丘陵山区农田土壤有机碳密度影响因素与制图研究

摘要

土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中最大的碳库之一，对全球气候和农业有非常重要的影响。作为评价土壤质量的一个重要指标，土壤有机碳可以维持土壤良好的物理结构、土壤稳定性、和土壤生物多样性。自然和人为的干扰对土壤有机碳的分布和储量有着重要影响，而且影响的关系随着不同研究尺度而变化。在不同地理环境和地形地貌上，土壤有机碳影响因素和空间分布也有所不同。
　　本文以多山丘陵地区农田土壤为研究对象，研究区域选在重庆江津区，借助数字地形分析方法，地理信息系统，计算机技术，应用经典统计学方法和机器学习方法全面系统地探讨了土壤类型，土地利用类型，地形因子对土壤有机碳密度的影响和作用机理。分类探讨了影响因子对研究区不同土壤类型的影响。将分类决策树，支持向量机，梯度提升回归树和随机森林应用到土壤有机碳密度预测分析中，并比较四种方法的预测精度，应用最佳预测方法完成影响因子的相对重要性分析和土壤有机碳密度制图。得到以下结论：
　　(1)研究区农用地0-20cm土壤有机碳密度的变化范围为0.45 kg/m2-6.18 kg/m2，变异系数为39.8％，属于中等程度变异，平均值为2.64 kg/m2。通过预测得出研究区的农田土壤有机碳密度的最大值为3.92 kg/m2，最小值为1.03 kg/m2，均值为2.74kg/m2，低于全国土壤有机碳密度(3.0kg/m2)。
　　(2)研究区土壤类型包括水稻土、冲积土、紫色土和黄壤土四类。不同土壤类型的土壤有机碳密度平均值大小不同，水稻土有机碳密度（2.68 kg/m2）最高，其次为黄壤有机碳密度（2.53 kg/m2），紫色土有机碳密度（2.21kg/m2）最低。
　　(3)研究区农用地的土地利用类型主要有水田、旱地、果园、其他园地四中类型中，水田（3.17 kg/m2）的土壤有机碳密度最高，其次为果园（2.53 kg/m2），其他园地（2.13 kg/m2）的土壤有机碳密度最低。
　　(4)研究区的坡位分为六种：山脊、上坡、中坡、平坡、下坡和沟谷。土壤样点在具体坡位的分布情况为中间坡位(中坡和平坡)分布最多，沟谷中分布最少。在所有影响因子中坡位对有机碳密度的相对重要性程度为中等，其中坡位对水稻土有机碳的影响程度最大，对冲积土的有机碳密度影响程度最小。
　　(5)本研究中，相关分析得出的土壤有机碳密度与地形因子的相关关系与随机森林得出的地形因子对有机碳密度的影响关系走势大致相同，但是地形因子在不同的区间对土壤有机碳密度的影响程度和局部趋势有所变化。土壤有机碳密度与地形因子均呈及显著相关关系((p<0.01)。海拔，SAGA湿度指数，谷底平坦综合指数对土壤有机碳密度的影响程度较大且为正相关关系。沟谷网络垂直距离，坡向对土壤有机碳密度的影响程度极小。
　　(6)通过建立预测模型，并进行影响因子重要性排序，影响土壤有机碳密度因子重要性排序前三为：土壤类型、土地利用类型、海拔；水稻土有机碳密度影响因子的重要性排序前三的为：SAGA湿度指数、沟谷深度、坡长坡度因子；紫色土有机碳密度影响因子重要性排序前三为：土地利用类型、SAGA湿度指数、谷底平坦综合指数；黄壤有机碳密度影响因子重要性排序前三的为：土地利用类型、谷底平坦综合指数、SAGA湿度指数；冲积土有机碳密度影响因子重要性排序前三的为：SAGA湿度指数、沟谷深度、谷底平坦综合指数。土壤类型对土壤有机碳密度的影响程度最大，影响因素的相对重要性在不同土壤类型中不同。土地利用类型对紫色土和黄壤土有机碳密度重要影响程度最大，SAGA湿度指数对水稻土和冲积土有机碳密度影响程度最大。土地利用类型对冲积土土壤有机碳密度的几乎没有影响。
　　(7)在本研究中，比较随机森林，梯度提升回归树，支持向量回归和回归树四种土壤有机碳密度预测模型精度，结果表明，对全区土壤有机碳密度而言，随机森林的预测精度最高，在水稻土和紫色土有机碳密度预测模型中，随机森林的预测精度明显高于其他三种预测模型，在黄壤和冲积土有机碳密度预测模型中，回归树的预测模型精度最高。
　　(8)应用随机森林得到研究区的农田土壤有机碳密度的分布图，由图可知土壤有机碳密度的变化趋势大致与研究区的地形变化和土壤分布趋势大致相同。土壤有机碳密度的高值区主要分布在沿江的西北部分和地形两翼之间部分，土壤有机碳密度的低值区主要分布在沿江中部地区和地形尾部东南地区。

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第1章 文献综述

1.1土壤有机碳概述

1.2土壤有机碳影响因子研究现状

1.3土壤有机碳空间预测方法研究

第2章 绪论

2.1研究背景及意义

2.2研究目标

2.3研究内容

2.4技术路线

第3章 材料和方法

3.1研究区概况

3.2数据获取

3.3研究方法

第4章 结果与分析

4.1描述性统计分析

4.2土壤有机碳与地形因子的相关性分析

4.3土壤有机碳的预测模型建立及选择

4.4地形对不同土壤类型有机碳密度的影响

4.5研究区农田土壤有机碳密度预测图

第5章 结论

5.1 主要结论

5.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果