东北黑土区土壤关键特性空间变异及驱动因素研究

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土壤是农业的基础,东北黑土区是我国重要的粮食主产地,大型农场是我国黑龙江黑土区重要的农业生产管理单元。由于春季黑土冻融和积雪融化及降雨造成了水土流失,易导致农田土壤水分饱和甚至积水进而农机进地作业困难也接影响春播进程。研究东北黑土区春耕时期土壤水分分布规律以及变异特征,有利于掌握该时期土壤分布状况,分析其影响因素对于农机进地安排具有指导意义,然而传统的土壤水分野外监测费时费力,遥感技术有大面枳测量以及时效性强等优势。目前针对黑土区的土壤养分流失肥力下降等问题,对土壤养分的空间变异研究中单一尺度上未能准确全面反映土壤养分状况,在农场尺度上研究其驱动因素可对土壤养分管理、变量施肥以及制图提供理论基础。本文选取黑龙江省赵光农场为研究区,分别分析土壤水分与土壤养分两个部分。利用10m分辨率的Sentincl-1雷达数据结合实测样点反演的土壤水分,采用半方差函数,集成推进树算法(Aggregated Boosted Tree,ABT)等方法分析了春耕期土壤水分的空间变异及地形因素(坡度、坡向、坡位、高程和地形湿度指数)对土壤水分空间用异质性的相对影响。对耕层土壤养分实地采样数据,分别从农场尺度(土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾)和地块尺度上(有机质、碱解氮、有效磷,速效钾)使用基础统计与地统计方法描述土壤养分的空间变异特征,使用冗余分析方法(redundancy annlysis,RDA)与地理探测器分析在农场尺度上地形因素和人为因素(垄向、种植作物类型、管理区)对土壤养分影响。主要研究结果如下:(1)对赵光农场漫岗地块布点采集土壤表层土样,测定土壤含水量得出该研究区土壤含水量介于25.11%~37.31%之间,平均值为30.55%。对研究区土壤水分进行遥感反演。农场黑土漫岗区春耕期土壤水分空间变异包括农场尺度和地块尺度两个组分,地块尺度变异系数(5.81%)大于地块之间变异系数(4.16%)。坡位、坡度、坡向是影响土壤水分空间变异的主控因子,其累计相对解释率超过70%,其中坡位占36.28%。(2)在农场尺度上,土壤pH呈微酸性,有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量丰富、土壤pH呈弱变异性,其余各指标均呈中等变异性。土壤pH、碱解氮、有效磷的最优半变异模型为指数模型,有机质、速效钾的最优半变异模型为球状模型。土壤pH、有机质表现出强空间相关性;碱解氮、有效磷、速效钾为中等自相关性。(3)在地块尺度上,土壤有机质、碱解氮含量丰富属于较高水平,有效磷、速效钾含量高,碱解氮与速效钾呈弱变异性,有机质与有效磷呈中等变异性。土壤有机质和有效磷的最优半变异模型为球状模型,碱解氮的最优半变异模型为高斯模型,速效钾的最优半变异模型为指数模型,四种养分均表现出强空间相关性。(4)对农场尺度上土壤养分影响因素的冗余分析表明,地形湿度指数(TWI)、高程、坡位3种地形因素与垄向、管理区人为因素对5种土壤养分影响程度较大。使用地理探测器以地学角度分析影响农场尺度上土壤养分空间分布表明,因子探测器表明管理区对各个土壤养分的解释度较高影响较大;因子交互探测器表明,管理区与坡位交互作用分别对5种土壤养分解释度较高,交互因子解释度比单个因子解释度最高提高了 2倍。
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