冬小麦田空间变异性信息和采样策略研究

冬小麦田空间变异性信息和采样策略研究

采样点空间布局研究随着国内外详细农业实践的发展，对空间信息的空间变换的研究越来越受到重视。人们利用仪器直接测试和化学分析的方法获取农田信息,利用地理信息系统绘制农田信息空间分布图,分析农田信息的空间分布情况,以便进行农田的精细灌溉、精细施肥和其他的精细农业生产管理。然而,要获得较准确的农田信息空间分布图,必须首先获取准确的采样信息。精细农业描述田间信息空间变异性,一般采取田间规则网格定位采样,当网格较小时,采样数多,采样较为费钱费力。采样方式对田间信息的平均值和变异程度影响很大,因此,在满足一定精度的前提下,选择合理的采样点分布方式和确定合理的采样点个数非常重要。目前,国内外研究人员只是对采样数据进行直接的统计分析,求出采样个数,而对采样点空间布局的研究还不多。为准确获取农田信息,对按规则栅格采集的数据点,按50m倍数的样点间隔抽取采样(不失一般性),并进行空间插值,提取对应原63个采样点位置的插值数据,然后进行统计分析,确定较准确又经济的采样方案。1试验条件1.1土壤理化性质的变化试验田是一块冬小麦田,面积约13.3hm2,土壤为褐土,土质为沙壤土。土壤肥沃,通透性好,易耕作,抗涝。地势平坦,东部略高,西部略低。南部略高,北部略低。水资源丰富。生产过程已基本实现机械化。主要作物是小麦,近几年实行一年一茬小麦平作。在经济许可的条件下,本着尽可能多采样的原则,获取土壤耕作层的主要土壤特性信息和产量的有关信息。试验采用50m×50m设置规则栅格,利用GPS接收机定位采样,试验于2002年3月18日进行。麦田土壤的测试信息包括:土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾等土壤化学性质,以及土壤含水量、密度等土壤物理性质。所有土壤特性均在现场采样后,在实验室处理测定。麦田产量数据的测试信息包括:籽粒产量、生物产量、千粒质量等。1.2采样点采样方案描述按照50m×50m的规则网格进行田间信息采样,采样点的布局如图1a所示,共有63个采样点。然后按照50m的倍数抽取采样点,各种不同的采样方案见图1。图1b为原数据按50m×100m的栅格采样,取原采样点中的35个。图1c为原数据按100m×100m的栅格采样,取原采样点中的20个。图1d、1e、1f分别为原数据按150m×150m、150m×150m左、150m×150m右的栅格采样,取原采样点中的9个。图1g为原数据按100m×200m的栅格采样,取原采样点中的12个。2学习方法2.1分布特征值选取在一定的显著水平(α)和抽样允许误差Δ范围内,要求的合理采样数目n计算公式为n=λα,f(Cv/Δ)2(1)式中λα,f——t分布特征值Cv——变异系数Δ可取5%、10%或15%。如果计算所得样本数n大于总体样本容量N的10%,则应采用不重复抽样公式n′=n/(1+n/N)(2)2.2克立格插值法空间插值方法有线性插值法、距离反比法、样条法和克立格插值法。本文采用地理信息系统中常用的克立格插值法进行地统计分析,绘制每一种田间信息不同采样率的空间分布图,提取有关的插值数据。克立格插值法是一种局部估计的加权平均,对各采集点的权重的确定是通过半方差图获得的,然后根据统计学上无偏和最优的要求,利用拉格朗日极小化原理,推导出权重与半方差之间的公式。空间插值采用点状克立格插值法。2.3采样方案a:lsd当两样本均值差的绝对值超过最小显著差数,就可以认为两样本有差异,对应的新采样方案精度不高,不能通过最小显著差数检验(LSD),该采样方案不可取。计算公式为Lα=tn−k,α2Mni−−−√(3)Lα=tn-k,α2Μni(3)式中ni——各样本的容量数M——样本均方误差本研究对不同的田间信息不同的采样方案,按照克立格法插值后,提取与原63个点位置对应的63个插值数据,组成LSD检验样本,而且以原63个采样点插值后的数据样本作为比较的参考样本。3计算与分析3.1小麦产量和平均ph的变异强度按照经典统计方法,土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾、土壤密度的统计特征值列于表1。其中全氮和速效氮略偏低,土壤有机质、速效磷为中等肥力,速效钾比较丰富。这5种养分的变异系数都属于中等变异强度,其中速效磷和速效钾的变异强度比较大。土壤含水量的最大值与最小值相差较大,变异系数为0.151,属中等变异强度,造成这种情况的原因在于农田局部小区不平,灌溉时有径流。土壤密度的变异系数为0.066,变异强度较弱,这表明土壤的质地比较均匀,这与耕作制度有关。小麦产量的统计特征值也列于表1,从籽粒产量看,均值为6426kg/hm2,属于高产量水平,该地块为高产田。籽粒产量的最大值为9153.45kg/hm2,最小值为3190.50kg/hm2,变异系数为0.23,接近中等变异强度。产量数据的这些变异与品种的稳定性、耕作方式、播种、施肥、灌溉等都有十分密切的关系,是多种因素共同作用的结果。3.2采样数额对采样质量的影响取95%的置信度,在5%、10%、15%均值允许误差的条件下,得出采样点数见表2。