基于GIS与地统计学的和平县林地土壤肥力综合评价*

曲 仡 孙冬晓 魏 丹 张 耕

（广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520）

土壤是人类生产的重要资源，是土地生产力的基础，土壤肥力能够反映植物的生长潜力[1]。开展森林林地土壤肥力评价研究，对于诊断林地土壤肥力状况、编制经营方案、防止林地退化等具有重要意义[2]。目前研究主要运用隶属度函数与综合评价法[3]、Nemerow指数法[4]、主成分分析法与模糊综合评价法[5]、模糊数学法[6]等特定区域林地土壤肥力进行综合评价。但这些林地土壤肥力评价以土种、河流流域、种植区为单位，以人工林土壤[3]、柠檬产区[4]、筇竹林分[5]、紫色土壤[6]等为主，对以行政区为单位的林地土壤综合肥力评价研究较少。

本次研究结合地统计学与多元统计分析的方法，划分河源市和平县林地土壤肥力评价单元，计算林地土壤肥力综合指数，划分肥力等级，绘制和平县林地土壤肥力空间分布图，探讨当地林地土壤肥力影响因素，以期为当地林业管理部门制定政策、加强管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

和平县地处广东省东北部、东江上游、粤赣边境的九连山地区，属珠江大流域，位于东经114°41′～ 115°16′，北纬24°05′～ 24°42′之间。辖区总面积229 200 hm2，集体林区219 900 hm2，其中林业用地189 400 hm2，占集体林区的86.1 %。属中亚热带季风气候，年平均降雨量1 717.1 mm，年平均无霜期308 d，日照百分率38%，年平均风速1.9 m/s。和平县境内地势较高，属丘陵山区县。西部、中部及西北部属山区，北部、东部及东南部多丘陵。谷底冲积平原则零星分布于县内各地。北部及西北部山地地势较高，海拔多在500 m以上，南部和东南部地势较低，多在海拔500 m以下的丘陵地带。全县地势西北高东南低，由西北逐渐向东南倾斜。土壤类型主要为赤红壤、红壤，存在少部分黄壤。

1.2 样品采集与处理

通过Arcgis 10.7筛选和平县内林地，结合专题布点与随机布点，是样点在空间上随机分布均匀，并能够代表一定的土壤信息状况，共布置样点159个，如表1、图1 。专题布点确保样点覆盖所有地形、水文的梯度变化和主要森林类型，随机布点确保样点分布均匀。土壤样品采集严格按照《森林土壤调查技术规程》（LY/T 2250-2014）[7]的要求，取0～20 cm表层土壤为样品，在采集样点10 m2范围内挖掘3处剖面作为重复样本，并记录采样点中心处经纬度。土壤样品检测分析采用林业行业标准，如表2。

图1 和平县林地土壤样点布设Fig. 1 Soil sample layout of Heping

表1 和平县林地土壤调查样点布设数量Table 1 Soil sample layout of Heping

表2 土壤理化性质分析化验标准Table 2 Soil physical and chemical properties analysis and determination methods

1.3 数据预处理

本次研究选取林地土壤肥力评价指标共6项，包括pH、容重（Capacitive weight）、有机碳（Organic carbon）、全 氮（Total nitrogen，N）、全 钾（Total potassium，K）和全磷（Total phosphorus，P）。采用正规化变换对检测数据进行标准化处理。

1.4 地统计学原理

地统计学是研究具有地理空间信息特性事物或现象的空间相互作用及其规律的数学方法[8]。地统计学以大量样品数据为基础确定其空间分布格局及相关关系，常用于与空间格局和变异相关的研究[9]。

本次研究使用普通克里金法进行地统计学分析。其半变异函数模型中，常用的有指数（Exponential）、高斯（Gaussian）、球状（Spherical）和线性无基台值（Linear）、有基台值（Linear to sill）等模型。其表达式为：

式中，γ（h）为半变异函数；h为步长；N（h）为观测样点对数；Z（xi）和Z（xi+h）分别是区域化变量Z（x）在空间位置xi和xi+h的实测值。

半变异函数分析还涉及变程（Range）、块金值（Nugget）、基台值（Sill）、块金系数、决定系数等重要参数。其中变程表示评价指标空间相关性的适用距离；块金值表示数据测量误差以及随机因子影响程度；基台值表示评价指标受结构性因子的影响程度；块金系数表示评价指标的空间相关性；决定系数反应模型拟合情况[10]。

1.5 评价单元划分

本次研究通过地统计学方法，将GIS与空间变异分析相结合，依据林地土壤采集样品检测结果，对和平县范围内的林地进行评价单元的划分，确保每个评价单元内林地土壤肥力各评价指标均一稳定，以提升林地土壤肥力评价精度与实用性。评价单元划分方法具体如下：克里金插值法生成各评价指标图层，半变异函数模型确认各指标空间相关性及拟合精度，通过叠置分析将和平县林地土壤分割为基本评价单元。

1.6 主成分分析

主成分分析法是通过数据处理组合为新的互不相关的变量，替代原始变量进行降维的方法[11]。在不减少原始数据信息的前提下，将原始数据转化为维数较少的特征成分，是常用的降维、计算权重的方法。其计算公式为：

在通过主成分分析进行降维后，得到各主成分特征根与特征向量，选取特征根大于1的主成分为关键主成分[12]，计算各指标线性组合系数矩阵，得出综合得分系数，归一化处理后得到各指标权重。

