【摘要】：水資源約束下的銀北灌區(qū)土壤鹽漬化日益嚴(yán)重,雖然前人期望基于土地整治工程措施、化學(xué)措施、生物改良解決土壤鹽漬化問(wèn)題,但是鹽漬化問(wèn)題并沒(méi)有從根本上解決,這主要是因?yàn)榉⻊?wù)于耕地生產(chǎn)、排鹽、生態(tài)等多功能的水土資源空間配置出現(xiàn)問(wèn)題。從水土資源優(yōu)化配置出發(fā),綜合考慮水鹽約束條件,通過(guò)定量化分析土地整治過(guò)程中耕地與排鹽地(荒地)的合理配置解決土壤鹽漬化問(wèn)題的研究相對(duì)較少。因此,本文圍繞上述科學(xué)問(wèn)題,首先基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法,提出土壤屬性高精度預(yù)測(cè)方法,為區(qū)域土壤水鹽運(yùn)動(dòng)模擬和排鹽空間配置提供準(zhǔn)確參數(shù);然后,從合理優(yōu)化灌排設(shè)施出發(fā),模擬不同灌排模式對(duì)耕地土壤鹽分的影響;最后,基于SahysMod模型設(shè)計(jì)多種耕地與排鹽地配置情景,提出土地整治過(guò)程中耕地與排鹽地優(yōu)化配置的規(guī)模與布局。上述研究結(jié)果完善了土壤鹽漬化地區(qū)在土地整治過(guò)程中耕地與排鹽地的優(yōu)化配置理論,對(duì)土壤鹽漬化的防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。主要研究結(jié)果和結(jié)論如下:(1)由于普通克立格(ordinarykriging,OK)、回歸克立格(regressionkriging,RK)等地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在預(yù)測(cè)時(shí)沒(méi)有考慮土壤屬性與其環(huán)境因素的復(fù)雜非線性關(guān)系,而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)時(shí)或只考慮環(huán)境因素對(duì)土壤屬性空間變異的影響,忽略觀測(cè)點(diǎn)與周?chē)鷺狱c(diǎn)的空間相關(guān)性,或以地理坐標(biāo)(X、Y)為輸入向量,僅考慮空間自相關(guān)性,而忽略環(huán)境因素對(duì)土壤屬性的影響。因此,本研究綜合考慮土壤屬性與環(huán)境變量的非線性復(fù)雜關(guān)系及樣點(diǎn)的空間自相關(guān)性,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與克立格相結(jié)合的方法(ordinary kriging combined with back-propagation network,OK_BP)預(yù)測(cè)土壤電導(dǎo)率空間變異。結(jié)果表明,OK_BP對(duì)土壤電導(dǎo)率預(yù)測(cè)結(jié)果較OK、BP及RK有明顯改善,不僅表現(xiàn)于可以描述更多的空間變異細(xì)節(jié)及局部變化趨勢(shì),而且有利于結(jié)合不同的環(huán)境因素提高預(yù)測(cè)精度。因此,OK_BP可以作為一種有效且高精度的土壤鹽分空間變異預(yù)測(cè)方法。(2)由于土壤屬性與其影響因素存在復(fù)雜的非線性關(guān)系,即使在相同的研究區(qū)域,尤其是在較大的景觀異質(zhì)性區(qū)內(nèi),這些因素對(duì)土壤屬性的局部影響也并不相同。然而,以往的研究多是基于土壤屬性與其影響因素的簡(jiǎn)單線性關(guān)系提高預(yù)測(cè)精度,忽略了這些因素對(duì)土壤屬性在局部區(qū)域產(chǎn)生的差異性影響。