农产品产地土壤锌的空间插值及其采样数量优化研究——以吉林省舒兰市为例

摘要

土壤锌是农作物生长必须的微量元素,又是农产品产地土壤环境质量评价的重要因子之一,了解土壤中锌的含量和空间分布对保障农产品产地安全有着重要作用。传统的农产品产地土壤锌环境质量评价是将采样点中土壤锌的含量与评价标准进行比较,根据达到标准的样本点所占比例来确定研究区域的土壤锌环境质量状况。基于单个样点的评价,虽然能够客观地反映离散样本点的级别,但无法体现面元状况,容易导致以偏盖全的可能。采用基于GIS的空间插值方法进行土壤锌的空间插值,可以获得土壤锌的空间分布情况,进而评价农产品产地的土壤环境质量,使得评价结果更具合理性。但是,采用哪种空间插值方法更合适,需要进一步研究。同时,样点采集数量也是影响空间插值结果精度的关键。因此探讨土壤锌空间插值适宜方法,以及适宜的采样数量,对农产品产地认证和评价、土壤污染治理评价具有重要的理论价值和实际意义。
　　 本文基于3S技术,以吉林省舒兰市为研究区域,进行了土壤锌空间插值适宜方法以及适宜的采样数量研究。通过计算土壤锌和辅助数据的相关性,确定了用于土壤锌协同克里格插值的适宜辅助数据；通过比较土壤锌的普通克里格插值与协同克里格插值的精度,确定了土壤锌适宜的空间插值方法；分别计算了采样数据减少10％和20％情况下,基于辅助数据的土壤锌协同克里格插值精度,以土壤锌全部采样点的普通克里格插值精度为参考,进行了土壤锌采样数量优化研究；最后用传统方法和基于GIS空间插值方法的土壤锌环境质量评价来验证结果。主要研究结论如下:
　　 (1)采用SPSS18.0软件,对研究区域内342个采样点的土壤锌与辅助数据进行了相关性分析,结果表明研究区域的土壤锌与pH、有效铁呈极显著的相关性,与有机质、全氮、有效铜、有效锰、碱解氮、高程存在显著相关性。因此土壤锌空间插值选择的辅助因子是有机质、pH、全氮、有效铜、有效锰、碱解氮、有效铁、高程。
　　 (2)采用GIS和Gs+7.0,通过对原始数据预处理、正态分布检验、数据的描述性统计分析、土壤锌的普通克里格和协同克里格半方差函数理论模型拟合和插值计算,以及精度分析,得出基于辅助数据的土壤锌协同克里格插值精度高于普通克里格插值,在协同克里格预测值与实测值的回归分析中,以有效锰、有机质、pH、有效铜、全氮、高程作为辅助数据的协同克里格预测值与实测值的R2值较大,拟合效果较好。
　　 (3)以土壤锌全部采样点的普通克里格插值结果为参照,比较分析了减少10％(311)和减少20％(277)样点下,基于辅助数据的土壤锌协同克里格插值精度。结果表明,减少10％采样点下,基于辅助数据的土壤锌协同克里格插值仍能满足精度要求；减少20％采样点下,只有基于有效铜和高程的土壤锌协同克里格插值满足精度要求。因此,以有效铜或高程作为辅助数据进行土壤锌协同克里格插值,采用数量可以减少20％。
　　 (4)进行了土壤锌单项污染指数运算,比较了传统方法、普通克里格插值方法、协同克里格插值方法的土壤锌环境质量评价结果。结果表明,基于GIS的土壤锌空间插值环境质量评价方法比传统方法的精度要高。在利用辅助因子的情况下,减少10％样点的土壤锌协同克里格插值评价结果比普通克里格精度高；减少20％样点下,利用有效铜或高程辅助数据的协同克里格插值评价结果与普通克里格评价精度相近,进一步得出基于GIS空间插值方法的土壤锌环境质量评价结果比传统方法更具科学性和合理性。