基于空间回归模型的土壤有机质区域分布特征研究

摘要

平原丘陵过渡带属于生态交错带，其土壤有机质在陆地生态系统中的积累变化对土壤生产力及全球气候变化的影响日益受到关注。研究土壤有机质的空间分布特征，对于获取精确的土壤养分信息，理解陆地生态系统碳收支平衡具有重要的理论和现实意义。土壤有机质具有较强的空间依赖性和异质性，其空间格局同时受到气候、地形、成土母质、土壤类型、土地利用等诸多环境因素的影响，运用空间回归模型进行土壤有机质空间分布特征的研究是促进资源环境信息定量化、自动化管理的重要途径。
　　为提高土壤有机质空间分布预测的精度，本文以土壤-景观模型的相关方法和理论为基础，以空间统计及地统计模型为工具，研究了平原丘陵过渡带土壤有机质的空间特征，预测了土壤有机质的空间分布，明确了土壤类型和土地利用程度的作用范围，主要结果如下:
　　1.分析了平缓地区和丘陵山地及过渡条带等局部土壤有机质的空间聚集性，土壤有机质在平原丘陵间的核心过渡带上具有显著的“高-低”、“低-高”聚集现象，能表征环境梯度的转换特征。比较了空间自回归模型和地理加权回归模型预测土壤有机质空间分布的特点和能力，两者的残差均存在较弱的空间自相关，但地理加权回归模型的残差更小，地理加权回归模型残差在800m处已基本不存在空间自相关，而空间自回归模型残差至1km处仍有微弱自相关，所有模型的残差均在5km处无自相关。
　　2.以地形因子为辅助变量，构建了回归克里格和地理加权回归克里格模型。(1)全域范围内土壤有机质变化范围为3.80～69.40g/kg，变异系数为39.59％，属中等程度变异。(2)回归和地理加权回归克里格模型的插值精度分别较普通克里格模型提高25.84％和27.61％，两者估计的土壤有机质的变化范围均小于实测范围，平原丘陵间的核心过渡带有明显的有机质积累。(3)在残差存在空间自相关的情况下，地理加权回归克里格模型生成的土壤有机质空间分布图斑更加破碎，细节更加丰富。
　　3.定量化了土壤类型间差异信息和土地利用程度信息，土壤有机质与两者均存在显著相关性，土壤有机质在不同土壤类型中具有不同的变异程度，土地利用程度在平缓地区具有显著的“高-高”聚集现象。通过构建地理加权回归模型，明确了土壤类型和土地利用程度作为土壤有机质空间变异主导因子的作用范围，土壤类型在全局范围内具有主导性，土地利用程度在平缓地区具有较高主导性。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土壤景观定量模型研究现状

1．2．2 土壤有机质空间回归模型研究现状

1．3 研究目的、内容和技术路线

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

2 研究区概况和数据准备

2．1 研究区概况

2．2 数据准备

2．2．1 样品采集与分析

2．2．2 环境要素数据的获取

2．3 探索性空间数据分析

2．3．1 异常值处理

2．3．2 正态分布检验与数据转换

2．3．3 相关性分析

3 研究理论基础与方法

3．1 土壤-景观关系

3．1．1 土壤-景观定量模型

3．1．2 土壤与环境要素的协同关系

3．2 空间依赖性分析

3．3 空间异质性分析

3．4 空间自回归模型

3．5 空间线性回归模型

3．5．1 多元线性回归模型

3．5．2 普通克里格模型

3．5．3 回归克里格模型

3．5．4 地理加权回归模型

3．5．5 地理加权回归克里格模型

3．6 模型质量评价

3．6．1 评价方法

3．6．2 评价指数

4 土壤有机质的空间特性研究

4．1 相关性分析结果

4．2 土壤有机质及环境因子的描述性统计特征

4．3 土壤有机质空间自相关分析结果

4．4 土壤有机质空间异质性分析结果

4．5 空间回归模型的拟合及精度评价

4．5．1 多元线性回归模型拟合

4．5．2 空间自回归模型拟合

4．5．3 地理加权回归模型拟合

4．5．4 模型质量评价

4．6 土壤有机质空间异质性的空间回归模型讨论

4．6．1 不同空间回归模型处理土壤有机质空间异质性的特点

4．6．2 环境梯度差异对土壤有机质空间回归模型预测的影响

4．7 小结

5 空间回归克里格模型构建与土壤有机质分布预测

5．1 相关性分析结果

5．2 描述性统计特征

5．3 空间回归模型构建

5．3．1 土壤有机质与环境因子多元回归分析

5．3．2 回归及地理加权回归克里格模型构建

5．4 土壤有机质的空间分布

5．5 精度评价

5．6 地形因子的影响

5．7 小结

6 土地利用程度和土壤类型对土壤有机质空间分布的影响

6．1 土地利用程度综合指数和土壤类型变异信息的提取

6．2 空间回归模型的构建

6．2．1 不同土壤类型有机质含量的描述性统计特征

6．2．2 相关性分析与模型构建

6．2．3 土壤有机质及其预测残差的半方差分析

6．3 精度评价

6．4 土壤类型与土地利用类型的影响

6．5 小结

7 结论与展望

7．1 研究结论

7．2 研究展望

参考文献

作者简历

在读期间发表与课题有关的研究论文

致谢