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联合FOD-sCARS的土壤有机质高光谱机器学习估测模型
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作者 吴梦红 窦森 +5 位作者 林楠 姜然哲 陈思 李佳璇 付佳伟 梅显军 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS 北大核心 2025年第1期204-212,共9页
土壤有机质(SOM)含量是表征土壤质量的关键指标,在全球碳循环系统中发挥重大作用。快速准确的SOM估算和空间制图对土壤碳库估算、作物生长监测和耕地规划管理具有重要意义。利用传统方法监测区域性SOM含量耗时费力,基于高光谱遥感影像建... 土壤有机质(SOM)含量是表征土壤质量的关键指标,在全球碳循环系统中发挥重大作用。快速准确的SOM估算和空间制图对土壤碳库估算、作物生长监测和耕地规划管理具有重要意义。利用传统方法监测区域性SOM含量耗时费力,基于高光谱遥感影像建立SOM估测模型是现在较为合理有效的方法。为探索解决目前高光谱遥感影像建立SOM含量估测模型存在光谱数据冗余、光谱数据特征提取精度低、小样本模型泛化能力不强的问题,选择位于青海省湟中县的研究区,共采集67个土壤样本。获取资源1号02D(ZY1-02D)高光谱遥感影像并进行预处理得到样点像元光谱数据,采用分数阶微分变换(FOD)方法挖掘与SOM含量具有响应关系的敏感波段,以0.2为一个步长,利用相关性阈值法对比分析不同阶次微分处理数据挖掘能力;运用稳定性竞争性自适应重加权采样算法(sCARS)去除高光谱冗余数据获取建模特征波段,选择随机森林(RF)、极端梯度提升树、极限学习机和岭回归机器学习作为建模算法,以全波段和特征波段光谱数据分别作为模型输入变量构建SOM估测模型进行高光谱反演研究工作;最后根据最优特征变量和建模算法,基于ZY1-02D遥感影像进行了SOM空间分布制图。结果表明:采用FOD变换相比整数阶可以大大提高波段与SOM含量间的相关性,挖掘出更多细微的与SOM含量产生响应关系的光谱波段,其中0.8阶微分变换效果最优,较原始波段相比相关系数最大值提高了0.546;相较于全波段光谱数据,采用sCARS特征提取方法获取特征波段构建模型的估测精度得到较大提升,说明sCARS可以有效提升建模数据的质量,提升模型预测精度。建模算法中RF表现最优,R_(p)^(2)(模型决定系数)达到0.766,RPD达到1.86,较全波段建模结果R_(p)^(2)提升约7.58%;基于FOD-sCARS和RF实现了区域SOM含量估测制图。研究进一步验证利用星载高光谱遥感影像是实现区域SOM估测制图的可靠途径,研究结果可为估测区域SOM含量提供新思路,为利用星载高光谱遥感影像绘制SOM含量空间分布图提供了数据支持。 展开更多
关键词 高光谱遥感影像 分数阶微分变换 稳定性竞争性自适应重加权采样算法 土壤有机质 随机森林
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利用CARS-CNN模型的土壤有机质含量高光谱预测 被引量:1
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作者 李浩 于滈 +3 位作者 曹永研 郝子源 杨玮 李民赞 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2303-2309,共7页
卷积神经网络(CNN)在数据特征提取方面具有巨大优势,能充分获取数据特征,相较于传统模型具有更好的泛化性。基于CNN开展了土壤有机质(SOM)含量高光谱预测方法及模型研究。以北京市昌平区上庄实验站的320个土壤样本为研究对象,提取可见光... 卷积神经网络(CNN)在数据特征提取方面具有巨大优势,能充分获取数据特征,相较于传统模型具有更好的泛化性。基于CNN开展了土壤有机质(SOM)含量高光谱预测方法及模型研究。以北京市昌平区上庄实验站的320个土壤样本为研究对象,提取可见光-近红外(VIS-NIR)350~1700 nm内的807个光谱波段,通过多元散射校正(MSC)和一阶微分变换进行光谱数据去噪和变换。分别使用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)筛选敏感波长实现光谱数据降维。为解决传统手段泛化性差以及深层CNN网络复杂且负载过大的问题,基于CARS与SPA算法,提出一种基于6层卷积层的浅层CNN模型预测,并对比具有不同卷积尺寸和卷积数量的1D-CNN1、1D-CNN2以寻找最优网络参数。通过对比VGG16、支持向量回归(SVR)、最小二乘回归(PLSR)、随机森林(RF)建立预测模型在特征波长以及全波段的表现确定最佳模型。结果表明,相比于全谱波段和SPA筛选算法,基于CARS筛选特征波长建立的模型整体表现更好,波段数量被压缩至全波段的8%,有效实现了光谱数据的降维。对比全波段数据,基于CARS筛选波长的1D-CNN1、1D-CNN2的表现更好,模型预测R2分别提升了0.028,0.018;RMSE分别降低了0.150和0.107 g·kg^(-1)。整体上,基于CARS的1D-CNN1模型表现最好,预测R2=0.846,RMSE=3.145 g·kg^(-1),降低了网络负载的同时提高了模型精度,同时也证明了小尺寸卷积的表现优于更多数量的大尺寸卷积,能够更好的获取数据特征。通过CARS筛选特征波长结合浅层CNN建立SOM含量预测模型,为建立高精度的SOM含量预测模型提供了方法与参考。 展开更多
关键词 土壤有机质 卷积神经网络 高光谱 精细农业
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宁夏黄土区典型坡面表层土壤有机碳含量的空间变化特征及尺度效应 被引量:1
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作者 韩新生 刘广全 +5 位作者 许浩 董立国 郭永忠 安钰 万海霞 王月玲 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期19-31,共13页
