第一章  緒論 

1.1  研究的目的和意義 
自然界的土壤，受成土過(guò)程影響，其水力特性在垂直和水平方向存在著較大變異性，即使質(zhì)地相同的土壤在同水平面和垂直剖面上也不完全為均質(zhì)。在土壤質(zhì)地視為同一的分區(qū)內(nèi)，土壤的特性—如物理參數(shù)（干容重、顆粒組成、飽和導(dǎo)水率及水分特征曲線等），狀態(tài)變量(如含水量、土壤水吸力、人滲量、溫度及導(dǎo)電率等)，在同一時(shí)刻、各點(diǎn)的值并不相等，這就是土壤理化性質(zhì)的空間變異性（雷志棟等 1985；王政權(quán) 1999；邵明安等 2006）。土壤特性的空間變異性普遍存在，它直接影響人們對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部特征研究的深入，使得精確模擬土壤過(guò)程的難度進(jìn)一步加大。 土壤是由固、液、氣三相所組成的復(fù)雜性連續(xù)體，其成土過(guò)程是歷史累積過(guò)程，使得土壤屬性在空間分布上體現(xiàn)為多種或多層次結(jié)構(gòu)的疊加，并隨研究尺度的不同表現(xiàn)為不同空間結(jié)構(gòu)特性。最初，由經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析發(fā)現(xiàn)，尺度效應(yīng)往往直觀地體現(xiàn)為，，選擇不同的觀測(cè)尺度，土壤屬性在研究區(qū)域中的變異系數(shù)不同。隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)、自相關(guān)原理等理論的引入，發(fā)現(xiàn)土壤水分和鹽分的區(qū)域分布研究受限于采樣網(wǎng)格的尺度大小，表現(xiàn)為具體的采樣尺度只能揭示區(qū)域中對(duì)應(yīng)尺度下的土壤屬性空間分布特征。隨著越來(lái)越多土壤屬性引入研究，進(jìn)一步證實(shí)土壤屬性的某些空間分布特征僅在相應(yīng)的采樣尺度下體現(xiàn)（徐英等 2004）。所以，以此來(lái)分析不同采樣尺度下土壤屬性的空間變異性，剖析研究區(qū)域中土壤空間分布特征與采樣尺度間的聯(lián)系，探尋不同尺度下土壤屬性空間變異的主導(dǎo)性因素，進(jìn)而為劃分研究區(qū)域的土壤類(lèi)別、精確模擬土壤過(guò)程以及最終建立精確的土壤屬性預(yù)測(cè)模型提供依據(jù)。同時(shí)，近年來(lái)，遙感(Remote sensing，RS)技術(shù)的發(fā)展使得地物近紅外光譜分析技術(shù)得到進(jìn)一步的實(shí)踐。通過(guò)對(duì)區(qū)域的土壤采樣并實(shí)測(cè)，分析土壤理化性質(zhì)與土壤光譜反射曲線的關(guān)系并擬合兩者對(duì)應(yīng)參數(shù)構(gòu)建模型，能夠在具有一定代表性的研究區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤理化性質(zhì)的預(yù)測(cè)估值，進(jìn)而簡(jiǎn)化人力，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、低投入、直觀地掌握相關(guān)區(qū)域土壤特性參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換模式。
