苹果园土壤含水量测定取样点数目及插值方法研究

苹果园土壤含水量测定取样点数目及插值方法研究 苹果园土壤含水量测定取样点数目及插值 方法研究 莱阳农学院22(4:298,302,2005 Journall~tiyangAgriculturalCollege 文章编号:1001—3717(2005)04—0298—05 苹果园土壤含水量测定取样点数目及插值方法研究 谢恒星,张振华,刘继龙,谭春英,李清翠 (鲁东大学地理与资源管理学院,…东烟台264025) 摘要:依据土壤水分取样数据,在不同的置信水平和不同的精度系数下确定了苹果园内土壤含水量的取样数目,并 利用多种插值方法对土壤含水量数据进行了插值计算.结果显示,所测土壤含水量原始数据符合正态分布,在不 同的置信水平和不同的精度系数下,取样数目变化较大;当置信水平为90%时,本次取样基本上可达到0.02的精 度要求.利用反距离加权法,克里格法等9种插值方法对苹果园内土壤含水量原始数据进行了插值计算,结果显 示,反距离加权插值法的RMSPE为1.085,插值精度最高. 关键词:土壤含水量;正态分布;取样数目;插值计算 中图分类号:S152.7文献标识码:A ResearchonSoilWaterSamplingNumberandInterpolating MethodinAppleOrchard XIEHeng—xing,ZHANGZhen—hua,LIUJi-long-TANChun—ying,LiQing-cui (GeographyandresourcesmanagementdepartmentofLudongUniversity,Yantai264025,C hina) Abstract:Basedonsoilwatercontentsamplingdata,soilwatercontentsamplingnumberwas establishedbasedon differentconfidencelevelsanddifferentprecisioncoefficientinappleorchard,andinterpolat ioncalculationwas conductedbasedonseveralinterpolationmethods.Resultsshowedthatsoilwatercontentinitialdatafollowednor- maldistribution,andthesamplingnumberfluctuatedlargelyindifferentconfidentleversandindifferentprecision coefficient.Tothissampling,thesamplingnumberwasto0.02precisionrequirementsin90%confidenceleve1. Interpolationcalculationwasconductedbasedoninitialdataofsoilwatercontentwith9methods,suchasthein. versedistancetoapowermethodandkrigingmethod,etc.InterpolationresultsshowedthattheRMSPEvalueofin- versedistancetoapowermethodwas1.085,theinterpolationprecisionwasthehighestone. Keywords:soilwatercontent;normaldistribution;samplingnumber;Interpolatingcalculation 土壤取样是进行土壤含水量分析的前提条件. 而如何合理取样,使取样数目既能满足土壤含水量 精确分析的需要,又不会因取样数目过多而消耗过 多的人力,物力,足土壤取样研究的关键问题.Ja— cob和Klute…研究了在…定条件下的取样小区,取 样数量以及测定方法之间的最佳组合.Cipra_2等 研究发现取样数目地块与地块之间的差异最大,其 次是地块内取样域之间的变异,同一取样区域内 样本问的变异最小.王学锋等研究了土壤有机 质的空间变异性,发现不同的地块在同一置信水平 下取样数目相差较大.胡克林等对农田土壤养 分的空间变异性特征进行了分析,研究发现在土壤 较湿时,各种养分的合理取样数目明显要多于土壤 较干时的合理取样数目.伍靖伟等对簸箕李灌 区40m×40m的试验田块进行了空间变异性研究, 发现当显着水平为0.1时,试验所取的90点可使精 度系数达到0.022.杨俐苹等研究了华北平原地 区及浙江绍兴水网平原农田土壤养分变异特性,同 时计算了当误差范围在?15%时,不同置信度下 合理评价小麦一玉米轮作粮田各养分所需的取样数 }收稿日期:2005—06,15 作者简介:谢恒星(1981一),男,…东充州人,在读研究牛,主要从事区域水土资源高 效利用研究 通讯作者:张振华E—nmil:Zhangzh71@163.con 4期谢恒星,等:苹果园土壤含水量测定取样点数目及插值方法研究 目.姜城等利用地统计学方法,地理信息系统技 术,结合土壤养分状况系统研究法对一定条件下的 土壤合理取样数量作了细致的研究.