苏中平原南部土壤有机质空间变异特征研究

在江苏省中部平原南部选取一个30 km×45 km方形区域为研究区,按照套合采样方法,采集178个耕作层土样,分析土壤有机质含量和机械组成,运用地统计学和GIS技术研究苏中平原区表层土壤有机质含量空间变异特征,利用相关分析和方差分析探讨区域内土壤有机质含量空间变异的影响因素。统计结果表明,研究区土壤有机质含量为28.51±7.80 g/kg,变异系数为27.31%,属中等变异强度;地统计分析表明,研究区土壤有机质含量存在强烈的空间自相关性,结构变异占主导作用,各向异性显著,在39°和219°方向上变异程度最剧烈,土壤有机质含量自东北向西南呈递减趋势。研究区土壤有机质含量空间变异主要受土壤质地、成土母质、地形等因素影响,其中土壤质地是空间变异的主要影响因素。     

基于地学信息的土壤属性高精度曲面建模

目前土壤属性的曲面建模面临两大问题,一是缺乏足够多的采样点进行模拟,二是采样点的土壤属性与环境变量间存在非线性关系。高精度曲面建模(HASM)方法在如何融合地学信息对土壤属性进行空间插值,尚需深入研究。本文提出高精度曲面建模与地学信息相结合的土壤属性空间插值方法(High accuracy surface modeling for soil properties, HASM-SP),分别基于研究区的土壤类型、土地利用类型和母岩类型,模拟了江西省典型红壤丘陵区土壤的速效磷(AP)、锂(Li)、pH、碱解氮(AN)、全钾(K) 和铬(Cr) 6 种土壤属性的空间分布。将HASM-SP与普通克立格(OK)、OK与地学信息相结合的方法(OK-Geo) 和分层克立格(SK) 相对比,结果表明：结合地学信息可以使插值方法(HASM-SP和OK-Geo) 模拟结果的平均误差更趋近于0;相对于其他3 种方法,HASM-SP具有较小的平均绝对误差和均方根误差。从模拟的空间分布图上来看,HASM-SP获得了由于地学要素类型突变导致的土壤属性空间变异的细节信息。因此,基于地学信息的土壤属性高精度曲面建模方法(HASM-SP) 与传统插值方法相比,不仅提高了土壤属性空间分布的模拟精度,还能更好地刻画突变边界处土壤属性的空间变异,使土壤属性分布图更好地符合地学规律和实际情况。HASM-SP的提出对于丰富土壤属性的高精度曲面建模理论具有重要意义,并为土壤管理、精准农业的实施以及区域环境规划等提供科学依据。     

区域土壤空间抽样方法研究

对不同空间抽样方法进行对比研究是寻找具有空间相关性的不同资源和调查对象的最适宜抽样设计方案的重要手段.该文以广东省增城市土壤铬含量为空间要素,分别采用空间简单随机抽样、空间分层抽样和三明治抽样3种方法进行抽样;为便于比较3种方法的抽样精度,设定相同样本容量,采用Kriging插值对抽样结果进行精度评价.结果表明:在较为丰富的先验知识的情况下,三明治空间抽样方法所抽样点在预测土壤重金属含量分布情况时得到的克里格估值误差最小,是一种抽样精度更高、适用范围更广的抽样方案.     

基于机器学习模型的区域土壤重金属空间预测精度比较研究

为识别区域土壤重金属的空间变异特征并厘清其影响因素,本研究构建了多元线性回归（MLR）、弹性网络回归（ENR）、随机森林（RF）、随机梯度提升（SGB）、堆叠（stacking）集成模型、反向传播神经网络（BP-ANN）、基于模型平均的神经网络集成（avNNet）、线性核支持向量机（SVM-L）和高斯核支持向量机（SVM-R）共九种机器学习模型,利用山东省中部土壤重金属（Cd、Cu、Hg、Pb和Zn）和环境辅助变量数据,开展区域土壤重金属空间预测精度比较研究。结果表明：RF对五种重金属空间预测的决定系数（R²）介于0.263~0.448之间,平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）分别小于8.408和10.636,预测值/实际值（P/O）均接近于1,对五种重金属的预测效果均较为理想,是研究区土壤重金属空间预测的最优模型;SVM-R整体预测性能仅次于RF,各项精度评价指标均相对稳健,可作为备选模型;其余七种模型的预测性能均明显低于RF和SVM-R。RF的空间预测结果显示,研究区五种重金属呈现出相似的空间分布格局,含量均由研究区东北部向西南部递减,包括东北部、北部和南部3个高值区,且高值区与当地工业–交通密集区的分布格局一致,反映出人类活动是研究区土壤重金属空间分异的主要影响因素。本研究可为区域土壤污染调查、评价和管控提供科学参考。     

