不同尺度農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮空間變異及三維模擬研究.pdf

1、我國是人口大國，糧食供需緊張，提高農(nóng)田肥力是糧食增產(chǎn)的重要途徑，有機(jī)質(zhì)和全氮是土壤的重要組成部分，能夠反映土壤肥力的高低，與農(nóng)作物的產(chǎn)量密切相關(guān)，因此，研究土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的空間變異規(guī)律并掌握其分布狀況是合理施肥、培肥土壤的基礎(chǔ)，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
　　論文以河南省新鄭市（縣級市）為研究區(qū)域，通過野外調(diào)查、室內(nèi)分析，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等理論與方法，結(jié)合 GIS技術(shù)，研究新鄭市耕層土壤有機(jī)質(zhì)空間變異特征；同

2、時(shí)改變采樣幅度和粒度，以此來表示空間尺度的變化，從而進(jìn)一步探討縣、鄉(xiāng)、村三個(gè)尺度下土壤有機(jī)質(zhì)空間變異的尺度效應(yīng)以及多尺度信息套合的方法；僅改變采樣幅度，研究縣域內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和行政村尺度下土壤全氮空間變異特征，以及全氮變異性與樣本量的關(guān)系；基于二維空間中土壤有機(jī)質(zhì)和全氮變異性研究，探討有機(jī)質(zhì)和全氮三維空間分布特征的模擬，以期為區(qū)域農(nóng)田土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理、土壤采樣設(shè)計(jì)、土壤資源的可持續(xù)利用以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。主要研究成果如下：

3、
　?。?）土壤有機(jī)質(zhì)空間變異特征
　　應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究土壤有機(jī)質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明，新鄭市耕層土壤有機(jī)質(zhì)具有中等強(qiáng)度的空間變異性（變異系數(shù)為31.71％）和空間相關(guān)性（塊金系數(shù)為63.77%），其空間變異是由結(jié)構(gòu)性因素（母質(zhì)、地形、氣候等）和隨機(jī)性因素（耕作、施肥、灌溉等）共同作用的。經(jīng)方差分析，土壤類型、土壤質(zhì)地和地下水埋深是影響土壤有機(jī)質(zhì)空間分布的重要因素。
　　（2）土壤有機(jī)質(zhì)空間尺度效應(yīng)及多尺度套合

4、
　　應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探討縣、鄉(xiāng)、村三個(gè)尺度下土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，新鄭市土壤有機(jī)質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)對采樣尺度具有依賴性，單一尺度研究無法對其空間變異規(guī)律進(jìn)行深入分析。在地統(tǒng)計(jì)學(xué)套合結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)上，將各向異性條件下縣級和鄉(xiāng)級尺度不同方向上有機(jī)質(zhì)的套合結(jié)構(gòu)與各向同性條件下村級尺度有機(jī)質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度套合，構(gòu)建有機(jī)質(zhì)的多尺度套合模型。經(jīng)I值檢驗(yàn)，多尺度套合模型法的空間插值精度明顯高于單一尺度的普通克里格法（I值0.48<

5、3.31）。采用多尺度套合模型法對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行空間估值，其擬合的空間分布規(guī)律與普通克里格插值擬合的縣級尺度分布規(guī)律基本一致，但其對鄉(xiāng)級和村級尺度的空間變異性表達(dá)的更為詳細(xì)，能有效揭示土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異規(guī)律。
　?。?）不同尺度土壤全氮空間變異特征
　　采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探討縣域范圍內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和行政村尺度下土壤全氮空間變異性，結(jié)果表明，土壤全氮在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度下的變異（13.95%~24.05%）低于行政村尺度（2.63%~26

6、.25%），按鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度進(jìn)行采樣的可靠性比村級尺度高。借助多元線性回歸模型量化全氮變異性與樣本量的關(guān)系，結(jié)果表明，研究大尺度所需采樣量比小尺度少，從縣域土壤全氮計(jì)量來說，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本統(tǒng)計(jì)單元，合理采樣數(shù)在1000個(gè)以上，以行政村為統(tǒng)計(jì)單元，需要2000個(gè)以上的樣本量。
　?。?）土壤有機(jī)質(zhì)和全氮三維空間分布特征
　　采用三維克里格插值法和三維反距離加權(quán)插值法對不同深度土層（0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm）土

7、壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的空間分布進(jìn)行三維模擬，實(shí)現(xiàn)了以三維圖形圖像方式直觀揭示土壤養(yǎng)分的三維空間分布特征，直觀展示土壤養(yǎng)分空間分布與所處自然地理環(huán)境的關(guān)系，可以同時(shí)獲取有機(jī)質(zhì)和全氮含量在水平和垂直方向的空間分布信息，直觀的描述任意土體切面的土壤養(yǎng)分含量分布。利用交叉驗(yàn)證法評價(jià)克里格插值模型和反距離加權(quán)插值模型的預(yù)測精度，結(jié)果表明，通過三維克里格方法得到的有機(jī)質(zhì)插值結(jié)果的預(yù)測精度高于反距離加權(quán)法（均方根預(yù)測誤差2.3078<2.4720，平均