Kriging插值和序贯高斯条件模拟的原理比较及在土壤空间变异研究中的案例分析

20世纪60年代由Matheron创立的Kriging插值方法目前已发展出多种形式,广泛应用于地学研究[1-4]。该方法能根据现有数据给出空间变量的最优无偏线性估计,但其缺点是产生平滑效应。为此,Deutsch和Goovaerts等又在Monto-carlo方法的基础上,提出序贯高斯条件模拟算法[5-6],不仅有效避免了平滑效应,还能对空间取值的不确定性进行多种形式的度量,成为土壤学领域最为广泛应用的条件模拟算法之一。     

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。     

潮土区灌浆水和施磷对冬小麦光合作用和产量的影响

利用防雨微区试验,研究了灌浆水和施磷对缺磷潮土区冬小麦灌浆期光合速率、荧光动力学参数、灌浆过程和产量等的影响。结果表明,全生育期不灌水,灌浆期冬小麦光合作用将受到气孔胁迫,光合速率下降,但水分利用效率提高;灌浆水提高小麦的光合速率和表观量子效率,在同样土壤水分条件下,小麦的光合速率和表观量子效率随施磷量的增加而提高。灌水处理小麦的PSⅡ、Fv/Fm较大,NPQ较小。水、磷都能促进小麦灌浆,提高小麦千粒重,其中磷的作用尤其重要。施磷水平越高,灌浆强度越大,灌浆水对子粒灌浆促进作用也越大。施磷处理的株高、穗长、穗粒数较大,成穗数提高,最终产量受施磷水平影响更为明显。经济系数有随供水和施磷水平提高而降低的趋势。从节水角度,在潮土区,施足磷肥有重要意义。     

武都山区农业连阴雨灾害时空演变气候特征及风险区划

为了指导武都山区农民合理安排农业生产工作,提高应对连阴雨灾害能力,确保农业增产、农民增收之目的,从武都区1971—2010年连阴雨资料入手,分析得出：武都区连阴雨主要集中出现在5—10月。其中,5—7月夏收期和9—10月秋收期连阴雨危害最大,出现频率最高,造成的农业灾损最为严重。结合人口、GDP、耕地比等资料,利用ArcGIS软件,得到连阴雨灾害危险性图层,再与承灾体易损性评价、灾害的孕灾背景进行叠加、合并以及等级划分操作,最后得到连阴雨灾害的风险评估及其区划。结果表明：武都区连阴雨危险性等级由高到低、由东南到西北递减,海拔1600 m以上高山区和东南部连阴雨危险性等级最高,为连阴雨高风险区,白龙江流域海拔1300 m以下区域连阴雨危险性等级最低,为连阴雨低风险区。研究结果为指导武都山区巧用天时,科学规划、合理布局、周密安排夏收秋收农业生产工作,预防和减轻连阴雨灾害损失提供了科学依据。     

武都山区干旱气候特征与灾害风险区划

根据气象干旱等级标准(GB/T20481-2006),统计分析陇南市8县1区9个气象站1971~2010年年平均各类干旱频率,并利用各站经度、纬度、海拔高度与各站年平均干旱频率建立多元线性回归方程,计算武都区各地年平均干旱频率,结合各地人口、GDP、耕地比等资料,利用ArcGIS软件,得到干旱灾害危险性图层,再同承灾体易损性评价、灾害的孕灾背景进行叠加、合并以及等级划分操作,最后得到干旱灾害的风险评估及其区划。结果表明,近40年武都区有30年均有干旱出现,共出现各类干旱49次,其中,发生频率春旱40.0%、春末夏初旱20.0%、伏旱35.0%、秋旱27.5%,年际出现干旱的频率为75.0%。武都区白龙江流域半山河谷和东南部低海拔区干旱危险性等级最高,年际干旱频率62.3%,由此向北向高干旱危险性等级递减,干旱灾害风险由白龙江干热河谷向四周递减。     

