基于GIS的诸城市土壤养分丰缺评价与分析

张峰 韩佳坤 薄鑫宇 祁康业

摘要 [目的]对诸城市土壤中的pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量进行研究，进而分析评价诸城市的土壤养分丰缺，以期为诸城市的土地利用规划、农作物产量和科学施肥等方面提供依据。[方法]利用ArcGIS软件研究诸城市的土壤养分空间分布。[结果]诸城市土壤pH均值为 6.10，有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量均值分别为16.95 g/kg、108.58 mg/kg、 60.36 mg/kg、168.35 mg/kg。[结论]总体来看，诸城市的土壤呈酸性，土壤有机质含量处于适量水平，碱解氮和速效钾含量处于丰富水平，有效磷含量处于极丰富水平。

关键词 土壤养分;GIS;丰缺评价与分析;反距离权重插值法;诸城市

中图分类号 S158文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）20-0054-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.015

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Soil Nutrients Evaluation and Analysis Based on GIS：Zhucheng

ZHANG Feng， HAN Jia kun， BO Xin yu et al

（Information Science and Engineering School，Shandong Agricultural University，Taian，Shandong 271018）

Abstract [Objective]The pH value， organic matter， effective nitrogen， available phosphorus and rapidly available potassium in the soils of Zhucheng were studied， and the soil nutrient shortages in the cities were analyzed and evaluated，so as to provide a basis for land use planning， crop yield and scientific fertilization in Zhucheng.[Method]This study used ArcGIS software to study the spatial distribution of soil nutrients in cities.[Result]The average soil pH value of Zhucheng City was 6.10， and the average values of organic matter， effective nitrogen， available phosphorus and rapidly available potassium were 16.95 g/kg， 108.58 mg/kg， 60.36 mg/kg and 168.35 mg/kg， respectively. [Conclusion]In general， the soils in Zhucheng are acidic， the soil organic matter content is at an appropriate level， the effective nitrogen and rapidly available potassium content are at a rich level， and the available phosphorus content is extremely rich.

Key words Soil nutrients;GIS;Abundance assessment and analysis;Inverse distance to a power;Zhucheng City

土壤作为作物生长必不可少的资源之一，它的肥力主要内容是养分[1-2]。土壤养分的丰缺将直接影响着作物的种植以及生长[3-5]。隨着地理信息产业的快速发展，其应用领域越来越广泛。地理信息系统开始在土壤监测方面得以应用，且日渐成为土壤学的研究热点[6]。国内诸多学者对各地的土壤养分进行了大量的研究，郭旭东等[7]利用地理信息系统和地统计学对河北省遵化市的土壤表层养分进行了空间异质性研究，魏翔等[8]对云南河口县主要胶原种植地区混合土壤的基本养分状况进行了分析，秦仕忆等[9]对黔西北地区12个优势树种根区的土壤养分特征进行了研究。而对于诸城市土壤养分的研究却少之又少，仅有刘淑云等[10]对诸城市土壤养分变化与冬小麦产量关系进行的模拟研究。前人研究证明了将地理信息系统应用于土壤研究的重大意义，对土壤养分研究更是作出了重大贡献，而ArcGIS软件作为一种地理信息系统的软件平台，为用户处理、分析数据提供了极大的方便。因此，笔者利用ArcGIS软件对诸城市土壤养分数据进行分析，以期为诸城市农作物区划以及科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

诸城市为山东省潍坊市的一个县级市。位于山东半岛的中东部，地处35°42′23″～36°21′5″N、119°0′19″～119°43′56″E，总面积约为2 152.72 km2。属暖温带大陆性季风区半湿润气候，四季分明，光照充足，年平均气温为13.2 ℃，年平均降水量为741.8 mm。

1.2 数据来源

选取2016年的诸城市土壤养分数据，数据的采集者为诸城市农业局，以诸城市的部分村的典型地块为采样点进行数据采集，共计219个采样点，最终数据为包含各个采样点位置和土壤养分含量的Excel表格。

1.3 数据处理方法

该研究利用GIS技术，通过ArcGIS 105软件对诸城市土壤Excel表格数据中的pH，有机质、碱解氮、速效钾等含量进行空间化处理，然后对样本点进行空间插值。最常用的插值方法有2种，一种是反距离权重插值法，另一种是克里金插值法。反距离权重法是以距离作为权重的滑动平均加权插值法，考虑周围点数较多，而且计算简单[11-12]，因此该研究采用反距离权重法对诸城市土壤养分数据进行插值。由于反距离权重法中距离的幂对插值结果影响很大，因此需要对每种土壤养分指标选取合适的距离幂值以及预测点个数。经多次试验分析，pH、碱解氮和速效钾的幂指数取 有机质和有效磷的幂指数取1.5，并且每种指标搜索半径内使用预测点的最小个数为10，最大个数为15时，每种指标的误差均方根最小，插值效果最好。最后，对形成的插值结果以诸城市区划范围为标准进行裁剪。

1.4 数据分析方法

依据土壤养分数值丰缺临界指标[13]，如表1所示，对诸城市整个范围内的土壤养分数值进行分类界定。在ArcGIS软件中，对裁剪处理得到的诸城市土壤各类指标的栅格图进行重分类。

