本文關(guān)鍵詞：土壤水分特征曲線的預(yù)測及土壤屬性三維空間制圖

  更多相關(guān)文章： 吸濕水含量 水分特征曲線 粘粒含量 質(zhì)地 有機(jī)碳 三維制圖

【摘要】：直接測定土壤水力學(xué)性質(zhì)和某些屬性不僅耗時費(fèi)力,而且成本較高。準(zhǔn)確地預(yù)測土壤水力學(xué)性質(zhì)和土壤屬性以及繪制其三維空間分布圖對于研究土壤水分運(yùn)動和污染物的遷移具有十分重要的意義。土壤吸濕水含量容易測定,但很少將其作為土壤水力學(xué)性質(zhì)和土壤屬性的預(yù)測變量。另外,一些土壤屬性在垂直方向上的分布比較復(fù)雜,不滿足二階平穩(wěn)假設(shè)條件,這使得三維地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)工具很難直接對這些土壤屬性進(jìn)行三維制圖。本研究首先分別建立了土壤吸濕水含量與土壤水分特征曲線的高吸力段(水勢小于-15000cm)、土壤粘粒含量和土壤質(zhì)地之間的關(guān)系及土壤水分特征曲線高吸力段與低吸力段(水勢大于-15000cm)之間的關(guān)系。其次,在吸濕水含量測定的基礎(chǔ)上,采用三維普通克里格和轉(zhuǎn)移概率地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法分析沖積平原區(qū)田塊尺度下土壤粘粒含量利土壤質(zhì)地的三維空間分布特征。最后,將三維普通克里格和有機(jī)碳剖面分布函數(shù)相結(jié)合對區(qū)域土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行了三維制圖。全文主要結(jié)論如下： Oswin模型可以很好地描述2：1型和1：1型粘士礦物土壤水分特征曲線的高吸力段。與Oswin模型相比,廣泛應(yīng)用的CS-K模型(Campbell利Shiozawa模型,簡稱CS模型,與Kevin方程相結(jié)合)能夠更好地描述2：1型土壤,但描述1：1型土壤能力較差。研究發(fā)現(xiàn)Oswin模型的參數(shù)a主要依賴粘士礦物的類型,2：1型和1：1型士壤的參數(shù)α值分別近似為0.29和0.57。Oswin-KRH50模型(Oswin模型與Kevin方程相結(jié)合,預(yù)測變量為RH=50%的土壤含水量),CS-A模型(CS模型與Arthur方程相結(jié)合)和CS-KRH50模型(CS模型與Kevin方程相結(jié)合,預(yù)測變量為RH=50%的士壤含水量)的對比結(jié)果表明,對于2：1型土壤,Oswin-KRH50模型預(yù)測土壤水分特征曲線高吸力段的能力與CS-KRH50模型相當(dāng),但明顯優(yōu)于CS-A模型(粘粒作為預(yù)測變量)。相比于CS-KRH50模型,Oswin-KRH50模型能夠預(yù)測1:1型土壤. 提出一種利用土壤水分特征曲線高吸力段利容重預(yù)測土壤水分特征曲線低吸力段的新方法。利用21個不同質(zhì)地的士樣(粘粒含量0～47%)對該方法進(jìn)行了評價,結(jié)果表明RMSE利ME的變化范圍分別為0.009～0.113g g-1和-0.098-0.002g g’。與文獻(xiàn)結(jié)果相比,新方法可以改進(jìn)對土壤水分特征曲線低吸力段的預(yù)測。另外,殘余含水量和切點的合理取值可以明顯提高新方法的預(yù)測精度。 結(jié)合CS模型與Kelvin方程,對已有的利用吸濕水含量預(yù)測土壤粘粒含量的模型進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種可以利用任一濕度條件測定的土壤吸濕水含量預(yù)測粘粒含量的方法。利用114個土樣的粘粒含量(2.84～37.3%)以及三組不同濕度條件下(21%,45%和60%)的土壤吸濕水含量(0.23～4.86%),對改進(jìn)后的模型進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明新模型預(yù)測的土壤粘粒含量與實測值較為吻合。