【目的】定量认识土壤有机碳(SOC)含量在坡面上的空间异质性及尺度效应,探索“由点及面”估算坡面平均SOC含量的精确便捷途径,为细致刻画坡面土壤资源状况、全面理解生态系统碳循环、制定土壤高质量管理方案提供科学基础。【方法】在宁... 【目的】定量认识土壤有机碳(SOC)含量在坡面上的空间异质性及尺度效应,探索“由点及面”估算坡面平均SOC含量的精确便捷途径,为细致刻画坡面土壤资源状况、全面理解生态系统碳循环、制定土壤高质量管理方案提供科学基础。【方法】在宁夏半干旱黄土丘陵区,选择3个相邻的由退耕还林工程形成的典型坡面,从坡顶向坡脚设置连续样点,调查各样点的土地利用、植被特征、立地条件及表层(0^20 cm)SOC含量,分析其坡向差异、坡位变化;以“离坡顶的水平距离或相对距离”为自变量,以表层SOC含量的顺坡滑动平均值为因变量,定量描述坡面尺度效应;再以坡面上任一样点表层SOC含量与坡面平均值的比值为因变量,实现由“点”到“面”的尺度上推。【结果】研究区表层SOC含量存在明显的坡向差异、坡位变化、尺度效应。表层SOC含量的坡面平均值在南坡(7.60 g·kg^(-1))最高,东坡(6.42 g·kg^(-1))次之,西坡(5.65 g·kg^(-1))最低,其坡位间变幅在东坡(15.95 g·kg^(-1))最大,其次为西坡(11.34 g·kg^(-1)),最小为南坡(9.72 g·kg^(-1)),说明东坡的坡面效应最强,其次为西坡,南坡最弱。东坡、西坡、南坡表层SOC含量的坡位变化大致相同,均由坡顶向下逐渐减小,至离坡顶水平距离200、150、280 m(相对距离0.73、0.45、0.76)后趋于稳定,主要与坡面“上部为自然状态的坡地+林草植被+恢复年限长、下部为人工梯田+林农植被+扰动频繁”的空间格局有关。在东坡、西坡、南坡上,距坡顶水平距离每增加100 m,SOC含量的滑动平均值分别变化-3.40、-2.50、-1.51 g·kg^(-1);距坡顶相对距离每增加0.1,SOC含量的滑动平均值分别变化-0.96、-0.75、-0.55 g·kg^(-1)。构建3个坡向不同坡位样点表层SOC含量与坡面平均值的比值随离坡顶水平距离或相对距离增加而变化的数量关系(R^(2)>0.7,P<0.001),籍此可由坡面上任一样点表层SOC含量精确便捷地估算坡面平均值。将所有位点数据融合得出,离坡顶相对距离0.4的位点表层SOC含量最接近坡面平均值。【结论】半干旱黄土丘陵区坡面表层SOC含量沿坡从上至下基本呈先减小后稳定的变化,与土地利用类型、植被类型、恢复年限的坡面分布格局有关。以顺坡(相对)水平坡长增加为尺度变量可较好地定量刻画表层SOC含量的坡面变化特征及尺度效应,藉此可实现坡面表层SOC含量平均值的精确便捷推算。 展开更多
关键词 黄土丘陵区 立地条件 土地利用 土壤有机碳含量 坡面变化 尺度效应
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轮作模式和氮肥处理对稻田土壤有机碳储量及其结构的影响 被引量:1
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作者 周子榆 王孟佳 +10 位作者 冯向前 覃金华 王爱冬 马横宇 褚光 刘元辉 徐春梅 章秀福 王丹英 郑希 陈松 《中国水稻科学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期577-590,共14页
【目的】探讨不同水旱轮作模式与水稻季施氮水平在稻田土壤固碳(有机碳储量及其官能团特征)中的作用。【方法】依托中国水稻研究所水-旱轮作长期定位试验(2003年至今),研究4种轮作模式[水稻-冬闲(RF)、水稻-紫云英(RC)、水稻-小麦(RW)... 【目的】探讨不同水旱轮作模式与水稻季施氮水平在稻田土壤固碳(有机碳储量及其官能团特征)中的作用。【方法】依托中国水稻研究所水-旱轮作长期定位试验(2003年至今),研究4种轮作模式[水稻-冬闲(RF)、水稻-紫云英(RC)、水稻-小麦(RW)和水稻-稻草覆盖种植马铃薯(RP)]与2个水稻季氮肥处理[不施氮(N0,0kg/hm^(2))和正常施氮(N1,135kg/hm^(2))]对稻田土壤有机碳储量(0-50cm)和有机碳官能团特征(0-20cm)的影响。【结果】1)在土壤浅耕层(0-20 cm)内,轮作能够在一定程度上提高有机碳含量,表现为RP>RC>RW或RF;但对于全耕层(0-50、0-40和0-30cm)土壤有机碳储量而言,冬作(RP,RC和RW)与冬闲(RF)无显著差异,而施氮更有利于土壤固碳。2)水稻季不施氮处理下:相较于RF,冬作模式显著增加包括烷基碳和芳香碳在内的难降解组分,而抑制以烷氧碳为主的易降解组分,明显提高了土壤腐殖化指数、芳香性和疏水性,助力浅层土壤(0-20 cm)总有机碳储备的增加。其中,腐殖化指数和疏水性与还田秸秆C/N比值关系密切,这在浅层土壤固碳上具有重要意义。【结论】相较于轮作,适度施氮对全层土壤有机碳储备更有意义;而周年水旱轮作中全量秸秆还田对土壤有机质积累的效应仅停留在浅耕层,对全土层土壤有机碳储备的作用则被高估。秸秆碳在稻田的去向还有待进一步探索。 展开更多
关键词 稻田 水旱轮作 土壤有机碳储量 官能团组分 ^(13)C核磁共振
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土壤有机质空间分布预测与草莓种植分区施肥方案——以长丰县为例 被引量:1
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作者 杨烁楠 李玉成 +2 位作者 史杨 胡宏祥 胡宜敏 《农业资源与环境学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期585-591,共7页