1.7 林地土壤肥力综合评定及分级

本次研究采用加成法原理综合评定林地土壤肥力质量。将同一评价单元上相互交叉的同类因子采用加法合成，求出林地土壤肥力质量综合指标IFI。计算公式为：

将每个评价单元的综合值写入属性表，采用等距法将和平县林地土壤质量等级由低到高分为1～10级，经过Arcgis 10.7处理后形成和平县林地土壤肥力等级分布图。

2 结果与分析

2.1 正态性检验

标准化处理样品检测结果，并进行正态性检验，各林地土壤肥力评价指标数据满足地统计学分析的假设原则，正态性检验结果如表3。

表3 和平县林地土壤肥力评价指标数据描述性统计Table 3 Descriptive statistical table of soil fertility evaluation index data of forestland in Heping

2.2 半变异函数分析

将数据输入Arcgis 10.7，通过地统计分析进行克里金插值，生成林地土壤肥力评价指标空间插值分布图，确保边缘对齐无拓扑错误。在地统计半变异函数分析过程中，通过转换模型、调整参数来提高拟合度，林地土壤肥力评价指标的半变异函数参数情况如表4。决定系数中，除pH外均大于0.65，其中P、容重、N 、有机碳、K分别为0.937、0.862、0.716、0.712、0.691，说明拟合精度较好。块金系数显示，K、pH大于75%，说明由随机因素引起的空间变异性较大；P、容重小于25%，说明P、容重的空间相关性很高；有机碳、N处于25%～75%之间，存在一定的空间相关性。各指标块金值均低于0.05，说明此次采样机械误差小。各指标变程处于2～25.10 km之间，说明各指标在其变程距离内存在空间相关性[13]。

表4 半变异函数参数Table 4 Experimental value and fitted value about semivariogram

2.3 生成评价单元

使用Arcgis 10.7的叠置分析功能，组合各评价指标的空间插值分布图，生成评价单元[14]，如图2所示。每个评价单元内林地土壤肥力各评价指标值均一稳定，以此提升全县林地土壤肥力评价精度，实现精细化林地土壤肥力评价。

图2 和平县林地土壤肥力等级基本评价单元Fig. 2 Units of woodland fertility evaluation in Heping

2.4 主成分分析结果

通过主成分分析法，获得各评价指标主成分特征值与贡献率如表5，主成分分析成份矩阵与各评价指标权重值如表6。由表5可知，主成分1与主成分2的特征根均大于1，累积方差贡献率达64.39%，高于60%，因此主成分1与主成分2基本能反应林地土壤肥力信息，为关键主成分[15]。其中，主成分1为N、容重，主成分2为K、有机碳、pH、P。由表6可知有机碳权重为0.32，高，其余指标由大至小为N、容重、K、P、pH。

表5 评价指标主成分特征值与贡献率Table 5 Eigenvalues and contribution of principal components

表6 主成分分析成份矩阵与评价指标权重值Table 6 Principal component analysis component matrix and evaluation index weight values

2.5 和平县林地土壤肥力分布情况

采用等距法将和平县林地土壤肥力综合评价值IFI由低到高分为1～10级，如表7、图3所示。和平县林地土壤共计18.9万hm2，本次研究共划分肥力综合评价单元2 510个，评价单元最小面积为1.67 hm2，最大面积为2 014.82 hm2，均值为78.21 hm2。各等级总面积处于6 948.12 ～ 32 184.21 hm2之间，占总面积的比例为3.49% ～ 16.19%。其中4级肥力面积最大，占总面积的16.19%，1级肥力面积最小，为3.49%。5级及以下等级肥力面积占总面积达52.4%，6级及以上等级面积占总面积比例达47.6%，其中3、4、5、7、8级占比超过10%，分别为12.44%、16.19%、10.69%、10.01%、14.04%。在林地土壤肥力空间分布特征上，和平县西部地区主要为7、8、9、10级，中部地区为5、6级，东部地区为4、3、2、1级，总体来看和平县林地土壤肥力等级呈现西高东低的趋势。

图3 和平县林地土壤肥力分布Fig. 3 Fertility level distribution of Heping forest soil

表7 和平县林地土壤肥力等级分布面积Table 7 Distribution area of forest soil fertility grade in Heping

3 结论与讨论

3.1 和平县林地土壤共计189 000 hm2，本次研究共划分评价单元2 510个，评价单元最小面积为1.67 hm2，最大面积为2 014.82 hm2，均值为78.21 hm2，因此认为通过Arcgis 10.7、地统计学及多元统计分析结合，可以对县级行政区做出较为精细的林地土壤肥力质量评价，并能简化评价结果，将肥力等级分布直观、完整地呈现在一张分布图上。

3.2 在主成分分析中主成分1贡献率达到41.18%，说明N、容重在此次研究中是影响和平县林地土壤肥力的首要因子。主成分2贡献率为23.21%，包括K、有机碳、pH、P，其中在成分矩阵中各指标由大至小为K、有机碳、pH、P，分别为0.845、0.529、0.434、0.449，说明影响程度由低到高为K、有机碳、P、pH。

3.3 5级及以下等级面积占总面积达52.4%，6级及以上等级为47.6%，3、4、5、7、8级占比超过10%，分别为12.44%、16.19%、10.69%、10.01%、14.04%。整体分布为西部高东部低、北部高南部低。和平县属于丘陵地带，东部与南部等地势平坦区域人为活动多，包括开路、建屋、种植作物等行为，导致和平县东部林地破碎化程度较高。与之相反，和平县北部及西部地区，海拔相对较高，未受大范围人类活动影响，林班内林相完整，人为开垦、活动的痕迹较少。因此认为和平县东部及南部受人为影响较大，导致林地土壤肥力较低，受人为活动影响小的区域林地土壤肥力相对较高，与本研究最终结果相吻合。如要提高和平县林地土壤肥力，可以考虑以减少当地村民人为活动对林地的影响为主。但地方林权往往存在争议部分，集体林地与国有林地犬牙交错，难以形成集约化管治，因此简单地考虑施肥、管护等往往不能达到良好效果。