另外,采用實測數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對新模型、Resurreccion模型和Schneider-Goss模型的預(yù)測精度進(jìn)行了比較,它們RMSE的變化范圍分別為2.3～6.6%,3.1-8.8%和4.4～9.2%,其中新模型預(yù)測效果最好,但是新模型不能用來預(yù)測粗質(zhì)地高有機(jī)碳土壤以及粘土礦物主要為1：1型的土壤。 地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果表明,沖積平原區(qū)農(nóng)田土壤粘粒含量在水平和垂直方向上的空間相關(guān)距離分別為55.0m和11.16m.研究區(qū)北部下層的士壤粘粒含量較低,而粘粒含量較高的土層分布在研究區(qū)南部的上層,反映了沖積土質(zhì)地下粗上細(xì)的分布特征。交叉驗證結(jié)果表明土壤粘粒含量的三維空間分布圖可以很好地描述沖積平原區(qū)土壤顆粒組分的形成過程。 土壤質(zhì)地對土壤吸濕水含量有顯著的影響。砂土、砂壤、壤土和粘土的吸濕水含量范圍分別為0.88%、0.88-1.37%、1.37-2.51%和2.51%。研究區(qū)內(nèi)主要的土壤質(zhì)地類型為壤土,而分布最少的為砂壤。研究區(qū)內(nèi)水平和垂直方向上土壤質(zhì)地類型的連續(xù)性強(qiáng)弱順序相同,依次為：壤土砂土粘土砂壤。表層的土壤質(zhì)地較為均一,主要為壤土。在研究區(qū)南部,壤土-粘土-壤土的土體構(gòu)型較為常見。當(dāng)下層為砂土層時,上層主要為壤土層,很好地反映了沖積平原區(qū)土壤質(zhì)地的空間分布特征。 應(yīng)用指數(shù)方程描述了土壤有機(jī)碳平均含量隨深度的變化。將指數(shù)方程與三維普通克里格方法相結(jié)合提出一種對土壤有機(jī)碳進(jìn)行三維制圖的新方法(KPDF法)。土壤有機(jī)碳的預(yù)測值和實測值之間的R2、RMSE和ME分別為0.52、1.82g kg-1和-0.24g kg-1,表明KPDF法可以很好地描述區(qū)域尺度下土壤有機(jī)碳的三維空間分布。研究區(qū)中西部和南部的表層土壤有機(jī)碳含量較高,而東南部偏低。相鄰層次的土壤有機(jī)碳之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。細(xì)質(zhì)地土壤的有機(jī)碳含量明顯要高于粗質(zhì)地,菜地的土壤有機(jī)碳含量要高于小麥地和棉花地,研究區(qū)土壤質(zhì)地對土壤有機(jī)碳的影響要強(qiáng)于土地利用類型。
【關(guān)鍵詞】：吸濕水含量 水分特征曲線 粘粒含量 質(zhì)地 有機(jī)碳 三維制圖
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S152.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 附圖目錄12-13
• 附表目錄13-14
• 第一章 緒論14-22
• 1.1 研究意義14-15
• 1.2 研究進(jìn)展及現(xiàn)狀15-20
• 1.2.1 水分特征曲線的模型15-16
• 1.2.2 水分特征曲線的間接估計16-17
• 1.2.3 影響土壤吸濕水的因素17-18
• 1.2.4 土壤屬性的三維空間變異18-20
• 1.3 研究內(nèi)容20-21
• 1.4 技術(shù)路線21-22
• 第二章 高吸力段水分特征曲線的模擬與預(yù)測22-31
• 2.1 材料與方法22-25
• 2.1.1 土壤樣品與土壤高吸力段水分特征曲線的測定22-23
• 2.1.2 土壤高吸力段水分特征曲線的描述方法23-24
• 2.1.3 土壤高吸力段水分特征曲線的估計24
• 2.1.4 模型效果評價24-25
• 2.2 結(jié)果與討論25-29
