基于3种空间预测方法的黄土区土壤颗粒组成空间分布研究—以宁夏海原县为例

【目的】探索适合地形复杂的黄土母质地区土壤颗粒组成的空间预测方法。【方法】以宁夏自治区海原县为研究区域,结合地形因子、土壤类型、归一化植被指数变量,采用基于对称对数比转换的经验贝叶斯克里格法（SLR-EBK）、回归克里格法（SLR-RK）、随机森林（SLR-RF）3种方法对训练集100个样点表层土壤颗粒组成的空间分布进行预测,并通过验证集24个样点比较了3种方法的预测精度。【结果】（1）最终进入土壤颗粒组成线性回归预测模型的辅助变量包括高程（Ele）和土壤类型;进入RF模型的辅助变量包括高程（Ele）、土壤类型、坡度（Slo）和风力作用指数（WEI）,其中,高程（Ele）是最重要的辅助变量,其次是土壤类型,坡度（Slo）和风力作用指数（WEI）重要性相对较低。（2）3种方法预测的海原县土壤各粒级含量空间分布的趋势基本一致,表现为砂粒含量西南部低,东北部高,粉粒、黏粒则相反。与SLR-EBK相比,SLR-RK和SLR-RF能够更好地反映局部变异并减小平滑效应。（3）SLR-RF法对验证集3个粒级含量预测的平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）均低于其他两种方法,且从平均Aitchison距离（MAD）来看,SLR-RF（0.208）相似文献   

基于3种空间预测方法的黄土区土壤颗粒组成空间分布研究——以宁夏海原县为例

【目的】探索适合地形复杂的黄土母质地区土壤颗粒组成的空间预测方法。【方法】以宁夏自治区海原县为研究区域,结合地形因子、土壤类型、归一化植被指数变量,采用基于对称对数比转换的经验贝叶斯克里格法(SLR-EBK)、回归克里格法(SLR-RK)、随机森林(SLR-RF)3种方法对训练集100个样点表层土壤颗粒组成的空间分布进行预测,并通过验证集24个样点比较了3种方法的预测精度。【结果】(1)最终进入土壤颗粒组成线性回归预测模型的辅助变量包括高程(Ele)和土壤类型;进入RF模型的辅助变量包括高程(Ele)、土壤类型、坡度(Slo)和风力作用指数(WEI),其中,高程(Ele)是最重要的辅助变量,其次是土壤类型,坡度(Slo)和风力作用指数(WEI)重要性相对较低。(2)3种方法预测的海原县土壤各粒级含量空间分布的趋势基本一致,表现为砂粒含量西南部低,东北部高,粉粒、黏粒则相反。与SLR-EBK相比,SLR-RK和SLR-RF能够更好地反映局部变异并减小平滑效应。(3)SLR-RF法对验证集3个粒级含量预测的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)均低于其他两种方法,且从平均Aitchison距离(MAD)来看,SLR-RF(0.208)SLR-RK(0.235)SLR-EBK(0.274),表明SLR-RF的预测精度最高。【结论】海原县土壤颗粒组成空间预测的最优方法为SLR-RF;黄土母质区高程、土壤类型是与土壤颗粒组成的空间变异相关性较强的辅助变量。     

基于对数比转换的成分数据空间插值研究

【目的】以新疆玛纳斯河绿洲表层土壤质地数据为例,研究对数比转换方法在成分数据空间插值中的应用。【方法】采用加法、中心化和等角3种不同对数比转换方法,对土壤颗粒含量数据进行转换,针对数据中的零值不能进行对数比转换问题引入了零值替换方法,空间插值采用普通克里格法。【结果】零值替换后土壤颗粒之和仍为100%。基于对数比转换的插值结果满足土壤质地颗粒组成定和100%的要求,而对土壤颗粒单独插值不满足定和100%的要求。插值结果精度评价表明基于等角对数比转换方法的插值结果最优,但3种方法的结果差别甚小。【结论】零值替换方法的引入在不改变成分数据定和的前提下避免了零值不能进行对数比转换。基于对数比转换的普通克里格法满足成分数据空间插值的非负、定和、误差最小和无偏估计4个要求。     

渝西北土壤有机质空间变异及影响因素分析

【目的】深入认识重庆西北部丘陵区土壤有机质空间变异特征及影响因素,为农业生产、土地利用等提供科学依据。【方法】采用地统计学和GIS相结合的方法,进行有机质空间变异和基于土地利用类型修正的空间插值研究。【结果】研究区土壤有机质平均含量为16.26 g/kg,属中等偏下水平;变异系数为33.8%,存在中等程度的空间变异性;土壤有机质空间分布呈现中间高,两端低的趋势,合川区整体偏低。【结论】土壤有机质具有中等空间自相关性,空间变异性受结构因素(地形坡度、土壤类型)和随机因素(土地利用类型、耕作措施等)影响,土地利用类型是主控因素。     