在5%的允许误差条件下,速效磷和速效钾所需样本容量都超过了总体样本容量的10%(18个和30个),需采用不重复抽样公式进行调整。在5%的允许误差条件下,田间信息所需采样点数不同,其中籽粒产量所需采样点最多。样本容量的统计与田间信息的变异系数直接相关,在所有土壤特性中,速效钾的变异系数最大,所以在5%的允许误差下,速效钾所需采样数目最多。从表2中还可以看出,随着采样允许误差的增加,所需的采样数目减少。随着采样数目的减少,采样成本会大大减少,但这样必然会降低对田间信息空间变异性的准确表达,增加了田间精细施肥的误差。所以,在进行样本容量的统计分析时,均值允许误差的取值非常重要。3.3采样空间分布图选取检验数据的正态分布性是使用空间统计学克立格方法进行土壤特性数据和土壤数据空间分析的前提,只有数据服从正态分布时,克立格方法才有效。利用SPSS统计软件中的P-P正态概率图方法,对土壤特性的有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾等含量以及土壤密度、土壤含水量数据、籽粒产量数据进行了正态检验,均服从正态分布,这表明所测数据满足克立格插值分析的要求。利用Arcview3.2地理信息系统软件中的空间分析模块进行克立格插值分析,并绘制所测各种信息的空间分布图,提取数据文件。由于篇幅所限,仅列出速效磷的空间分布图,见图2。图2中的速效磷空间分布图,按不同的采样方案,分别取原采样点63个及其中的35个、20个、9个和12个,这些点的位置分布如图1所示。以50m×50m采样方案的空间分布图为标准,其他不同采样方案的空间分布图与其进行对比分析。各种采样方案的空间分布图基本上反映了地块中速效磷含量的大致情况,西部高,东部低。随着采样点数的减少,图形中的一些局部信息也会丢失。50m×100m、100m×100m的空间分布图与50m×50m的空间分布图非常相似,反映了地块中速效磷含量分布的基本情况,即西部含量高,东部含量低。但也丢失了一些信息,在地块的中、西部速效磷含量低的小区域含量没有反映出来。与其他采样方案的空间分布图相比,反映的信息还较准确,因此,是两种较好的采样方案。对于速效磷大面积的采样,这是一种精度较高又经济的采样方案。150m×150m右和100m×200m的空间分布图比较相似,基本上反映了地块中速效磷含量的情况。西北角速效磷含量高的区域没有准确反映出来,在地块的中、西部速效磷含量低的小区域没有准确反映出来。与采样方案为50m×50m的空间分布图相比,反映的信息不太准确。采样方案为150m×150m和150m×150m左的空间分布图,反映地块中速效磷的含量非常不准确,是两种不好的方案。3.4空间采样点采样方案的确定将所测的各种田间信息的63个采样点,进行克立格插值后,将原采样点上的插值数据作为LSD检验的参考值,与其他采样布局的克立格插值结果进行比较。LSD的检验结果见表3。表3中,未注*号的数据满足5%显著水平。从LSD检验的结果可以看出,在5%显著水平下,所有田间信息的各种采样方案对应的均值差无显著差异性,所有采样方案通过LSD检验;在1%显著水平下,速效氮的100m×100m和150m×150m采样方案对应的均值差有显著性差异,这两种方案不能通过LSD检验。速效磷的150m×150m左采样方案对应的均值差有显著性差异,这种采样方案不能通过LSD检验,这与空间插值分析的结果一致。在1%显著水平下,土壤含水量的150m×150m和150m×150m左采样方案,对应的均值差有显著性差异,这两种采样方案也不能通过LSD检验;土壤密度的150m×150m左采样方案不能通过LSD检验。从表3中可以看出,田间信息的其他采样方案在两种显著性水平下,均通过了LSD检验。其中,50m×100m采样方案都通过LSD检验,精度较高,且比50m×50m的采样方案要经济。所有田间信息的150m×150m右和100m×200m采样方案均通过了LSD检验,这两种采样方案对于所有田间信息采样也均可用。100m×100m的采样方案适用于除速效氮以外的其他田间信息。由以上分析可知,对不同的田间信息采样时,应选用不同的采样方案。比较各种田间信息的150m×150m、150m×150m左和150m×150m右3种采样方案,虽然采样点数相同,但各方案在地块中的位置不同,所以,这3种方案的检验结果不同。由此看来,采样点在地块中位置的选择,对田间信息的表达至关重要。比较表1中各种田间信息的采样数目和表3中各种田间信息通过LSD检验的采样方案的采样点数可以看出,它们是不同的。传统样本容量的统计方法不能兼顾采样点的空间特性,利用克立格插值分析,再用LSD进行检验,可以弥补传统样本容量的统计方法的缺陷。综上可知,在相同的精度下,不同的田间信息空间变异程度不同,因此,所需的采样点数不同。在采集田间信息时,不同的田间信息应考虑选择各自适合的采样方案。4采样方案设计原则(1)规则栅格采样是实施精细农业田间信息采集常用的方法。一般来说,采样间距越小,描述田间信息的精度越高,但所需的各种费用也高。因此