全 文 ：第21卷 第5期
Vol.21 No.5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2013年 9月
Sep. 2013
doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2013.05.028
基于GIS的不同播期对苜蓿人工草地
入侵杂草种群空间分布模拟
陈积山,朱瑞芬,高 超,邸桂俐,张月学*
(黑龙江省农业科学院草业研究所,黑龙江 哈尔滨 150086)
摘要:运用地理信息系统(GIS)和地统计学方法对不同播期苜蓿(MedicagosativaL.)人工草地入侵杂草种群相对
多度进行分析,并采用普通克里格(OK)插值法模拟入侵杂草种群空间分布,为有效防止苜蓿草地杂草入侵发生提
供依据。结果表明:不同播期处理间,苜蓿苗期入侵杂草种群存在空间相关性,其半变异函数曲线均为指数型,主
要呈聚集格局,随着6个设置播期的推迟,聚集程度呈现均匀-聚集-均匀的变化趋势。通过比较不同播期处理杂草
种群相对多度的模拟分布,播期Ⅰ和Ⅵ处理有利于控制苗期苜蓿杂草的发生,是兰西地区当年建植苜蓿人工草地
的适宜播期。
关键词:苜蓿;地统计学;地理信息系统;空间结构;模拟
中图分类号:S541.9:S352.1 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2013)05-1018-05
SpatialStructureandDistributionSimulationofWeed
PopulationinAlfalfaFieldBasedonGIS
CHENJi-shan,ZHURui-fen,GAOChao,DIGui-li,ZHANGYue-xue*
(InstituteofPrataculturalScience,HeilongjiangAcademyofAgriculturalScience,Harbin,HeilongjiangProvince150086,China)
Abstract:Basedongeographicinformationsystemandgeostatistics(GIS),thespatialstructureofweed
populationatdifferentperiodswasanalyzedinLanxidistrictofHeilongjiangprovince.Thespatialdistri-
butionofweedpopulationwasalsosimulatedbyordinaryKriging(OK)interpolationmethod.Results
showedthattheweedpopulationofdifferentperiodswascorrelatedspatialyinthestudyarea.Thesemi-
variogramsofweedscouldbedescribedbyexponentialmodelindicatinganaggregatedspatialarrangement.
Thedegreeofaggregationshowedthetendencyofequably-assembly-equablyalongwithsowingdate.The
dynamicchangeofweedpopulationatdifferentperiodscouldbeanalyzedonthesimulatedmapsofthespa-
tialdistribution.ThesowingdateofbothⅠandⅥtreatmentwassuitableforweedcontrol.
Keywords:Alfalfa;Geostatistics;Geographicinformationsystem;Spatialstructure;Simulation
GIS技术的成熟为生物种群时空动态研究提供
了新工具[1],目前已被广泛应用于城市规划、交通运
输、农业生产、自然资源调查、生态环境评估、公共设
施管理等多个领域[2]。这种方法能最大限度地利用
空间取样提供的各种信息,估计未知样点数值,形成
在时间序列上的分布格局[3]。这种对区域化变量的
整体估计,不仅考虑了调查样点的数据,还考虑了邻
近样点的数据;不仅考虑了待估样点与邻近已知样
点的空间位置,还考虑了各邻近样点彼此之间的位
置关系[4]。相比经典方法,这种估计更精确,更符合
实际,且避免系统误差的出现,能够给出估计误差和
精度,使估计值更精确。
近年来苜蓿(MedicagosativaL.)种植开始规
模化,同时苜蓿人工草地入侵杂草的发生和危害呈
逐年上升趋势。如何降低草捆含杂率,提高草捆等
级是当前苜蓿产业化的重要生产环节,也是技术难
收稿日期:2013-03-13;修回日期:2013-05-24
基金项目:“十二五”国家支撑计划“草业及草原可持续发展关键技术研究与示范”(2011BAD17B00);现代农业产业技术体系建设专项资
金(CARS-35)资助
作者简介:陈积山(1979-),男,甘肃古浪人,助理研究员,硕士,主要从事牧草栽培及草地管理,E-mail:gscjs2008@yahoo.com.cn;*通信
作者Authorforcorrespondence,E-mail:zyxnky@163.com
