第 17 卷 第 2 期
2001 年 3 月
农 业 工 程 学 报
T ransactions of the CSA E
V o l 17　N o 2
M ar 　2001
文章编号 100226819(2001) 0220033204
精确农业田间土壤空间变异采样方式研究3
王　珂①1　沈掌泉1　John S Bailey2　C raw fo rd Jo rdan2
(1 浙江学环境资源学院资源科学系 杭州　310029 　2 D epartm ent of A griculture
fo r N o rthern Ireland A gricultural and Environmental Science D ivision Belfast UK)
摘　 英国 H illsbo rough 农业研究附块 7 9 hm 2 牧草研究区 采统计半方差分析克
立格方法研究空间变异性空间插值时研究田块样点根间距形状进行删选 布局状
况结果进行统计较 获取满足定精度少采样数采样形状研究结果表明 单纯利样方统
计 土壤效钾需 65 采样点 致原始采样点半考虑空间采样形状空间插值效果 采
显著性差异(L SD) 进行较 该田块土壤效钾采样规三角网布点(样点数 62 )
关键词 统计 采样方法 精确农业 牧草田
中图分类号 S153 1 S126　　　　文献标识码 A
收稿日期 2000201220　修订日期 2001201215
3 中英交流合作项目 (SHA 992 297) 浙江省然科学基金
资助项目(498015)
①王珂 博士 教授 杭州市凯旋路　浙江学环境资源学院
资源科学系 310029　Em ail Junkehao@ telekbird com cn
　　70 年代开始土壤空间变异性规律研究[1 ]
90 年代 着发达国家精确农业技术开展 土
壤特性空间变异空间插值技术研究众农
学家关注[2 3 ]时空间采样布局采样方式研究
重视国 80 年代起事方面研究
数采统计方法进行土壤特性研究[4～ 6 ]
精确农业采样中土壤作物空间变异性布局研
究甚少[4 ]
精确农业描述土壤空间变异性传统野外田间
格网定位采样费钱困难时许调查研究表
明田间土壤特性均值变异程度受采样田块
测试方法影响 重受采样方式
影响满足定精度前提 通科学合
理采样布点方法量减少采样数十分重
目前 国外已专家进行相关研究 中
数采样数进行直接统计分析出采样
数[7 8 2 ] 少数提采样空间布局形状[3 ]
避免利传统样容量统计分析方法时
兼顾采样点空间特性缺陷 研究通原始格
网样点定样点间隔布局进行抽取进行空
间插值 然进行统计较 制定优化采样策略
1　研究材料
1 1　样区概括采样试验
研究英国北爱尔兰 H illsborough 农业研
究附块 7 9 hm 2 坡试验区该块
土壤第三纪红砂岩发育棕壤 质砂粘壤
土 pH 6 0该块 1990 年翻耕播草种 年
收割 3 次施定数量机肥基础 年施
肥机均匀方式喷洒 300 kg hm 2 氮素混入数量
等磷钾硫肥1999 年开始研究 年没施
机 肥 料 氮 肥 总 量 降 低 250
kg (hm 2· a) 优化肥料理
图 1　采样布点示意图
F ig 1　Samp ling distribution of study area
北爱尔兰籍数库中找该块该
块图形输入A RCV IEW 理信息系统软件中 然
25m × 25 m 网格覆盖该块确定采样点
总 123 (见图 1)田块取样点分布图输
33
© 19952005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved入 GPS 仪(T rimb le)田间点混合取样 取样深度
7 5 cm土样风干磨碎筛 英国农业部
标准常规分析方法[9 ]进行关土壤理化性质养分
含量测定
1 2　采样布局设计
123 原始观测点原始田间布样称
方案 a 然定样点间隔方进行抽取方
案 b 斜间隔抽取 采样点成三角形布局 间距
25 2 m 方案 c 竖间隔抽取行 间距
50× 25 m 方案 d 横间隔抽取行 间距
25× 50 m 方案 e 横竖间隔抽取行 间距
50× 50 m 方案 f 横抽取二行竖抽取行 间
距 50× 100 m
2　研究方法
2 1　插值分析方法
空间样点插值方法较采干点 (si)
线形加权均值拟合估点 (s0)研究采
统计中常克立格插值法 种局部
估计加权均观察点权重确定
通半方差图分析获取然根统计学
偏优求 利拉格朗日极化原理 推导
出权重值半方差间公式[1 ]空间插值采点
状克立格插值 般克立格插值法
2 2　 基采样点样方容量统计
定显著水 (A) 抽样允许误差范围
(± d ) 求必样数目 (n) 计算采公
式[10 ]
n (tn A 2S d ) 2 (1)
式中 　t——t 氏分布值 S —— 样标准方差值
果计算样数 n 总体样容量 N
10 应采重复抽样公式[11 ]
　 n′ n (1 + nN )
2 3　 基采样布局样方较
显著性检验 (L east Significant D ifference
简称L SD ) 方法成较样间均
值差异采法时 两样均数绝差超
显著差数 L SD (公式 (2)) 认两样
差异
L SD tn k A
2
n i
M S E (2)
式中 　n i —— 样容量数 M S E —— 误差均