为了探究土壤有机质含量及空间分布进而实行分区施肥,本研究以安徽省合肥市长丰县的草莓产业为例,利用长丰县的测土配方项目收集了1986个土壤采样点位的有机质数据,借助普通克里格(OK)、随机森林(RF)、随机森林残差克里格(RFRK)3种预测... 为了探究土壤有机质含量及空间分布进而实行分区施肥,本研究以安徽省合肥市长丰县的草莓产业为例,利用长丰县的测土配方项目收集了1986个土壤采样点位的有机质数据,借助普通克里格(OK)、随机森林(RF)、随机森林残差克里格(RFRK)3种预测模型,结合与土壤形成相关的地形、植被等6个环境协变量,对研究区的土壤有机质空间分布进行预测,绘制空间分布图,并依据有机质含量划分施肥分区,针对各个分区提出不同的草莓施肥方案。结果表明,3种模型所预测的土壤有机质总体分布趋势基本一致,呈现北高南低的特点,有机质总体含量为8~30 g·kg^(-1)。根据土壤有机质的丰缺程度,将有机质含量为15~25 g·kg^(-1)的地区划定为中等施肥区,建议施用农家肥45.0~52.5 t·hm^(-2);有机质含量高于25 g·kg^(-1)的地区为低施肥区,建议施用农家肥37.5~45.0 t·hm^(-2);有机质含量低于15 g·kg^(-1)的地区为高施肥区,建议施用农家肥52.5~60.0 t·hm^(-2)。本研究根据预测的土壤有机质空间分布划定草莓施肥分区、制定施肥方案,为不同地区的草莓种植提供指导和参考。 展开更多
关键词 草莓 土壤有机质 预测模型 数字制图 施肥方案
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褐土全氮含量Vis/NIRS组合预测模型的构建
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作者 张秀全 马世兴 +2 位作者 李志伟 郑德聪 宋海燕 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2310-2317,共8页
准确掌握农田土壤全氮含量对于评估土壤肥力,合理施用氮肥具有重要意义。为综合利用各个单预测模型的优势,提升整体预测性能、降低模型方差,提高鲁棒性,以农田褐土土壤为研究对象,基于近红外-可见光高光谱数据,提出了一种基于标准差的... 准确掌握农田土壤全氮含量对于评估土壤肥力,合理施用氮肥具有重要意义。为综合利用各个单预测模型的优势,提升整体预测性能、降低模型方差,提高鲁棒性,以农田褐土土壤为研究对象,基于近红外-可见光高光谱数据,提出了一种基于标准差的预测有效度组合预测模型(CPM),用于预测土壤全氮含量。对原高光谱数据采用Savitzky-Golay平滑和一阶微分变换,采用树模型进行特征波段提取,利用决策树回归(DTR)(模型1)、高斯核回归(GKR)(模型2)、随机森林回归(RF)(模型3)、LASSO回归(模型4)、多层感知器回归(MLP)(模型5)5个单预测模型,通过单预测模型的线性组合建立组合预测模型。结果表明:(1)通过广义简约梯度优化算法求得组合预测模型中5个单预测模型的权重分别为ω_(1)*=0.407,ω_(2)*=0.378,ω_(30*=0.215,ω_(4)*=0,ω_(5)*=0;(2)对于所有数据,基于5种单预测模型和组合预测模型对土壤全氮含量预测的预测有效度分别为M_(1)=0.855,M_(2)=0.856,M_(3)=0.847,M_(4)=0.785,M_(5)=0.796,M_(CPM)=0.880;与单模型预测有效度最大值相比,组合预测模型预测有效度提高了2.924%;(3)对于所有数据,基于5种单预测模型和组合预测模型对土壤全氮含量预测的预测精度和标准差分别为E(A_(1))=0.924,σ(A_(1))=0.075,E(A_(2))=0.928,σ(A_(2))=0.077,E(A_(3))=0.923,σ(A_(3))=0.082,E(A_(4))=0.882,σ(A_(4))=0.109,E(A_(5))=0.889,σ(A_(5))=0.104,E(A_(CPM))=0.937,σ(A_(CPM))=0.066,与单模型预测精度最大值相比,组合预测模型预测精度提高了0.970%,模型稳定性提高了12.000%,且为优性组合预测。组合预测模型可用于可见光-近红外光谱数据的农田褐土土壤全氮含量的有效估测,可为农田土壤全氮含量的快速监测提供依据和参考。 展开更多
关键词 可见光-近红外 高光谱预测 全氮含量 组合预测模型
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川东丘陵区耕层土壤有机碳含量空间格局及影响因素
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作者 汪立 樊后宝 +2 位作者 武子豪 吕添贵 谭永忠 《农业工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第23期169-178,共10页
客观掌握土壤有机碳含量分布空间格局及其相关影响因素互动机理,对于提升土壤理化性质、合理科学利用土地具有重要意义。该研究基于川东丘陵地区1301个土壤观测样点数据为,运用统计分析法、空间地统计分析法和多种集成学习分析法,探究... 客观掌握土壤有机碳含量分布空间格局及其相关影响因素互动机理,对于提升土壤理化性质、合理科学利用土地具有重要意义。该研究基于川东丘陵地区1301个土壤观测样点数据为,运用统计分析法、空间地统计分析法和多种集成学习分析法,探究外部环境随机环境因素和土壤资源禀赋因素两大系统对川东丘陵地区土壤有机碳空间分布特征及变异特征的影响及相关性。结果表明,川东丘陵地区土壤有机碳含量在4.91~15.26 g/kg之间,平均值为7.39 g/kg,变异系数为21.70%,具有中等程度的离散特征与空间变异性;克里金插值预测结果表明,川东丘陵地区土壤有机碳含量空间格局整体呈“北高南低”的分布特征,南部地区呈自南向北逐次递增分布格局。土壤有机碳含量由外部环境随机因素和土壤结构禀赋因素共同决定;土壤质地类型和土壤理化性质对川东丘陵地区的土壤有机碳含量影响最大,而地形条件与气候条件对于有机碳含量影响力则相对较弱。 展开更多
关键词 土壤有机碳 空间格局 相关性分析 影响因素 川东丘陵地区