水分和土地类型对土壤肥力因子空间变异性的影响

【目的】研究水分条件和土地利用类型对黄土区部分土壤肥力因子空间变异的影响。【方法】采用网格法结合GPS采集耕层(0～20cm)土样364个,并用土壤养分状况系统研究法(ASI法)分析土壤部分肥力因子含量,从地统计学角度研究不同水分条件(旱地、水浇地)和土地利用类型(粮田、苹果园、葡萄园、蔬菜地)下,土壤有机质、氨态氮、有效P和有效K的含量特点和空间变异性。【结果】常规统计结果表明,水浇地土壤铵态氮、有效P和有效K平均含量比旱地分别高26.0%,74.5%,85.3%,有机质含量则比旱地低25%,不同土地利用类型之间各肥力因子的平均含量和变异系数表现出较大差异。地统计学结果表明,同一养分因子在不同水分条件下的空间变异特征并不完全一致,各肥力因子在粮田、葡萄园和苹果园均表现出强烈的空间相关性,而在蔬菜地表现出不同于其他土地利用类型的空间变异特征。【结论】在土壤肥力因子空间变异中,结构性因素占主导作用,人为因素尚无法达到破坏其原有空间格局的程度,尺度内结构性变异部分主要是由作物类型引起的。     

基于机器学习方法的宁夏南部土壤质地空间分布研究

【目的】基于历史数据,利用机器学习方法分析宁夏南部土壤质地空间变异规律及其与环境因素之间的关系。【方法】基于宁夏回族自治区南部428 个20世纪80年代第二次土壤普查土壤剖面点数据,采用分类回归树（CART）和随机森林（RF）两种机器学习方法,结合地形因子、土壤类型、归一化植被指数,探究与宁夏南部地区土壤质地分布相关性较强的环境因素,并用两种机器学习预测该区土壤质地类型的空间分布,用剖面点验证集数据以及宁夏回族自治区海原县实测样点数据验证模型精度。【结果】（1）RF和CART对剖面点验证集土壤质地类型的预测正确率分别为 62.36%、55.29%,接收者操作特性（receiver operating characteristic,ROC）曲线下面积（area under roc curve,AUC）分别为0.7515、0.6933,对海原县122个实测样点的预测正确率分别为54.10%、48.36%,AUC分别为0.6599、0.5981,RF的预测精度高于CART。（2）该区土壤类型（ST）是与土壤质地空间分布相关性最强的环境因素,其次是高程（Ele）,高程越高,土壤质地越黏重。风力作用指数（WEI）和坡度（Slo）对土壤质地的影响较小。（3）研究区土壤质地类型以轻壤土为主,空间分布格局基本呈现为南部土壤质地黏重,北部土壤质地较轻。【结论】RF更适合预测宁夏南部地区土壤质地的空间分布,且充分利用历史数据,结合新的野外采样,可以达到预测制图的精度要求;土壤类型（ST）和高程（Ele）是与土壤质地空间分布相关性较强的环境因素。     

岷江上游杂谷脑河流域典型耕作区土壤颗粒分维特征

【目的】对土壤颗粒分维特征定量化研究,为改良耕作区土壤结构和提高农业生产潜力提供基础数据支撑。【方法】选取岷江上游杂谷脑河流域3个典型耕作区,运用分形模型,研究该区域典型农耕区土壤颗粒分形维数特征。【结果】研究表明:土壤颗粒分形维数在2. 6279～2. 8705,不同土壤质地分形维数存在显著差异:粉壤土壤土砂壤土,表明土壤颗粒分形维数可以表征土壤质地差异;不同土地利用方式下分形维数的分布特征:退耕还林经果林原始林,土壤分形维数随土地利用类型的不同而发生规律性的变化;同一流域下不同土地利用类型的土壤颗粒分形维数与土壤深度成正比,不同深度土壤之间变化幅度较小且随深度增加逐渐稳定;土壤颗粒分形维数与黏粒(R2=0. 8125)和粉粒(R2=0. 7556)呈正相关,与砂粒(R2=0. 8932)呈负相关,表明土壤颗粒分形维数可表征土壤颗粒组成。【结论】土壤颗粒分形维数指标是表征土壤质地物理结构状况的重要参数。     