孙凯等对 北京通州区辖800多平方公里范围内3022点的土 给出了计算类似 壤墒情测量数据进行了统计分析, 区域合理取样数目时的估值方法,为区域性墒情 (旱情)检测站点的建设提供指导.水分含量在生 成基于格网文件的图件如等值线图之前,首先要选 用一定的内插法对离散数据格网化,生成规则的格 网文件.影响离散数据格网化精度的一个因素就是 内插方法的选择.surfer8.0软件提供多达l2种的 插值方法l9』,每种插值方法都具有各自的优缺点, 应用哪种方法进行插值计算,应视具体情况而定. 烟台市是我省的苹果之乡,而烟台地形为低山 丘陵区,山地占总面积的36.62%,丘陵占39.7%, 果树在丘陵地区广泛分布.因此,对于烟台地区来 说,合理确定土壤含水量取样数目可以节省大量的 人力,物力,降低科研成本.本文首先确定了在不同 置信水平下的取样数目,然后利用其中的部分插值 方法对研究区域内的土壤含水量数据进行插值计 算,并利用插值结果绘制了土壤含水量等直线图,为 果园内制定合理的灌溉和节约用水提供科学的 理论依据. 1材料与方法 试验点设在烟台市农科院苹果园内,所栽果树 为5龄红富士,东西株距为5.7m,南北株距3.0m, 果园面积为2770m.果园内坡度为3.,地势较为平 坦.土壤类型为棕壤.取样点设在每棵果树的根部 附近,采样点的空间分布如图1. 国1样点空间分布 取样点包括9行18列,其中南北方向每隔3m 取样,每列共取9个样点;东西方向每隔5.7m取 样,每行共取l8个样点.整个地块内共计162个取 样点,其中P点为异常值点,在计算时被剔除.土 壤水分采用德国产TRIME—FM土壤含水量测量系 统测定,测定深度为0—15era,测定数值为土壤体积 含水率(vo1%),测定时间为2005年4月27日8:00 — 9:00 2结果与分析 2.1土壤水分数据统计分析 利用SPSS11.0数据处理软件对土壤水分原始 数据进行探索性分析,得到如1,图2所示结果. 由表1可知,土壤体积含水量最大值与最小值 分别为11.30%和29.60%,最小值与最大值相差 18.3%,相差不很大;偏度系数和峰度系数分别为 0.295和0.875,由图1(土壤含水量直方图)可知, 苹果园内所取样点的土壤含水量近似为正态分布. 变异系数为0.16,说明土壤水分含量属于中等变 异?.为进一步确定土壤含水量数据的分布类型, 利用原始数据做土壤含水量的QQ图,如图3所示. 由图3可知,数据点近似地在一条直线附近,说明土 壤含水量在空间分布上是符合正态分布的. 2.2土壤含水量合理取样数目的确定 合理的取样数目N应满足的要求:样本的均值 和总体的均值之差的绝对值小于或等于某一 规定精度?的这一事件的概率达到所要求的置信 水平Pl,即合理的取样数目应满足? P{l三N一l-<4}=Pl(1) 若取样是独立的,且取样数目足够多,则中心极 限定理成立.于是,由概率统计原理可知随机变量 11=I一兰为标准正态分布(均值为0,方差为1)./ or/N 总体的方差or是未知的,只能用样 在实际应用中, 莱阳农学院22卷 表l土壤水分含量统计数据 40 土壤音水量 图2土壤含水量数据的直方图 本的方差S代替.此时,由概率统计原理可知,随 机变量t:服从t分布.因此P ?s'/N {{t)=p1? 式中,入..为t分布的特征值,可由显着水平a = 1一P.和自由度f=N一1查t分布表求得.由式 (1),(2)可得到所要求的取样数EtN为 N=入.(3) 若考虑到取样精度要求?=ku(k为精度系 数),则式(3)可改写为 N..()'a't(4) 式中,c为变异系数.利用上式,显着水平a分 别取0.05,0.1,0.2,0.3,精度系数分别取0.01, 0.05,0.1,0.15,求得苹果园内土壤水分含量的合理 取样数目如表2. 捌 鬻. 203040 观测值 土壤含水量数据的QQ图 表2合理取样数目统计结果 由表2可知,在同一置信水平下,取样数目随着 精度系数的增大迅速减小.当精度系数由0.01, 0.02,0.03增大到0.05时,在95%,90%,80%, 70%的置信水平上取样数目分别减小了95.96%, 95.98%,96.00%和96.01%,即在70%的置信水平 上当精度系数改变时,取样数目变率最大,由0.0l 精度系数下的276下降到0.05精度系数下的11; 相反,在同一精度系数下,取样数目随着置信水平的 减小而减小.当置信水平由95%,90%,80%减小 到70%时,在0.01,0.02,0.03,0.05的精度系数E 取样数目分别减小了72.09%,72.06%,71.82%和 72.50%,在0.05的精度系数上当置信水平改变时, 取样数目变率最大,由95%置信水平下的40下降 到70%置信水平下的11.与同一置信水平下的取 样数目相比,同一精度系数下的取样数目平均变化 要小.对于本项研究来说,当置信水平为90%时, 取样数目基本上可达到0.02的精度要求.进一步 分析可知,在90%的置信水平F若使取样数目达到 0.01的精度要求,取样数目要增大到697,工作量将 4期谢恒星,等:苹果园土壤含水量测定取样点数目及插值方法研究 是现在的4倍,显然这是不经济的. 