复杂景观区土壤有机质预测模型的尺度效应

为研究复杂景观区土壤有机质预测模型的尺度效应,探讨不同空间尺度数据综合利用的问题,本文运用回归Kriging方法对河南省登封市土壤有机质进行预测,分析了不同空间尺度数据在建模过程中的作用和影响.结果表明:土壤有机质关于高程因子的趋势属于宏观趋势,以大尺度数据拟合该趋势值效果最优;小尺度数据不适合用于拟合土壤有机质的趋势值,但揭示了小尺度残差值的空间变异细节,增强了大尺度残差值的空间结构性,能够有效提高土壤有机质预测精度.因此,景观复杂区土壤有机质预测中,应基于大尺度数据模拟趋势值,大尺度数据和小尺度数据相结合拟合残差值的空间变异函数以预测残差值,最后趋势值加上残差值得到土壤有机质预测值.     

玉米苗期调亏控水与磷协同效应研究

采用桶栽试验研究了不同水、磷条件对玉米苗期生长发育、水分利用和养分吸收的影响。结果表明 ,水、磷都有利于玉米株高、叶面积和总生物量的增加 ,磷的作用更明显 ;苗期玉米调亏控水结合施磷有利于玉米苗期建立较大的根 /冠、培育壮苗、提高水分生产率 ;水、磷对氮、磷、钾养分向地上部运输都有促进作用 ,调亏控水条件下 ,施磷处理氮、磷、钾向地上部运输的比例大于不施磷处理     

不同方法预测河北省土壤有机碳密度空间分布特征的研究

运用多元线性回归、泛克里格和回归克里格三种方法,结合由DEM获取的地形属性因子预测了河北省土壤有机碳密度的空间分布。多元线性回归预测的残差较大,模型对总方差的解释仅18.6%,采用泛克里格方法后,预测残差降低,预测结果的极差范围变宽,低碳密度区的局部变异得以体现,模型对总方差的解释程度提高到53%。而回归克里格方法应用后预测残差和均方根预测误差进一步降低,模型对总方差的解释程度提高到65%,回归克里格方法也能更好地反映碳密度与地形的关系以及局部变异。三种方法中回归克里格预测效果最好,泛克里格次之,而多元线性回归方法最差。     

不同采样尺度下土壤图和Kriging法的空间估值精度比较——以砂姜黑土典型地区的研究为例

在河南省驻马店市西平县砂姜黑土(砂姜潮湿雏形土)区,采用0.5 km×0.5 km网格法采集248个土壤耕作层样本,其中124个作为估值数据集,124个作为验证数据集,设计了3种不同采样尺度的估值数据集抽样方案,对比了土壤图法和Kriging法对土壤有机质、全氮、全磷、缓效钾和速效钾的估值效果。结果表明土壤图法对土种内变异系数较小,但土种之间差异较大的全磷、全氮和有机质的估值精度仅稍低于Kriging方法,在空间变异格局表达方面的功能也大致相同。对土种内变异系数较大,但空间变异结构性明显的速效钾,Kriging估值效果显著优于土壤图法。降低采样密度使Kriging估值平滑效应增加,估值精度降低,且集中出现在那些内部变异系数较大的土种内。该结论揭示在土壤调查的初级阶段采集少量的样点对土种内的土壤变量的变异程度做出估计对进一步的采样方案设计和土壤估值方法选择有指导意义。     

工业型城乡交错区农业土壤Zn的空间分异及其影响因子探讨--以无锡市为例

城乡交错区的工业发展可能导致土壤重金属积累,并威胁食品安全。本文以无锡典型工业型城乡交错区为例,利用地统计学变异函数研究了农业土壤全量Zn和DTPA-Zn的空间变异特征,并分析了其影响因素。结果表明:人类活动明显增加了土壤的含Zn量,研究区土壤全量Zn具有强烈的空间自相关性,其空间变异主要与工业活动有关,土地利用对它没有影响;土壤全量Zn在工厂分布区附近较高,其他地区较低。土壤DTPA-Zn变异性大于全量Zn,具有中等的空间自相关性,其空间变异与工厂无明显关系,但土地利用对它影响较大,菜地DTPA-Zn含量明显高于水稻田。