山地丘陵区耕地土壤养分数字化制图研究

发布时间：2018-03-07 06:16

本文选题：数字化土壤制图　切入点：地理加权回归　出处：《西南大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：土壤养分在陆地生态系统中扮演着重要的角色,准确了解土壤养分的空间分布对提高土壤肥力、生态模拟、环境预测、精准农业以及土地利用规划方面有着重要的作用。以往土壤养分空间分布研究依赖传统土壤制图法,这种方法不仅费时、费力、过于依赖经验知识,且无法表达土壤养分的连续性和渐变性、无法提供充分的信息以满足现代精准农业、生态模拟等应用的要求,因此,寻找更精准、高效的方法量化土壤养分的空间变化显得尤为重要。数字化土壤制图是依据环境变量和预测算法对土壤养分进行定量化预测的一种方法,能够克服传统土壤制图存在的缺点。本文以重庆市江津区为研究区域,分析了植被、气候、地形、土壤类型等环境变量对研究区耕地土壤养分空间变化的影响规律。并且以pH、有机质、碱解氮、有效磷、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌含量为目标变量,以植被指数(NDVI)、气候因子、地形因子、土壤类型(ST)和土地利用类型(LU)为辅助变量,运用多元线性回归、地理加权回归、支持向量机回归、梯度提升决策树、随机森林和随机森林回归克里格6种方法构建融合定量和定性辅助变量的预测模型,最后选择最优预测模型对土壤养分的含量进行空间制图。主要研究结果如下:(1)土壤pH值的变化范围为3.6~8.5,有机质、碱解氮和有效磷含量整体上处于中等水平,有效铁、有效锰、有效铜和有效锌含量整体上处于丰富或极丰富的水平,土壤养分均具有中等或强烈变异性。(2)土壤养分与植被、气候和地形密切相关。pH、有机质、有效锰、有效铜和有效锌与植被指数(NDVI)均存在显著相关性,而碱解氮、有效磷和有效铁与植被指数的相关性不显著;pH、有机质、碱解氮、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌与气候因子之间均存在显著相关性,而有效磷与气候因子之间的相关性不显著;所有土壤养分与地形因子之间均存在显著相关性。土壤微量元素与土壤pH、有机质、碱解氮和有效磷的含量关系密切。土壤微量元素与土壤pH呈显著负相关,与有机质、碱解氮呈显著正相关;有效铁、有效锰和有效铜与有效磷呈显著负相关,而有效锌与有效磷呈显著正相关。土壤类型和土地利用类型对土壤养分的含量存在显著影响(p0.05)。就土壤类型而言,pH在石灰性紫色土中均值最高为6.23;有机质在淹育水稻土中均值最高为19.35 g/kg;碱解氮、有效铁和有效锰在潴育水稻土中均值最高,分别为104.70 mg/kg、95.77 mg/kg、88.45 mg/kg;有效磷、有效铜在黄壤中均值最高,分别为13.38 mg/kg、1.88 mg/kg;有效锌在酸性紫色土中均值最高为4.77 mg/kg。就土地利用类型而言,pH在园地土壤中均值最高为5.90,有机质、碱解氮、有效铁、有效锰、有效铜和有效锌在水田土壤中均值最高,分别为18.84g/kg、105.10mg/kg、101.19mg/kg、81.45mg/kg、1.50mg/kg、3.40mg/kg,有效磷在旱地土壤中均值最高为11.26mg/kg。(3)以植被指数、气候因子、地形因子、土壤类型和土地利用类型为辅助变量,利用逐步回归方法构建土壤养分的回归方程,确定最优环境变量组合。在所有土壤养分的回归方程中,土壤类型进入了所有土壤养分的回归方程,土地利用类型进入了除有效铜外的土壤养分回归方程,植被指数和气候因子进入了pH、有机质、有效铜和有效锌的回归方程中,地形因子进入了所有土壤养分的回归方程中,pH进入了所有土壤微量元素的回归方程中,有机质进入了有效锰、有效铜和有效锌的回归方程中。由此可知,土壤类型、土地利用类型和地形对土壤养分含量的影响具有广泛性,pH和有机质对土壤微量元素的含量变化影响较大。(4)利用逐步回归所得的最优环境变量组合构建土壤养分的地理加权回归、支持向量机、梯度提升决策树、随机森林和随机森林克里格预测模型,并检验6种预测模型的精度。结果表明,在同一研究区域,不同土壤养分适用的预测模型存在差异,pH、有效磷、有效锰、有效铜和有效锌含量的预测建模中,随机森林回归克里格方法预测精度最高;而在有机质、碱解氮和有效铁含量的预测建模中,梯度提升回归模型的预测精度最高。利用最优预测模型对研究区耕地土壤养分含量进行了空间制图,得到了精度较高的土壤养分空间分布图,为农业生产提供了理论支撑。(5)通过预测模型计算环境变量的相对重要性,结果表明,对pH值影响最重要的三个因素分别为土壤类型、高程(ELE)和年降水量(Prec);对有机质含量影响最重要的三个因素分别为距河网的高差(CNBL)、土地利用类型和坡度(Slope);对碱解氮含量影响最大的三个因素分别是距河网的高差、坡度和沟谷深度(VD);对有效磷含量影响最大的三个因素分别为坡度、土地利用类型和相对坡位指数(RSP);对有效铁含量影响最大的三个因素分别为pH、土地利用类型和土壤类型;对有效锰含量影响最大的三个因素分别为pH、坡度和土壤类型;对有效铜含量影响最大的三个因素分别为有机质、土壤类型和年降水量;对有效锌含量影响最大的三个因素分别为pH、植被指数和坡度。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S159.9

【参考文献】