北京山区土壤粒径分布分形维数特征

分形是许多自然事物和现象的客观特征之一,土壤颗粒具有一定的分形特性.基于抽样调查的方法,应用土壤颗粒的体积分布计算了北京山区195个土壤样品的粒径分布分形维数.统计结果表明,研究区的土壤质地主要是粉砂土、粉砂壤土、砂壤土、壤砂土、砂土,土壤质地偏粗,分形维数介于2.23～2.69之间,总体偏低.结合已有研究成果分析表明,土壤粒径分布分形维数随质地的粗细程度发生明显变化.质地越粗分形维数越小,质地越细分形维数越大.土壤粒径分布分形维数与土壤砂粒含量呈显著负相关,与土壤粉粒含量呈显著正相关,与粘粒含量呈显著对数关系.土壤粒径分布分形维数与土壤容重呈显著负相关.研究结果表明土壤粒径分布分形维数可以作为判断土壤质地差异的重要指标.     

烟台海岸带土壤重金属定量源解析及空间预测

定量解析土壤重金属污染来源并绘制空间分布图是土壤重金属调查评价的核心,可为区域土壤环境管理和修复提供科学参考.以中国北方名优农产品生产基地烟台海岸带为研究区,系统开展表层土壤样品采集和重金属分析测试;利用正定矩阵因子分解定量解析土壤重金属的来源贡献;基于独立成分分析和序贯高斯模拟构建多元地统计模拟技术,实现土壤重金属的...     

黄土高原丘陵区典型植物群落土壤粒径分布特征

为探究黄土高原丘陵区不同植物群落的土壤粒径分布特征。选取草地、山杏纯林、油松纯林和油松山杏混交林0~200 cm土壤为研究对象,采用激光衍射技术测定土壤样品粒度组成,计算土壤粒度参数与分形维数,绘制粒度频率曲线。结果表明：（1） 研究区土壤属粉壤土,粉粒含量约占总体的56.58%~71.67%,砂粒约占21.37%~38.71%,黏粒约占3.55%~6.96%。（2） 各植物群落内土壤粒度组成随土层深度增加分布较为均一,粒径分布整体分选性均较差,呈极正偏度,峰态尖窄,粒度频率曲线为双峰型,曲线波峰一致。不同植物群落土壤粒径分布差异主要集中在土壤表层0~20 cm（P<0.05）。（3） 草地、山杏纯林、油松纯林和油松山杏混交林0~200 cm土壤平均分形维数分别为2.63、2.60、2.61、2.58。分形维数与黏粒含量具有极显著正相关关系（P<0.05）,其中,草地土壤分形维数与黏粒的相关性最强。总体来看,黄土高原丘陵区草地土壤粒径分布特征显著优于人工林,本研究结果可为黄土高原的生态重建工作提供理论依据。     

基于主成分和机器学习的土壤有机质含量空间预测建模

协同环境变量与机器学习回归模型构建土壤有机质空间预测组合模型对养分精准管理具有重要意义,而多维变量间的信息冗余和相关性会导致模型训练时间过长、预测精度降低等问题.以陕西省咸阳市农耕区为例,选取高程、坡向、坡度、剖面曲率、平面曲率、地形起伏度、地形湿度指数、年均降水量、年均气温、归一化植被指数共10个环境变量,在主成分分...     

耕地土壤速效钾含量的空间预测方法研究

利用插值方法进行土壤属性的空间预测是土壤学科的研究热点之一,以土壤发生学相关信息作为辅助变量的克里格空间插值方法则少有研究。该文以成土母质多样的湖南省石门县为例,基于GS+、ArcGIS和Matlab,结合成土母质信息的克里格(PMK)插值方法,对研究区土壤速效钾空间分布进行了预测。结果表明,PMK法较好地解决了因成土母质间速效钾含量差异给预测带来的误差,预测精度较反距离权重(IDW)、普通克里格(OK)法分别提高了21.68%、16.43%;PMK法制作的空间预测图中速效钾分布突变而非渐变,较IDW、OK预测结果接近研究区实际情况,进而证明在成土母质较为复杂的地区,PMK法适合对土壤速效钾含量的预测。     

