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黄土高原太原盆地区土壤养分空间分异与尺度效应研究

朱洪芬  
【摘要】:太原盆地位于黄土高原中东部,山西省的中心地带。盆地内地势低洼且平坦,适宜于农业种植。然而,在土壤贫瘠的黄土高原,土壤养分是制约农作物生长和土地生产力的重要因素。同时,土壤养分的空间分布具有高度的异质性和尺度依赖性。因此,基于空间多尺度理论,科学而深入地分析黄土高原太原盆地区土壤养分资源的空间分布特征、与影响因子的空间多尺度关系及对土壤养分含量的预测,是实现该区域内农业精确化管理、土壤田块的合理设计、合理施肥及各项生态重建措施的有力保障。本研究野外采集沿汾河垂向的三条样带共383个土壤样点数据,并进行室内测定(包括土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾、土壤容重、土壤质地、土壤pH、全盐和可见光-近红外高光谱等的测定)。同时,收集2006-2013年间太原盆地内12个县域的27,664个土壤养分历史数据。基于该历史数据,提取沿汾河流向的一条样带共128个土壤养分数据。本研究基于上述三个数据集,运用传统统计学方法了解该区域内土壤养分空间分布状况及不同数据集间的差异性;采用偏最小二乘回归进行土壤养分(土壤有机质和全氮)含量的光谱预测;采用多元经验模态分解(Multivariate Empirical Mode Decomposition,MEMD)揭示沿汾河垂向的土壤养分(土壤有机质和全氮)与相关影响因子的空间多尺度关系,并进行土壤养分含量的空间多尺度预测;采用小波变换分析沿汾河流向的土壤养分(土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾)在不同尺度和位置的变异性特征,及其与地形因子在位置-尺度域的相关性;利用小波变换进行盆地区域内土壤养分变异性的位置-尺度域分析。本研究取得的主要结论如下:(1)与全国土壤养分含量相比,太原盆地区内土壤有机质和速效氮含量处于较低水平,全氮、全磷和速效磷处于中等水平,而全钾和速效钾含量处于全国较高水平。与整个黄土高原区相比,土壤有机质和全氮的变异性低于整个黄土高原区,全磷的变异性接近于黄土高原区,而全钾的变异性高于黄土高原区。太原盆地土壤属性变异性的顺序为,pH值容重全氮壤粒全钾粘粒全磷有机质速效钾砂粒速效氮全盐速效磷。本研究野外采集土壤数据与县域土壤养分(土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾)历史数据相比较发现,土壤养分的均值略微变化,可反映两数据集时间尺度上的变化。(2)土壤养分光谱预测结果表明,在盆地区内当建模集和验证集相独立时,土壤有机质的建模和预测精度均随潜变量个数的增加呈先增大后减小的趋势,土壤全氮的建模精度也随潜变量个数的增加呈先增大后减小的趋势,而预测精度呈不稳定状态。同时,土壤养分的预测精度可通过其空间结构分析、位置-尺度域的方差变化进行评价,预测误差可通过空间结构变化、位置-尺度域的方差变化来体现。(3)利用MEMD分析沿汾河垂向土壤有机质与影响因子的空间多尺度关系发现,盆地上游主要特征尺度为1,011和1,725m,中游为982和8,573m,下游为960、6,753和11,806 m。整个盆地内,尺度约1km处是土壤有机质的主要特征尺度,且盆地内沿汾河垂向的土壤有机质序列主要特征尺度沿汾河流向表现分散。同时,土壤有机质与影响因子在采样尺度和MEMD空间多尺度的相关性顺序为:盆地中游下游上游。另外,在3种景观样带上,光谱主份1与有机质的相关性均显著。其次,盆地上游的容重、中游的砂粒和下游的地形湿度指数对其影响较明显,而在采样尺度上盆地下游二者的关系并不显著。因此,单一尺度分析不能够全面揭示土壤有机质与相关因子在所有空间尺度上的复杂关系,而MEMD法对有机质的预测精度要显著高于直接利用逐步多元回归分析。(4)利用MEMD分析沿汾河垂向土壤全氮与影响因子的空间多尺度关系发现,盆地上游主要特征尺度为970和2,637 m,中游为954、8,849和1,476 m,下游为1,003、8,438、8,719和2,810m。整个盆地内,尺度约1km处是土壤全氮的主要特征尺度,且盆地内沿汾河垂向的土壤全氮主要特征尺度沿汾河流向表现分散。同时,土壤全氮与影响因子在采样尺度和MEMD空间多尺度的相关性顺序为:盆地中游和下游上游。在3种景观样带上,盆地上游的壤粒含量、盆地中游砂粒含量和盆地下游的光谱主份1对土壤全氮的影响比较明显。采用MEMD对土壤全氮的总体预测精度要明显高于直接采用逐步多元回归的分析结果。因此,单一尺度分析不能够全面揭示土壤全氮与影响因子在所有空间尺度上的复杂关系。(5)利用小波变换分析沿汾河流向位置-尺度域的土壤养分空间变异性发现,尺度0-4 km处存在方差值较大但面积较小的区域;4-8 km处土壤养分的空间方差相对较小;8km处土壤有机质和速效磷的空间方差较大,且方差较大处区域比较集中。利用小波相干分析沿汾河流向土壤养分与地形因子在位置-尺度域的相关性发现,在尺度8 km处地形因子与土壤养分的相关性较稳定;高程、坡度与全氮、速效钾存在全局负相关;地形湿度指数与有机质、速效磷和速效钾存在全局正相关;土壤养分受相关地形因子影响的强弱顺序为,有机质速效磷全氮速效钾。(6)基于沿汾河垂向土壤养分数据和县域土壤养分历史数据,利用小波变换分析盆地域内土壤养分在位置-尺度域的空间变异性发现,土壤有机质和全氮的95%显著性方差区域比较集中;在尺度0.68-1.21 km处,有机质显著性方差面积最大;在尺度1.53-10.30km处,速效磷显著性方差面积最大;与全氮相比,有机质的显著性方差面积较大;与速效钾相比,速效磷的显著性方差面积较大;土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾分别在尺度7.28、10.91、4.33和4.33 km处95%显著性方差面积达最大,分别达到21.39、17.11、26.47 和 17.71%。


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