【摘要】：土壤是綠色植物生長的介質(zhì),人類賴以生存的最重要自然資源之一,土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤的重要組成部分,是反映土壤性狀的重要指標(biāo)之一,常被選做評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的因子。土壤有機(jī)質(zhì)含量還是估算土壤有機(jī)碳儲量的基礎(chǔ),其含量及動態(tài)對全球碳循環(huán)及氣候變化有著重要影響。因此,如何基于有限樣點(diǎn)數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確地揭示土壤有機(jī)質(zhì)含量時空變異特征一直是相關(guān)研究的熱點(diǎn)。耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量更是與作物生長發(fā)育、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)品品質(zhì)密切相關(guān),掌握耕地土壤有機(jī)質(zhì)的空間分異狀況對土壤肥力定向培育、農(nóng)作物栽培與種植、水肥田間管理等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。受成土環(huán)境、土壤發(fā)育過程以及人類活動等因素的影響,不同土壤類型在各類發(fā)生學(xué)屬性方面均有一定差異,因此,同一解釋變量對不同土類有機(jī)質(zhì)變異程度的影響也會有所不同。本研究以河南省泌陽縣為案例研究區(qū),以2009年~2011年在案例區(qū)開展的測土配方施肥項(xiàng)目采集的2172個耕地表層土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為構(gòu)建預(yù)測模型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并收集整理了第二次全國土壤調(diào)查數(shù)據(jù)庫、第二次全國土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)庫、泌陽縣統(tǒng)計(jì)年鑒、遙感影像等資料,以自然環(huán)境因子(高程、坡向、坡度、NDVI)、土壤屬性因子(土壤質(zhì)地)、耕地管理因子(灌溉水平、排水能力)等七個因子作為解釋變量,基于方差分析結(jié)果,分別抽取不同組土類(黃褐土、黃棕壤、潮土、砂姜黑土4個土類為主)表層土壤樣點(diǎn)數(shù)量的70%左右構(gòu)成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,運(yùn)用逐步線性回歸、空間自回歸、地理加權(quán)回歸、隨機(jī)森林四種模型分別擬合各組土類表層土壤樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量與顯著相關(guān)的解釋變量之間的關(guān)系,對上述模型的適用性、預(yù)測輸出結(jié)果的精度進(jìn)行系統(tǒng)分析對比,并以此為基礎(chǔ),對案例地區(qū)不同土類耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行空間預(yù)測。研究結(jié)果表明:(1)案例區(qū)所有耕地表層土壤樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量的均值為14.26 g/kg;不同土類中,砂姜黑土表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的均值最高,為16.44g/kg。潮土與粗骨土類、黃褐土與黃棕壤類土壤樣點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征類似,兩組土類可分別構(gòu)建一個表層有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測模型,而砂姜黑土類單獨(dú)構(gòu)建預(yù)測模型。(2)樣點(diǎn)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量均具有顯著空間自相關(guān)性,同一土類的樣點(diǎn),表層土壤有機(jī)質(zhì)存在局部空間聚集狀況,不同土類比較,內(nèi)部空間聚集程度存在差異。(3)模型檢驗(yàn)方面,回歸類模型對于訓(xùn)練集的回代檢驗(yàn)效果優(yōu)于交叉驗(yàn)證,隨機(jī)森林模型不存在過度擬合。(4)無論比較擬合優(yōu)度R~2還是與實(shí)測值對比的皮爾遜相關(guān)系數(shù)等指標(biāo),地理加權(quán)回歸模型在對案例區(qū)耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測表現(xiàn)整體上都要優(yōu)于逐步線性回歸和空間自回歸模型,與隨機(jī)森林模型的預(yù)測能力相當(dāng)。潮土、粗骨土分布區(qū)以使用隨機(jī)森林模型的預(yù)測效果最優(yōu),輸出的所有樣點(diǎn)預(yù)測值與實(shí)測值相關(guān)性高達(dá)0.875,但殘差仍存在一定的空間自相關(guān)性;其它兩組土類以使用地理加權(quán)回歸模型的預(yù)測效果最優(yōu),黃褐土與黃棕壤類與實(shí)際值相關(guān)性為0.653,砂姜黑土類0.617,殘差的自相關(guān)性幾乎消失。(5)對于潮土、粗骨土農(nóng)用地來說,影響表層有機(jī)質(zhì)含量變異的最重要因子是坡向和灌溉水平。高程則是影響黃褐土、黃棕壤表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的最關(guān)鍵變量,砂姜黑土表層有機(jī)質(zhì)含量高低同樣受高程影響最大。(6)輸出的預(yù)測圖顯示,案例區(qū)西北角砂姜黑土分布區(qū)農(nóng)用地表層土壤有機(jī)質(zhì)處于較高水平,案例區(qū)北部也有有機(jī)質(zhì)含量高值區(qū)零散分布,而西南部農(nóng)用地表層土壤有機(jī)質(zhì)水平普遍較低。本文系統(tǒng)研究了案例地區(qū)不同土類的農(nóng)用地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量變異特征,通過對比,揭示了隨機(jī)森林模型算法和地理加權(quán)回歸算法在土壤屬性空間預(yù)測與數(shù)字化制圖領(lǐng)域的有效性和應(yīng)用潛力,闡釋了影響和制約不同土壤類型的耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的核心因素各異,為獲得更精確的預(yù)測結(jié)果,需要構(gòu)建對應(yīng)的適宜模型。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S153.621
【圖文】：