由公式(4)可知,取样数目N与t分布的特征 值入…,变异系数C和精度系数k有关.对于本次 试验来说,由于取样数目为161大于120,对于 95%,90%,80%和70%的置信水平,入:.分别取 1.960,1.645,1.282和1.036;C与取样数目和取样 位置有关,对于本次试验来说,取样数目和取样位置 都足一定的,所以取样数目N与精度系数kI2成比 例.利用表2数据绘得在不同置信水平下取样数目 和精度系数之间的函数关系如图4. 皿 萋 图4不同置信水平下取样数目和精度系数的关系 由图4可知,在同置信水平下,取样数目和精 度系数均呈幂函数关系,且绝对系数均为1,说明函 数拟合精度很高.从图4可以直观地看出,在同一 精度系数下,随着置信水平的降低,函数系数逐渐减 小(『_I]0.1016减小到0.0276);在同一置信水平下, 随着精度系数的增加取样数目逐渐减小,这与表2 的结果足一敛的.在95%,70%的置信区间内,给 定任意的精度系数,就可利用函数关系计算出合理 的取样数目,从而得到连续的取样数值. 2.3几种插值方法比较 等值线图可以较为直观地表现地物的空间分布 特征,而卒问插值是绘制等直线图的前提条件.空 问数据的内插有多种方法?',常见的方法有:反 距离加权插值法,克里格插值法,最小曲率法等.插 值方法的有效性评价可以迎1』交叉验证来进行.交 叉验证首先预留一个或多个数据样点,然后对该数 据作出预测.均方根预测误差RMSPE是交叉验 证的一个统计指标,计算公式如下: : /1)一)](5)l~_i… 1 EZi*)一ZiRMSPE(Xk(Xk)](5) 式中:n为样点个数;Zi(xk)为位置x随机 变量z;的估计值;Zi(x)为位置x上的样点值. 预测值就越接近他们的真实 均方根预测误差越小, 值,这种插值方法就越好.Surfer8.0软件提供l2 种插值方法,但适用于本项研究的共9种插值方法. 本文应用这9种插值方法对土壤水分数据进行插值 计算,预留5个数据点进行插值方法的有效性评价, 所得RMSPE结果如表3所示. 由表3可知,对于苹果园内的土壤水分插值结 果,不同的插值方法插值精度不同.反距离加权插 值法的RMSPE最小,为1.085,径向基函数插值法 的RMSPE最大,为4.023,说明反距离加权插值法 的插值精度最高,径向基函数插值法的插值精度最 低.造成这种结果的原因是因为反距离加权插值法 是一种精确性插值法,插值生成的表面的最大值和 最小值只会出现在采样点处,它也是一个全局插值 算法,在插值计算过程中只考虑距离因素,避免了模 型选择不当对插值的影响.克里格插值方法是一种 较为常见的插值方法,但克里格插值方法的插值结 果受多种因素的影响?,当块金值所表征的随机性 因素影响较大,变异函数误差较大,模拟效果不理想 时,克里格插值法并不能有效,如实地反映研究特征 的实际分布格局. 利用插值精度最高的反距离加权插值法对苹果 园内土壤水分含量采样数据进行插值计算,并绘制 土壤水分含量的等直线图(图5).由图5叮知,土 壤水分含量在整个地块内的分布是不均匀的,表现 为东北部偏大,西南部偏小,在(45,7)位置附近出 现土壤含水量最大值,而且区域较大,在西北部同样 出现小的土壤含水量较大值区域. 表39种插值方法的RMSPE值比较 莱阳农学院22卷 24 2l 18 _ 15 12 9 6 3 O 距离/m 图5土壤含水量等值线图 3结论ndtni~::a叭rea[:J],Comm,u.ni'm 1)利用SPSS11.0数据处理软件对苹果园内土 壤水分含量数据进行统计分析并绘制了土壤水分含 量的直方图,QQ图,结果显示剔除异常点后数据符 合正态分布. 2)对土壤含水量合理取样数目进行了分析,得 到了不同置信水平和精度系数下的取样数目,并建 立了不同置信水平下取样数目和精度系数之问的定 量关系.对于面积为2770m的果园来说,在90% 的置信水平和0.02的精度系数下基本上可达到 161个取样点的要求,从而得到单位面积(hm)内的 取样数目约为6个. 3)利用反距离加权插值法,克里格插值法,最 小曲率法等9种插值方法对土壤含水量数据进行插 结果表明反距离加权插 值计算并进行了交叉验证, 值法精度最高,RMSPE值为1.085;径向基函数插值 法精度最低,RMSPE值为4.023.利用插值精度最 高的反距离加权插值法对土壤含水量数据进行插值 计算并利用插值结果绘制了土壤含水量的等值 线图. 4)烟台市为低山丘陵区,果园内取样工作量相 应地增大,因而合理的取样数目,可以有效地减少人 力,物力的消耗,从而大大地降低取样成本. 参考文献: [1]DiazOA.el!a1..Soilnutrientvariabilityandsoilsamplinginlhe [2]CipraJE,BidwellOW,WhitneyKAandFeyerhermAM.Varia- tionwithdistanceinselectedfertilitymeasurementsofpedonsof wes~mKansasUstoll[J].SoilSellSoclAm.Proc.,1972,36: lll—ll5. 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