紫色土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤不同坡位取樣單元確定研究.pdf

1、采樣調(diào)查是獲取土壤信息及空間分布的基本方法，但土壤樣品采集是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和耗財(cái)?shù)幕顒樱帽M可能少的樣品獲取準(zhǔn)確的土壤信息就成為土壤調(diào)查追求的目標(biāo)。我國西南紫色土丘陵區(qū)同源母質(zhì)發(fā)育的旱坡地土壤，在作物類型、氣候條件相同，田間管理措施基本一致的條件下，土壤理化性質(zhì)仍具有典型的空間異質(zhì)性，這表明地形對土壤屬性具有顯著的影響，在進(jìn)行土壤采樣時(shí)必須要將地形因素考慮在內(nèi)。同時(shí)，由于紫色土丘陵區(qū)地形復(fù)雜，使得該區(qū)域的土壤采樣活動花費(fèi)更高。到目前為止

2、，對紫色土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤取樣單元的研究還很少，能應(yīng)用于采樣實(shí)踐的取樣單元更是鮮見。為此，本研究將數(shù)字土壤制圖技術(shù)、組合優(yōu)化算法和模糊坡位分類技術(shù)相結(jié)合提出一種分坡位確定取樣單元的方法，并將該方法應(yīng)用于重慶市江津區(qū)一面積約為2km2的典型紫色土丘陵區(qū)農(nóng)田地塊(母質(zhì)、氣候、作物類型和管理措施基本一致)，確定出不同土壤屬性(土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀)在不同坡位(山脊、坡肩、背坡、坡腳和溝谷)的取樣單元，同時(shí)在另外一塊與研究區(qū)具

3、有相似環(huán)境條件的區(qū)域?qū)Υ_定的取樣單元進(jìn)行了驗(yàn)證。主要研究結(jié)果如下：
　　 1.紫色土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤屬性空間分布預(yù)測
　　 相關(guān)分析表明土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量和堿解氮含量與地形因子之間的相關(guān)性比較強(qiáng)，而土壤有效磷含量和速效鉀含量與地形因子之間的相關(guān)性比較弱，說明該研究區(qū)中地形對土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量和堿解氮含量的空間分布影響顯著，而對土壤有效磷含量和速效鉀含量影響比較弱。方差分析表明土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量和有效

4、磷含量在水田和旱地中的均值之間的差異達(dá)到了顯著性水平，而土壤速效鉀沒有，說明土地利用方式對土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量和有效磷含量的空間變異有顯著性影響，而對土壤速效鉀含量作用不明顯。
　　 構(gòu)建的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和pH預(yù)測模型能解釋各自空間變異的較大部分，而土壤有效磷和速效鉀預(yù)測模型的解釋力則比較弱，這是因?yàn)榱缀外浿饕苣纲|(zhì)的影響，而在本研究區(qū)內(nèi)受地形因子的影響比較弱，這與前人的研究結(jié)果是一致的，預(yù)測結(jié)果也是可以接受的

5、。
　　 基于地形因子的土壤屬性預(yù)測模型與基于地形因子和土地利用方式組合的土壤屬性預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果精度對比表明，在預(yù)測變量中加入土地利用類型不一定能提高模型的預(yù)測精度，其中，對土壤pH值的預(yù)測精度有所降低，對土壤堿解氮含量的預(yù)測精度幾乎沒有變化，對土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量的預(yù)測精度略有提高。這是因?yàn)樵谧仙燎鹆陞^(qū)，地形對土地利用方式布局影響很大，由此導(dǎo)致地形因子與土地利用類型對土壤屬性的影響存在較大部分的交互作用，除去交互作用后土

6、地利用方式對土壤屬性變異解釋能力非常微小。
　　 2.利用模擬退火優(yōu)化土壤樣點(diǎn)布局和土壤-景觀模型
　　 本研究利用模擬退火算法結(jié)合多重線性回歸對訓(xùn)練集中原始200個(gè)土壤樣點(diǎn)的空間布局進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，對5種土壤屬性都給出了從2～199的樣點(diǎn)布局優(yōu)化組合，同時(shí)針對每一個(gè)樣點(diǎn)組合還給出了與其對應(yīng)的土壤-景觀模型及預(yù)測誤差(均方誤差)，從預(yù)測誤差可以看出，對土壤pH值而言，最少只需6個(gè)優(yōu)化的樣點(diǎn)就可以替代原始200個(gè)采樣點(diǎn)；對

7、土壤有機(jī)質(zhì)含量和堿解氮含量而言，最少都只需7個(gè)優(yōu)化的樣點(diǎn)就可以替代原始200個(gè)采樣點(diǎn)；對土壤有效磷含量和速效鉀含量而言，最少只需3個(gè)優(yōu)化的樣點(diǎn)就可以替代原始200個(gè)采樣點(diǎn)。
　　 從預(yù)測誤差還可以看出，優(yōu)化的采樣點(diǎn)數(shù)分別為136、124、136、48和95時(shí)，模型預(yù)測土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、有效磷含量和速效鉀含量空間分布的精度最高，將這些優(yōu)化后的土壤-景觀模型預(yù)測精度與原始200個(gè)樣點(diǎn)構(gòu)建的土壤-景觀模型相比較會發(fā)現(xiàn)