2 结果与分析

2.1 土壤pH现状与分析

诸城市土壤酸碱度平均pH为6.10，等级属于酸性，标准差为0.74，属于较小范围，说明诸城市pH较为稳定。其中，pH在4.5～6.5的占73.73%，pH 6.5～7.5占19.05%，pH 7.5～8.5的占7.22%（表2）。总体来看，诸城市土壤pH关于西北到东南大体呈现对称分布，pH在5.02～8.25。西部地区土壤大部分呈现碱性或中性，北部少部分地区土壤呈现为中性，中部、东部和南部地区土壤呈现为酸性，如图1所示。从分析可以看出，诸城市以酸性土壤为主，而酸性土壤不利于作物生长。

2.2 土壤有机质现状与分析

诸城市土壤有机质含量均值为16.95，处于中等水平，标准差为3.14，属于中等范围，说明诸城市有机质分布的稳定性处于一般水平。其中，有机质含量在5～15 g/kg的占比為26.15%，>15～30 g/kg占比为73.80%，0.05%地区有机质含量在>30～50 g/kg（表2）。总体来看，诸城市有机质含量中等偏下，变动范围在7.27～33.97 g/kg，东南地区土壤有机质含量处于缺乏等级，西南以及北部少部分地区土壤中也缺乏有机质，西部极少部分地区有机质含量丰富，如图2所示。

2.3 土壤碱解氮现状与分析

诸城市土壤中碱解氮含量均值为108.58 mg/kg，等级为丰富，标准差为13.25，属于较大范围，这说明诸城市碱解氮含量空间分布不稳定。碱解氮含量在60～90 mg/kg占比为8.05%，>90～120 mg/kg的占比为71.61%，大于120 mg/kg的占比为20.34%（表2）。总体来看，西南和东部部分地区碱解氮极丰富，北部、西部部地区碱解氮含量适中，其余地区碱解氮含量丰富，如图3所示。

2.4 土壤有效磷现状与分析

诸城市土壤中有效磷含量均值为60.36 mg/kg，处于极丰富水平，标准差为13.44，属于较大范围，这说明诸城市碱解氮含量空间分布不稳定。数据显示有效磷含量在10～20 mg/kg的占比为0.08%，>20～40 mg/kg的占比为6.71%，大于40 mg/kg的占比为93.21%（表2）。总体来看，西部极少部分地区有效磷含量适中，西部以及东南部少部分地区含量丰富，其余大部分地区有效磷含量极为丰富，如图4所示。

2.5 土壤速效钾现状与分析

诸城市土壤中速效钾含量均值为168.35 mg/kg，处于丰富水平，标准差为24.45，属于较大范围，这说明诸城市碱解氮含量空间分布不稳定。速效钾含量在80～150 mg/kg的占比为20.06%，>150～200 mg/kg的占比为69.63%，大于200 mg/kg的占比为10.31%（表2）。总体来看，整个诸城市土壤中速效钾在北部、西部、南部和东部各个地区的含量都存在中等、丰富和极丰富3个等级水平，如图5所示。

3 讨论

通过诸城市农业局2016年采集的219个土壤样本对整个诸城市土壤养分进行分析。利用ArcGIS 10.5软件，对采样数据5种土壤养分指标进行分析，利用反距离权重插值，获取采样数据各个指标的空间分布图。笔者详细地研究了对土壤影响较大的5个指标，通过统计各指标的标准差、平均值以及浮动范围，综合分析了各土壤指标的丰缺情况。前人研究表明，土壤中养分含量及分布受许多因素影响，土壤养分不仅与地方气候、地形等自然环境因素有关，也与施用肥料、耕作方式等人们的日常活动密切相关[15-18]。由于该研究采用了反距离权重法进行插值，虽然这种方法计算简单，但其插值结果往往会产生围绕样本点的“牛眼”现象。虽然在研究时通过不断实验选择了最合适的幂指数以及预测样本点数，但只是减少了“牛眼”的影响，依旧没有彻底消除“牛眼”现象的影响。针对以上分析，在后续研究工作中，将会深入调查诸城市的耕作方式、地形地貌、气候条件等与诸城市土壤养分含量以及空间分布之间的关系，在插值方法上继续做出改进，研究对比克里金插值与反距离权重插值对于诸城市土壤养分插值效果异同，可以将两种方法结合应用，进一步分析诸城市土壤养分的时空异质性，为诸城市提出经济可靠的施肥建议，进而改善诸城市土壤状况。

4 结论

通过对诸城市土壤养分的研究，得出以下结论：

（1）诸城市土壤以酸性土为主。造成土壤酸化的原因可能是大量使用化学肥料所致[14]。政府需要因地制宜，种植花生、马铃薯、西瓜等喜欢酸性土壤的作物，也可以采取适量措施如使用石灰中和土壤中的酸性，不可盲目施肥，导致大量化肥残留在土壤中积累。

（2）诸城市土壤有机质含量处于中等偏低水平，政府需要加以重视并采取适当措施增加土壤中有机质含量。

（3）诸城市土壤碱解氮含量处于丰富水平。

（4）诸城市土壤有效磷含量极为丰富。

（5）诸城市土壤速效钾含量处于丰富水平。

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