Soil Quality Evaluation in a Typical County of Jianghuai Hilly Region Based on GIS
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摘要: 以安徽省江淮丘陵地区的定远县为例，自1401个土壤样本点获取土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾、土壤侵蚀程度、耕层厚度共六项指标，利用GIS空间插值方法，使用隶属度函数，构建土壤质量综合评价模型，对该县土壤质量进行评价。研究结果表明：（1）研究区平均土壤质量指数为0.56，采用等间距法将土壤质量划分为5级，其中三等地占总面积的59.54%，二等地占31.4%，一等地和四等地分别为1.53%、7.52%，研究区内没有五等地；（2）土壤质量在空间分布上呈现出东南方向至西北方向下降的趋势，平原地区的土壤养分含量高于丘陵岗地、质量相对较好；（3）不同土地利用类型土壤中水田土壤质量略高于旱地、草地和林地。土壤质量的评价结果对于研究区改善土壤质量、合理配置农业土地资源有一定参考价值。Abstract: About 1401 soil samples were taken from Dingyuan, Anhui Province, and six evaluation indicators, including soil organic matter (SOM), available phosphorus (AP), available potassium (AK), total nitrogen (TN), soil erosion degree, and soil thickness were selected. Using GIS spatial interpolation analysis method and the membership function, a comprehensive soil quality evaluation model was constructed to evaluate soil quality in the study area. The results showed that: (1) The soil quality index in Dingyuan was on average 0.56. Soil quality was classified 5 grades by equal interval method. The second-class, third-class, first-class and fourth-class areas accounted for 31.4%, 59.54%, 1.53% and 7.52% of the total area of Dingyuan, respectively; (2) The spatial distribution of soil quality showed a downward trend from southeast to northwest. The soil nutrient content in the plain area was higher than that in the hilly area, and the soil quality was relatively better; (3) The soil quality of paddy field was slightly higher than that of dry land, grassland and woodland. The evaluation results of soil quality in the study area were helpful for improving soil quality and allocating agricultural land resources rationally.
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图 1 研究区地理位置及土壤采样点分布图
Figure 1. Maps of the geographical location and soil sampling site distribution in the study area
图 2 研究区数字高程模型（左）和土地利用类型图（右）
Figure 2. Digital elevation model (left) and land use types (right) in the study area
图 4 普通克里格插值的土壤养分空间分布
Figure 4. The spatial distribution of soil nutrient contents based on the ordinary kriging interpolation
图 5 研究区土壤质量空间分布图
Figure 5. Spatial distribution map of soil quality grade in the study area
表 1 土壤肥力指标值所属隶属度函数的类型（上限型）及阈值
Table 1. The type of membership function (upper limit type) and threshold value of soil quality index
阈值
Threshold土壤有机质
Soil organic matter
(g kg−1)全氮
Total nitrogen
(g kg−1)有效磷
Available phosphorus
(mg kg−1)速效钾
Available potassium
(mg kg−1)耕层厚度
Soil thickness
(cm)上限值 30 1.5 15 120 20 下限值 15 0.75 5 50 11 
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表 2 土壤侵蚀等级隶属度值
Table 2. Membership value of soil erosion grade
土壤侵蚀等级
Soil erosion grade隶属度
Membership value无明显侵蚀 1.0 轻度侵蚀 0.9 中度侵蚀 0.7 强烈侵蚀 0.3 剧烈侵蚀 0.1
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表 3 土壤理化性质的描述统计
Table 3. Descriptive statistics of soil physical and chemical properties
指标
Index最小值
Minimum最大值
Maximum均值
Mean标准差
Standard deviation偏度
Skewness峰度
Kurtosis变异系数 (%)
Coefficient of variation土壤有机质（g kg−1） 1.60 60.80 17.72 5.20 0.99（−0.075） 3.82（4.83） 29.36 全氮（g kg−1） 0.29 4.63 1.04 0.30 3.20（0.20） 29.72（2.44） 28.93 有效磷（mg kg−1） 0.40 99.70 13.45 9.86 3.52（−0.64） 20.18（2.85） 73.34 速效钾（mg kg−1） 16.00 794.00 114.97 62.76 3.81（0.27） 28.19（1.50） 54.58 耕层厚度（cm） 10.00 50.00 18.62 3.11 0.91 10.27 16.71 注：括号内数据代表经对数变换后的统计结果。
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表 4 土壤养分含量的半方差函数模型和参数
Table 4. Semivariance model and parameters of soil nutrients
土壤养分
Soil nutrient模型类型
Model type块金值
Nugget
(C0)基台值
Sill
(C0 + C)块金系数
Nugget coefficient
(%)有效变程
Range
(m)土壤有机质 指数 0.046 0.086 53.48 8538 全氮 指数 0.045 0.065 69.23 8400 有效磷 指数 0.292 0.428 68.22 10200 速效钾 指数 0.134 0.179 74.86 4145
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表 5 土壤质量评价指标插值精度分析
Table 5. Analysis for interpolation accuracy of soil quality evaluation index
精度指标
Precision index土壤质量评价指标
Soil quality evaluation index土壤有机质
Soil organic matter全氮
Total nitrogen有效磷
Available phosphorus速效钾
Available potassium耕层厚度
Soil thickness平均误差 (ME) 0.009 −0.001 0.206 −0.968 −0.016 标准化平均误差 (MSE) −0.008 −0.009 −0.016 −0.032 −0.019 平均标准误差 (ASE) 4.933 0.259 9.614 60.567 1.815 均方根误差 (RMSE) 4.780 0.284 9.468 51.024 2.190 标准均方根误差 (RMSSE) 0.976 1.078 1.153 1.192 1.199 注：插值和验证采用共同的土壤样点（n = 1401）。
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表 6 土壤质量评价指标相关系数
Table 6. Correlation coefficient matrix of soil quality evaluation index
指标
Index土壤有机质
Soil organic matter全氮
Total nitrogen有效磷
Available phosphorus速效钾
Available potassium耕层厚度
Soil thickness土壤侵蚀程度
Soil erosion degree土壤有机质 1 全氮 0.551** 1 有效磷 0.054* 0.045 1 速效钾 0.246** 0.308** 0.095** 1 耕层厚度 −0.027 0.071** −0.084** 0 1 土壤侵蚀程度 −0.010 0.009 −0.015 −0.001 0.217** 1 注：* 和** 分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平上相关性显著(n = 1401)。
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表 7 土壤质量评价指标的权重
Table 7. The weight coefficient of soil quality evaluation index
指标
Index土壤有机质
Soil organic matter全氮
Total nitrogen有效磷
Available phosphorus速效钾
Available potassium耕层厚度
Soil thickness土壤侵蚀程度
Soil erosion degree权重系数 0.279 0.337 0.032 0.222 0.061 0.069
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表 8 不同土壤质量等级土地面积百分比
Table 8. Area percentage of soil quality grade
土壤质量等级
Grade of soil quality土壤质量指数区间
Interval of soil quality index面积百分比 (%)
Area percentage一等地 0.8 ~ 1.0 1.53 二等地 0.6 ~ 0.8 31.40 三等地 0.4 ~ 0.6 59.54 四等地 0.2 ~ 0.4 7.52 五等地 0 ~ 0.2 0.00
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表 9 不同土地利用类型土壤质量综合评价指数
Table 9. The comprehensive evaluation index of soil quality for different land use types
土地利用类型
Land use type水田
Paddy field旱地
Dry land林地
Forest land草地
Grass land土壤质量指数 0.57 ± 0.11 0.53 ± 0.09 0.53 ± 0.12 0.50 ± 0.10
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