湛江市土壤有机氯农药残留状况及空间分布特征

选取位于中国大陆最南端的湛江市为研究区域,对该市土壤进行了系统采样分析,测定了61个表层土壤样品中的17种有机氯农药的含量。利用多元地统计和GIS相结合的方法,研究了17种有机氯农药的残留状况及空间分布情况。结果表明,17种有机氯农药在42个土壤样品中均有不同程度的检出,其中p,p'-DDE检出率为100%,3种有机氯农药检出率在90%以上。其中六六六和滴滴涕残留较普遍,六六六未达到污染水平,有一个土壤样品滴滴涕超过国家土壤环境质量一级标准。分析显示,近期可能仍有新的六六六输入土壤环境,而滴滴涕则主要来自过去施用农药的残留。主成分分析显示17种有机氯农药可以由6个主成分反映,分别对应于工业HCH和林丹的使用、农药使用习惯以及当地病虫害特点等。采用克里格插值法对有机氯农药在研究区的空间分布进行了研究,结果表明不同有机氯农药在研究区分布存在很大差异。     

Progress on spatial prediction methods for soil particle-size fractions

Soil particle-size fractions(PSFs), including three components of sand, silt, and clay,are very improtant for the simulation of land-surface process and the evaluation of ecosystem services. Accurate spatial prediction of soil PSFs can help better understand the simulation processes of these models. Because soil PSFs are compositional data, there are some special demands such as the constant sum(1 or 100%) in the interpolation process. In addition,the performance of spatial prediction methods ca...     

一种土壤属性制图的曲面建模方法(英文)

High accuracy surface modeling(HASM) is a method which can be applied to soil property interpolation.In this paper,we present a method of HASM combined geographic information for soil property interpolation(HASM-SP) to improve the accuracy.Based on soil types,land use types and parent rocks,HASM-SP was applied to interpolate soil available P,Li,pH,alkali-hydrolyzable N,total K and Cr in a typical red soil hilly region.To evaluate the performance of HASM-SP,we compared its performance with that of ordinary kriging(OK),ordinary kriging combined geographic information(OK-Geo) and stratified kriging(SK).The results showed that the methods combined with geographic information including HASM-SP and OK-Geo obtained a lower estimation bias.HASM-SP also showed less MAEs and RMSEs when it was compared with the other three methods(OK-Geo,OK and SK).Much more details were presented in the HASM-SP maps for soil properties due to the combination of different types of geographic information which gave abrupt boundary for the spatial varia-tion of soil properties.Therefore,HASM-SP can not only reduce prediction errors but also can be accordant with the distribution of geographic information,which make the spatial simula-tion of soil property more reasonable.HASM-SP has not only enriched the theory of high accuracy surface modeling of soil property,but also provided a scientific method for the ap-plication in resource management and environment planning.     

土壤厚度的空间插值方法比较——以青海三江源地区为例

利用青海三江源地区533个土壤剖面中的厚度数据, 在GIS技术的支持下, 采用确定性内插(反距离加权、全局多项式、局部多项式和径向基函数)和地统计内插(普通克里格、简单克里格、泛克里格和协同克里格)两类共八种插值方法对研究区土壤厚度的空间分布进行了预测, 并综合比较了各种插值方法的预测误差、统计特征值和插值结果分布图。结果表明:(1)在地统计内插方法中, 普通克里格方法(一阶)插值效果比普通克里格方法(二阶)要好;在普通克里格方法(一阶)的半方差函数模型中, 球状模型的插值效果优于指数模型和高斯模型;普通克里格方法在四种地统计内插方法中预测误差最小、预测结果准确性最好。(2)确定性内插方法中, 反距离加权(指数为1)法的误差较小, 并且对区域与局部趋势的反映效果最好。(3)从预测误差大小和对区域总体及局部趋势的综合反映效果来看, 有异向性的球状模型普通克里格(一阶)插值方法预测结果最能准确反映青海三江源地区土壤厚度的空间分布。     

基于多重网格求解的土壤属性高精度曲面建模

高精度曲面建模(HASM)是近几年发展起来的可用于地理信息系统和生态建模的一种较高精度的曲面建模方法.本研究选择南方红壤丘陵区江西省吉安市辖区、吉安县和泰和县为研究区,采集150个表层土壤(0～20cm)样品,分别随机选取60、90和120个点作为模拟数据集,90、60和30个点作为验证数据集,基于多重网格(MG)作为...     