方
研究样点布局方案进行空间插值
提取 123 点位插值数组成L SD 检
验样 中原始 123 网格样点插值数样
较参考
3　结　果
3 1　基统计特征空间变异分析
首先采快速D avid 方法项土壤观测数
进行正态检验 检验表明数项符合正态分布土
壤项特性变异系数 14 6～ 35 4 间 (表
1)中土壤效钾变异系数效磷
相精度求效钾采样布点效磷
表 2 半方差分析项参数 中基底效应
基底值基台值 该值反映素空间
独立性研究田块土壤特性基底效应总体较
说明空间独立性相较强[2 ]
表 1　土壤项特性采样数基统计特征
T ab 1　Statistical param eters fo r so il and p lant p roperties
采样数项 范 围 均值 标准差 变异系数

机质 2 6～ 6 17 4 508 0 698 15 5
效磷m g· L 1 15 0～ 60 0 29 544 7 156P 24 2
效钾m g· L 1 57 2～ 327 0 142 880 50 540 35 4
镁m g· L 1 79 0～ 172 0 112 832 16 439 14 6
硫m g· L 1 7 56～ 16 9 10 988 1 809 16 5
表 2　土壤项特性数半方差分析结果(球形模型)
T ab 2　Param eters fo r variogram sphericalmodels
fo r p lant and so il p roperties
采样数项 基底值 基台值 变程 基底效应
值
机质 0 282 0 771 350 36
效磷m g· L 1 38 773 53 410 166 53
效钾m g· L 1 1406 676 3577 735 350 39
镁m g· L 1 204 726 311 685 325 66
硫m g· L 1 1 397 4 919 325 28
3 2　基采样点样容量统计
取 95 置信度 均值允许误差 (15
10 5 ) 条件样容量计算见表 3 研究中
5 10 均值误差 土壤特性需样容量
超总体样容量 10 ( 12 ) 需采
重复抽样公式进行调整表 3 见 5 允许误
差情况 土壤种特性需采样点 中效
钾需采样点 需原样点半样容量
统计该土壤特性变异系数直接相关 研究
43 农业工程学报 2001 年　
© 19952005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved区 土壤效钾变异系数 5 允许误
差需采样点时分析见 着均值误差
提高 需采样数目减少方面减少采样成
方面势必降低田间土壤空间变异性
表达度信度 增加步田间精确施肥
误差进行样容量统计分析时 均值允
许误差取值非常关键
表 3　允许误差范围必观察样容量
T ab 3　E stimated num ber of samp les
required obtaining samp le m ean
均值 标准差 15 10 5
机质 4 508 0 698 3 7 21
效磷m g· L 1 29 544 7 156 7 14 42
效钾m g· L 1 142 88 50 54 15 27 65
镁m g· L 1 112 832 16 439 3 6 19
硫m g· L 1 10 988 1 809 3 7 24
3 3　基采样布局样方较
研究选取土壤效磷效钾进行L SD 检
验 123 原始田间格网样点 K riging 插值
数统计量作L SD 检验参考值 5 种
采样布局 K riging 插值结果进行较
L SD 检验显示土壤效钾三角形布点
(25 2 m 间隔 方案 b) 原始布点 (方案 a)
K riging 插值结果接 1 显著水均值
明显差异表 4 见方案 b方案 c 方案 d 三
种样点布局相样点数 插值
结果明显差异中方案 d 横间隔抽取
结果精度差 极显著差异 采样形状
空间差异表达效率空间变异方性关
表 4　 Kriging 插值土壤效钾
磷L SD 检验结果
T ab 4　L SD test of so il available K and P after
Kriging interpo lation fo r obvious com binations
采样数 布局
土壤效钾
均值 均值差
土壤效磷
均值 均值差
123 方案 a 139 96 — 29 60 —
62 方案 b 139 65 0 31 29 42 0 18
61 方案 c 134 82 5 143 29 40 0 20
63 方案 d 130 86 9 103 3 28 86 0 74
30 方案 e 146 73 6 773 3 30 24 0 64
16 方案 f 147 25 7 293 3 30 84 1 243
L SD (1 显著水) 6 70 1 27
L SD (5 显著水) 5 10 0 96
　　3 3 ——1 显著水 3 ——5 显著水
外 L SD 检验结果见 土壤效钾 62 样
点三角形布点通均值显著性差异检验
效磷 16 样点方案 f 布局外通检
验说明相精度求精确表征空间变异性
土壤效钾需样点数明显效磷
土壤特性空间变异程度 土壤采样布点设计
时应区
4　结讨
充分解土壤特性作物产量空间变异性条
件 制宜根田间操作单元具体情况 精
