【摘要】：太原盆地位于黃土高原中東部,山西省的中心地帶。盆地內(nèi)地勢(shì)低洼且平坦,適宜于農(nóng)業(yè)種植。然而,在土壤貧瘠的黃土高原,土壤養(yǎng)分是制約農(nóng)作物生長(zhǎng)和土地生產(chǎn)力的重要因素。同時(shí),土壤養(yǎng)分的空間分布具有高度的異質(zhì)性和尺度依賴性。因此,基于空間多尺度理論,科學(xué)而深入地分析黃土高原太原盆地區(qū)土壤養(yǎng)分資源的空間分布特征、與影響因子的空間多尺度關(guān)系及對(duì)土壤養(yǎng)分含量的預(yù)測(cè),是實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)精確化管理、土壤田塊的合理設(shè)計(jì)、合理施肥及各項(xiàng)生態(tài)重建措施的有力保障。本研究野外采集沿汾河垂向的三條樣帶共383個(gè)土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù),并進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定(包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤pH、全鹽和可見光-近紅外高光譜等的測(cè)定)。同時(shí),收集2006-2013年間太原盆地內(nèi)12個(gè)縣域的27,664個(gè)土壤養(yǎng)分歷史數(shù)據(jù)�；谠摎v史數(shù)據(jù),提取沿汾河流向的一條樣帶共128個(gè)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。本研究基于上述三個(gè)數(shù)據(jù)集,運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法了解該區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分空間分布狀況及不同數(shù)據(jù)集間的差異性;采用偏最小二乘回歸進(jìn)行土壤養(yǎng)分(土壤有機(jī)質(zhì)和全氮)含量的光譜預(yù)測(cè);采用多元經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Multivariate Empirical Mode Decomposition,MEMD)揭示沿汾河垂向的土壤養(yǎng)分(土壤有機(jī)質(zhì)和全氮)與相關(guān)影響因子的空間多尺度關(guān)系,并進(jìn)行土壤養(yǎng)分含量的空間多尺度預(yù)測(cè);采用小波變換分析沿汾河流向的土壤養(yǎng)分(土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀)在不同尺度和位置的變異性特征,及其與地形因子在位置-尺度域的相關(guān)性;利用小波變換進(jìn)行盆地區(qū)域內(nèi)土壤養(yǎng)分變異性的位置-尺度域分析。本研究取得的主要結(jié)論如下:(1)與全國(guó)土壤養(yǎng)分含量相比,太原盆地區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮含量處于較低水平,全氮、全磷和速效磷處于中等水平,而全鉀和速效鉀含量處于全國(guó)較高水平。與整個(gè)黃土高原區(qū)相比,土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的變異性低于整個(gè)黃土高原區(qū),全磷的變異性接近于黃土高原區(qū),而全鉀的變異性高于黃土高原區(qū)。太原盆地土壤屬性變異性的順序?yàn)?pH值容重全氮壤粒全鉀粘粒全磷有機(jī)質(zhì)速效鉀砂粒速效氮全鹽速效磷。本研究野外采集土壤數(shù)據(jù)與縣域土壤養(yǎng)分(土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀)歷史數(shù)據(jù)相比較發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分的均值略微變化,可反映兩數(shù)據(jù)集時(shí)間尺度上的變化。