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究概況
國(guó)外土壤理化性質(zhì)空間變異性研究開(kāi)始于 20 世紀(jì) 70 年代，之后，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)，時(shí)序分析法、分形方法、頻譜分析法、隨機(jī)模擬法、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及 3S 技術(shù)等方法的引入及互相融合，極大地豐富了土壤理化性質(zhì)空間變異性的研究手段（肖朝明等  2004）。我國(guó)的土壤理化性質(zhì)空間變異研究開(kāi)始于 20 世紀(jì) 80 年代（唐惠麗等  2010），研究主要以空間大小尺度上各性狀土壤屬性的變異性為主。隨后，一系列新的空間研究方法及 3S技術(shù)的融合發(fā)展，使得土壤理化性質(zhì)的空間變異性研究在我國(guó)得到了深入實(shí)踐。 土壤水分空間變異研究中，Entin  等（2000）通過(guò)多采樣尺度分析了導(dǎo)致土壤水分空間變異的主導(dǎo)因素，結(jié)果表明小尺度上的主導(dǎo)因素為土壤類(lèi)型、地形和植被，而大尺度上是降雨和地表蒸發(fā)。Penna（2009）探究了土壤水分空間變異程度與地形、地質(zhì)因素之間的相關(guān)關(guān)系，研究表明坡度和地形濕度指數(shù)對(duì)土壤水分空間分布的預(yù)測(cè)效果較其他地形、地質(zhì)因素更好，并以此結(jié)論建立了山坡尺度下最適土壤水動(dòng)力模型。Brocca 等（2012）分析了流域尺度下土壤水分的空間變異性，認(rèn)為低分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于中小型流域土壤水分空間變異特征研究。徐英等（2004）研究分析了黃河河套平原地區(qū)中小尺度下土壤水分的空間變異特征，研究表明區(qū)域中采樣尺度與水分的空間變異程度密切相關(guān)。郭德亮等（2013）在黑河中游綠洲重點(diǎn)分析了戈壁、林地、農(nóng)地三種景觀地區(qū)的表層土壤水分空間變異特征，結(jié)果表明，盡管景觀因素不同，但變異程度大致相近。 土壤鹽分空間變異研究中，因?yàn)楹}量的直接測(cè)量往往耗費(fèi)大量時(shí)力，而土壤電導(dǎo)率(EC)與含鹽量有較好的正相關(guān)關(guān)系且易于測(cè)量（蔡阿興等  1997），國(guó)內(nèi)外研究往往通過(guò) EC 來(lái)表示含鹽量（Al-Omran et al. 2013；Stadler  等 2014；Behera and Shukla 2014）。以往研究針對(duì) EC 在不同研究尺度及不同深度進(jìn)行了一系列研究，研究表明 EC 在空間上隨尺度或深度變化呈中等變異或強(qiáng)變異，且尺度的擴(kuò)大往往使得變異程度提高（李敏等 2009；古麗娜·爾托合提等 2011）。此外，不同的地下水位、灌溉方式、地形及地貌因素對(duì)土壤鹽分的空間變異也存在一定的影響（Cemek 等 2007）。 
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第二章  黑河上游土壤有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率空間分布研究 

