盐渍化土壤盐分和有机质含量的空间变异性及其光谱估算 ——以新疆阜康为例

论文摘要

当前由于各种因素的综合作用使得新疆土壤盐渍化现象愈加严重,不合理的开发与利用及人类活动的影响可能导致土壤养分匮乏,肥力下降,因此,土壤治理绿色农业发展成为当前的一项重要使命。可见光—近红外光谱技术作为一种估算土壤成分的新兴方法,具备准确性高、方便快捷、节省时间,节省人力物力等优势,其在土壤成分信息获取、探测勘察、数字化制图、精细农作及智慧农业发展等方面的应用非常广泛。为明确人类活动影响下土壤盐分和有机质的空间分布特征,以及两者不同深度的空间变异特性,寻求不同干扰程度下土壤有机质最优空间插值方法,建立高精度和稳定性好的盐渍土预测模型。本文以干旱区新疆阜康市的典型盐渍化土壤为研究对象,实地定点野外采集土壤样品和光谱信息。基于GIS和地统计学方法,综合运用普通克里金法、反距离权重法、径向基函数法、局部多项式法等方法对不同人类活动影响下土壤有机质进行空间插值分析。基于野外实测VIS-NIR光谱数据,利用多元线性回归（MLR）,支持向量机（SVM）和随机森林（RF）等模型对各区土壤盐分进行光谱估测研究。分析了该地区不同干扰程度及不同深度下土壤盐分和有机质的空间分布规律和空间变异特性,以及表层土壤盐分含量光谱的响应特征。探讨了不同干扰程度下土壤有机质含量的最优空间插值方法和土壤盐分含量的最优光谱估算方法。研究对当地盐渍化现象的防治和修复,以及生态环境可持续发展具有一定的意义,同时,为改善该地区土壤肥力状况以及合理开发利用盐渍化土地提供了理论基础。主要研究结果如下:（1）土壤盐分含量随着人类干扰活动的加大不断增加,而有机质含量却逐渐减小,各干扰程度下两者变异系数在15.45%60.19%之间,均属中等变异;同时,干扰程度越强,土壤盐分和有机质含量之间的相关性越低,即A区>B区>C区,相关系数分别为:-0.614、-0.412、0.043;随着人类干扰活动力度加大,土壤盐分和有机质受随机因素作用越来越强,由空间自相关部分引起的空间变异性越高,A区土壤盐分和有机质块基比分别为12.5%和9.68%,具有强烈的空间相关性。（2）随着深度增加,土壤盐分含量先增大后减小,极大值出现在4060 cm深度,含量为42.38 g/kg,而有机质含量逐渐减小,且各层土壤盐分和有机质均属于中等变异;表层（020 cm）和亚表层（2040 cm）土壤盐分和有机质呈显著负相关,后三层呈显著正相关;不同深度的各层土壤盐分含量块基比范围在1.23%23.42%之间,均具有强烈的自相关性,表层和亚表层有机质含量属于中等程度自相关,后三层空间相关性强。（3）随着干扰程度的增加,土壤有机质含量逐渐减小,空间变异性由弱变异到中等变异,而空间相关性由强变弱,即人为干扰程度越强土壤有机质受随机因素作用越大。同时,随着人类活动力度的加大,4种空间插值方法预测有机质的精度均在降低。OK法更适宜于空间结构性较强的A区内有机质的空间预测,其实测值与预测值决定系数R2为0.625;而RBF法能更精确地对B区及C区内土壤有机质进行空间插值分析,预测精度R2分别为0.562和0.434。（4）综合光谱响应和相关性分析确定出土壤盐分显著特征波段,A区为492nm、526 nm、532 nm,B区为919 nm、2055 nm、650 nm,C区为467 nm、876nm、2197 nm。无论在哪种干扰程度下,三种模型拟合效果从高到低依次为RF>SVM>MLR。采用随机森林（RF）法建立的三个不同区域土壤盐分含量模型的Rc2范围为0.7500.896,Rv2范围为0.7350.831,而RPD范围为1.7652.097,此方法的建模精度相比其他两种方法更高,能够准确地预测土壤盐分含量。无论是哪种建模方法,在A区的预测精度最高,RPD范围为1.7962.097;其次是B区RPD范围为1.7132.034;而在C区的盐分定量估测精度略低,RPD范围为1.5971.802。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 高光谱技术在土壤中的应用

1.2.2 土壤成分空间变异研究进展

1.3 研究内容

1.4 技术路线图

1.5 论文工作量

第二章研究区概况与方法

2.1 研究区概况

2.2 试验设计

2.2.1 不同干扰程度的划分

2.2.2 样点布设

2.3 研究方法

2.3.1 土壤样品采集与处理

2.3.2 光谱测定与分析方法

2.3.3 空间变异性研究方法

2.3.4 模型建立与精度验证

第三章不同干扰程度下土壤盐分和有机质空间变异特征

3.1 不同干扰程度土壤盐分和有机质统计特征分析

3.2 不同干扰程度土壤盐分和有机质相关性分析

3.3 不同干扰程度土壤盐分和有机质空间变异特性

3.4 不同干扰程度土壤盐分和有机质空间分布特性

3.5 本章小结与讨论

3.5.1 本章小结

3.5.2 讨论

第四章不同深度土壤盐分和有机质空间变异特性

4.1 不同深度土壤盐分和有机质的描述性特点分析

4.2 不同深度土壤盐分和有机质的相关关系

4.3 不同深度土壤盐分和有机质的空间变异特点分析

4.4 不同深度土壤盐分和有机质的空间分布特点

4.5 本章小结与讨论

4.5.1 本章小结

4.5.2 讨论

第五章土壤有机质最优空间插值法研究

5.1 不同干扰程度土壤有机质的统计量描述

5.2 不同干扰程度土壤有机质空间变异特性

5.3 不同干扰程度土壤有机质空间插值结果的交叉验证

5.4 基于最优插值法土壤有机质的空间预测

5.5 本章小结与讨论

5.5.1 本章小结

5.5.2 讨论

第六章基于野外实测VIS-NIR光谱土壤盐分含量光谱估算

6.1 不同干扰程度土壤盐分含量统计特征分析

6.2 不同干扰程度土壤盐分含量光谱响应特征

6.3 不同干扰程度土壤盐分含量与光谱一阶导数的相关性分析

6.4 不同干扰程度土壤盐分含量的高光谱特征波段选取

6.5 不同干扰程度土壤盐分含量的高光谱估算模型分析

6.6 本章小结与讨论

6.6.1 本章小结

6.6.2 讨论

第七章结论与展望

7.1 主要结论

7.2 不足与展望

参考文献

在读期间参与科研项目及发表论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马利芳

导师: 熊黑钢,张芳

关键词: 干扰程度,土壤盐分,有机质,空间变异,实测光谱

来源: 新疆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 物理学,自然地理学和测绘学,农业基础科学,农艺学

单位: 新疆大学

基金: (国家自然科学基金:编号 41671198)《干旱区人类活动胁迫下绿洲水盐时空变化规律研究》

分类号: S156.41;O433

总页数: 67

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盐渍化土壤盐分和有机质含量的空间变异性及其光谱估算 ——以新疆阜康为例

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