海南岛土壤有机质时空变异特征及驱动因素研究

摘要

土壤有机质(SOM)含量是评价土壤肥力和土壤碳库的重要指标。由于复杂的成土过程及人类活动的影响，一方面，SOM通常存在较强的空间变异性。另一方面，各地研究也显示出不同地区SOM时空变异的差异。目前对海南岛SOM空间变异特征的描述多采用地统计学方法，而结合土地利用类型、土壤类型等信息对不同模型（如地统计学模型、机器学习方法）的模拟结果进行对比，从而选出适合该区SOM含量空间变异模型的研究相对较少。我国目前关于SOM时空变异研究多集中在处于农业主产区的温带和亚热带地区，而对于海南岛这样的热带地区则仅涉及一、两类农田，对时空变异驱动因素的研究也不全面。　　因此，本文以海南岛为研究区域，采用普通克里格(OK)、回归克里格(RK)和随机森林模型(RF)三种方法，结合地形因子、归一化植被指数、土地利用类型和土壤类型等辅助变量对该区2012年128个样点0～5、0～20、20～40、40～60cm四个土层SOM含量的空间分布规律进行预测，并以32个验证点进行精度评价，选择适合该区不同土层最优拟合模型;通过实地采样数据(2012年)与历史数据(1980s)对比，结合农业统计数据，研究该区SOM时空变异特征及其驱动因素，从而为地处热带、较大区域尺度地形复杂区SOM空间预测制图模型的选取及该区农业种植结构调整提供参考依据。所得结论如下:　　(1)0～5、0～20和20～40cm土层的最优拟合模型均为RF，而40～60cm土层的最优拟合模型为OK;RK和RF较OK能更好地描述SOM含量局部变异的细节信息;　　(2)2012年四个土层SOM含量整体呈现出西南、东北高，西部、东南沿海地区低的空间分布趋势;　　(3)时隔近30年，全岛0～20cm土层SOM含量整体呈减少趋势，2012年SOM含量较1980s减少了4.68g kg-1，减少22.75％。其中水田减少最为明显，减少了6.42g kg-1，减少27.34％;其次为园地，减少了2.65g kg-1，减少14.25％;而旱地减少量最小，为1.28g kg-1，减少8.84％;　　(4)SOM含量呈下降趋势的面积占全岛的60.23％,下降幅度在-5～-10和-5～-1g kg-1范围内，主要分布在海南岛除东部、东北部以外大部分地区;SOM含量呈上升趋势的面积占全岛的19.47％，增加幅度在1～5和5～10g kg-1范围内，主要分布在海南岛东北部和东部沿海地区;SOM含量变化在-1～1gkg-1之间，即基本保持不变的面积占全岛的11.30％，在岛内各地均有分布;　　(5)水稻连作改为稻菜轮作（水田连作改为水旱轮作），林地开垦为园地、土地利用强度加大是造成海南岛SOM含量下降的主要原因。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 数字土壤属性制图模型研究进展

1．2．1 统计学方法

1．2．2 空间统计学方法

1．2．3 机器学习方法

1．2．4 基于专家知识的方法

1．2．5 研究方法总结

1．3 土壤有机质含量时空变异特征及驱动因素研究进展

1．4 研究目的与研究内容

1．5 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 研究区概况

2．2 数据来源

2．2．1 土壤数据

2．2．2 其它要素数据来源

2．3 模型方法及因子提取方法

2．3．1 普通克里格法

2．3．2 回归克里格法

2．3．3 随机森林模型

2．3．4 因子提取方法

2．4 1980s土壤剖面点定位方法与剖面土层数据处理

2．4．1 1980s土壤剖面土层有机质重新计算

2．4．2 1980s土壤剖面点重定位

2．5 数据处理

2．5．1 数字高程模型的生成

2．5．2 哑变量赋值

2．5．3 异常值处理与验证集的选取

2．5．4 模型精度验证

2．5．5 分析工具

第三章 基于三种预测模型的SOM含量空间分布特征

3．1 普通克里格法预测SOM含量空间分布

3．1．1 不同土层SOM含量的描述性统计分析

3．1．2 基于OK的SOM含量空间分布

3．2 回归克里格法预测SOM含量空间分布

3．2．1 逐步线性回归方程

3．2．2 残差半方差函数模型拟合

3．2．3 基于RK的SOM含量空间分布

3．3 随机森林法预测SOM含量空间分布

3．3．1 RF参数拟合结果

3．3．2 基于RF的SOM含量空间分布

3．4 模型精度验证

3．5 模型讨论

3．6 本章小结

第四章 海南岛两个年代土壤有机质含量时空变异与分析

4．1 1980s、2012年RF参数拟合结果

4．2 1980s、2012年0～20 cm土层SOM含量时空变异特征

4．3 1980s、2012年不同土地利用类型有机质含量变化

4．4 SOM时空变异的驱动因素分析

4．4．1 水田轮作制度变化对SOM时空变异的影响

4．4．2 土地利用方式变化对园地SOM时空变异的影响

4．4．3 土地利用强度变化对SOM时空变异的影响

4．4．4 施肥、作物产量与SOM时空变异的关系

4．5 本章小结

5．1 全文结论

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

作者简历