因此,以土壤有機(jī)質(zhì)為例,綜合考慮地形、土壤類(lèi)型、土壤質(zhì)地、土地利用類(lèi)型對(duì)其影響,采用自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些因素在局部區(qū)域產(chǎn)生的影響進(jìn)行聚類(lèi)分區(qū),并結(jié)合克立格進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明,自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)的克立格法(ordinarykriging combined with the clustering of a self-organizing feature maps neural network,KCSOM)能夠識(shí)別有機(jī)質(zhì)與其影響因素的復(fù)雜非線性關(guān)系,可以有效地避免預(yù)測(cè)時(shí)高值的低估及低值的高估,進(jìn)而提高預(yù)測(cè)精度。同時(shí),通過(guò)綜合考慮不同因素對(duì)局部地區(qū)變異的差異性影響,KCSOM在不同的聚類(lèi)區(qū)內(nèi)及聚類(lèi)之間可以更好的描述空間變異細(xì)節(jié)特征。因此,在高景觀異質(zhì)性區(qū)內(nèi),KSCOM可以作為一種有效且高精度的土壤屬性預(yù)測(cè)方法。值得注意的是,對(duì)西大灘土壤電導(dǎo)率空間預(yù)測(cè)的初步研究表明,KSCOM方法對(duì)于小面積、景觀同質(zhì)化區(qū)域的土壤屬性空間預(yù)測(cè)精度并沒(méi)有提高。(3)傳統(tǒng)的水鹽平衡法將研究區(qū)看做一個(gè)整體,在建立平衡方程時(shí)沒(méi)有對(duì)區(qū)域土壤屬性存在的空間變異細(xì)分。另外,以往的研究較少關(guān)注不同灌排管理下土壤水鹽在未來(lái)的動(dòng)態(tài)變化,因此,本研究綜合考慮荒地與耕地土壤屬性的空間變異性,利用SahysMod模型探索不同灌排管理模式下區(qū)域土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明,加大灌溉水量是解決土壤鹽漬化的一個(gè)重要途徑,可以有效延遲耕地根區(qū)土壤鹽分累積到障礙水平的時(shí)間;在灌溉水電導(dǎo)率為0.6dSm-1情況下,未來(lái)十年內(nèi)耕地都不會(huì)受到鹽害脅迫;現(xiàn)狀灌溉水質(zhì)條件下,在2024年以后,作物生長(zhǎng)就會(huì)受到鹽漬化脅迫,當(dāng)灌溉水電導(dǎo)率繼續(xù)增加時(shí),作物生長(zhǎng)受到鹽漬化脅迫的時(shí)間相應(yīng)提前;排水溝深度影響耕地土壤鹽分水平,加深排水溝深度有利于緩解土壤鹽漬化。研究結(jié)果可為土壤鹽漬化防治提供建議。(4)針對(duì)銀北灌區(qū)水鹽約束下土地整治中的耕地與排鹽空間配置及土壤水鹽響應(yīng)機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題,以及由于盲目追求新增耕地率導(dǎo)致的耕地土壤鹽漬化嚴(yán)重等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,本研究以銀北灌區(qū)的典型鹽漬土區(qū)——西大灘為例,采用SahysMod分析在土地整治中不同的耕地與排鹽地配置情景下土壤水鹽的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明,合理配置排鹽地有利于耕地脫鹽,是一種有效的防治耕地土壤鹽漬化方法。在鹽堿荒地或易于次生鹽漬化的區(qū)域進(jìn)行土地整治時(shí),考慮耕地與排鹽地的空間配置尤為重要;同一整治區(qū)域內(nèi)耕地與排鹽地的面積比越小(排鹽地占比越大),耕地的排鹽效果越好,但當(dāng)排鹽地占比大到一定程度時(shí),部分排鹽地處于有效范圍之外,無(wú)法發(fā)揮排鹽作用;耕地與排鹽地的高度差越大越有利于耕地排鹽;排鹽地零散插花分布于耕地中的排鹽效果更好;排鹽地的具體配置(面積、位置)與耕地排鹽地的高度差、排鹽地占比、有效排鹽范圍等密切相關(guān)。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S156.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2489081