基于多源环境变量的土壤养分预测及综合评价

发布时间：2020-04-29 10:36

【摘要】：土壤养分含量直接影响作物在整个生命周期内的生长发育状态和果实产量品质,在有限样点基础上借助空间预测方法实现土壤养分精准制图是为农业生产提供有效数据支持和理论指导的前提。选择合适的空间预测模型是提高土壤制图精度的关键,但是同一区域不同养分受周围环境和人类活动影响程度不同,为了保证构建的空间预测模型能比较准确反映土壤养分与解释变量间映射关系,采用多种类型方法拟合土壤养分空间模型,通过比较选取适合方法输出土壤养分图,对于提高制图精度和科学指导农田管理都很有必要。以咸阳市主要农耕区为例,基于11个县的测土配方施肥项目土壤采样数据和搜集到的多源环境变量数据,分别采用地统计法、空间非平稳的线性回归算法、数据挖掘算法以及结合残差的混合插值算法建立空间预测模型,通过比较不同方法预测精度,选取最佳预测方法并绘制土壤养分空间分布图;基于模型拟合结果和相关性分析结果,综合评价土壤相关属性和自然环境对土壤养分的影响;比较不同灌溉条件和种植制度下土壤养分含量平均值,分析施肥量和施肥结构变化趋势,探究人为活动对农田养分的作用;采用熵权TOPSIS法计算土壤养分综合指数,并用协同克里格法将综合指数空间化,探究土壤养分综合水平空间特征。(1)从养分空间制图角度,不同养分指标可能与环境间存在线性或复杂非线性关系,分别选取了地理加权回归(线性)和随机森林(非线性)拟合土壤养分与环境变量间的关系,考虑到土壤养分具有空间自相关性,同时引入了结合回归残差的复合模型(回归克里格、地理加权回归克里格、随机森林回归克里格),从多个角度尽可能全面地揭示土壤养分真实分布情况,探究不同方法的适应性,为空间预测相关研究提供参考;综合评价方面,采用熵权TOPSIS法计算综合指数,能够客观定量化地对综合养分进行评价,减少主观干扰,保证评价结果的准确性和科学性,利用地统计学技术将综合指数空间可视化,能够直观表现土壤养分综合水平空间特征;从土壤理化环境、自然环境和人为活动三个方面入手,对土壤养分影响因素进行综合分析。(2)土壤养分空间预测结果表明,土壤养分的最佳预测模型分别是:有机质为随机森林,全氮为地理加权回归,有效磷为地理加权回归克里格,速效钾为随机森林回归克里格,总体而言,地理加权回归类和随机森林类方法预测精度相对较高,主要是由于研究区境内地形地貌复杂,地理加权回归能够兼顾土壤养分的空间异质性,随机森林能够有效捕捉土壤养分与环境间的复杂非线性关系,这与研究区实际情况更为贴近。有机质整体表现为南高北低的空间分布趋势,其含量变化受地形影响明显,基本为平原区有机质含量高于高原区。全氮空间分布与有机质基本一致,有机质含量高的地区全氮含量相对较高,反之亦然。有效磷低值区主要分布在东南部,其他区域含量相对较均匀。速效钾整体呈现南北高中间低的分布趋势,其空间分布能明显反映地形变化,在平原区和坡度平缓的塬面上含量较高。(3)土壤养分影响因素分析表明,地形和气候是影响土壤养分的关键因素,在地势高、坡度大、地形起伏度大的地区,土壤养分容易被侵蚀带走,含量减少。气温低的区域养分含量较高;降水有利于有机质和氮素积累,同时也会因水土流失造成钾元素损失。灌溉条件下土壤养分平均含量整体高于无灌溉地区。两熟制的小麦-玉米和一熟制的小麦、玉米和苹果四种种植制度下,小麦-玉米地的土壤养分整体水平高于其他三种,苹果园有机质含量偏低。自2000年以来,咸阳市农用化肥施用量呈增加趋势,化肥结构中氮磷肥所占比重下降,钾肥所占比重上升。(4)土壤养分丰缺诊断表明,有机质和全氮含量较缺乏,有效磷含量中等,速效钾含量丰富,四项养分指标均为中等程度变异;土壤养分综合水平整体上处于中等及较高水平,高水平面积较小,零星分布于礼泉县、武功县、兴平市和泾阳县境内,低水平和较低水平主要分布在研究区东部沿线的旬邑县-淳化县-三原县一带,北部长武县中部以及中部的永寿县和乾县北部地区。
【图文】：

技术路线图,养分,土壤养分,综合指数

（2）基于熵权 TOPSIS 的土壤养分综合评价通过计算信息熵确定各指标权重，按照各样点与最优值和最劣值间的距离对其进行排序得到 TOPSIS 综合指数，采用协同克里格对综合指数进行空间化并划分等级，统计各等级面积以便分析综合养分的整体水平，分区探究综合养分的限制性因素。（3）土壤养分含量影响因素分析综合相关性分析和空间模型拟合结果，分析单变量和多变量交互作用下环境因子对土壤养分的影响，分别统计不同灌溉条件和种植制度下养分含量平均值以及施肥量和施肥结构的变化，明确农田管理对养分的影响，，较为全面地了解影响因素对养分的作用机制。1.4 技术路线

地理位置,范围,咸阳市,总产值

图 2-1 研究区地理位置及研究区范围2.1.3 农业发展概况根据 2018 年陕西省统计局统计数据显示，2017 年咸阳市农业总产值为 4245439万元，其中粮食作物的总产值为 3615571 万元，苹果总产值为 4296365 万元，蔬菜总产值为 6051277 万元。咸阳市 2017 年粮食产量为 163.25 万吨，苹果产量为 47.63万吨，蔬菜产量为 361.86 万吨。农业化肥施用折纯量为 445085 吨，农用塑料薄膜使用量为 6256 吨，农用机械总动力 2684502 千瓦。2017 年咸阳市总灌溉面积为245.33 千公顷，有效实灌面积 185.53 千公顷，节水灌溉面积为 166.65 千公顷。咸阳市南北农业经济发展水平和结构不同，南部平原区地势平坦，土壤肥沃，水资源丰富，气候温和，最适宜发展农业生产，是重要的商品粮、棉、油生产基地，土地利用程度高，北部高原区水肥相对较缺，主要以旱作物及果、林、牧业为主，土地潜力未能充分发挥。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S158

【参考文献】