耕地土壤有机质空间变异性的随机模拟

有机质是土壤重要的肥力特征,研究盐渍土改良区耕地土壤有机质空间变异特征可为土壤质量提升提供科学依据。以山东省禹城市盐渍土改良区典型地块耕地土壤有机质为研究对象,在全面野外调查和室内化验分析以获得大量的土壤有机质相关信息的基础上,运用地统计学方法对有机质进行了序贯高斯模拟各次实现（SGSV）、序贯高斯模拟平均实现（SGSA）和ordinary Kriging插值（OK）,并将SGSV、SGSA、OK与实测数据进行了统计参数、变异函数、空间分布趋势等方面进行了对比分析。结果表明OK、SGSA改变了有机质数据的空间结构,具有“平滑”效应,SGSA在消除平滑影响方面优于Kriging插值;SGSV具有与实测数据相同的空间自相关结构,对预测点的模拟值具有不确定性,为揭示研究区域土壤有机质的空间结构特征提供了有力的工具,对盐渍土改良区土壤有机质空间不确定性的风险研究具有更实际的意义。     

亚热带红壤丘陵区典型景观单元土壤养分的空间变异

基于区域化变量理论和地理信息系统的空间分析功能,应用地统计学的半变异函数定量分析了亚热带红壤丘陵区典型景观单元土壤养分的空间异质性特征。结果表明,土壤有机碳和全磷的理论模型为球状模型、全氮为高斯模型、土壤pH为指数模型。在60m步长间隔尺度下,土壤有机碳、全氮和pH有强烈的空间相关性,土壤全磷空间相关性为中等程度。4种土壤养分的空间自相关范围具有明显的差异,有机碳的有效变程最大(为261m),全氮(208m)和pH(156m)次之,全磷的有效变程最小(133m)。其空间自相关范围的差异由本身的养分、土地利用格局、地形和人为管理措施等因素所决定。在GIS支持下,采用Kriging插值方法,分析景观单元内土壤养分的空间分布格局看出,土壤有机碳和全氮含量呈现出明显的条带状和斑块状的梯度变化,并表现出极为相似的空间分布格局;土壤全磷的空间分布随机性强,斑块变得更加琐碎并呈现镶嵌的星空状分布;土壤pH的空间分布格局处于其三者之间,没有表现出明显的条带状分布。总体上说,基于整个景观尺度的4种土壤养分的半方差拟合效果优于不同土地利用类型的拟合效果。     

土壤速效钾空间模拟的技术方法研究

采用GIS和地统计学中的普通克里格插值(Ordinary Kriging)和序贯高斯模拟方法(SGSV单次实现和SGSA平均实现)对河南省封丘县土壤速效钾的空间变异特征进行了分析研究。结果表明,Kringing插值具有明显的平滑效应;SGSV模拟与实测数据具有相似的空间自相关结构,既尊重了实测数据,又可以再现区域化变量的空间波动性;SGSA在一定程度上能够消除平滑效应的影响,同时还能兼顾实测数据的结构性特征。因此,SGSA模拟在土壤速效钾空间结构的研究中,能够达到更好的效果。     

黑龙江省巴彦县土壤养分空间变异规律与格局分析

本文在349个采集土壤表层(0～20cm)样本分析基础上,运用地统计学与GIS相结合的方法,研究了黑龙江省巴彦县典型区域土壤有机质、速效磷、速效钾、pH值的空间变异特征,并结合巴彦县实际情况分析了这四种养分的影响因素。研究结果表明:土壤有机质、速效钾、pH值的变异函数曲线符合指数模型,土壤速效磷的理论模型符合有基台的线性模型;在空间结构上,土壤有机质、速效钾、pH值空间自相关性中等,土壤速效磷量表现强弱的空间自相关性;采用Kriging插值方法,分析研究区域的土壤养分空间格局分布可以看出,四种土壤养分的空间分布具有较明显的地域性,速效磷与速效钾以中部为最低,并向四周呈波状扩展增加,土壤有机质、pH值的分布则较为随机。     

