| 题名 | 亚热带典型区土地利用与土壤养分空间变异 |
| 作者 | 路鹏 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2005 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 陕西 |
| 导师 | 吴金水 |
| 学位专业 | 土壤学 |
| 中文摘要 | 土地利用变化是一个相当复杂的过程，是全球环境变化最显著的方面之一。它受到社会、经济等多因素的影响，具有很强的综合性和地域性，成为当前国内外研究的热点之一。本文对亚热带红壤丘陵典型区的土地利用格局进行了系统全面的研究，对于揭示其土地利用变化的实质和实现土地资源的可持续利用具有重要的现实意义，进一步丰富了我国亚热带三大类型区的土地利用/覆被变化的比较研究，进而为整个亚热带区域的碳、氮、磷循环的驱动机制研究奠定了基础。另外，应用地统计学方法对亚热带三大类型区之间的土壤养分空间结构的对比分析和各个类型区土壤养分的变异函数的稳定性分析还是一种尝试。这揭示了多尺度下土壤养分的空间变异规律，对于分析不同尺度下影响土壤养分的生物学过程及人类活动的作用有着十分重要的理论意义。克立格插值法绘制的养分含量空间分布图显示了其空间分布格局，它将有助于进一步监测养分动态，为农业和环境管理提供数字地图支持。该研究结果对调整施肥等农田精细管理措施和生态系统中的碳、氮、磷素格局及其循环具有重要的指导意义，为精准农业的实施打下了良好的基础。本研究基于不同时期土地利用遥感数据，应用GIS技术、空间统计分析、马尔可夫链模型和典型相关分析等技术和方法分析了亚热带红壤丘陵典型区土地利用景观格局变化的幅度与方向、空间分布特征、情景预测模拟及其驱动力分析；应用地统计学和GIS相结合的方法很好的描述了亚热带三大类型区土壤养分的空间变异规律、空间异质性的比较及变异函数的稳定性分析。研究取得了以下主要结论：⑴ 基于变异函数二阶平稳确定的适宜取样密度、景观尺度上土壤养分的半方差拟合、Box-Cox转化，提出了亚热带地区景观单元尺度上土壤养分空间变异的分析方法。⑵ 土地利用变化的特点： 7种土地利用类型的面积均有不同程度的变化。变化特点主要是耕地、建设用地和水域的不断扩张，林地的不断减小。变化方向为耕地面积变化主要是毁林草开荒，建设用地扩展则表现为大量侵占耕地，水域变化是由耕地和林地转变而来。毁林草现象和农村扩展乱占耕地现象还未从根本上得到遏制。计算出土地利用类型之间相互转化的概率信息，并应用马尔柯夫概率模型进行土地景观要素的情景模拟，准确的预测出了2050年土地利用类型的变化格局。应用典型相关分析对研究区土地利用变化的主要驱动力进行了统计分析，定量诊断出各驱动因子贡献作用的大小。⑶ 红壤丘陵区： 在60m步长间隔尺度下，土壤有机碳和全氮属于强烈的空间相关性，全磷空间相关性为中等程度。有机碳和全磷的理论模型为球状模型，全氮为高斯模型。不同土壤养分的空间自相关范围具有明显的差异，有机碳的变程最大（261m），全氮（208m）次之，全磷的变程最小（133m）。其空间自相关范围的差异由本身的特性、土地利用格局、地形和人为管理措施等因素所决定。在GIS支持下，采用Kriging插值方法，得到有机碳和全氮含量呈现出明显的条带状和斑块状的梯度变化，并表现出极为相似的空间分布格局。全磷的空间分布随机性强，斑块变得更加琐碎并呈现镶嵌的“星空”状分布。总体上说，基于整个景观尺度的土壤养分的半方差拟合效果优于不同土地利用类型的拟合效果。探讨不同尺度下影响土壤养分空间变异的生态过程，得出在不同尺度范围内影响因素不同，某一种空间结构特征只能在一定采样尺度下才能表现出来。⑷ 平原湖区： Box-Cox转化成功地使数据集服从正态分布并削弱了异常值的影响。应用地统计学分析方法进行了实验变异函数的计算和最适模型的拟合，得出有机碳、全氮、全磷的最好的理论模型为球状模型，表明前几个步长的半方差值对模型的拟合程度扮演着重要的角色，随后用普通克立格估值方法绘制了有机碳、全氮、全磷的空间分布图。经过不同趋势阶数有机碳、全氮、全磷Kriging插值误差的综合比较，结果表明有机碳的趋势效应参数宜选取一阶，全氮、全磷宜选取二阶。Kriging估值标准差（KSD）被认为是内插象素值的标准差，并为提高有机碳、全氮、全磷的制图精度提供了有用的信息。应用地统计学和GIS中的概率克立格法研究了洞庭湖平原典型区的有机碳、全氮、全磷的空间分布并进行了风险性评价。结果表明土壤有机碳、全氮、全磷不同含量水平下的概率分布图对风险性评价、合理施肥、控制氮、磷的非点源污染，并为土壤碳、氮、磷素养分管理提供可靠的信息。⑸ 喀斯特区：本文首次尝试在景观单元尺度下（3-6km2级）进行土壤微生物生物量碳、氮、磷空间变异分析，揭示其空间变异规律及分布格局特征。从C0/C0+C的比值可以看出，微生物生物量碳、氮、磷的随机部分的异质性比土壤有机碳、全氮、全磷的大，这说明了微生物生物量碳、氮、磷比有机碳、全氮、全磷更容易受到随机因素的影响，这与它们自身的特点有关。对于插值方法的选择应根据研究区域的实际情况、插值要素的自身特性等来确定，总体上带趋势项的插值方法要好于不带趋势项的插值。⑹ 亚热带三大类型区土壤养分均属于中等程度的变异，变异系数最大的是在喀斯特区。土壤养分的半方差结构显示不一，拟合的模型也不同。均以全磷的C0/C0+C比值最高，说明它比有机碳和全氮更容易受到随机因素的影响。红壤丘陵区和平原湖区有机碳和全氮的标准化变异函数表现的极为相似，并以有机碳的空间自相关引起的异质性程度最高，而全磷最低；在喀斯特区，以全磷最高，这与分维数在三大类型区的变化规律是一致的。通过对变异函数的稳定性分析，得出了研究区内合适的取样密度。研究成果将有效的指导土壤的取样设计以及进行土壤养分的空间内插和制图。 |
| 公开日期 | 2011-07-01 ; 2011-07-14 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/4045]  |
| 专题 | 水土保持研究所_水保所知识产出(1956-2013) |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 路鹏. 亚热带典型区土地利用与土壤养分空间变异[D]. 陕西. 中国科学院研究生院. 2005. |
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