尧都区西南部褐土耕层土壤养分的空间分布特征

【目的】为探讨褐土耕层土壤养分的空间分布特征及其变异规律.【方法】以临汾市尧都区为研究区,应用地统计学、克里格插值法和地理探测器等方法,研究褐土耕层有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾等土壤养分要素的空间分布特征及其影响因素.【结果】褐土耕层土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾均服从对数正态分布,平均含量分别为12.34g/kg,1.15g/kg,53.54mg/kg,23.45mg/kg和229.58mg/kg,变异系数在38.36%~85.40%之间,均呈中等变异强度.【结论】有机质与全氮的空间变异主要受结构性因素影响,而速效养分主要受随机因素影响;速效钾表现为单一斑块,其他养分均呈从两边区域向中间区域逐渐增加的趋势.人为管理措施对速效养分格局起主导作用,成土母质和灌溉水源条件是影响有机质和全氮分布的主要因素.此外,灌溉水源条件对各养分影响均较大,土壤质地的影响均较小.     

黄土高原小流域土壤养分空间特征及其与地形因子的相关性

【目的】分析黄土高原地区小流域内土壤养分含量的空间特征及其与地形因子的相关性,为养分精确管理和土地资源高效利用提供参考依据。【方法】以位于黄土高原的陕西彬县红岩河小流域为例,于2011年结合GPS共采集了121个田间土样,对其土壤养分(有机质、碱解氮、速效磷、有效钾)含量进行测定,并应用地统计学方法对土壤养分含量半方差函数模型及其参数进行了确定,用普通克里格插值(Kriging)绘制了研究区土壤养分空间分布图,统计分析高程、坡度、坡向、坡形等地形因子与土壤养分含量的相关性,并进行了插值结果检验。【结果】陕西彬县红岩河小流域土壤碱解氮的空间变异性很弱,有机质、速效磷和有效钾具有强烈的空间变异性。各养分含量空间分布均呈斑块状,条带性分布趋势不明显。总体上土壤有机质和速效养分含量与高程和坡度呈负相关,与坡向呈正相关,与坡形相关不显著。【结论】随机性变异(人为因素)对碱解氮的空间变异起主导作用,且变程较小,有机质、速效磷和有效钾的空间变异主要由结构性变异(自然因素)引起,且变程较大。高程、坡度及坡向明显影响土壤养分的含量和分布。     

近30年川中丘陵县域表层土壤pH值时空变化分析——以四川仁寿县为例

【目的】研究1981~2012年仁寿县表层土壤pH值时空变化特征。【方法】以1980年第二次土壤普查资料和2010年实地采样数据为基础,应用GIS技术和地统计学等研究方法分析研究区表层土壤pH值的时空变化及其在不同土壤类型、成土母质和土地利用方式下的变化特征。【结果】1981~2012年间研究区表层土壤pH值的空间分布格局基本一致,以东北和西南高,西北和东南低。土壤pH值由7.10下降到6.80,整体表现出酸化趋势,酸化程度由中部向西北和东南增强。其中以灌口组泥砂岩、自流井组泥灰岩、第四系老冲积冰水沉积物及须家河组砂岩发育形成的土壤pH值下降幅度最大,在9.69%~12.65%之间;各土壤类型pH的下降幅度与其初始值呈负相关,表现为黄壤(12.30%)>水稻土(4.46%)>紫色土(2.95%);不同土地利用方式土壤pH的下降幅度以园地和水旱轮作最大,分别下降了0.50和0.66个单位。半方差分析表明,土壤pH值的变程由65.9km缩短至52.7km,块金值与基台值的比值由29.1%增加到30.1%,随机性因素使结构性因素的作用减弱,空间自相关程度和范围降低。影响因素的显著性分析表明,成土母质和土壤类型对1981年和2012年土壤pH值均有极显著影响(P<0.01),土地利用方式的作用由显著(P<0.05)变为极显著(P<0.01)。【结论】近30年来研究区土壤呈酸化趋势,表层土壤pH值时空变异受成土母质和土壤类型等结构性因素及土地利用方式等随机性因素的影响,且随机性因素对研究区表层土壤pH值时空变异的影响在增强。     

