土壤属性空间变异与灌区排盐空间配置研究

发布时间：2019-05-30 18:49

【摘要】：水资源约束下的银北灌区土壤盐渍化日益严重,虽然前人期望基于土地整治工程措施、化学措施、生物改良解决土壤盐渍化问题,但是盐渍化问题并没有从根本上解决,这主要是因为服务于耕地生产、排盐、生态等多功能的水土资源空间配置出现问题。从水土资源优化配置出发,综合考虑水盐约束条件,通过定量化分析土地整治过程中耕地与排盐地(荒地)的合理配置解决土壤盐渍化问题的研究相对较少。因此,本文围绕上述科学问题,首先基于人工神经网络与地统计学相结合的方法,提出土壤属性高精度预测方法,为区域土壤水盐运动模拟和排盐空间配置提供准确参数;然后,从合理优化灌排设施出发,模拟不同灌排模式对耕地土壤盐分的影响;最后,基于SahysMod模型设计多种耕地与排盐地配置情景,提出土地整治过程中耕地与排盐地优化配置的规模与布局。上述研究结果完善了土壤盐渍化地区在土地整治过程中耕地与排盐地的优化配置理论,对土壤盐渍化的防治具有重要的现实意义。主要研究结果和结论如下:(1)由于普通克立格(ordinarykriging,OK)、回归克立格(regressionkriging,RK)等地统计学方法在预测时没有考虑土壤属性与其环境因素的复杂非线性关系,而人工神经网络在预测时或只考虑环境因素对土壤属性空间变异的影响,忽略观测点与周围样点的空间相关性,或以地理坐标(X、Y)为输入向量,仅考虑空间自相关性,而忽略环境因素对土壤属性的影响。因此,本研究综合考虑土壤属性与环境变量的非线性复杂关系及样点的空间自相关性,采用BP神经网络与克立格相结合的方法(ordinary kriging combined with back-propagation network,OK_BP)预测土壤电导率空间变异。结果表明,OK_BP对土壤电导率预测结果较OK、BP及RK有明显改善,不仅表现于可以描述更多的空间变异细节及局部变化趋势,而且有利于结合不同的环境因素提高预测精度。因此,OK_BP可以作为一种有效且高精度的土壤盐分空间变异预测方法。(2)由于土壤属性与其影响因素存在复杂的非线性关系,即使在相同的研究区域,尤其是在较大的景观异质性区内,这些因素对土壤属性的局部影响也并不相同。然而,以往的研究多是基于土壤属性与其影响因素的简单线性关系提高预测精度,忽略了这些因素对土壤属性在局部区域产生的差异性影响。因此,以土壤有机质为例,综合考虑地形、土壤类型、土壤质地、土地利用类型对其影响,采用自组织特征映射神经网络对这些因素在局部区域产生的影响进行聚类分区,并结合克立格进行预测。结果表明,自组织特征映射神经网络聚类的克立格法(ordinarykriging combined with the clustering of a self-organizing feature maps neural network,KCSOM)能够识别有机质与其影响因素的复杂非线性关系,可以有效地避免预测时高值的低估及低值的高估,进而提高预测精度。同时,通过综合考虑不同因素对局部地区变异的差异性影响,KCSOM在不同的聚类区内及聚类之间可以更好的描述空间变异细节特征。因此,在高景观异质性区内,KSCOM可以作为一种有效且高精度的土壤属性预测方法。值得注意的是,对西大滩土壤电导率空间预测的初步研究表明,KSCOM方法对于小面积、景观同质化区域的土壤属性空间预测精度并没有提高。(3)传统的水盐平衡法将研究区看做一个整体,在建立平衡方程时没有对区域土壤属性存在的空间变异细分。另外,以往的研究较少关注不同灌排管理下土壤水盐在未来的动态变化,因此,本研究综合考虑荒地与耕地土壤属性的空间变异性,利用SahysMod模型探索不同灌排管理模式下区域土壤水盐动态变化。结果表明,加大灌溉水量是解决土壤盐渍化的一个重要途径,可以有效延迟耕地根区土壤盐分累积到障碍水平的时间;在灌溉水电导率为0.6dSm-1情况下,未来十年内耕地都不会受到盐害胁迫;现状灌溉水质条件下,在2024年以后,作物生长就会受到盐渍化胁迫,当灌溉水电导率继续增加时,作物生长受到盐渍化胁迫的时间相应提前;排水沟深度影响耕地土壤盐分水平,加深排水沟深度有利于缓解土壤盐渍化。研究结果可为土壤盐渍化防治提供建议。(4)针对银北灌区水盐约束下土地整治中的耕地与排盐空间配置及土壤水盐响应机制等科学问题,以及由于盲目追求新增耕地率导致的耕地土壤盐渍化严重等现实问题,本研究以银北灌区的典型盐渍土区——西大滩为例,采用SahysMod分析在土地整治中不同的耕地与排盐地配置情景下土壤水盐的动态变化。结果表明,合理配置排盐地有利于耕地脱盐,是一种有效的防治耕地土壤盐渍化方法。在盐碱荒地或易于次生盐渍化的区域进行土地整治时,考虑耕地与排盐地的空间配置尤为重要;同一整治区域内耕地与排盐地的面积比越小(排盐地占比越大),耕地的排盐效果越好,但当排盐地占比大到一定程度时,部分排盐地处于有效范围之外,无法发挥排盐作用;耕地与排盐地的高度差越大越有利于耕地排盐;排盐地零散插花分布于耕地中的排盐效果更好;排盐地的具体配置(面积、位置)与耕地排盐地的高度差、排盐地占比、有效排盐范围等密切相关。
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【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S156.4

【参考文献】