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燕山南部典型农业区土壤有机碳储量及影响因素研究 被引量:1
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作者 刘亚静 刘红健 《华北理工大学学报(自然科学版)》 CAS 2024年第1期79-88,共10页
土壤有机碳是土壤肥力乃至土壤质量的重要基础物质,了解其分布及驱动因子对农业发展具有重要意义。以唐山遵化市西部典型农业区为例,根据实验数据,探究其土壤有机碳分布及影响因子。结果显示,(1)研究区有机质含量较差,指标均表现为中等... 土壤有机碳是土壤肥力乃至土壤质量的重要基础物质,了解其分布及驱动因子对农业发展具有重要意义。以唐山遵化市西部典型农业区为例,根据实验数据,探究其土壤有机碳分布及影响因子。结果显示,(1)研究区有机质含量较差,指标均表现为中等变异,存在明显的空间正相关性,且存在不同程度的空间变异性。(2)遵化市西部土壤有机碳分布表现为北低南高的分布,其0~30 cm表层土壤的碳储量约为4.377 Tg。(3)土壤有机碳密度的影响因素中,有效磷和有机质是土壤特性主要影响因素,年均气温、海拔、年均降水和NDVI是地形因子主要影响因子。综合来看,研究区土壤有机碳表现出明显的空间差异性,且受到多种因素影响,应注重对土壤性质的动态监测。 展开更多
关键词 土壤有机碳 地理探测器 空间分布特征
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Straw mulching alters the composition and loss of dissolved organic matter in farmland surface runoff by inhibiting the fragmentation of soil small macroaggregates
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作者 Shanshan Cai Lei Sun +7 位作者 Wei Wang Yan Li Jianli Ding Liang Jin Yumei Li Jiuming Zhang Jingkuan Wang Dan Wei 《Journal of Integrative Agriculture》 SCIE CAS CSCD 2024年第5期1703-1717,共15页
Straw mulching is a widespread practice for reducing the soil carbon loss caused by erosion.However,the effects of straw mulching on dissolved organic matter(DOM)runoff loss from black soil are not well studied.How st... Straw mulching is a widespread practice for reducing the soil carbon loss caused by erosion.However,the effects of straw mulching on dissolved organic matter(DOM)runoff loss from black soil are not well studied.How straw mulching affects the composition and loss of runoff DOM by changing soil aggregates remains largely unclear.Here,a straw mulching treatment was compared to a no mulching treatment(as a control)on sloping farmland with black soil erosion in Northeast China.We divided the soil into large macroaggregates(>2 mm),small macroaggregates(0.25-2 mm),and microaggregates(<0.25 mm).After five rain events,the effects of straw mulching on the concentration(characterized by dissolved organic carbon(DoC)and composition(analyzed by fluorescence spectroscopy)of runoff and soil aggregate DOM were studied.The results showed that straw mulching reduced the runoff amount by 54.7%.Therefore,although straw mulching increased the average DOc concentration in runoff,it reduced the total runoff DOM loss by 48.3%.The composition of runoff DOM is similar to that of soil,as both contain humic-like acid and protein-like components.With straw mulching treatment,the protein-like components in small macroaggregates accumulated and the protein-like components in runoff declined with rain events.Fluorescence