本研究主要圍繞黑河上游土壤的 SOC、EC 分布規(guī)律，對(duì)流域尺度采樣獲得的土樣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析。研究基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法并結(jié)合相應(yīng)的研究工具，對(duì)樣點(diǎn)的實(shí)測(cè) SOC、EC 數(shù)據(jù)進(jìn)行插值預(yù)測(cè)，在流域尺度上綜合分析不同植被類(lèi)型、地形與地貌要素對(duì)分布規(guī)律的影響，為區(qū)域的 SOC、EC 的預(yù)測(cè)提供參考。 

2.1  料與方法 
采樣區(qū)在黑河流域上游，經(jīng)緯度范圍分別為37.7°~42.7°N和97.1°~102.0°E。年平均降雨量300~700mm，海拔1700~5066m，具有顯著的垂直地帶特性，主要景觀為冰川、草原、林地、河灘與荒地（Qin等  2013）。 在充分考慮到不同植被要素（林地、灌木、草地  、裸土等）與地形要素（河流、戈壁、沙地等）的前提下，排除人為因素干擾嚴(yán)重及難以實(shí)現(xiàn)采樣的冰川、裸巖覆蓋區(qū)域，均勻地在流域上游布置采樣點(diǎn)共計(jì)181個(gè)，其中定位點(diǎn)22個(gè)，在相應(yīng)的點(diǎn)需要加大密度測(cè)定相應(yīng)屬性，隨機(jī)點(diǎn)159個(gè)，采樣深度0～15cm，詳細(xì)樣點(diǎn)布置與黑河上游植被、地形要素分布情況見(jiàn)圖2-1。其中，定位點(diǎn)除對(duì)應(yīng)坐標(biāo)取樣以外，另在周?chē)蠹s3km距離設(shè)置兩個(gè)隨機(jī)樣點(diǎn)取樣，加大取樣密度獲取更豐富的土壤信息，共計(jì)獲得表層土樣225個(gè)。采得的土樣經(jīng)自封袋封裝后帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干、碾磨、過(guò)2mm篩后備用。 
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2.2  結(jié)果與分析 
利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分別研究黑河流域上游土壤 SOC 與 EC 的空間分布特征。探討不同植被覆蓋類(lèi)型、地形地貌因素對(duì)兩土壤屬性分布規(guī)律的影響。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析土壤理化性質(zhì)，利用激光粒度儀獲得土壤顆粒組成（Peng等 2015），根據(jù)國(guó)際制質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在225個(gè)土樣中，有粘壤土77個(gè)，壤土78個(gè)，砂壤土21個(gè)，砂土、輕粘土、粉粘土、粉粘壤土、粉壤土共計(jì)49個(gè)。考慮到后續(xù)分析過(guò)程中，如果將定位點(diǎn)周?chē)S機(jī)樣點(diǎn)加入研究，將使得該研究整體的尺度不統(tǒng)一，故僅考慮181個(gè)樣點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的土樣。采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定了SOC（鮑士旦  2000；Palacios-Orueta和Ustin  1988），通過(guò)DDB-303A型電導(dǎo)率儀測(cè)得EC（蔡阿興等  1997）將測(cè)得的SOC、EC數(shù)據(jù)經(jīng)IBM SPSS 22統(tǒng)計(jì)分析，得到兩屬性的統(tǒng)計(jì)特征值表見(jiàn)表2-1。 
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第三章  黑河上游農(nóng)田土壤理化性質(zhì)空間變異性研究 ........ 17 
3.1   材料與方法 ..... 17 
3.2   結(jié)果與分析 ..... 18 
3.3   小結(jié) ......... 24 
第四章  偏最小二乘回歸方法提取土壤質(zhì)量單項(xiàng)指標(biāo)初探 ........ 25 
4.1   材料與方法 ..... 25 
4.1.1   樣品采集與土壤屬性參數(shù)測(cè)定 .... 25 
4.1.2   偏最小二乘回歸方法提取土壤質(zhì)量單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)原理 .... 25 
4.1.3 數(shù)據(jù)處理 ........... 26 
4.2   結(jié)果與分析 ..... 26 
4.2.1   土壤理化性質(zhì)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析 .... 26 
4.2.2   土壤含水率(Y)與其它指標(biāo)(X)的偏最小二乘回歸分析 ...... 26 
4.2.3   土壤電導(dǎo)率(Y)與其它指標(biāo)(X)的偏最小二乘回歸分析 ...... 29 
4.2.4   整體土壤指標(biāo)間的偏最小二乘回歸分析 .... 31 
4.2.5   討論 ........ 31 
4.3   小結(jié) ......... 32 
第五章  基于光譜反射率的土壤有機(jī)質(zhì)建模及方法比較 .... 33 
5.1 材料與方法 ........ 33
5.2 建模與驗(yàn)證原理 ........ 34
5.3  結(jié)果與分析 ....... 35 
5.4  小結(jié) ........... 40 

第五章  基于光譜反射率的土壤有機(jī)質(zhì)建模及方法比較 

已有 SOC 的光譜預(yù)測(cè)模型其適用性受建模樣本的采樣尺度、土壤類(lèi)型及光譜參數(shù)限制，需要在大尺度及范圍上進(jìn)一步檢驗(yàn)適用性，并比較分析不同建模方法的建模效果以尋求適用性更好、精度更高的定量模型。本文圍繞黑河上游 SOC 的光譜預(yù)測(cè)問(wèn)題，擬在測(cè)得 SOC 和光譜反射率的基礎(chǔ)上，分別采用 PLSR 方法和逐步線性回歸（SLR）方法建立 SOC 的光譜反射率模型，并對(duì)比兩種方法所得模型的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)能力，得到SOC 的光譜反射率預(yù)測(cè)最適模型，并與以往成果（劉嬌等  2013）進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)已有模型在擴(kuò)大采樣尺度后的適用性，以期為大尺度 SOC 的光譜預(yù)測(cè)提供更多參考。