(2)土壤養(yǎng)分光譜預(yù)測(cè)結(jié)果表明,在盆地區(qū)內(nèi)當(dāng)建模集和驗(yàn)證集相獨(dú)立時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)的建模和預(yù)測(cè)精度均隨潛變量個(gè)數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),土壤全氮的建模精度也隨潛變量個(gè)數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),而預(yù)測(cè)精度呈不穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí),土壤養(yǎng)分的預(yù)測(cè)精度可通過其空間結(jié)構(gòu)分析、位置-尺度域的方差變化進(jìn)行評(píng)價(jià),預(yù)測(cè)誤差可通過空間結(jié)構(gòu)變化、位置-尺度域的方差變化來體現(xiàn)。(3)利用MEMD分析沿汾河垂向土壤有機(jī)質(zhì)與影響因子的空間多尺度關(guān)系發(fā)現(xiàn),盆地上游主要特征尺度為1,011和1,725m,中游為982和8,573m,下游為960、6,753和11,806 m。整個(gè)盆地內(nèi),尺度約1km處是土壤有機(jī)質(zhì)的主要特征尺度,且盆地內(nèi)沿汾河垂向的土壤有機(jī)質(zhì)序列主要特征尺度沿汾河流向表現(xiàn)分散。同時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)與影響因子在采樣尺度和MEMD空間多尺度的相關(guān)性順序?yàn)?盆地中游下游上游。另外,在3種景觀樣帶上,光譜主份1與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性均顯著。其次,盆地上游的容重、中游的砂粒和下游的地形濕度指數(shù)對(duì)其影響較明顯,而在采樣尺度上盆地下游二者的關(guān)系并不顯著。因此,單一尺度分析不能夠全面揭示土壤有機(jī)質(zhì)與相關(guān)因子在所有空間尺度上的復(fù)雜關(guān)系,而MEMD法對(duì)有機(jī)質(zhì)的預(yù)測(cè)精度要顯著高于直接利用逐步多元回歸分析。(4)利用MEMD分析沿汾河垂向土壤全氮與影響因子的空間多尺度關(guān)系發(fā)現(xiàn),盆地上游主要特征尺度為970和2,637 m,中游為954、8,849和1,476 m,下游為1,003、8,438、8,719和2,810m。整個(gè)盆地內(nèi),尺度約1km處是土壤全氮的主要特征尺度,且盆地內(nèi)沿汾河垂向的土壤全氮主要特征尺度沿汾河流向表現(xiàn)分散。同時(shí),土壤全氮與影響因子在采樣尺度和MEMD空間多尺度的相關(guān)性順序?yàn)?盆地中游和下游上游。在3種景觀樣帶上,盆地上游的壤粒含量、盆地中游砂粒含量和盆地下游的光譜主份1對(duì)土壤全氮的影響比較明顯。采用MEMD對(duì)土壤全氮的總體預(yù)測(cè)精度要明顯高于直接采用逐步多元回歸的分析結(jié)果。因此,單一尺度分析不能夠全面揭示土壤全氮與影響因子在所有空間尺度上的復(fù)雜關(guān)系。(5)利用小波變換分析沿汾河流向位置-尺度域的土壤養(yǎng)分空間變異性發(fā)現(xiàn),尺度0-4 km處存在方差值較大但面積較小的區(qū)域;4-8 km處土壤養(yǎng)分的空間方差相對(duì)較小;8km處土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間方差較大,且方差較大處區(qū)域比較集中。利用小波相干分析沿汾河流向土壤養(yǎng)分與地形因子在位置-尺度域的相關(guān)性發(fā)現(xiàn),在尺度8 km處地形因子與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性較穩(wěn)定;高程、坡度與全氮、速效鉀存在全局負(fù)相關(guān);地形濕度指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀存在全局正相關(guān);土壤養(yǎng)分受相關(guān)地形因子影響的強(qiáng)弱順序?yàn)?有機(jī)質(zhì)速效磷全氮速效鉀。