spectroscopy technology may help in understanding the hydrological paths of rain events by capturing the dynamic changes of runoff and soil DOM characteristics.A variation partitioning analysis(VPA)indicated that the DOM concentration and composition of microaggregates explained 68.2%of the change in runoff DOM from no mulching plots,while the change in runoff DOM from straw mulching plots was dominated by small macroaggregates at a rate of 55.1%.Taken together,our results demonstrated that straw mulching reduces the fragmentation of small macroaggregates and the loss of microaggregates,thus effecting DOM compositions in soil and reducing the DOM loss in runoff.These results provide a theoretical basis for reducing carbon loss in sloping farmland. 展开更多
关键词 dissolved organic matter black soil surface runoff AGGREGATES fluorescence spectrum
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腐殖质促进植物根和地上部生长的信号传导和串扰机制研究进展
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作者 宋鸽 胥智强 +1 位作者 孙静思 赵雪宁 《广东农业科学》 CAS 2024年第4期136-148,共13页
天然高分子异构混合物腐殖质(HS)是陆地生态系统的重要组成部分,其促生作用近年来被广泛研究,其中多条信号通路在HS促进植物生长发育过程中起到重要作用。该文综述了HS促进植物根和地上部生长发育的信号通路传导及串扰机制。HS在促进根... 天然高分子异构混合物腐殖质(HS)是陆地生态系统的重要组成部分,其促生作用近年来被广泛研究,其中多条信号通路在HS促进植物生长发育过程中起到重要作用。该文综述了HS促进植物根和地上部生长发育的信号通路传导及串扰机制。HS在促进根系生长过程中吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid,IAA)、一氧化氮(Nitric oxide,NO)、脱落酸(Abscisic acid,ABA)、活性氧(Reactive oxygen species,ROS)和Ca^(2+)等信号通路传导及相互串扰过程参与其中;HS在促进地上部生长过程中细胞分裂素(Cytokinin,CTK)、ABA和硝酸盐信号通路发生复杂的传导和相互串扰过程。HS通过复杂的代谢网络调控植物生理代谢,调节机制涉及多条复杂信号通路的传导和串扰过程,其中质膜H^(+)-ATPase是HS促进地下和地上部生长机制研究中的关键节点,多条信号通路通过质膜H^(+)-ATPase介导相互级联放大的信号传导。在HS调控根系和地上部生长发育过程中,信使NO与多条信号通路间发生复杂的串扰过程,是参与HS促生作用的重要串扰信号分子。HS在触发根和地上部生长发育过程中还存在其他信号通路,其中防御信号通路水杨酸(Salicylicacid,SA)和茉莉酸(Jasmonic acid,JA)受到信号通路IAA、NO、ABA和CTK等的调节。由于HS具有分散性、异质性和生物化学研究复杂性的特点,至今尚未明确HS对植物生长短期作用机制以及在整个植物生长周期内的整体作用机制,因此需要进一步深入分析揭示促生过程中所涉及到的信号传导、交叉、串扰和整合途径,以及复杂的营养和代谢通路,为HS生理活性作用机制和农业生产应用的研究提供理论依据。 展开更多
关键词 腐殖质 地上部 质膜H^(+)-ATPase 吲哚乙酸 一氧化氮 脱落酸 活性氧
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土壤湿度对近红外光谱反演剖面有机质精度的影响
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作者 周鹏 孔一诺 +3 位作者 郝珊珊 印祥 肖新清 金诚谦 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第16期113-123,共11页
为深入分析土壤湿度对近红外光谱反演剖面土壤有机质(soil organic matter, SOM)精度的影响,该研究依据水分张力这一指标,将土壤划分为风干状态、1.500、0.330、0.100、0.033 MPa和饱和状态共6种湿度水平,在所选16个地点分别采集深度约1... 为深入分析土壤湿度对近红外光谱反演剖面土壤有机质(soil organic matter, SOM)精度的影响,该研究依据水分张力这一指标,将土壤划分为风干状态、1.500、0.330、0.100、0.033 MPa和饱和状态共6种湿度水平,在所选16个地点分别采集深度约150 cm剖面土壤芯柱为研究对象,采用7种方法对所测剖面土壤光谱吸光度进行光谱预处理,选择较佳的预处理方法。同时,采用连续投影算法(successive projection algorithm, SPA)和竞争性自适应重加权-连续投影算法(competitive adaptive reweighting-successive projection algorithm, CARS-SPA)筛选特征波长。