5.1 材料與方法 

黑河流域上游經(jīng)緯度范圍分別為 37.7°~42.7°N 和 97.1°~102.0°E。年平均降雨量300~700mm，海拔 1700~5066m，具有顯著的垂直地帶特性，主要景觀為冰川、草原、林地河灘與荒地（Qin 等  2013）。因?yàn)槠钸B山脈黑河段沿西北-東南方向貫通黑河流域上游，路徑中包含豐富的土壤屬性變異信息。因此，采樣工作從肅南裕固族自治縣出發(fā)沿祁連山脈山脊線往山丹縣方向以大約 3km 為間隔采樣，期間在祁連山黑河谷地、民樂(lè)縣扁都口、山丹縣軍馬場(chǎng)、張掖市大野口與康勒草原等不同景觀地域加大密度集中采樣，取樣深度范圍 0~10cm，相應(yīng)的取樣布置圖如圖 2-1 所示，共采集 225 個(gè)樣品。采回的土樣經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干、碾磨、過(guò) 2mm 篩后備用。 通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析土壤理化性質(zhì)，利用激光粒度儀獲得土壤顆粒組成（譚曉慧等 2011），根據(jù)國(guó)際制質(zhì)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在 225 個(gè)土樣中，有粘壤土 77 個(gè)，壤土 78 個(gè)，砂壤土 21 個(gè)，砂土、輕粘土、粉粘土、粉粘壤土、粉壤土共計(jì) 49 個(gè)。采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定了 SOC（鮑士旦  2000）。將 225 個(gè)土樣的 SOC 數(shù)據(jù)按照從小到大排序，從第三個(gè)樣品開(kāi)始，每隔 4 個(gè)土壤樣品抽取 1 個(gè)，歸入驗(yàn)證集，剩余土壤樣品歸入到建模集。得到 180 個(gè)樣品（占總體的 80%）成為建模集，45 個(gè)樣品（占總體的 20%）成為驗(yàn)證集，總體、建模及驗(yàn)證樣本統(tǒng)計(jì)特征如表 5-1 所示。 

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結(jié)論 

本研究分為兩部分：不同觀測(cè)尺度下土壤理化性質(zhì)的空間變異研究；不同觀測(cè)尺度下基于回歸方法建立適宜的土壤理化性質(zhì)觀測(cè)模型。具體結(jié)論如下： 
（1）流域尺度研究中，黑河上游SOC與EC在使用半方差函數(shù)擬合模型時(shí)，其最優(yōu)模型的塊基比都介于0.25～0.75，表明SOC與EC在黑河上游的空間變異由本身和人為因素協(xié)同作用導(dǎo)致。此外，EC的變程明顯小于SOC，表明本研究區(qū)域中樣點(diǎn)間的SOC相較EC相關(guān)性更強(qiáng)，相應(yīng)的插值預(yù)測(cè)精度較SOC也更低。
（2）綜合分析流域尺度下黑河上游 SOC 與 EC 的克里格插值預(yù)測(cè)圖，在高覆蓋度草地、林場(chǎng)、耕作區(qū)密集區(qū)域，SOC 高而 EC 低且兩者呈現(xiàn)直觀的負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其是在高覆蓋草地密集區(qū)域，這一現(xiàn)象最為明顯。 
（3）農(nóng)田尺度土壤屬性分為 A 層（0~15cm）、B 層（15～30cm）的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析與地統(tǒng)計(jì)分析 結(jié) 果表明 ：研究 區(qū)域中 土壤各屬性 的變異程度大小 關(guān)系統(tǒng)一為Ks>EC>θ>SA>CL>SI；地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究中發(fā)現(xiàn)除 B 層 EC、A 層土壤 Ks 分別適用高斯和球狀模型，其余土壤屬性在 A、B 層都適用指數(shù)模型。此外，土壤 θ 與 EC 都表現(xiàn)為B 層變異系數(shù)大于 A 層，而顆粒組成在 A、B 層上的變異系數(shù)大小關(guān)系與之相反。 （4）農(nóng)田尺度土壤屬性的多重分形及聯(lián)合多重分形分析結(jié)果表明：土壤 θ、EC 各自在其相鄰?fù)翆泳哂袕?fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，其他屬性在相臨土層相互作用簡(jiǎn)單。此外，同一土壤屬性在 A、B 層之間存在不同程度的正相關(guān)性，尤其是 SI、θ 表現(xiàn)為最強(qiáng)空間關(guān)聯(lián)性，其相關(guān)系數(shù)分別為 0.914 和 0.874；土壤屬性奇異指數(shù)間的相關(guān)性分析表明，土壤顆粒組成或者 θ 與除 EC 以外的其它屬性在 A 層的相關(guān)性明顯好于 B 層。根據(jù)聯(lián)合多重分形分析，可知 EC 與顆粒組成相關(guān)性強(qiáng)弱在不同土層間不一定保持一致的大小關(guān)系，同時(shí)，EC 與 θ 的情況也是如此。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：86181