关中平原台塬区土壤养分空间格局研究——以西安市长安区为例

为研究关中平原台塬区土壤养分的空间分布情况,加强精准农业施肥管理,针对陕西省西安市长安区836.69 km²范围内的土壤养分元素进行空间格局研究。通过GPS定位选取研究区内3 231个土壤采样点,测定了土壤样品的有机质、碱解氮、有效磷、速效钾以及pH值,并利用地统计法对其空间变异结构及格局现状进行研究。结果表明:土壤养分元素的变异系数范围为0.09～0.84,其变异程度依次为有效磷>速效钾>碱解氮>有机质>pH值;土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾及pH值的变异函数曲线均符合指数模型;在空间结构上,土壤有效磷和有机质属于弱相关性,速效钾和碱解氮为中等强度相关性,pH值具有强烈的空间相关性;采用Kriging插值方法,可直观得到研究区域的土壤养分空间格局情况。     

滨海盐土盐分空间分布的条件模拟和不确定性研究

以海涂围垦区为例,利用普通克立格插值法和序贯高斯条件模拟方法对土壤盐分的空间分布进行估值和模拟,并利用序贯指示条件模拟进行不确定性评价。结果表明,样区东南区域土壤盐分含量较高而北部区域盐分含量低。由普通克立格法得到的土壤盐分的空间分布整体比较连续,具有明显的平滑效应,估值结果数据的分布频率趋于平缓。序贯高斯条件模拟结果整体分布相对离散,突出了原始数据分布的波动性,其模拟结果数据的分布频率相对集中。预测精度上,序贯高斯条件模拟的预测结果精度相对较高。以评价标准204mSm-1作为土壤盐分含量的阈值进行的序贯指示条件模拟结果显示,在土壤盐分含量较高的东南部地区,超过阈值的概率超过75%,而北部很多盐分相对含量低的地区,超过阈值的概率值都低于25%。以超阈值概率为0.9、0.85和0.8三个值来选取盐分的高值风险区进行空间不确定评价,结果表明,联合概率比单点统计的概率更为严格,在划分较大范围高盐风险区域时,最好同时采用联合概率来进行信度评价。     

基于序贯高斯条件模拟的土壤重金属含量预测与不确定性评价——以宜兴市土壤Hg为例

土壤重金属含量的定量预测和预测结果的不确定性评价对生态风险评估具有现实意义。将1 155个表层土壤Hg样本分成两个无交集的数据集,309个样本用于模拟,另外864个样本用于验证,运用序贯高斯条件模拟方法对宜兴市土壤Hg的空间分布进行估值和模拟,并通过与传统地统计方法中的简单克里格估值进行对照,同时利用高斯序贯指示模拟探索单点和多点联合的不确定性。结果表明:基于同一个半方差模型,100次序贯高斯条件模拟方法得到的E-type型与简单克里格估值在空间分布上基本一致,两种方法的精度基本相同;随机抽取了第1、25、50、75、100次序贯高斯条件模拟的单次实现,将模拟结果和插值结果与846个点进行验证,5个单次实现的平均预测误差和均方根预测误差略高;以0.15 mg kg~(-1)作为临界阈值的单点超阈值概率虽然较高,但其置信度不足以划定污染区域,在划定污染区域时应采用多点联合概率评估其可靠性。     

基于地图直接对比的土壤空间表达尺度效应研究——以封丘土壤属性制图为例

将封丘县3 608个土壤样点分为3 463和145个点,分别构成制图数据总集和验证数据总集,再从制图数据总集中通过4%～96%的多尺度随机抽样,构成17个制图子集。分别按Kriging、IDW和以点代面法对土壤有机质、有效磷和速效钾进行预测制图,基于地图直接对比计算制图子集和制图数据总集制图结果的相关系数以评价土壤属性图变化的尺度效应,并与验证数据集评价的多尺度制图结果进行了对比。最后,采用多子集制图结果的变异系数指示多尺度地图表达的不确定性,并将其与基于Kriging估值方差及随机模拟的不确定性表达进行了对比。研究表明,基于地图直接对比可发现,制图效果与样本数量具有显著的分形关系,且分形维数受制图方法和土壤属性空间可变性的双重影响:同样条件下以Kriging方法最小,而以点代面法最大;以土壤速效钾最小,而土壤有效磷最大。验证数据集实测值和估计值的相关系数及均方根误差没有表现预期的分形特征。Kriging估值方差及随机模拟表达的单一尺度制图不确定性明显受采样点分布与Kriging估值大小影响,而基于地图直接对比的多尺度制图的不确定性更客观地反映土壤自然变异,其中土壤有机质、土壤速效钾有较强规律可循,而土壤有效磷则没有规律。     