113°06′~113°48′E）隸屬于河南省駐馬店市（圖2.1），位于省南市西，東依確山，南至桐柏，西臨唐河，北連方城。泌陽縣歷史悠遠(yuǎn)，古書記載，舊稱比陽，春秋時期屬楚領(lǐng)土，戰(zhàn)國歸屬于韓。經(jīng)西漢、南北朝、唐代，于明朝定名泌陽至今，1965 年從南陽劃歸給駐馬店地區(qū)。泌陽縣南北通長約68.5km，東西寬至67.5km。據(jù)泌陽縣國土資源管理局2011年土地利用現(xiàn)狀變更資料，全縣行政區(qū)總面積 278495.04 公頃，其中耕地面積96614.13 公頃，泌陽縣總?cè)丝?99.97 萬人，農(nóng)業(yè)人口 87.31 萬人，占全縣人口的87.34%。（2011 年統(tǒng)計(jì)年鑒顯示

圖 4.1 不同土類訓(xùn)練集與驗(yàn)證集樣點(diǎn)分布圖The distribution of train sets and test sets based on different types of soil線性回歸模型擬合結(jié)果基于 R 3.3.1 環(huán)境，采用 lm(), step(), drop()函數(shù)實(shí)現(xiàn)所選變的線性回歸模型的建立。el1結(jié)果顯示，五個變量共同進(jìn)入模型時，只有坡向和灌溉驗(yàn)。此時，AIC 值為 835.1，當(dāng)去掉變量排澇能力時，AIC剔除排澇能力，之后根據(jù) AIC 信息統(tǒng)計(jì)量值越小越優(yōu)的原高程，最終得到的回歸方程本身和每個變量的系數(shù)都極顯，此時方程為 SOM=10.941+0.675Aspect+4.543irrigation，灌M 有可能增加 4.543，結(jié)果表明，潮土粗骨土的土壤采樣點(diǎn)坡向和灌溉水平的影響，擬合優(yōu)度 R2為 0.245，方程 P 值通回歸方程對樣點(diǎn)的擬合程度雖不是很理想，但還是具有一

程為：= 0. wy 1. 0 1. x . 10. 1 （4.3）方程 R2為 0.410，AIC 值為 349.72。為了能更加直觀地觀察不同土類下有機(jī)質(zhì)變異的局部空間自相關(guān)狀況，基于不同土類的訓(xùn)練集樣點(diǎn)生成泰森多邊形，根據(jù)各自選定的空間權(quán)重文件，使用 GeoDa “Univariate Local Moran’s I”模塊功能探索局部 SOM 聚集圖。圖 4.2 圖例表明了相鄰區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量的相對顯著關(guān)系，如高-高代表著土壤有機(jī)質(zhì)含量高的區(qū)域周圍有機(jī)質(zhì)含量也高，其余誠如圖例表達(dá)出的含義，不相關(guān)表明這些地方的有機(jī)質(zhì)與鄰近區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量并不顯著相關(guān)。潮土和粗骨土的“高—高”區(qū)主要分布在東北、西北部分，這兩個區(qū)域地勢相對較低。黃褐土黃棕壤的有機(jī)質(zhì)“低—高”區(qū)和“高—高”區(qū)交叉分布，出現(xiàn)在東北部和近西南方向，“高—低”區(qū)和“低—低”在南部區(qū)域也呈現(xiàn)交叉聚集分布，可能揭示此區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量大部分值較低，有部分高值出現(xiàn)。在研究區(qū)東部分布的部分砂姜黑土樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量并不均等，LISA 地圖提示出現(xiàn)低-高聚集區(qū)。因砂姜黑土樣點(diǎn)較少且比較分散，局部集聚區(qū)呈現(xiàn)明顯界限。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2749550