• 2.2.1 土壤高吸力段水分特征曲線的描述25-28
• 2.2.2 土壤高吸力段水分特征曲線的預(yù)測28-29
• 2.3 結(jié)論29-31
• 第三章 利用水分特征曲線的高吸力段預(yù)測低吸力段31-40
• 3.1 原理31-33
• 3.2 材料與方法33-35
• 3.2.1 數(shù)據(jù)來源33-34
• 3.2.2 模型預(yù)測效果評價34-35
• 3.3 結(jié)果與討論35-39
• 3.3.1 土壤水分特征曲線高吸力段的模擬35-38
• 3.3.2 土壤水分特征曲線低吸力段的預(yù)測38-39
• 3.4 結(jié)論39-40
• 第四章 利用任—濕度的土壤吸濕水含量估計土壤粘粒含量40-49
• 4.1 原理40-42
• 4.1.1 新模型的建立40-41
• 4.1.2 Resurreccion模型和Schneider-Goss模型41-42
• 4.2 材料與方法42-43
• 4.2.1 研究區(qū)與采樣分析42-43
• 4.2.2 模型預(yù)測效果評價43
• 4.3 結(jié)果與討論43-48
• 4.3.1 相對濕度對上壤吸濕水含量的影響43-44
• 4.3.2 新模型的預(yù)測效果44
• 4.3.3 新模型與R模型和SG模型的比較44-47
• 4.3.4 新模型的局限性47-48
• 4.4 結(jié)論48-49
• 第五章 華北沖積平原區(qū)土壤粘粒含量的三維空間分布特征49-59
• 5.1 材料與方法50-52
• 5.1.1 樣品的采集與處理50-51
• 5.1.2 粘粒含量與吸濕水含量的關(guān)系51
• 5.1.3 三維普通克里格法51-52
• 5.1.4 插值結(jié)果驗證52
• 5.2 結(jié)果與討論52-58
• 5.2.1 粘粒含量的預(yù)測52-54
• 5.2.2 粘粒含量的三維空間結(jié)構(gòu)分析54-55
• 5.2.3 粘粒含量的三維空間分布特征55-58
• 5.3 結(jié)論58-59
• 第六章 農(nóng)田土壤質(zhì)地的預(yù)測及其三維空間分布特征59-69
• 6.1 材料與方法59-61
• 6.1.1 樣品的采集與處理59-60
• 6.1.2 馬爾科夫地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)60-61
• 6.2 結(jié)果與討論61-68
• 6.2.1 吸濕水含量與土壤質(zhì)地的關(guān)系61-64
• 6.2.2 轉(zhuǎn)移概率矩陣分析64-66
• 6.2.3 土壤質(zhì)地的三維空間分布66-68
• 6.3 結(jié)論68-69
• 第七章 基于剖面分布函數(shù)的區(qū)域土壤有機(jī)碳的三維空間分布69-80
• 7.1 材料與方法69-72
• 7.1.1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)收集69-70
• 7.1.2 樣品采集與分析70
• 7.1.3 三維普通克里格70
• 7.1.4 三維普通克里格與剖而深度方程的結(jié)合(KPDF)70-71
• 7.1.5 插值精度評估71-72
• 7.1.6 數(shù)據(jù)處理72
• 7.2 結(jié)果和討論72-79
• 7.2.1 不同深度土壤有機(jī)碳的統(tǒng)計特征72-73
• 7.2.2 土壤有機(jī)碳的預(yù)測和驗證73-76
• 7.2.3 土壤有機(jī)碳的三維空間分布76-78
• 7.2.4 土壤質(zhì)地和土地利用類型對土壤有機(jī)碳含量的影響78-79
• 7.3 結(jié)論79-80
• 第八章 結(jié)論與展望80-82
• 8.1 結(jié)論80-81
• 8.2 創(chuàng)新點81
• 8.3 展望81-82
• 參考文獻(xiàn)82-91
• 致謝91-92
• 作者簡歷92

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：861324