基于多元线性回归模型的土壤养分空间预测——以陕西省蓝田县农耕区为例

以陕西省蓝田县农耕区为例,基于土壤类型、地形、植被、人类活动等土壤养分影响因子,采用多元线性回归预测方法,对土壤养分分布进行空间预测。通过数据标准化和分类统计均值法将所有影响因子统一为相对度量值,根据影响因子与土壤养分含量的相关性显著程度,筛选合适的因子构建回归模型,最后使用随机抽取的验证样本集,计算了预测结果误差。结果表明:多元线性回归预测结果虽然与Kriging法预测结果宏观上具有基本一致的空间分布趋势,但是它克服了传统插值方法的不合理突变问题,更加精细地描述了土壤养分空间分布特征;其平均误差和均方根误差小于Kriging插值法,可作为集成多元影响因子对土壤养分空间分布预测的有效方法。分析发现,研究区内洪积土、水稻土、塿土、立茬土等土壤类型分布区,以及地势较低、坡度在0~8°之间、坡向为东坡、东南坡,等水热组合条件良好的区域养分含量较高。该研究可以为土壤资源合理利用、土地的科学管理以及测土施肥技术提供重要依据。     

贵州省植烟区土壤pH值和养分空间变异特征的研究

应用地统计学的方法结合GIS空间分析技术,对贵州省植烟区土壤pH值和速效养分区域采集了3309个耕层(0～20cm)土壤样本进行了数据处理,并对其pH值、有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量的空间分异特征进行了研究和探讨。结果表明,贵州省土壤养分pH值、有机质、速效氮、速效磷和速效钾半方差函数曲线的理论模型中,pH值和速效磷为球形(Spherical),有机质、速效氮和速效钾为高斯(Gaussion)。pH值、速效氮和速效磷具有强烈的空间相关性,块金值/基台值小于25%,其变化主要受结构性因子的影响;有机质空间相关性也较强,速效钾具有中等的空间相关性,块金值/基台值在25%～75%之间,其变化主要受随机性因子的影响。利用地统计学分析的方法,对贵州省烟叶种植具有重要的意义。     

黑土区小流域土壤速效磷空间分布模拟方法

为探索东北黑土小流域土壤AP空间分布模拟的最佳方法,综合考虑区域尺度、景观格局和采样方法等信息,选取两个典型黑土小流域(光荣和海沟河流域)作为研究对象,结合半变异分析、回归分析、主成分分析等方法,比较了不同空间插值方法(反距离权重法、径向基函数法、普通克里格、协同克里格、多元线性回归模型、地理加权回归模型、回归克里格和地理加权回归克里格)对AP空间模拟精度的影响。结果表明:(1)引入主成分分析后能够提高回归克里格和地理加权回归克里格方法的模拟精度(4.5%和2.4%);(2)地理加权回归克里格方法可以作为最优空间插值方法模拟黑土区小流域AP的空间分布格局。地理加权回归克里格方法相较于传统插值方法能在一定程度上提高黑土小流域土壤AP空间模拟精度,为小流域尺度黑土养分管理提供技术支撑。     

基于多元回归的黄土沟壑区小流域土壤水分空间模拟

以延河流域羊圈沟为研究对象,基于土壤水分空间自相关理论,在土壤水分环境影响因子多元回归基础上,建立了土壤水分空间化模型,并探讨了土壤水分空间分布特征。结果表明:研究区内土壤水分空间分布具有正相关性,且相关性显著,在空间上表现为聚集状态;表层土壤水分与植被覆盖度、高程、坡度、地表粗糙度、地形起伏度和地表切割程度等因素密切相关,且与地表切割程度呈正相关关系,而与植被覆盖度、高程、坡度、地表粗糙度以及地形起伏度因子呈负相关;与普通克里格(OK)、反距离加权(IDW)、径向基函数(RBF)和全局多项式(GPI)的土壤水分空间内插方法相比,多元回归+普通克里格方法(MROK)的拟合程度最高,是表层土壤水分空间化较好模型;土壤水分空间分布格局明显,主要表现为西部和东北部土壤水分含量低,东南部土壤水分含量高。该研究揭示了土壤水分环境因子相关性及空间分异规律,对区域生态文明建设具有一定的促进意义。     

