不同尺度農(nóng)田土壤有機質(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，因此，研究土壤有機質(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，對實現(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)計學和地統(tǒng)計學等理論與方法，結合 GIS技術，研究新鄭市耕層土壤有機質(zhì)空間變異特征；同

2、時改變采樣幅度和粒度，以此來表示空間尺度的變化，從而進一步探討縣、鄉(xiāng)、村三個尺度下土壤有機質(zhì)空間變異的尺度效應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系；基于二維空間中土壤有機質(zhì)和全氮變異性研究，探討有機質(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)分精準管理、土壤采樣設計、土壤資源的可持續(xù)利用以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎和實踐依據(jù)。主要研究成果如下：

3、
　?。?）土壤有機質(zhì)空間變異特征
　　應用地統(tǒng)計學方法研究土壤有機質(zhì)的空間結構特征，結果表明，新鄭市耕層土壤有機質(zhì)具有中等強度的空間變異性（變異系數(shù)為31.71％）和空間相關性（塊金系數(shù)為63.77%），其空間變異是由結構性因素（母質(zhì)、地形、氣候等）和隨機性因素（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質(zhì)空間分布的重要因素。
　?。?）土壤有機質(zhì)空間尺度效應及多尺度套合

4、
　　應用地統(tǒng)計學方法探討縣、鄉(xiāng)、村三個尺度下土壤有機質(zhì)的空間變異結構，結果表明，新鄭市土壤有機質(zhì)的空間結構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)律進行深入分析。在地統(tǒng)計學套合結構理論基礎上，將各向異性條件下縣級和鄉(xiāng)級尺度不同方向上有機質(zhì)的套合結構與各向同性條件下村級尺度有機質(zhì)的空間結構進行多尺度套合，構建有機質(zhì)的多尺度套合模型。經(jīng)I值檢驗，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質(zhì)含量進行空間估值，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的更為詳細，能有效揭示土壤有機質(zhì)的空間變異規(guī)律。
　　（3）不同尺度土壤全氮空間變異特征
　　采用經(jīng)典統(tǒng)計學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系，結果表明，研究大尺度所需采樣量比小尺度少，從縣域土壤全氮計量來說，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本統(tǒng)計單元，合理采樣數(shù)在1000個以上，以行政村為統(tǒng)計單元，需要2000個以上的樣本量。
　　（4）土壤有機質(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插值法對不同深度土層（0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm）土

7、壤有機質(zhì)和全氮含量的空間分布進行三維模擬，實現(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)境的關系，可以同時獲取有機質(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。利用交叉驗證法評價克里格插值模型和反距離加權插值模型的預測精度，結果表明，通過三維克里格方法得到的有機質(zhì)插值結果的預測精度高于反距離加權法（均方根預測誤差2.3078<2.4720，平均