南疆果园滴灌条件下土壤盐分离子的空间变异性分析──以农十四师224团典型地块为例

【目的】土壤盐渍化是制约干旱半干旱地区农业生产的主要障碍因子之一,在新疆,尤其是南疆,土壤盐渍化十分严重,系统认识和掌握盐分及其离子组成的空间变异特征对于治理改良盐渍土具有重要意义。【方法】基于区域变量理论,在GIS和地统计学技术支持下,通过地统计学的半变异函数和Kriging空间插值,以南疆和田地区农十四师224团典型地块为研究区,定量分析了试验区内不同层次土壤盐分的空间变异特征。【结果】各层总盐都表现出强变异性;K+各层表现出中等变异性。0~10 cm土层,土壤中盐类主要为氯化物型;10~30 cm土层为硫酸盐—氯化物型;其它各层为氯化物—硫酸盐型。总盐及各离子理论模型主要为球状。各土层盐分及其组成的离子空间分布主要表现为条带状伴有斑块状分布。【结论】试验区土壤盐渍化与次生盐渍化的防治是近期农业管理中所必须考虑的重要因素。     

海南西北部地区耕地土壤锌分布特征

【目的】分析海南西北部地区（儋州、白沙、昌江和东方）的土壤锌含量分布特征,识别区内土壤锌缺乏区域,为研究区内的农业规划提供参考。【方法】采用野外采样和室内分析相结合的方法,借助于地统计学和GIS空间分析手段,阐明海南西北部农田土壤锌含量在空间和不同土壤发生层（耕作层、犁底层、潴育层和母质层）的分布特征。【结果】区内耕作层土壤锌含量普遍偏低,最高含量为85.94 mg/kg;各发生层土壤锌含量的空间分布不均,锌含量超过50.00 mg/kg的土壤主要分布在儋州北部火山堆积物母质发育地区、昌江西北部和东方西部地区;母质层土壤锌含量最高,为30.30 mg/kg,其次为潴育层,耕作层和犁底层的土壤锌含量相近。【结论】海南省西北部耕作层土壤锌含量除与母质分布有关外,还受土壤酸碱性分布及农田化肥投入的影响。     

海南西北部地区耕地土壤锌分布特征

【目的】分析海南西北部地区（儋州、白沙、昌江和东方）的土壤锌含量分布特征,识别区内土壤锌缺乏区域,为研究区内的农业规划提供参考。【方法】采用野外采样和室内分析相结合的方法,借助于地统计学和GIS空间分析手段,阐明海南西北部农田土壤锌含量在空间和不同土壤发生层（耕作层、犁底层、潴育层和母质层）的分布特征。【结果】区内耕作层土壤锌含量普遍偏低,最高含量为85.94 mg/kg;各发生层土壤锌含量的空间分布不均,锌含量超过50.00 mg/kg的土壤主要分布在儋州北部火山堆积物母质发育地区、昌江西北部和东方西部地区;母质层土壤锌含量最高,为30.30 mg/kg,其次为潴育层,耕作层和犁底层的土壤锌含量相近。【结论】海南省西北部耕作层土壤锌含量除与母质分布有关外,还受土壤酸碱性分布及农田化肥投入的影响。     

紫色泥岩土壤＜2 mm岩屑及其对抗剪强度的作用机制

【目的】土壤抗剪强度是反映土壤抗滑、抗侵蚀及抗倾覆稳定性的重要指标。而紫色土中大量岩石碎屑能够显著影响土壤抗剪强度。但过去的研究主要集中在＞2 mm的岩石碎屑上,而＜2 mm的岩石碎屑却被忽视。因此,研究＜2 mm岩屑及其对抗剪强度的作用机制对紫色土区域土壤资源的可持续发展有非常重要的实践指导意义。【方法】以紫色泥岩发育的坡耕地土壤为研究对象,采用吸管法测定土壤颗粒组成,采用应变控制式直剪仪测定土样在不同含水率和垂向压力下的抗剪强度,通过对比分析研究＜2 mm的岩石碎屑及其对抗剪强度的作用机制。【结果】从坡顶至坡谷,坡顶至坡脚旱地土壤与母岩的颗粒组成呈极显著性相关,而坡脚与坡谷水田土壤与母岩的颗粒组成的相关性则不显著,即紫色泥岩发育的旱地土壤的颗粒组成与其母岩的颗粒组成具有高度的一致性;土壤中＜0.25 mm颗粒累积含量在99.84%—99.91%,其中,以＞0.25 mm岩石碎屑存在的土壤颗粒的比例为0.96%—57.82%,以＞0.25 mm团聚体存在的土壤颗粒的比例为6.33%—19.66%,随着位置高程的降低,土壤中岩石碎屑含量减少,且旱地土壤中岩石碎屑的含量显著高于水田土壤;而团聚体及黏粒含量则逐渐增加。在土壤含水率从7%增加到25%的过程中,土壤水分对旱地土壤黏聚力的影响要小于水田土壤;内摩擦角随着土壤含水率的降低而线性减小,且随着位置高程的降低,土壤水分对内摩擦角的影响逐渐增大;在相同垂直压力下,土壤水分对土壤抗剪强度的影响同样也随着位置高程的降低、岩石碎屑含量的减少而增大。【结论】在紫色泥岩发育的土壤中存在大量＜2 mm的岩石碎屑。这些＜2 mm岩石碎屑的存在改变了对传统土壤团聚体的认识,使得土壤团聚体可进一步细分为先天团聚体（＜2 mm岩石碎屑）以及后天团聚体（水稳性团聚体）。同时,土壤中这些＜2 mm岩石碎屑能够降低土壤水分对黏聚力及内摩擦角的影响,从而降低土壤水分对土壤的抗剪强度特性的影响。     