第5期 陈积山等:基于GIS的不同播期对苜蓿人工草地入侵杂草种群空间分布模拟
点。兰西县是黑龙江苜蓿的适宜种植区域。该区域
自然条件在苜蓿种植分布等方面具有一定的代表
性,对该区域进行苜蓿人工草地入侵杂草空间格局
和分布动态的研究具有现实意义。本文运用 GIS
和地统计学相结合的方法,研究了兰西县不同播期
苜蓿人工草地入侵杂草的空间分布格局,模拟了不
同苗期种群空间分布。旨在提供直观详细的入侵杂
草空间种群动态信息及变化规律,为深入研究苜蓿
人工草地有效防止入侵杂草的发生提供重要依据。
1 材料与方法
1.1 试验地自然概况
本试验于2010年在绥化地区兰西县进行(E
125°28′24″,N46°32′17″)。该地区年降雨量469.7
mm,年均气温2.9℃;≥10℃的活动积温2760℃;年
均日照时数2713h;无霜期为130d,属大陆性季风
气候。试验地属前茬玉米(ZeamaysL.)低产农田,
土壤类型以黑钙土和草甸土为主,土壤全盐量为
0.157%,有机质0.885%,土壤全氮0.0335%。土壤
速效氮103.50mg·kg-1,土壤含水量平均22.71%,
土壤pH值8.12。试验区发生的主要杂草有1年生
的狗 尾 草 (Setariaviridis (L.)Beauv)、稗 草
(Echinochloqcrusgalli (L.)Beauv)、马唐(Digi-
tariasanguimalis (L.)Scop)、野 燕 麦 (Avena
fatra L.)、荠 菜 (Capsellabursa-pastoris (L.)
Medik)、播娘蒿(Descurainiasophia (L.)Schur)、
铁苋菜 (Acalyphaaustralis L.)、苍耳 (Siberia
cockleburL.)、黎(Chenopodiumalbum L.)、小飞
蓬(ErigeroncanadensisL.)等。常见的多年生杂
草主要有香附子 (Cyperusrotundus L.)、芦苇
(PhragmitescommunisTrin.)等。
1.2 数据来源
以灵活调节苜蓿播期减少杂草种群为原则,
2010年试验地选择在无前茬作物的撂荒地。南北
方向布局,采用打桩标界进行试验地划分。未进行
播种时,不对试验地进行杂草防除及整地处理以保
证杂草的自然生长生境不被人为干扰。调查播前杂
草的多度,设6个播期(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ),每相
邻播期间隔15d,播种方式为撒播,播后人工轻耙覆
土。各播期处理后,在其对应的6个苗期(5月20
日、6月5日、6月20日、7月1日、7月15日、8月1
日)采用倒置“W”九点取样法,调查苜蓿苗期入侵杂
草种群的相对多度。每一样点用1m×1m的样框
非网格取样,GPS定位,研究区共采集了162个样
点数据。
进行地统计学分析之前,必须对数据进行正态
分布检验(用非正态分布的数据会使变异函数产生
较大的波动,增大估计误差)。本研究采用SPSS
10.0中的柯尔莫哥洛夫-斯米诺(Kolomogorov-
Semirnov,K-S)正态分布检验概率(Pk-s)检验数据
的正态性[5],研究样本观察值的分布和设定的理论
分布吻合程度。由于原始数据特异值的存在造成试
验半变异函数发生畸变,采用阀值法处理后呈正态
分布,其偏度和峰度降低,数据满足平稳假设,可进
行下一步的分析。
1.3 研究方法
1.3.1 空间结构分析[6] 地统计学的方法是基于
区域化变量理论基础上的一种空间分析方法。半变
异函数(或称变异函数)是地统计学所特有的基本工
具。对于调查的数据系列Z(xi)为区域化变量,满
足二阶平稳和本征假设,h为2样本空间分割距离,
Z(xi)和Z(xi+h)分别是区域化变量在xi和xi+h
空间位置处的观测值,则半方差函数的计算如下:
γ(h)= 12N(h)∑
N(h)
i=1
[Z(xi)-Z(xi+h)]2
式中:h是分割2样点的距离;N(h)是被h分
割的数据对(xi,xi+h)的对数;Z(xi)和Z(xi+h)
分别是在点xi和xi+h处样本的测量值。
在空间上杂草种群数量是区域化变量,可用区
域化变量理论和方法进行研究。通过计算杂草种群
的半变异函数曲线和选择适合的半变异函数模型,
分析苜蓿人工草地入侵杂草种群的空间格局及空间
相关关系。苜蓿人工草地入侵杂草种群空间结构分
析在ArcGIS9.0软件平台上进行。
1.3.2 空间分布模拟[7] 在经过区域化变量建模
后,借助 ArcGIS软件平台的SpatialAnalysis模块
支持,采用普通克里格(OrdinaryKriging,OK)插值
法生成空间分布图,进行空间分布格局模拟分析。
2 结果与分析
2.1 苜蓿人工草地入侵杂草种群半变异函数和最
优模型的构建
在对苜蓿人工草地入侵杂草种群数据进行正态
分布检验、趋势分析的基础上,采用3种模型(球状
9101
草 地 学 报 第21卷
(Spherical,S)、高斯(Gaussian,G)和指数(Expo-
nential,E))拟合苜蓿人工草地入侵杂草种群半变
异函数。具体选择时主要根据模拟误差最小原则。
一个较好的模型应该满足以下5个条件:平均预测
误差(meanerror,ME)尽可能地接近0;均方根误
差(rootmeansquareerror,RMSE)尽可能小;平均
克立格标准差 (averagestandarddeviation,A.
