不同尺度农田土壤有机质和全氮空间变异及三维模拟研究

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1、博士学位论文不同尺度农田土壤有机质和全氮空间变异及三维模拟研究申请人姓名：徐丹指导教师：刘昌华教授学位类别：工学博士专业名称：测绘科学与技术研究方向：资源利用评价与信息管理河南理工大学测绘与国土信息工程学院二○一六年六月中图分类号：P28密级：公开UDC：单位代码：10460不同尺度农田土壤有机质和全氮空间变异及三维模拟研究SpatialVariabilityand3DSimulationofSoilOrganicMatterandTotalNitrogenatDifferentScales申请人姓名徐丹学位类别工学博士专业名称测绘科学与研究方向资源利用评价与技术信息管理导师刘昌华职称教

2、授提交日期2016年4月答辩日期2016年6月河南理工大学致谢时光荏苒，岁月如梭，转眼间，两年的硕士阶段和四年的博士阶段研究学习生活即将画上句号。在学位论文即将付梓之时，感触颇多。在母校河南理工大学度过了紧张而有所获的六年，也使自己的人生从此跨入一个新的起点。回想这六年来的学习和生活，首先，衷心地感谢我的导师，刘昌华教授和袁占良教授，刘老师敏锐的观察力、渊博的知识、严谨的逻辑思维能力、开阔的思路，袁老师严谨的科研态度、对工作的一丝不苟的精神、平易近人的作风都将使我终生受益，是我人生的榜样，是他们把我领进了科研的大门，让我在科研之路上自由的发展。本论文的出炉也是得益于二位导师的悉心指导，在

3、此我向二位老师表示诚挚的感谢！两位老师不仅在学习和科研上给予我很大的帮助和指导，在生活上也给予了我无微不至的关怀，使我不断成长，去勇敢的面对生活、工作和学习，感谢二位老师多年来的帮助、关心和照顾。感谢蔡太义老师在论文撰写过程中给予的数据和技术支持，感谢郝成元老师，牛海鹏老师，景海涛老师，王世东老师，聂小军老师，他们对我的论文提出了许多宝贵的意见和建议。感谢师弟师妹在科研和生活上的热情帮助！特别感谢我的家人，是他们莫大的支持让我能够顺利完成博士论文的书写工作。感谢我的爱人张世恩先生，是你的关心、包容、理解和支持，我的论文才能够顺利完成！最后感谢为评审本论文而付出辛勤劳动的全体专家学者。摘要

4、我国是人口大国，粮食供需紧张，提高农田肥力是粮食增产的重要途径，有机质和全氮是土壤的重要组成部分，能够反映土壤肥力的高低，与农作物的产量密切相关，因此，研究土壤有机质和全氮的空间变异规律并掌握其分布状况是合理施肥、培肥土壤的基础，对实现农田土壤可持续发展具有重要意义。论文以河南省新郑市（县级市）为研究区域，通过野外调查、室内分析，采用经典统计学和地统计学等理论与方法，结合GIS技术，研究新郑市耕层土壤有机质空间变异特征；同时改变采样幅度和粒度，以此来表示空间尺度的变化，从而进一步探讨县、乡、村三个尺度下土壤有机质空间变异的尺度效应以及多尺度信息套合的方法；仅改变采样幅度，研究县域内乡镇和

5、行政村尺度下土壤全氮空间变异特征，以及全氮变异性与样本量的关系；基于二维空间中土壤有机质和全氮变异性研究，探讨有机质和全氮三维空间分布特征的模拟，以期为区域农田土壤养分精准管理、土壤采样设计、土壤资源的可持续利用以及农业可持续发展提供理论基础和实践依据。主要研究成果如下：（1）土壤有机质空间变异特征应用地统计学方法研究土壤有机质的空间结构特征，结果表明，新郑市耕层土壤有机质具有中等强度的空间变异性（变异系数为31.71%）和空间相关性（块金系数为63.77%），其空间变异是由结构性因素（母质、地形、气候等）和随机性因素（耕作、施肥、灌溉等）共同作用的。经方差分析，土壤类型、土壤质地和地下

6、水埋深是影响土壤有机质空间分布的重要因素。（2）土壤有机质空间尺度效应及多尺度套合应用地统计学方法探讨县、乡、村三个尺度下土壤有机质的空间变异结构，结果表明，新郑市土壤有机质的空间结构对采样尺度具有依赖性，单一尺度研究无法对其空间变异规律进行深入分析。在地统计学套合结构理论基础上，将各向异性条件下县级和乡级尺度不同方向上有机质的套合结构与各向同性条件下村级尺度有机质的空间结构进行多尺度套合，构建有机质的多尺度套合模型。经I值检验，多尺度套合模型法的空间插值精度明显高于单一尺度的普通克里格法（I值0.48<3.31）。采用多尺度套合模型法对土壤有机质含量进行空间估值，其拟合的空间分布规律与

7、普通克里格插值拟合的县级尺度分布规律基本一致，但其对乡级和村级尺度的空间变异性表达的更为详细，能有效揭示土壤有机质的空间变异规律。I（3）不同尺度土壤全氮空间变异特征采用经典统计学方法探讨县域范围内乡镇和行政村尺度下土壤全氮空间变异性，结果表明，土壤全氮在乡镇尺度下的变异（13.95%~24.05%）低于行政村尺度（2.63%~26.25%），按乡镇尺度进行采样的可靠性比村级尺度高。借助多元线性回归模型量化全氮变异性与样本量的关系，