基于分形理论和地质统计学的表层土壤颗粒大小分布变化特征

【目的】探究多角度、多尺度全面揭示土壤颗粒大小分布特征的方法体系,探索更加简单而又可综合定量分析评价土壤质量及其演变过程的手段。【方法】以计算的土壤颗粒体积分形维数（Dv）作为分析对象,建立集分形理论、传统统计学、分离土壤颗粒Dv的双对数图和地质统计学等理论和方法为一体的表层土壤颗粒大小分布变化特征分析方法体系,并基于此从点和区域2个尺度系统全面地研究表层土壤颗粒大小分布变化特征。【结果】粒径＜10 μm的土壤颗粒累积体积百分含量与Dv呈显著正相关,相关系数为0.46,而＞50 μm以内的土壤颗粒累积体积百分含量与Dv呈显著负相关,相关系数为0.63,土壤颗粒Dv值越小,土壤颗粒越粗;最大和最小Dv的双对数拟合图主要变化靠近拟合的直线,R2值均在0.9以上,拟合结果理想,分离的Dv能够包含整个土壤颗粒大小分布变化的程度。不同土壤有机质含量组之间土壤颗粒Dv存在一定差异性,土壤颗粒Dv能够客观地表征农田土壤质量的变化;随着高程增加,Dv表现相对比较复杂;褐土土壤颗粒Dv均值最大,潮土均值最小;粮田、园地和草地之间的土壤颗粒Dv差异性不明显。基于土壤颗粒Dv与环境因素关系分析的回归克里格法预测结果较为准确,区域和样点土壤颗粒Dv空间分布格局一致,较客观地反映了区域表层土壤颗粒大小分布变化特征。【结论】建立的方法体系能够从多角度、多尺度全面地反映土壤颗粒大小分布特征,分析结果符合实际,土壤颗粒Dv可以作为定量化分析评价和表征土壤质量及其演变过程的手段。     

棉花不同生长期土壤水分空间分布规律研究

【目的】以膜下滴灌棉田为对象,研究不同生长期土壤水分的空间变异规律。【方法】在典型地块(55 m×45 m),沿毛管方向每间隔15 m布设监测点,沿支管方向每间隔5 m布设田间土壤水分监测点,共布设监测点63个,测定不同生长期的各个采样点0~20、20~40和40~60 cm三个不同深度的土壤含水率。【结果】随着作物的生长,研究区土壤水分的空间变异性由强变弱。【结论】土壤水分的空间分布规律受覆盖地膜的影响,覆盖地膜的完整度随着时间的延长而变得越来越小,而地膜的完整度会直接的影响到土壤水分的地面蒸发;土壤水分的空间分布还受到其他人为因素、气候因素的影响。     

玛纳斯河流域中下游土壤盐分空间变异性研究

【目的】以玛纳斯河流域中下游三种典型地貌的盐渍土为研究对象,对该区盐渍土进行分类和空间变异性研究。【方法】对采集不同区域土壤样品,进行基本理化性质的分析,并结合统计学软件分析。【结果】不同地貌下的土壤盐分组成及含量呈明显差异,流域中游的冲积扇扇缘带盐渍土属氯化物-硫酸盐类型;中下游的冲积平原土壤属氯化物类型;位于下游干三角洲属硫酸盐-氯化物类型。三种地貌土壤pH值在碱性与强碱性之间,变异系数都低于10%;各种盐离子均为中等变异。【结论】通过对土壤含水率、总盐及各盐离子含量相关性分析表明,含盐量与Na+含量显著相关,但其它组分间的相关性在不同地貌下表现不尽一致。