土壤水分特征曲线的预测及土壤属性三维空间制图

发布时间：2017-09-16 06:11

  本文关键词：土壤水分特征曲线的预测及土壤属性三维空间制图

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【摘要】：直接测定土壤水力学性质和某些属性不仅耗时费力,而且成本较高。准确地预测土壤水力学性质和土壤属性以及绘制其三维空间分布图对于研究土壤水分运动和污染物的迁移具有十分重要的意义。土壤吸湿水含量容易测定,但很少将其作为土壤水力学性质和土壤属性的预测变量。另外,一些土壤属性在垂直方向上的分布比较复杂,不满足二阶平稳假设条件,这使得三维地质统计学工具很难直接对这些土壤属性进行三维制图。本研究首先分别建立了土壤吸湿水含量与土壤水分特征曲线的高吸力段(水势小于-15000cm)、土壤粘粒含量和土壤质地之间的关系及土壤水分特征曲线高吸力段与低吸力段(水势大于-15000cm)之间的关系。其次,在吸湿水含量测定的基础上,采用三维普通克里格和转移概率地质统计学方法分析冲积平原区田块尺度下土壤粘粒含量利土壤质地的三维空间分布特征。最后,将三维普通克里格和有机碳剖面分布函数相结合对区域土壤有机碳含量进行了三维制图。全文主要结论如下： Oswin模型可以很好地描述2：1型和1：1型粘士矿物土壤水分特征曲线的高吸力段。与Oswin模型相比,广泛应用的CS-K模型(Campbell利Shiozawa模型,简称CS模型,与Kevin方程相结合)能够更好地描述2：1型土壤,但描述1：1型土壤能力较差。研究发现Oswin模型的参数a主要依赖粘士矿物的类型,2：1型和1：1型士壤的参数α值分别近似为0.29和0.57。Oswin-KRH50模型(Oswin模型与Kevin方程相结合,预测变量为RH=50%的土壤含水量),CS-A模型(CS模型与Arthur方程相结合)和CS-KRH50模型(CS模型与Kevin方程相结合,预测变量为RH=50%的士壤含水量)的对比结果表明,对于2：1型土壤,Oswin-KRH50模型预测土壤水分特征曲线高吸力段的能力与CS-KRH50模型相当,但明显优于CS-A模型(粘粒作为预测变量)。相比于CS-KRH50模型,Oswin-KRH50模型能够预测1:1型土壤. 提出一种利用土壤水分特征曲线高吸力段利容重预测土壤水分特征曲线低吸力段的新方法。利用21个不同质地的士样(粘粒含量0～47%)对该方法进行了评价,结果表明RMSE利ME的变化范围分别为0.009～0.113g g-1和-0.098-0.002g g’。与文献结果相比,新方法可以改进对土壤水分特征曲线低吸力段的预测。另外,残余含水量和切点的合理取值可以明显提高新方法的预测精度。 结合CS模型与Kelvin方程,对已有的利用吸湿水含量预测土壤粘粒含量的模型进行了改进,提出了一种可以利用任一湿度条件测定的土壤吸湿水含量预测粘粒含量的方法。利用114个土样的粘粒含量(2.84～37.3%)以及三组不同湿度条件下(21%,45%和60%)的土壤吸湿水含量(0.23～4.86%),对改进后的模型进行了验证。结果表明新模型预测的土壤粘粒含量与实测值较为吻合。另外,采用实测数据和文献数据对新模型、Resurreccion模型和Schneider-Goss模型的预测精度进行了比较,它们RMSE的变化范围分别为2.3～6.6%,3.1-8.8%和4.4～9.2%,其中新模型预测效果最好,但是新模型不能用来预测粗质地高有机碳土壤以及粘土矿物主要为1：1型的土壤。 地质统计学分析结果表明,冲积平原区农田土壤粘粒含量在水平和垂直方向上的空间相关距离分别为55.0m和11.16m.研究区北部下层的士壤粘粒含量较低,而粘粒含量较高的土层分布在研究区南部的上层,反映了冲积土质地下粗上细的分布特征。交叉验证结果表明土壤粘粒含量的三维空间分布图可以很好地描述冲积平原区土壤颗粒组分的形成过程。 土壤质地对土壤吸湿水含量有显著的影响。砂土、砂壤、壤土和粘土的吸湿水含量范围分别为0.88%、0.88-1.37%、1.37-2.51%和2.51%。研究区内主要的土壤质地类型为壤土,而分布最少的为砂壤。研究区内水平和垂直方向上土壤质地类型的连续性强弱顺序相同,依次为：壤土砂土粘土砂壤。表层的土壤质地较为均一,主要为壤土。在研究区南部,壤土-粘土-壤土的土体构型较为常见。当下层为砂土层时,上层主要为壤土层,很好地反映了冲积平原区土壤质地的空间分布特征。 应用指数方程描述了土壤有机碳平均含量随深度的变化。将指数方程与三维普通克里格方法相结合提出一种对土壤有机碳进行三维制图的新方法(KPDF法)。土壤有机碳的预测值和实测值之间的R2、RMSE和ME分别为0.52、1.82g kg-1和-0.24g kg-1,表明KPDF法可以很好地描述区域尺度下土壤有机碳的三维空间分布。研究区中西部和南部的表层土壤有机碳含量较高,而东南部偏低。相邻层次的土壤有机碳之间存在显著的正相关关系。细质地土壤的有机碳含量明显要高于粗质地,菜地的土壤有机碳含量要高于小麦地和棉花地,研究区土壤质地对土壤有机碳的影响要强于土地利用类型。