构建基于全谱及特征波长的SOM近红外光谱反演模型,并将其与标准正态变量变化(standard normal variate, SNV)预处理方法相结合。结果表明:1)SPA-PLSR模型和CARS-SPA-PLSR模型的精度均优于基于全谱的PLSR模型;2)SNV-SPA-PLSR模型在饱和、风干状态下预测效果更好,而SNV-CARS-SPA-PLSR模型在水分张力分别为0.033、0.100、0.330和1.500 MPa时预测精度更高;3)不同土壤湿度水平近红外光谱“一对一”式预测SOM模型难以满足实际应用,经过对比研究,选用水分张力为1.500 MPa时构建的SNV-CARS-SPA-PLSR模型分别预测6组土壤湿度水平和混合样本集中SOM取得效果最好。该研究结果对各湿度水平下估算SOM含量有一定的指导作用,并为提高不同土壤湿度水平间剖面SOM近红外光谱反演模型的适用性提供参考。 展开更多
关键词 土壤湿度 有机质 近红外光谱 水分张力 竞争性自适应重加权-连续投影算法
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1984—2019年广西表层土壤有效磷含量的演变特征
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作者 韦洋 康吉利 +7 位作者 冯鑫鑫 刘文奇 谢贤胜 侯显达 王铄今 贾书刚 刘书田 侯彦林 《西南农业学报》 CSCD 北大核心 2024年第1期172-181,共10页
【目的】探究1984—2019年广西表层土壤有效磷(AP)含量的演变特征,为合理制定广西农作物施肥管理措施及提高土壤肥力提供科学依据。【方法】基于广西第二次土壤普查项目(1984年)、广西测土配方施肥项目(2009年)及长期定位试验数据(2010... 【目的】探究1984—2019年广西表层土壤有效磷(AP)含量的演变特征,为合理制定广西农作物施肥管理措施及提高土壤肥力提供科学依据。【方法】基于广西第二次土壤普查项目(1984年)、广西测土配方施肥项目(2009年)及长期定位试验数据(2010—2019年),采用地统计学、动态度和分布指数等方法分析广西表层土壤AP含量的时空演变特征及其在不同海拔上的分布状况。【结果】1984—2019年广西表层土壤AP含量总体上大幅提升。其中,1984年表层土壤AP含量偏低(小于10.0 mg/kg)的土壤面积约占全区土壤总面积的80.00%,2019年表层土壤AP含量集中在10.0~40.0 mg/kg的土壤面积约占全区土壤总面积的97.00%。表层土壤AP含量为等级2(20.0 mg/kg<AP含量≤40.0 mg/kg)和等级3(10.0 mg/kg<AP含量≤20.0 mg/kg)的土壤面积所占比例分别由1984年的2.47%和4.12%提升至2019年的43.38%和48.57%。在变化速度方面,表层土壤AP含量为等级6(AP含量≤3.0 mg/kg)的土壤面积减少最迅速,动态度为-2.82%,等级2的土壤面积增加最迅速,动态度为47.28%,总体变化速度表现为等级2>等级3>等级1(AP含量>40.0 mg/kg)>等级6>等级5(3.0 mg/kg<AP含量≤5.0 mg/kg)>等级4(5.0 mg/kg<AP含量≤10.0 mg/kg)。在不同海拔上,土壤AP含量等级1和等级6的分布指数曲线均发生较大变动。1984年等级1的土壤面积在5个高程区的分布指数分别为0.07、2.00、2.22、1.69和0.16,2019年的分布指数分别为2.66、0.25、0、0和0;1984年等级6的土壤面积在5个高程区的分布指数分别为1.33、1.15、0.96、0.80和0.90,2019年的分布指数分别为0.12、0.08、1.94、7.95和1.76。【结论】1984—2019年广西表层土壤AP含量等级及空间分布格局均存在较大变动,大部分区域的表层土壤AP含量明显上升,主要介于10.0~40.0 mg/kg,其中,土壤类型和海拔是重要影响因素,人为干扰是导致表层土壤AP含量明显上升的直接原因。因此,广西农作物生产过程中应继续深入推进科学施肥,增加有机肥的施用比例,提高磷肥施用效率。 展开更多
关键词 表层土壤 有效磷含量 演变特征 地统计学 广西
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有限样本下土壤有机碳密度空间分布预测模型对比分析
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作者 袁可 张晨 +3 位作者 赵建林 汪珍亮 杨节 许中胜 《水土保持研究》 CSCD 北大核心 2024年第5期173-181,191,共10页
[目的]探讨不同机器学习模型在有限样本条件下预测表层土壤有机碳密度(SOCD)空间分布的精度和适用性,为黄土高原流域尺度碳库研究提供参考。[方法]基于延河子流域有限样本,对比多元线性逐步回归(SR)、随机森林(RF)、极端梯度提升(XGB)... [目的]探讨不同机器学习模型在有限样本条件下预测表层土壤有机碳密度(SOCD)空间分布的精度和适用性,为黄土高原流域尺度碳库研究提供参考。[方法]基于延河子流域有限样本,对比多元线性逐步回归(SR)、随机森林(RF)、极端梯度提升(XGB)、支持向量机(SVM)这4种机器学习模型对表层土壤(0—20 cm)SOCD的预测精度和稳定性。[结果](1)在有限样本条件下,4种机器学习模型均可以较好地预测流域尺度SOCD空间分布,其中SVM模型精度最优,其50次预测的RMSE,R^(2),MAE平均值分别为0.74,0.43,0.64;(2)不同土地利用类型的SOCD均值估算结果大小一致且具有显著差异,均为灌木林>林地>草地>耕地,研究区总有机碳储量(0—20 cm)为2.39×10^(6 )t;(3) SOCD空间分布预测因子重要性评价结果表明地形因子、NDVI_(max)、近红外波段地表反射率(B5)以及K-T变化中的Brightness因子对模型预测精度具有显著贡献。[结论]研究表明在有限样本条件下机器学习模型结合相关变量因子可有效应用于黄土高原流域尺度表层SOCD空间分布反演及碳库研究。 展开更多
