不同尺度农田土壤有机质和全氮空间变异及三维模拟研究

摘要

我国是人口大国，粮食供需紧张，提高农田肥力是粮食增产的重要途径，有机质和全氮是土壤的重要组成部分，能够反映土壤肥力的高低，与农作物的产量密切相关，因此，研究土壤有机质和全氮的空间变异规律并掌握其分布状况是合理施肥、培肥土壤的基础，对实现农田土壤可持续发展具有重要意义。
　　论文以河南省新郑市（县级市）为研究区域，通过野外调查、室内分析，采用经典统计学和地统计学等理论与方法，结合 GIS技术，研究新郑市耕层土壤有机质空间变异特征；同时改变采样幅度和粒度，以此来表示空间尺度的变化，从而进一步探讨县、乡、村三个尺度下土壤有机质空间变异的尺度效应以及多尺度信息套合的方法；仅改变采样幅度，研究县域内乡镇和行政村尺度下土壤全氮空间变异特征，以及全氮变异性与样本量的关系；基于二维空间中土壤有机质和全氮变异性研究，探讨有机质和全氮三维空间分布特征的模拟，以期为区域农田土壤养分精准管理、土壤采样设计、土壤资源的可持续利用以及农业可持续发展提供理论基础和实践依据。主要研究成果如下：
　　（1）土壤有机质空间变异特征
　　应用地统计学方法研究土壤有机质的空间结构特征，结果表明，新郑市耕层土壤有机质具有中等强度的空间变异性（变异系数为31.71％）和空间相关性（块金系数为63.77%），其空间变异是由结构性因素（母质、地形、气候等）和随机性因素（耕作、施肥、灌溉等）共同作用的。经方差分析，土壤类型、土壤质地和地下水埋深是影响土壤有机质空间分布的重要因素。
　　（2）土壤有机质空间尺度效应及多尺度套合
　　应用地统计学方法探讨县、乡、村三个尺度下土壤有机质的空间变异结构，结果表明，新郑市土壤有机质的空间结构对采样尺度具有依赖性，单一尺度研究无法对其空间变异规律进行深入分析。在地统计学套合结构理论基础上，将各向异性条件下县级和乡级尺度不同方向上有机质的套合结构与各向同性条件下村级尺度有机质的空间结构进行多尺度套合，构建有机质的多尺度套合模型。经I值检验，多尺度套合模型法的空间插值精度明显高于单一尺度的普通克里格法（I值0.48<3.31）。采用多尺度套合模型法对土壤有机质含量进行空间估值，其拟合的空间分布规律与普通克里格插值拟合的县级尺度分布规律基本一致，但其对乡级和村级尺度的空间变异性表达的更为详细，能有效揭示土壤有机质的空间变异规律。
　　（3）不同尺度土壤全氮空间变异特征
　　采用经典统计学方法探讨县域范围内乡镇和行政村尺度下土壤全氮空间变异性，结果表明，土壤全氮在乡镇尺度下的变异（13.95%~24.05%）低于行政村尺度（2.63%~26.25%），按乡镇尺度进行采样的可靠性比村级尺度高。借助多元线性回归模型量化全氮变异性与样本量的关系，结果表明，研究大尺度所需采样量比小尺度少，从县域土壤全氮计量来说，以乡镇为基本统计单元，合理采样数在1000个以上，以行政村为统计单元，需要2000个以上的样本量。
　　（4）土壤有机质和全氮三维空间分布特征
　　采用三维克里格插值法和三维反距离加权插值法对不同深度土层（0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm）土壤有机质和全氮含量的空间分布进行三维模拟，实现了以三维图形图像方式直观揭示土壤养分的三维空间分布特征，直观展示土壤养分空间分布与所处自然地理环境的关系，可以同时获取有机质和全氮含量在水平和垂直方向的空间分布信息，直观的描述任意土体切面的土壤养分含量分布。利用交叉验证法评价克里格插值模型和反距离加权插值模型的预测精度，结果表明，通过三维克里格方法得到的有机质插值结果的预测精度高于反距离加权法（均方根预测误差2.3078<2.4720，平均预测误差0.0295<0.1273），全氮亦然，三维克里格插值法更能真实反映土壤养分的三维空间分布特征。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 目前存在的问题

1.4 研究目标与内容

1.5 技术路线

1.6 论文章节安排

2 研究理论与方法

2.1 经典统计学方法

2.2 地统计学方法

3 研究区概况

3.1 地理位置与行政区划

3.2 农业自然资源条件

3.3 土地资源

3.4 农业生产概况

4 土壤有机质空间变异研究

4.1 样品采集与测定

4.2 数据处理与统计分析

4.3 土壤有机质空间变异特征

4.4 本章小结

5 土壤有机质空间变异的尺度效应及套合研究

5.1 尺度划分

5.2 数据处理与统计分析

5.3 土壤有机质空间尺度效应及套合分析

5.4 本章小结

6 不同尺度土壤全氮空间变异研究

6.1 样品采集与测定

6.2 数据处理与统计分析

6.3 不同尺度土壤全氮空间变异特征

6.4 本章小结

7 土壤有机质和全氮三维空间分布模拟

7.1 样品采集与测定

7.2 数据处理与统计分析

7.3 土壤有机质和全氮三维空间分布特征

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 研究展望

参考文献

作者简历

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