(6)基于沿汾河垂向土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和縣域土壤養(yǎng)分歷史數(shù)據(jù),利用小波變換分析盆地域內(nèi)土壤養(yǎng)分在位置-尺度域的空間變異性發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的95%顯著性方差區(qū)域比較集中;在尺度0.68-1.21 km處,有機(jī)質(zhì)顯著性方差面積最大;在尺度1.53-10.30km處,速效磷顯著性方差面積最大;與全氮相比,有機(jī)質(zhì)的顯著性方差面積較大;與速效鉀相比,速效磷的顯著性方差面積較大;土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀分別在尺度7.28、10.91、4.33和4.33 km處95%顯著性方差面積達(dá)最大,分別達(dá)到21.39、17.11、26.47 和 17.71%。
【學(xué)位授予單位】：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S158
【圖文】：

－南西展布（東經(jīng)丨１丨°３５＇－１１３°０２＇，北煒３６°５０＇－３８°丨５0。太原盆地地處呂梁和太行兩山逡逑脈之間，山西省中部，黃土高原的中東部，是我國(guó)黃土集中分布的典型地帶之一，其地逡逑理位置如圖２－ｌａ所示。該區(qū)域是山西省人口集中區(qū)，約占全省總?cè)丝诘模保�。也是重要逡逑的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)，糧食生產(chǎn)在山西省占據(jù)很重要的地位。逡逑太原盆地區(qū)包括太原市各區(qū)及管轄的清徐縣和陽(yáng)曲縣，晉中市管轄的平遙縣、祁縣、逡逑太谷縣和榆次區(qū)，呂梁區(qū)管轄的文水縣、交城縣、介休市、汾陽(yáng)市和孝義市，共１２個(gè)縣逡逑（市、區(qū)），各縣（市、區(qū)）行政界線如圖２－ｌｂ所示。區(qū)內(nèi)以太原為中心，交通非常便逡逑利。太焦、石太、同蒲、大西等鐵路，太原－離石、太原－長(zhǎng)治、大同－運(yùn)城等高速公路經(jīng)逡逑過盆地，省級(jí)公路、縣鄉(xiāng)級(jí)公路構(gòu)成了便利的交通網(wǎng)。逡逑１００ｏ０＊Ｅ邐１０２°０＇Ｅ邐１０４°０，Ｅ邐１０６°０＾邐１０８ｏ０＊Ｅ邐１１０°０汜邐１１２°０Ｅ邐１１４0０汜逡逑邐？邐１邐１邐１邐邐１邐１邐１邐１－４２邋°０＾逡逑Ｎ邐（ａ）黃土高原逡逑娜．ｋ邐？Ｖ逡逑（邐＾邋４０°０＾逡逑

Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｒｉｖｅｒｓ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｔａｉｙｕａｎ邋ｂａｓｉｎ逡逑２．邋１．４地質(zhì)特征逡逑２．Ｉ．４．丨地層逡逑太原盆地是我國(guó)北方典型的大型新生代斷陷盆地，盆地邊［Ｘ：深埋（或出滿）的地層逡逑主要由三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系以及前寒武系等陸相地層組成。盆地逡逑內(nèi)地形條件一般影響基巖的出露，主要出露區(qū)域是盆地邊緣沖溝或山前斷裂帶。其屮，逡逑東部和西部以三疊系和二疊系的泥巖、頁(yè)巖和砂巖為主，伴有大量煤系地層，北部和西逡逑南部以?shī)W陶系碳酸鹽巖為主（郭清海，２００５）。在長(zhǎng)期下沉過程中，盆地內(nèi)新生代沉積物逡逑厚度為１，０００？２，０００邋ｍ，且在盆地西北側(cè)的交城凹陷區(qū)，新生代地層厚度達(dá)最大，約為逡逑３，０００ｍ。盆地中部主要分布的地層是第四系全新統(tǒng)，且該地層覆蓋面積約占總盆地面積逡逑的一半以上。第四系全新統(tǒng)類型也是研究區(qū)內(nèi)主要的土壤母質(zhì)類型，其分布最為廣泛，逡逑且?guī)r性變化也較大。逡逑２３逡逑

Ｆｉｇ．邋２－６邋Ｔｈｅ邋ｇｅｏｌｏｇｉｃ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｔａｉｙｕａｎ邋ｂａｓｉｎ邋ａｎｄ邋ａｒｏｕｎｄ邋ａｒｅａ逡逑２．邋１．５植被特征逡逑盆地中部主要分布有自然植被和農(nóng)作物，其中自然植被為田間地頭雜草，而農(nóng)主要為玉米、小麥、豆、谷、小雜糧和蔬菜等。平原區(qū)耕種率接近１００％，而邊山區(qū)種率多在８０％以上。盆地內(nèi)溝壑區(qū)植被覆蓋率較低、土地多數(shù)裸露。從自然植被分況看，植被覆蓋率、植被類型與地質(zhì)條件有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2762488