采樣設(shè)計(jì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間預(yù)測(cè)精度的影響研究.pdf

1、土壤采樣設(shè)計(jì)是土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布定量表達(dá)首先要面臨的問題。在相同預(yù)測(cè)精度要求下，科學(xué)的采樣設(shè)計(jì)方案需要的樣點(diǎn)數(shù)量較少，而不合理的采樣設(shè)計(jì)方案則需要較多的樣點(diǎn)數(shù)量。采樣點(diǎn)越多，采樣和實(shí)驗(yàn)室分析所需的人力和物力以及時(shí)間就越多；相反的，采樣點(diǎn)過少，則可能丟失重要的土壤性質(zhì)空間信息。此外，土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)點(diǎn)面拓展的空間預(yù)測(cè)方法也是影響預(yù)測(cè)性制圖精度的重要因子之一，因此，建立科學(xué)的土壤采樣布點(diǎn)及空間預(yù)測(cè)方法對(duì)于降低土壤采樣成本、提高預(yù)測(cè)制圖

2、等具有重要的意義。而土壤有機(jī)質(zhì)是保持土壤肥力、提高土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。揭示土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間變異特征及空間分布規(guī)律對(duì)于土壤資源的高效科學(xué)管理和可持續(xù)利用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　東北黑土區(qū)是中國重要的糧食生產(chǎn)基地，對(duì)保障中國糧食安全具有重要的戰(zhàn)略地位。本研究以中國東北黑土區(qū)黑龍江省海倫市作為典型研究區(qū)，基于“4Km基礎(chǔ)網(wǎng)格+加密點(diǎn)+隨機(jī)點(diǎn)”相結(jié)合的采樣方法，采集0-20cm土壤樣品270個(gè)。首先，將研究區(qū)的DEM

3、高程和MODIS遙感影像數(shù)據(jù)重采樣至250m柵格上，并運(yùn)用序貫高斯模擬法將270個(gè)土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)模擬至相同的250m柵格上，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。其次，采用4種采樣布點(diǎn)模式(簡單隨機(jī)采樣模式、系統(tǒng)網(wǎng)格采樣模式、分層隨機(jī)采樣模式和退火模擬采樣模式)和9個(gè)樣點(diǎn)系列(100、184、275、365、451、541、625、713和1000)設(shè)計(jì)土壤采樣布點(diǎn)方案，研究不同采樣模式和樣點(diǎn)數(shù)量下海倫市土壤有機(jī)質(zhì)的空間預(yù)測(cè)制圖精度變化及空間預(yù)測(cè)方法對(duì)預(yù)

4、測(cè)制圖精度的影響。主要研究結(jié)論如下：
　　1.不同采樣設(shè)計(jì)下土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間描述統(tǒng)計(jì)特征相似，但其識(shí)別有機(jī)質(zhì)含量的空間變異結(jié)構(gòu)的能力不同。隨著樣點(diǎn)數(shù)量的變化，有機(jī)質(zhì)含量的變異結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)性組分呈不規(guī)則變化，分層隨機(jī)采樣模式比其他三種采樣模式能更好地揭示其空間變異結(jié)構(gòu)，因此，最優(yōu)化的土壤采樣模式可能比單純的增加樣點(diǎn)數(shù)量更為重要。
　　2.普通克里格法預(yù)測(cè)的有機(jī)質(zhì)含量空間分布隨著樣點(diǎn)數(shù)量增大局部變異更詳細(xì)，而回歸克里格法預(yù)測(cè)的

5、有機(jī)質(zhì)含量空間分布受到樣點(diǎn)數(shù)量的影響不明顯。不管是哪種預(yù)測(cè)方法，系統(tǒng)網(wǎng)格采樣模式下預(yù)測(cè)的平滑效應(yīng)比其他三種采樣模式都要大得多；分層隨機(jī)采樣模式則相反，更能反映出有機(jī)質(zhì)含量空間局部變異；簡單隨機(jī)采樣模式和模擬采樣模式的預(yù)測(cè)分布結(jié)構(gòu)相似。
　　3.總體來看，四種采樣模式下的RMSE均值差異不大，系統(tǒng)網(wǎng)格和模擬退火采樣布點(diǎn)模式略次于簡單隨機(jī)和分層隨機(jī)采樣模式。RMSE極差最小為模擬退火和分層隨機(jī)采樣模式。MAE的變化與RMSE的變化趨勢(shì)

6、基本一致。由此推斷在黑土區(qū)縣級(jí)尺度上進(jìn)行土壤野外采樣設(shè)計(jì)時(shí)，分層隨機(jī)采樣布點(diǎn)方法相對(duì)較好，而系統(tǒng)網(wǎng)格采樣和簡單隨機(jī)采樣布點(diǎn)的效率相對(duì)較差，但是對(duì)于已知研究區(qū)空間變異結(jié)構(gòu)及一些樣點(diǎn)，模擬退火是可取的布點(diǎn)模式。雖然從100至1000樣點(diǎn)系列的RMSE均值和極差逐漸降低，但是合理樣點(diǎn)的選取應(yīng)該根據(jù)制圖精度的要求來決定，對(duì)于本研究區(qū)，100-275樣點(diǎn)系列不太能滿足研究區(qū)的制圖精度要求。
　　4.兩種插值方法在不同采樣設(shè)計(jì)下的半方差擬合參

7、數(shù)差異顯著。所有回歸克里格法的半方差函數(shù)的變程均變??；簡單隨機(jī)和分層隨機(jī)采樣布點(diǎn)模式中半方差函數(shù)的隨機(jī)性組分比值無明顯差異，系統(tǒng)網(wǎng)格采樣模式下的隨機(jī)性組分比值大幅度下降，模擬退火采樣模式下在不同系列下有下降也有上升。對(duì)于RMSE、MAE的均值和極差來說，100樣點(diǎn)系列的回歸克里格法比普通克里格法RMSE均值稍低，其他樣點(diǎn)系列下，回歸克里格法的RMSE、MAE不管均值還是極差都比普通克里格方法還高。因此，回歸克里格法并不一定能提高預(yù)測(cè)精度