关键词 土壤有机碳 机器学习 控制因子 黄土高原
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土壤有机质对农田管理措施的动态响应 被引量:205
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作者 杨景成 韩兴国 +1 位作者 黄建辉 潘庆民 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2003年第4期787-796,共10页
土壤有机质在农田肥力、环境保护、农业可持续发展等方面具有重要意义。它不仅决定农作物产量 ,而且在全球碳素循环中起着重要作用。由于大气 CO2 浓度升高与全球气候变暖等一系列环境问题的加剧 ,全球碳素循环受到越来越多的关注。农... 土壤有机质在农田肥力、环境保护、农业可持续发展等方面具有重要意义。它不仅决定农作物产量 ,而且在全球碳素循环中起着重要作用。由于大气 CO2 浓度升高与全球气候变暖等一系列环境问题的加剧 ,全球碳素循环受到越来越多的关注。农田具有大气 CO2 源和库的双重潜力。历史上由于人类对农田的过度开垦和耕种 ,造成土壤有机质含量大幅度下降 ,降低了农田的作物产量潜力 ;同时导致大量的碳以 CO2 形式由陆地生态系统排放到大气圈 ,加剧了全球温室效应。大量研究结果表明 ,诸如耕作、种植制度、施肥等农田管理措施能够显著地影响土壤有机质动态 ,而免耕、提高复种指数、合理的轮作换茬、有机肥料和化肥的施用以及弃耕农田还林还草等保护性管理措施则能够提高农田土壤有机质含量 ,使农田起到大气 CO2汇的作用。综述了近年来农田管理对土壤有机质动态影响研究方面的进展。 展开更多
关键词 农田 土壤碳 土壤有机质 耕作 种植制度 轮作 施肥
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高寒草甸不同海拔梯度土壤有机质氮磷的分布和生产力变化及其与环境因子的关系 被引量:123
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作者 王长庭 龙瑞军 +3 位作者 王启基 景增春 尚占环 丁路明 《草业学报》 CSCD 2005年第4期15-20,共6页
以高寒草甸6个不同海拔(从低到高依次为3840,3856,3927,3988,4232,4435m)梯度内的野外观测和土壤实测数据,分析了土壤有机质、氮、磷的分布特征及其与土壤含水量和土壤温度之间的关系。结果表明,土壤有机质、土壤全氮、土壤速效氮、土... 以高寒草甸6个不同海拔(从低到高依次为3840,3856,3927,3988,4232,4435m)梯度内的野外观测和土壤实测数据,分析了土壤有机质、氮、磷的分布特征及其与土壤含水量和土壤温度之间的关系。结果表明,土壤有机质、土壤全氮、土壤速效氮、土壤全磷含量均在第一梯度(3840m)和第六梯度(4435m)较高,中间梯度较低,但土壤速效磷变化有波动;土壤含水量对土壤有机质、氮、磷作用强度依次为土壤全氮、土壤有机质、土壤全磷、土壤速效氮、土壤速效磷;土壤温度对土壤有机质、氮、磷作用强度依次为土壤速效氮、土壤有机质、土壤全氮、土壤全磷、土壤速效磷;温度对高寒草甸植物群落初级生产力(地上生物量)的作用最大,是决定不同海拔梯度植物群落初级生产力的主要环境因子,其回归方程为:Ya=-92.982+13.832X3(F=13.355,P<0.05)。 展开更多
关键词 高寒草甸 海拔梯度 土壤有机质 土壤氮 土壤磷 分布 生产力 环境因子
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1983—2009年西安市郊区耕地土壤有机质空间特征与变化 被引量:50
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作者 赵业婷 常庆瑞 +2 位作者 李志鹏 班松涛 陶文芳 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第2期132-140,I0005,共10页
为充分了解关中农业区土壤肥力状况,该文以西安市郊区的长安区、户县和周至县为例,综合运用地统计学和GIS技术,分析西安市郊区耕层土壤有机质空间特征与变化。结果表明,当前研究区土壤有机质质量分数介于5.80~34.90g/kg,平均15.95g/kg... 为充分了解关中农业区土壤肥力状况,该文以西安市郊区的长安区、户县和周至县为例,综合运用地统计学和GIS技术,分析西安市郊区耕层土壤有机质空间特征与变化。结果表明,当前研究区土壤有机质质量分数介于5.80~34.90g/kg,平均15.95g/kg,空间上呈西北低东南高格局。在约450m的采样尺度下,具有中等强度的空间相关性,空间变异性是由地形地貌、土壤质地等结构性因素和施肥、种植制度等人为因素共同作用的。2009年耕地中有机质质量分数6.42%适宜,93.46%偏低,0.12%缺乏,整体水平偏低。按西安市第二次土壤普查有机质分级标准,1983-2009年,81.75%的耕地有机质含量明显提升,2.20%出现不同程度的下降。农户老龄化、土壤性质、农艺措施等是影响当前耕层土壤有机质积累的主要因素。该文可为保养耕地和区域农业生产提供科学依据和实践指导。 展开更多
关键词 土壤 地理信息系统 等级 地统计学 有机质 耕地 空间变异性
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不同方法预测河北省土壤有机碳密度空间分布特征的研究 被引量:69
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作者 赵永存 史学正 +3 位作者 于东升 赵彦锋 孙维侠 王洪杰 《土壤学报》 CAS CSCD 北大核心 2005年第3期379-385,共7页