细准确调整项理措施项物质投入量
获佳济生态效益 土壤养分空间
变异性空间插值方法研究精确农业工作基
础
格网法采样表征空间变异性传统常
方法格网越 描述空间精度越高 需
工费提高 满足精度前提 制定
减少采样数采样策略方法十分意义
试验结果 土壤效钾效磷变异系
数明显土壤镁硫机质高(表 1) 精确描述
土壤效钾磷空间变异性需采样点数应
土壤镁硫机质基草样样容量统
计结果进步说明点 5 允许误差
情况 精确描述土壤效钾空间变异性需采
样点(65 )(表 3) 原始采样数
减少半 满足精度求针性研究
土壤特性 采样点数进步减少
采样点总数目相情况 布局方式 描
述空间变异性精度 样点表征空
间变异性范围效率研究土壤效磷
效钾采样布局L SD 检验表明 三角形布
点方法较理想三角形布点方法形条
件否佳 尚需进步研究
总 土壤特性 描述空间变异性需
样点数相数量采样点 布点方式
表征空间变异精度 确定采样方式
时 应充分考虑研究象形等然条件
[参　考　文　献]
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of A g ricu ltu re f or N orthern I reland A g ricu ltu ral and E nv ironm ental S cience D iv ision UK)
Abstract F ield nu trien t distribution m ap s ob tained from the study on so il variation w ith in fields are the
basis of p recision agriculture T he quality of these m ap s and value fo r m anagem en t depends on the accu ra2
cy of the p redicted values w h ich in true depends on the in itial samp ling To p roduce reliab le predictions
efficiently the m in imal samp ling size and com b ination shou ld be decided firstly w h ich avo ides the m isspen t
funds fo r field samp ling w o rk A 7 9 hectare silage field close to the A gricultural R esearch Institu te at
H illsborough N o rthern Ireland w as selected fo r the study Grid samp ling m ethod (25m × 25 m ) w as
adop ted and there w ere 123 samp ling po in ts in th is field Based on all samp ling data the least requ ired
num bers of so il p roperties w ere calcu lated fo r a 95 confidence w ith in 5 of popu lation m ean U sing the
geo2statistical m ethod of K riging w ith the data in the variou s samp ling com b ination s fo r so il availab le P
and K w ere m ade at samp ling po in ts from w h ich the know n values had been removed T hese p redicted data
group s w ere compared u sing L east Significant D ifference (L SD ) test m ethod T he resu lts show ed that the
62 samp ling size of triangle arrangement fo r so il availab le K w ere sufficien t to fu lfil the requ ired accu racy
T he triangu lar design to be mo re efficien t of K riging than a rectangular o r hexagonal samp ling arrange2
m en t
Key words geo2statistics samp ling strategies p recision agriculture grass field
63 农业工程学报 2001 年　
© 19952005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved

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