松嫩平原西部土壤有机碳时空变化及其影响因素分析

摘要

松嫩平原是中国重要的粮食主产区和商品粮生产基地，其西部地处典型农牧交错地带，是环境变化的敏感区域。近年来，随着经济发展与科技进步，人类活动越来越频繁，西部地区沙化盐碱化问题严重，农田有机碳含量呈下降趋势。因此，以高空间分辨率的县域为单元分析农田土壤有机碳含量的时空演变规律及其空间异质性十分必要，其结果不仅可以为各县市合理利用土地资源与改善土壤质地提供基础依据，而且可以为增加和保持土壤有机碳含量与提高粮食产量提供有力的参考价值。
　　地理加权回归模型(Geographically Weighted Regression Model，GWR)同传统的回归模型相比，其能够对空间地理事物进行局部参数估计，可以更好地呈现空间变异规律，通过GWR模型的构建运行和检验，以各县域为单元分析出其土壤有机碳含量变化的规律及影响因子的空间变异。能够更好的分析与了解松嫩平原西部耕作土壤有机碳含量变化的过程和机制，这将为各县市有针对性的改善土壤条件，提高土壤有机碳含量提供可行性依据。
　　本文以沙化、盐碱化问题突出的松嫩平原西部为关键研究区，运用ArcGIS地统计分析、传统统计分析与GWR模型，对比分析1990年和2015年松嫩平原西部14个县市农田表层土壤有机碳(Soil Organic Carbon，SOC)的时空变异特征，并探究土壤pH值、电导率、容重、铵态氮、硝态氮、粒度机械组成、年平均气温、年平均降水量等对有机碳空间分布的主导影响。研究主要结果如下:
　　(1)1990年松嫩平原西部土壤有机碳含量分布特征及其影响因素相关性:大致呈现出自中部的大安市向南部逐渐减小趋势，向北部逐渐增加的趋势。西北部的龙江县和齐齐哈尔市含量最高，其含量为43.11-74.59g kg-1;东南部长岭县含量最低，含量为0.92-4.52g kg-1。1990年土壤有机碳含量同容重值呈极显著负相关关系(p＜0.01)，二者的负相关趋势在齐齐哈尔市和肇源县以外的县市表现得最为显著;土壤有机碳含量与黏粒、粉粒组分呈极显著正相关关系(p＜0.01)，与砂粒组分呈极显著负相关关系(p＜0.01);有机碳含量与年平均气温呈极显著负相关关系(p＜0.01)，表明温度越高有机碳含量越少。
　　(2)2015年松嫩平原西部土壤有机碳含量分布特征及其影响因素相关性:大致呈现出自中部的镇赉县、大安市和乾安县向西南部和东南部逐渐减小的趋势，而向西北部呈现逐渐增大的趋势。西北部的龙江县含量最高，其含量为39.94-71.79gkg-1;西南部通榆县含量最低，含量为2.3-3.7g kg-1。土壤有机碳含量同pH值呈极显著负相关关系(p＜0.01)。通过对比分析北部的pH值为中性和酸性的泰来县、杜蒙县、齐齐哈尔市和龙江县的SOC和pH值的变化趋势，SOC和pH值呈现出正相关的趋势，说明酸性土壤环境能使土壤微生物活性减弱，降低其分解、运移土壤有机质及营养元素的能力，从而使土壤有机碳周转下降，有利于SOC的积累;同容重值呈极显著负相关关系(p＜0.01);粉粒和砂粒组分同SOC相关性显著，其中粉粒组分呈极显著正相关关系(p＜0.01)，砂粒组分呈极显著负相关(p＜0.01);与铵态氮和硝态氮均具有极显著正相关关系(p＜0.01);有机碳含量与年平均气温(T)和年均降水量(P)呈极显著负相关关系(p＜0.01)，表明温度越高有机碳含量越少;降水量越多有机碳含量越少，有机碳易流失，但相比于年均温与有机碳的相关系数年均降水量的较小，表明松嫩平原西部年均温对有机碳的影响大于年均降水量。
　　(3)运用主成份分析法和GWR模型对土壤有机碳的影响因素进行分析，结果表明0.05-2mm砂粒、T、施肥量是其主要影响因子。对有机碳含量进行了空间自相关检验，2015年与1990年Moran'sⅠ系数值相比呈现增加的趋势，这一结果说明土壤有机碳含量的空间自相关性加强。土壤有机碳含量的空间相关性变强有利于模型的构建。并对GWR模型进行了检验，证明了其可行性与优势。
　　(4)根据GWR模型结果输出图分析得出，砂粒含量与有机碳含量呈负相关关系。1990年大致是从西南部向东北部和西北部影响程度逐渐增强，2015年黏粒含量影响程度则是从东南部向西北部逐渐减弱;年平均气温的影响程度主要呈现出从南部向北部增加的趋势并与有机碳含量呈显著负相关关系，这也是龙江县和齐齐哈尔市有机碳含量较高的原因之一;1990年与2015年施肥量的影响程度变化相似，主要都表现为由东南向西北递减的趋势，施肥量与有机碳含量呈正相关关系;通过运用GWR模型对松嫩平原西部耕作土壤有机碳影响因素的时空变化分析，得出GWR模型能够很好的估计松嫩平原西部耕作土壤有机碳含量变化影响因素的区域特征。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 土壤有机碳储量研究概况

1．2．2 国内外GWR模型的研究进展

1．3 研究目的和意义

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 研究区概况和研究方法

2．1 研究区概况

2．2 样品的采集与方法

2．2．1 样点布设与样品采集

2．2．2 样品前处理与分析

2．3 GWR模型原理

第3章 松嫩平原西部土壤有机碳含量时空分异研究

3．1 1990年土壤有机碳含量分布特征

3．2 1990年土壤有机碳环境因子相关性分析

3．2．1 土壤容重对有机碳含量的影响

3．2．2 土壤粒度机械组成对有机碳含量的影响

3．2．3 年平均气温和年平均降水量对有机碳含量的影响

3．2．4 1990年松嫩平原西部土壤有机碳影响因素区域差异分析

3．3 2015年土壤有机碳含量分布特征

3．4 2015年土壤有机碳环境因子相关性分析

3．4．1 土壤电导率、pH值和容重对有机碳含量的影响

3．4．2 土壤粒度机械组成、铵态氮和硝态氮对有机碳含量的影响

3．4．3 温度和降水对土壤有机碳含量的影响

3．4．4 2015年松嫩平原西部土壤有机碳影响因素区域差异分析

3．5 松嫩平原西部土壤有机碳含量时空分异特征研究

3．6 小结

第4章 土壤有机碳含量影响因素分析

4．1 主成份分析过程及结果

4．2 GWR模型的构建、运行与检验

4．2．1 土壤有机碳含量的空间自相关检验

4．2．2 GWR模型公式和模型计算

4．2．3 模型检验

4．3 GWR模型的结果分析

4．4 小结

第5章 基于GWR模型的松嫩平原西部土壤有机碳影响因素时空差异分析

5．1 土壤粒度机械组成对土壤有机碳影响的时空变化特征

5．2 年平均气温对土壤有机碳影响的时空变化特征

5．3 施肥量对土壤有机碳影响的空间变化特征

5．4 小结

结论与展望

结论

研究不足与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