Std)尽可能地小;无偏估计(meanStd,M.Std)尽
可能接近0;一致性估计(RMSStd)接近1 [8]。由
表1可知,用OrdinaryKriging空间插值法计算不
同半变异函数模型的参数中,指数函数的平均预测
误差(meanerror,ME)最接近 0,均方根误差
(RMSE)最小;平均克立格标准差(A.Std)最小;无
偏估计(M.Std)最接近0;一致性估计(RMSStd)
接近1。因此,指数函数模型最符合苜蓿人工草地
入侵杂草种群的空间结构。
表1 不同半变异函数模型的误差
Table1 Errorofdifferentsemivariogrammodels
模型
Modeltype
平均预测误差
ME
均方根误差
RMSE
平均克里格标准差
A.Std
无偏估计
M.Std
一致性估计
RMSStd
球型Spherical 3.55 1527 1450 -0.0044 1.045
高斯Gaussian -11.10 1640 1423 -0.0076 1.086
指数Exponential -1.50 1430 1400 -0.0023 1.022
2.2 苜蓿人工草地入侵杂草种群的空间结构
一般来讲,半变异函数的3个重要参数(变程
(a)、基台值(C+C0)和块金值(C0))是空间分析的
基础,其中块金值/基台值(C0/(C0+C))称为基底
效应,可反映杂草种群空间格局或空间相关类型。
如果C0/(C0+C)的比例<25%,说明变量具有强
烈的空间相关性;在25%~75%之间,具有中等的
空间相关性;>75%时,相关性很弱[9]。由表2可
知,不同播期处理间,入侵杂草相对多度在不同苗期
都显示了明显的空间相关性(20.11%~56.25%)和
结构性,在较大范围内(4300~4750m),种群呈聚
集格局;随着距离的延长,其强度变化幅度减少,种
群分布具有空间连续性。
播期Ⅰ和Ⅵ处理下,苗期入侵杂草种群空间变
异程度为53.84%和56.25%,聚集程度中等,种群
空间相关范围为4430m和4300m;播期Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ
和Ⅴ处理下,苗期入侵杂草种群空间变异范围均小
于50%,呈现强烈空间相关性,种群空间相关范围
扩大到4750m,即入侵杂草在直径为4750m的区
域中能相互影响。
表2 不同苗期苜蓿人工草地入侵杂草种群数量的半变异函数模型参数
Table2 Modelparametersofsemivariogramandspatialpatternsatdifferenttimes
播期
Sowingdate
苗期
Seedlingperiod
模型
Modeltype
块金值
Nugget(C0)
基台值
Sil (C0+C)
变程
a/m
块金值/基台值
C0/(C0+C)/%
Ⅰ 5月20日 指数E 0.035 0.065 4430 53.84
Ⅱ 6月05日 指数E 0.021 0.054 4421 38.39
Ⅲ 6月20日 指数E 0.011 0.054 4750 20.11
Ⅳ 7月01日 指数E 0.024 0.060 4730 40.00
Ⅴ 7月15日 指数E 0.016 0.051 4450 31.37
Ⅵ 8月01日 指数E 0.036 0.064 4300 56.25
在空间相关性分析的基础上,模拟不同苗期杂
草种群的空间分布(图1)。入侵杂草种群在不同时
期具有的分布特点以聚集为主,各个时期的聚集程
度随其空间相关成分所占比例的不同而不同。
播期Ⅰ处理下,苗期5月20日入侵杂草种群空