8、，優(yōu)化后的土壤-景觀模型的擬合度比原始土壤-景觀模型都有提高，其中土壤有效磷和速效鉀提高最明顯，分別提高了263.82％和192.25％，其次為土壤pH值，提高了18.86％，土壤堿解氮也提高了8.38％，土壤有機(jī)質(zhì)提高了4.56％；而預(yù)測誤差和模型復(fù)雜度都有減小，對MAE而言，土壤pH值和有效磷降低明顯，分別減少了11.83％和11.20％，土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和堿解氮分別減少了3.99％、1.79％和1.63％；對RMSE而言，土壤有

9、效磷和速效鉀減少明顯，分別降低了12.14％和11.06％，其次為土壤pH，降低了9.29％，土壤堿解氮減少了6.88％，土壤有機(jī)質(zhì)減少了3.93％；對AIC而言，土壤pH、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和堿解氮分別降低了4.33％、2.78％、1.87％、1.39％和1.27％。
　　 3.紫色土區(qū)田間尺度農(nóng)地景觀坡位劃分
　　 本研究運(yùn)用基于相似度的模糊推理方法對紫色土丘陵區(qū)田間尺度下農(nóng)地景觀的一塊復(fù)雜地形區(qū)域進(jìn)行了坡位分類

10、，通過分類圖可以看出，坡位分類結(jié)果整體上符合研究區(qū)的實(shí)際地形地貌特征；為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在地形復(fù)雜區(qū)域中的可行性與可靠性，又分別將土壤物理(土層厚度)、土壤化學(xué)(土壤養(yǎng)分)、土壤發(fā)生屬性(土壤類型)以及土地利用類型與坡位分類結(jié)果相結(jié)合，利用單因素方差分析比較了土壤養(yǎng)分在不同坡位之間的差異，同時(shí)，又利用關(guān)系圖驗(yàn)證了土層厚度和土壤類型與坡位隸屬度之間存在明顯的關(guān)系，最后，又運(yùn)用對應(yīng)分析驗(yàn)證了土地利用類型在坡位上的分布狀況，這些結(jié)果更加明確

11、地驗(yàn)證了分類結(jié)果的合理性，表明基于相似度的模糊推理模型在紫色土丘陵區(qū)進(jìn)行坡位劃分是合理的和可行的。
　　 與確定性坡位分類方法相比，基于相似度的模糊推理不但可以給出坡位的定性分類(“硬化”分類)，而且還能對“硬化”分類的不確定性作出定量評估(最大相似度圖)，以及能定量描述每類坡位的漸變信息(坡位相似度圖)，這可以為精細(xì)尺度上的坡面侵蝕、預(yù)測性土壤制圖等模擬過程提供詳細(xì)的信息，有助于提高模型的預(yù)測精度。例如，本研究發(fā)現(xiàn)在“硬化”分

12、類中確定性較大的區(qū)域(相似度[0.8，1])，土種的空間分布與確定性坡位有明顯的關(guān)系，而在確定性較小的區(qū)域(相似度[0，0.5])，土種的空間分布與確定性坡位的關(guān)系不明顯，表明在進(jìn)行土壤-景觀的研究時(shí)，坡位分類的不確定性是一個(gè)不可忽視的因素，否則可能會導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果或推斷。
　　 4.紫色土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤不同坡位取樣單元的確定
　　 利用地統(tǒng)計(jì)方法擬合了不同土壤屬性在不同坡位和整個(gè)研究區(qū)的半方差模型，半方差模型中的變程參

13、數(shù)可以反映土壤屬性的變異程度，土壤屬性在不同坡位上的變程各不相同，且差異明顯，表明土壤屬性在不同坡位中的變異性是有明顯差異的，同時(shí)再將土壤屬性在不同坡位上的變程與在整個(gè)研究區(qū)的變程相比，發(fā)現(xiàn)不同坡位上的變程都大于整個(gè)研究區(qū)中的變程，這表明土壤屬性在不同坡位上的變異性要低于整個(gè)研究區(qū)。這些結(jié)果說明：(1)分坡位確定取樣單元是合理的，若按照傳統(tǒng)均一的取樣單元進(jìn)行取樣就會造成某些坡位的土壤樣點(diǎn)過密，而另外一些坡位的土壤樣點(diǎn)可能不足；(2)分坡

14、位取樣可以降低土壤屬性的空間變異性，提高土壤取樣效率。
　　 本研究結(jié)合模擬退火算法、多重線性回歸和坡位分類在15％的均值誤差條件下確定出研究區(qū)土壤屬性在不同坡位上的取樣單元，其中，土壤pH值在山脊、坡肩、背坡、坡腳和溝谷的取樣單元分別為8.6、9.4、10.4、10.4和11.5ha，土壤有機(jī)質(zhì)含量在山脊、坡肩、背坡、坡腳和溝谷的取樣單元分別為8.6、7.5、5.8、6.2和5.7ha，土壤堿解氮含量在山脊、坡肩、背坡、坡腳和

15、溝谷的取樣單元分別為8.6、6.2、5.8、5.2和11.5ha，土壤有效磷在山脊、坡肩、背坡、坡腳和溝谷的取樣單元分別為2.9、2.5、2.3、1.8和3.8ha，土壤速效鉀在山脊、坡肩、背坡、坡腳和溝谷的取樣單元分別為4.3、3.7、3.3、2.8和5.7ha。進(jìn)一步我們將確定的土壤屬性在不同坡位上的取樣單元應(yīng)用于一個(gè)與本研究區(qū)具有相似環(huán)境條件的區(qū)域，對其實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，在驗(yàn)證區(qū)除了土壤有效磷和速效鉀在山脊處的精度達(dá)不