【关键词】：吸湿水含量 水分特征曲线 粘粒含量 质地 有机碳 三维制图
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S152.7
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 附图目录12-13
• 附表目录13-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究意义14-15
• 1.2 研究进展及现状15-20
• 1.2.1 水分特征曲线的模型15-16
• 1.2.2 水分特征曲线的间接估计16-17
• 1.2.3 影响土壤吸湿水的因素17-18
• 1.2.4 土壤属性的三维空间变异18-20
• 1.3 研究内容20-21
• 1.4 技术路线21-22
• 第二章 高吸力段水分特征曲线的模拟与预测22-31
• 2.1 材料与方法22-25
• 2.1.1 土壤样品与土壤高吸力段水分特征曲线的测定22-23
• 2.1.2 土壤高吸力段水分特征曲线的描述方法23-24
• 2.1.3 土壤高吸力段水分特征曲线的估计24
• 2.1.4 模型效果评价24-25
• 2.2 结果与讨论25-29
• 2.2.1 土壤高吸力段水分特征曲线的描述25-28
• 2.2.2 土壤高吸力段水分特征曲线的预测28-29
• 2.3 结论29-31
• 第三章 利用水分特征曲线的高吸力段预测低吸力段31-40
• 3.1 原理31-33
• 3.2 材料与方法33-35
• 3.2.1 数据来源33-34
• 3.2.2 模型预测效果评价34-35
• 3.3 结果与讨论35-39
• 3.3.1 土壤水分特征曲线高吸力段的模拟35-38
• 3.3.2 土壤水分特征曲线低吸力段的预测38-39
• 3.4 结论39-40
• 第四章 利用任—湿度的土壤吸湿水含量估计土壤粘粒含量40-49
• 4.1 原理40-42
• 4.1.1 新模型的建立40-41
• 4.1.2 Resurreccion模型和Schneider-Goss模型41-42
• 4.2 材料与方法42-43
• 4.2.1 研究区与采样分析42-43
• 4.2.2 模型预测效果评价43
• 4.3 结果与讨论43-48
• 4.3.1 相对湿度对上壤吸湿水含量的影响43-44
• 4.3.2 新模型的预测效果44
• 4.3.3 新模型与R模型和SG模型的比较44-47
• 4.3.4 新模型的局限性47-48
• 4.4 结论48-49
• 第五章 华北冲积平原区土壤粘粒含量的三维空间分布特征49-59
• 5.1 材料与方法50-52
• 5.1.1 样品的采集与处理50-51
• 5.1.2 粘粒含量与吸湿水含量的关系51
• 5.1.3 三维普通克里格法51-52
• 5.1.4 插值结果验证52
• 5.2 结果与讨论52-58
• 5.2.1 粘粒含量的预测52-54
• 5.2.2 粘粒含量的三维空间结构分析54-55
• 5.2.3 粘粒含量的三维空间分布特征55-58
• 5.3 结论58-59
• 第六章 农田土壤质地的预测及其三维空间分布特征59-69
• 6.1 材料与方法59-61
• 6.1.1 样品的采集与处理59-60
• 6.1.2 马尔科夫地质统计学60-61
• 6.2 结果与讨论61-68
• 6.2.1 吸湿水含量与土壤质地的关系61-64
• 6.2.2 转移概率矩阵分析64-66
• 6.2.3 土壤质地的三维空间分布66-68
• 6.3 结论68-69
• 第七章 基于剖面分布函数的区域土壤有机碳的三维空间分布69-80
• 7.1 材料与方法69-72
• 7.1.1 研究区和数据收集69-70
• 7.1.2 样品采集与分析70
• 7.1.3 三维普通克里格70
• 7.1.4 三维普通克里格与剖而深度方程的结合(KPDF)70-71
• 7.1.5 插值精度评估71-72
• 7.1.6 数据处理72
• 7.2 结果和讨论72-79
• 7.2.1 不同深度土壤有机碳的统计特征72-73
• 7.2.2 土壤有机碳的预测和验证73-76
• 7.2.3 土壤有机碳的三维空间分布76-78
• 7.2.4 土壤质地和土地利用类型对土壤有机碳含量的影响78-79
• 7.3 结论79-80
• 第八章 结论与展望80-82
• 8.1 结论80-81
• 8.2 创新点81
• 8.3 展望81-82
• 参考文献82-91
• 致谢91-92
• 作者简历92

【参考文献】

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本文编号：861324