高精度曲面建模方法研究进展与分类

高精度曲面建模方法(HASM)作为新一代的曲面模拟方法,经过20多年的发展,其理论体系不断完善,算法体系不断丰富,应用领域不断拓广。然而,目前HASM方法尚未建立科学的分类体系,仅依据求解算法为标准进行简单区分,忽视了HASM所研究问题本质上的差异,阻碍了HASM方法在相关领域的进一步应用。为此,本文在总结HASM方法发展过程的基础上,按照研究问题的本质特点,以输入数据的类型为依据,将HASM分为空间插值方法和空间数据融合方法。其中,HASM空间插值方法是根据离散采样点得到目标曲面,而HASM空间数据融合方法则是融合多源数据,并综合各个数据源优势而得到新曲面的过程。该分类科学、合理,为今后HASM方法的进一步应用提供了理论指导。最后本文叙述了应用两种HASM方法求解问题时的一般步骤,同时还对两种方法的发展前景进行了展望。     

On the prediction error variance of three common spatial interpolation schemes

Three forms of linear interpolation are routinely implemented in geographical information science, by interpolating between measurements made at the endpoints of a line, the vertices of a triangle, and the vertices of a rectangle (bilinear interpolation). Assuming the linear form of interpolation to be correct, we study the propagation of error when measurement error variances and covariances are known for the samples at the vertices of these geometric objects. We derive prediction error variances associated with interpolated values at generic points in the above objects, as well as expected (average) prediction error variances over random locations in these objects. We also place all the three variants of linear interpolation mentioned above within a geostatistical framework, and illustrate that they can be seen as particular cases of Universal Kriging (UK). We demonstrate that different definitions of measurement error in UK lead to different UK variants that, for particular expected profiles or surfaces (drift models), yield weights and predictions identical with the interpolation methods considered above, but produce fundamentally different (yet equally plausible from a pure data standpoint) prediction error variances.     

DEM空间插值方法对土壤侵蚀模拟的影响研究——以USPED分析干热河谷典型冲沟为例

为探索不同空间插值方法得到的DEM如何影响土壤侵蚀模拟效果,本文选择金沙江干热河谷区典型冲沟为研究对象,利用野外测量高程数据,采用反距离加权(IDW)、析取克里格(DK)、局部多项式(LPI)和张力样条函数(ST)4种方法构建高精度DEM。基于USPED模型模拟冲沟的土壤侵蚀,对比不同空间插值方法的精度、土壤侵蚀的空间分布,采用相对差系数对比不同插值在土壤侵蚀研究中的相似性。结果表明：DEM空间插值的精度排序为ST相似文献   

流域多尺度土壤水分监测与模拟研究进展

土壤水分调控着陆地表层系统空间格局和过程,作为地表不同圈层中物质和能量输移转化的关键纽带和驱动力,连接着一系列的水文、生态、气候和地质学过程。论文首先介绍了流土壤水分静态特征(土壤含水量和基质势时空变化)在流域范围内不同空间尺度上监测方法的优缺点,包括直接手动监测、直接自动监测、地球物理探测和遥感监测等;同时介绍了其动态特征(土壤水分运动)监测方法(径流小区法、示踪剂法和地球物理探测)的局限性和模拟模型(动力波模型、水量平衡模型和水动力模型等)的关键参数和过程。在此基础上提出了：① 加强土壤水分监测尺度与方法的集成;② 消除土壤水分运动模型不确定性;③ 耦合土壤水分与碳氮输移循环过程等3个方面的研究展望和建议,从而为高时空分辨率和高精度的土壤水分数据获取,以及土壤水分运动与分布及其驱动下的碳氮排放过程、机理的揭示和模拟提供新的研究视角与思路。     

中国土壤温度的空间插值方法比较

利用中国698个气象站点1971~2000年的地面气候资料,采用三种不同方法预测中国0cm、20cm和40cm深度年均土壤温度的空间分布,其中普通克里格和泛克里格法直接以年均土壤温度数据为源数据、回归克里格法以中国年均气温数据和中国DEM数据为源数据进行预测。预测结果的准确性通过平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)值来评价。结果表明回归克里格法预测的MAE值和RMSE值均为最小,说明其预测结果的准确性最好、预测的极端误差也最小;其次为泛克里格法;普通克里格法预测的效果最差。回归克里格法预测结果由于采用了中国DEM数据进行修正,在空间特征表达方面能够更好地表达复杂地形地区的局部变异,其平滑效应明显小于泛克里格法和普通克里格法的预测结果。