运用多元线性回归、泛克里格和回归克里格三种方法,结合由DEM获取的地形属性因子预测了河北省土壤有机碳密度的空间分布。多元线性回归预测的残差较大,模型对总方差的解释仅18.6%,采用泛克里格方法后,预测残差降低,预测结果的极差范围变... 运用多元线性回归、泛克里格和回归克里格三种方法,结合由DEM获取的地形属性因子预测了河北省土壤有机碳密度的空间分布。多元线性回归预测的残差较大,模型对总方差的解释仅18.6%,采用泛克里格方法后,预测残差降低,预测结果的极差范围变宽,低碳密度区的局部变异得以体现,模型对总方差的解释程度提高到53%。而回归克里格方法应用后预测残差和均方根预测误差进一步降低,模型对总方差的解释程度提高到65%,回归克里格方法也能更好地反映碳密度与地形的关系以及局部变异。三种方法中回归克里格预测效果最好,泛克里格次之,而多元线性回归方法最差。 展开更多
关键词 土壤有机碳密度 多元线性回归 泛克里格 回归克里格 河北 空间分布特征 预测方法
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我国农田土壤碳氮耦合特征的区域差异 被引量:89
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作者 许泉 芮雯奕 +4 位作者 刘家龙 刘智 杨玲 尹宇静 张卫建 《生态与农村环境学报》 CAS CSCD 北大核心 2006年第3期57-60,共4页
利用中国第2次土壤普查数据,分析了稻作和旱作方式下农田耕层土壤有机碳和全氮特征及其区域差异。结果表明,水田土壤有机碳和全氮含量分别为旱地的147.8%和145.5%,但水田碳氮含量的区域变异低于旱地。全国水田和旱地土壤有机碳氮比值分... 利用中国第2次土壤普查数据,分析了稻作和旱作方式下农田耕层土壤有机碳和全氮特征及其区域差异。结果表明,水田土壤有机碳和全氮含量分别为旱地的147.8%和145.5%,但水田碳氮含量的区域变异低于旱地。全国水田和旱地土壤有机碳氮比值分别为10.8和9.9,各区域水田土壤碳氮比值普遍高于旱地,其中东北水田最高,而华东旱地和西北旱地最低。旱地碳氮比值的区域变异显著,水田则不显著。农田耕层土壤有机碳和全氮含量呈显著正相关,除华北地区外,各区域无论水田还是旱地其碳氮含量之间相关系数都超过0.8,达极显著水平。由此可见,我国农田耕层土壤有机碳和全氮含量之间存在显著耦合关系,而且不同利用方式和区域之间差异显著;相同氮水平下,水田土壤可能储存更多的有机碳。 展开更多
关键词 农田 碳氮耦合 有机碳 全氮 区域差异
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环境因子对农业土壤有机碳分解的影响 被引量:175
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作者 黄耀 刘世梁 +1 位作者 沈其荣 宗良纲 《应用生态学报》 CAS CSCD 2002年第6期709-714,共6页
为研究环境因子对有机C在农业土壤中分解的影响 ,在不同温度、水分及土壤质地下进行小麦和水稻秸秆及其根培养实验 ,结果表明 ,在同样的水热条件下 ,秸秆有机C的分解量大于根的分解量 .在温度较低情况下 ,升高温度促进了有机C的分解 ;... 为研究环境因子对有机C在农业土壤中分解的影响 ,在不同温度、水分及土壤质地下进行小麦和水稻秸秆及其根培养实验 ,结果表明 ,在同样的水热条件下 ,秸秆有机C的分解量大于根的分解量 .在温度较低情况下 ,升高温度促进了有机C的分解 ;而在温度较高的情况下 ,升高温度对有机C分解的促进作用降低 .在非淹水条件下 ,温度对有机C分解的影响随着时间的延长而逐步减小 .淹水条件下培养一周后 ,温度对有机C分解的影响不随时间而变化 .当含水量为 30 0 g·kg-1和 5 0 0 g·kg-1时 ,有机C分解较快 ,而在 2 0 0 g·kg-1和淹水条件下则分解较慢 ,空白对照培养结果的趋势是分解速率随水分含量的增加而加快 .培养实验的第一个月内 。 展开更多
关键词 环境因子 土壤有机碳 分解 农业土壤 气候变化
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基于RBF神经网络的土壤有机质空间变异研究方法 被引量:44
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作者 李启权 王昌全 +2 位作者 岳天祥 李冰 杨娟 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第1期87-93,共7页
通过研究土壤性质的空间变异和空间插值方法,快速准确获取土壤性质的空间分布是精确农业和环境保护的基础。该文以四川眉山一块约40km2的区域为试验区,采集表层土壤(0~20cm)样点80个,利用径向基函数(RBF)神经网络建立空间坐标和邻近样... 通过研究土壤性质的空间变异和空间插值方法,快速准确获取土壤性质的空间分布是精确农业和环境保护的基础。该文以四川眉山一块约40km2的区域为试验区,采集表层土壤(0~20cm)样点80个,利用径向基函数(RBF)神经网络建立空间坐标和邻近样点与土壤有机质间的非线性映射关系(RBF2),模拟土壤有机质的空间分布。与普通克里法(OK)和仅以坐标为网络输入的神经网络方法(RBF1)相比,RBF2的插值精度有显著的提高;相同样点密度下其相对预测误差分别较OK和RBF1减小了9.87%、1.97%(样本A)和13.09%、2.36%(样本B);即使样点数减半的情况下RBF2的相对预测误差也分别较OK和RBF1减小了10.23%和2.33%,并且插值图差异相对较小,可以更好地反映土壤有机质空间分布的异质性。因此,利用以坐标和邻近样点为输入的神经网络方法可以相对准确、快速地获取区域土壤性质空间分布的异质性信息。 展开更多
关键词 径向基函数网络 误差分析 土壤 有机质 空间异质性 普通克里格
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