海涂围垦区土壤盐分空间变异性随机模拟与不确定性评价

以苏北海涂围垦区典型地块为例, 把随机模拟技术引入土壤盐分空间变异性研究中, 利用普通克里格法和序贯高斯模拟方法对土壤盐分的空间分布进行估值和模拟, 将随机模拟值与克里格插值及实测值进行对比分析, 并采用序贯指示模拟对土壤盐分空间分布的不确定性进行评价。结果表明: 由普通克里格法得到的土壤盐分空间分布整体比较连续, 具有明显的平滑效应, 减小了数据间的空间差异性, 改变了数据的空间结构; 序贯高斯模拟结果整体分布相对离散, 突出了原始数据分布的波动性。对非盐化土、轻度盐化土、中度盐化土和重度盐化土的空间不确定性进行的序贯指示模拟结果显示, 围垦后研究区耕层土壤盐渍化的发生概率已显著降低。轻度盐化土的高概率区是改良利用的主要区域, 宜采用农业生物改良措施, 对中度盐化土高概率区应通过完善田间灌排设施以加强改良治理, 客土法是重度盐化土高概率区较为高效的改良治理途径。     

朱溪流域地形对土壤稀土元素空间分布规律的影响

以长汀县朱溪流域为例,采用ArcGIS中的克里金插值法生成流域土壤稀土元素含量的空间分布图,采用地形分析功能模块生成地形因子包括高程、坡度和坡向,通过空间分析和相关性分析研究地形因子对稀土元素空间分布规律的影响。分析结果表明:①朱溪流域表层土壤稀土元素含量的空间分布总体上呈现出西南高东北低、自西南向东北倾斜的特征;②稀土元素含量随着高程升高呈现先降低再增高的规律,随坡度的升高呈现逐渐降低的规律,与坡向之间无明显的关系;③地形因子尤其是高程和坡度是稀土元素空间分布的重要影响因子。     

小流域土壤可蚀性的空间变异及其在不同土地类型下的比较

以武陵山区女儿寨小流域为研究区,在流域内进行高密度采样的基础上,利用EPIC模型中土壤可蚀性K值计算方法与地统计学分析方法计算并分析了流域土壤可蚀性K值及其空间变异,结合流域土地利用图,运用面积加权平均计算了各土地利用类型下的K值并进行比较,结果表明:流域K值变化范围为0.2451~0.4623,均值为0.3289,变异系数为0.1295,流域K值存在中等程度的空间变异。K值总体分布趋势为从流域海拔低处向海拔高处逐渐减小,受人为干扰较多的区域其K值也较高。各土地利用类型下的面积加权平均K值,以果园0.3769最大,油桐0.2607最小,植被类型下的K值均低于除耕地外受人为影响因素较大的地类,说明植被在不同程度上改善了土壤性质,提高了土壤的抗侵蚀能力,但K值的大小与植被类型的差异有关。     

基于GIS和随机森林算法的宁东土壤饱和导水率分布与预测

为探明宁东土壤饱和导水率(Ks)的空间分布特征,在宁东采集136个原状土,采用经典统计和地统计方法分析土壤Ks的空间结构特征,并以地形因子、土壤属性等作为辅助变量,运用随机森林法(RF)、普通克里格法(OK)和逐步回归克里格法(RK)对区域土壤Ks进行预测并对3种方法的预测结果进行精度评价。结果表明:Ks介于0.05~7.13 mm/min,平均值为1.46 mm/min,变异系数为106.86%;Ks与容重、孔隙度、高程、坡度、坡向、平面曲率和剖面曲率在不同滞后距离下具有自相关关系和交互相关关系;土壤Ks块金值为38,表明随机因素引起的土壤Ks变异性较大,空间异质比为15.32%,在空间上呈现强变异性;RF法的预测精度最高,其平均相对误差(MRE)和均方根误差(RMSE)绝对值均为最小,相比OK和RK方法预测精度分别提高了5.53%和2.49%,且对局部细节的描述更准确、模拟效果最佳。RF法可以较为准确的预测宁东土壤Ks,为了解研究区土壤水文过程及林草植被建设提供数据参考。     