间分布比较均匀,仅在试验区中上部偏左处发生微
弱的聚集(图1-a)。播期Ⅱ处理下,苗期6月5日入
侵杂草,随着气温的升高,种群相对多度出现增长、
聚集,空间分布发生明显的变化,形成了聚集中心。
由于微弱边际效应的影响,导致周边杂草种群多度
略高(图1-b)。播期Ⅲ处理下,苗期6月20日入侵
杂草空间表现为聚集分布,且聚集程度加大,形成聚
集中心,呈现2个高值斑块(图1-c)。播期Ⅳ处理
下,苗期7月1日入侵杂草空间表现仍为聚集分布,
且聚集程度进一步加大,形成聚集中心并呈现3个
高值斑块(图1-d)。播期Ⅴ处理下,苗期7月15日
入侵杂草空间表现仍为聚集分布,但聚集程度明显
减弱,只呈现1个高值斑块(图1-e)。播期Ⅵ处理
下,苗期8月1日入侵杂草种群空间分布恢复均匀
格局,没有形成聚集中心或高值斑块(图1-f)。
0201
第5期 陈积山等:基于GIS的不同播期对苜蓿人工草地入侵杂草种群空间分布模拟
6个播期处理下,比较人工草地入侵杂草种群
数量模拟,播期Ⅰ和Ⅵ处理有显著减弱杂草种群数
量的趋势(图1-a和1-f),其余播期处理的杂草种群
数量已超过危害水平(相对多度>30%)。因此,播
期Ⅰ和Ⅵ处理有利于控制苜蓿苗期杂草的严重发
生,是建植当年苜蓿灵活有效的播期调节依据。
图1 不同苗期苜蓿人工草地入侵杂草数量的Kriging插值分布图
Fig.1 MapsofKrigingestimatingforweedsatdifferenttimes
3 讨论与小结
入侵杂草空间分布类型及其数量在不同发生时
期都显示了明显的空间结构,存在空间连续性和明
显的结构性,说明地理信息系统能够较好反映入侵
杂草的空间动态,可以进行以地统计学为基础的杂
草空间动态分布研究。与此同理,张蓉等[3]在研究
苜蓿斑蚜(Therioaphismaculata)种群空间结构分
析和分布模拟时认为,以地统计学为基础的研究同
样可为区域化预测预报技术研究提供理论依据和技
术方法。在本研究区域内,苜蓿人工草地杂草种群
的空间结构为聚集分布,半变异函数是指数型。不
同时期杂草种群的空间结构有一定差异,播期Ⅰ和
Ⅵ处理杂草聚集程度较低,播期Ⅲ和Ⅳ处理杂草聚
集程度较高,其余播期处理杂草聚集程度居中,整个
理论拟合程度较好,真实的反映了入侵杂草田间空
间格局分布。
随着 GIS空间分析技术的发展,具有不同空间
特性的分析模型和理论可应用于不同的空间分析需
求。Kriging插值方法对苜蓿人工草地入侵杂草的
空间分布进行插值所得出的估测值与实测值之间存
在很好的拟合关系,其相对误差主要在5%以下(数
据未列),在如此大的尺度范围内是允许的,说明
1201
草 地 学 报 第21卷
Kriging插值方法是可以应用到入侵杂草的空间分
布格局的分析和研究中。通过对不同苗期苜蓿草地
入侵杂草相对多度的分布模拟,可直观地分析不同
播期对杂草的干扰程度及变化。既可定性判断和定
量分析杂草的发生程度及变化,又可确定同一时期
杂草在空间上的分布和范围以及空间连续的数量分
布和详细的地理信息。因此,运用 Kriging插值方
法可以直观地表达出其分布的空间格局,并定量预
测其分布区内范围,为全面了解物种的分布和变化
提供科学的方法[10]。但影响杂草种群动态的因子
较多,因此,结合地理(位置、地势、海拔、地貌等)和
气象等因子对杂草时空分布及其动态变化的研究还
有待深入探讨。
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(责任编辑 李美娟
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