并利用ArcGIS中的统计模块对各指标的不同等级的面积进行统计。有机质主要分布等级为中等（25～35 g/kg）和高等（35～45 g/kg），中等等级主要分布在道林镇和大屯营乡，高等级覆盖了其余80%以上的植烟区域；碱解氮主要分布面积是中等（110～180 mg/kg）和高等级（180～240 mg/kg），中等等级主要分布在道林镇、大屯营乡和流沙河镇，高等级覆盖了其余40%以上的植烟区域；有效磷主要分布面积为中等（10～20 mg/kg）、高等（20～30 mg/kg）和很高等级（>30 mg/kg），中等等级约占20%，高等和很高等级约各占40%；速效钾主要分布面积是低等级（80～160 mg/kg）和中等等级（160～240 mg/kg），低等级面积约占60%，中等等级面积约占40%。

2.2 土壤养分管理分区

利用MZA1.0.1软件对土壤养分数据进行模糊c均值聚类分析，以300作为最大迭代次数，以0.001为收敛阈值，模糊指数取值1.30～2.00，模糊类别数取2～6进行c均值模糊聚类，同时计算得到各分类数NCE和FPI的取值（图2），当分区数为3个时NCE和FPI均为最小值，表明研究区的最佳分区数为3个。

考虑到分区的连续性、行政区域的完整性和实际种植情况，获得浏阳植烟土壤养分管理分区，各分区所包含的乡镇和位置见图3。由图3可知，第一分区位于中南部，包括资福和偕乐桥2个乡镇；第二分区位于中西部，包括横市、大成桥、黄材、老粮仓、流沙河、沙田、双凫铺、巷子口和喻家坳9个乡镇；第三分区位于东南部，包括大屯营和道林2个乡镇。

进一步对分区结果进行验证，以分区为单位对各养分指标进行统计，结果见表4。4项主要养分指标中分区间差异均达显著或极显著水平，表明分区合理有效。第一分区的特点是高氮高磷低钾，第二分区的特点是高氮高磷钾素中等，第三分区的特点是适氮适磷低钾。

3 小结与讨论

宁乡植烟土壤有机质为高水平，均值为37.26 g/kg，有效磷为极高水平，碱解氮和速效钾均为中等水平，均值分别为173.63、30.92、169.05 mg/kg，各项指标均为中等程度的变异，有机质、碱解氮和速效钾符合正态分布，有效磷经对数转换后符合正态分布。

土壤有机质和速效钾最佳拟合模型为高斯模型，碱解氮和速效磷的最佳拟合模型为指数模型；有机质、有效磷和速效钾3项指标的块金效应在25%～75%之间，表明研究区域该3项养分指标是由结构性因素和随机因素共同作用的结果；碱解氮的块金效应>75%，表明研究区土壤碱解氮主要由随机性因素决定。宁乡烟区大部分区域土壤有机质为中等至高等级；60%以上区域碱解氮为高等级；80%以上区域有效磷为高等和很高等级；大部分区域土壤速效钾为中等等级，约20%左右的区域速效钾缺乏。

利用地统计学和模糊c均值聚类算法将宁乡植烟土壤划分为3个养分管理分区，3个分区间有机质、碱解氮和速效钾含量差异达到极显著水平，表明分区效果较好，生产中可根据各分区养分差异，制定相应的养分管理规程，推行差异化养分管理技术和肥料投入量。

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