岩溶高原地区小流域土壤厚度的空间变异特征

土壤厚度是制约石漠化地区生态修复的重要因子。在贵州省金沙县乌箐河小流域,通过实地调查土壤厚度,结合地统计学和经典统计学方法,研究岩溶高原地区小流域中3种典型土地利用类型下土壤厚度的空间变异及其分布格局。结果表明：研究区土壤厚度总体呈中等强度空间变异,个别样地属强度变异,具有良好的半方差结构,其变异趋势大致为随着坡位的降低而逐渐减小,而土壤厚度随坡位的降低逐渐变厚。坡耕地土壤厚度空间相关性相对较好,存在一定的连续性;荒山和意大利杨树林地土壤厚度的空间变异程度均较大,斑块状分布明显。除个别样地可以用高斯模型和球状模型拟合外,其余样地均可用指数模型拟合,且拟合效果较好（R^2≈0．8）。研究结果加深了对岩溶高原地区土壤厚度的认识,为石漠化综合治理工程的合理布局和土地资源的有效开发利用提供重要依据。     

苏北海涂围垦区土壤水分空间变异性及其协同克立格估值

以苏北滨海滩涂围垦区为研究区域,应用地统计学方法研究了剖面不同深度土壤含水量的空间变异特征,以0～20 cm表土层含水量作为协同变量,分析了不同深度土壤含水量的交互半方差特征,探讨了土壤含水量的普通克立格和协同克立格估值方法.结果表明:各层土壤含水量都表现为弱变异强度;受结构性因素和随机性因素的共同作用,各土层含水量均呈中等空间自相关性;协同区域化变量间均表现为正相关,且协同区域化变量的空间结构性要优于单一变量;协同克立格对土壤水分局部变异的描述较普通克立格更为详细;与普通克立格法相比,协同克立格法估值产生的均方误差减小10.1%～21.3%,平均标准误差减小11.3%～17.7%,预测值和实测值间的相关系数提高15.9%～26.4%.该研究为滨海滩涂地区土壤水分分区管理和水盐优化调控提供了一定的理论参考.     

基于各向异性的区域土壤有机碳三维模拟与空间特征分析

为探索更加科学的土壤属性三维空间模拟方法,以各项同性三维普通克里格法为对比方法,采用均方根误差（root mean squared errors,RMSE）和标准化克里格方差（mean squared deviation ratio,MSDR）以及空间模拟方差图等,评价比较了各项同性和顾及各项异性的三维模拟方法的模拟效果。结果显示：三种方法模拟的土壤有机碳三维空间分布格局基本一致。随着土壤深度的不断增加,土壤有机碳含量较高的斑块逐渐减少,垂直方向上总体呈现出土体上部高下部低的格局。顾及各向异性能在一定程度上克服普通克里格法常出现的牛眼和趋中效应等缺陷问题。顾及各向异性基于Markov 的同位置协同格里格法模拟效果最佳。该法的 RMSE 值最小（1.6215）,相比于各项同性三维普通克里格法 RMSE提高将近50%,特异值覆盖比率最大（76.15%）,模拟精度最高,能够更好地突出波动性,体现特异值;该方法的 MSDR最接近1（1.4409）,且模拟的土壤有机碳质量分数总体方差均值最小（2.08）。研究成果将为区域土壤属性三维空间有效模拟提供方法参考。     

非线性克里格方法在日降水量分布估算中的应用

为研究非正态分布条件下的日降水量空间分布,选择湖北省75个气象观测站2010年7月的降水过程资料,通过正态变换和变差函数分析,引入多元高斯克里格方法进行逐日降水量空间分布估算,并与其它方法进行对比分析.结果表明：（1）通过合理的各向异性参数设置及理论变差函数选择,能够充分凸显降水量分布特征.（2）对比发现,反距离加权法（IDW）、普通克里格法（OK）和多元高斯克里格法（MGK）3种估算方法中,MGK估算的平均误差最小且误差曲线最平稳,是该地区非正态分布日降水量较适合的空间分布估算方法.（3）使用MGK方法,能有效改善IDW带来的“牛眼效应”以及OK法造成的过度平滑,得到具有较高精度的日降水量数据集.