中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (9): 1791-1803.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.09.009
王冰洁1(), 秦诗涵1, 李德成2, 胡文友2, 姜军2, 迟凤琴3, 张超4, 张久明3, 徐英德1(
), 汪景宽1
收稿日期:
2024-07-22
接受日期:
2024-09-19
出版日期:
2025-05-01
发布日期:
2025-05-08
通信作者:
联系方式:
王冰洁,E-mail:wxue925@163.com。
基金资助:
WANG BingJie1(), QIN ShiHan1, LI DeCheng2, HU WenYou2, JIANG Jun2, CHI FengQin3, ZHANG Chao4, ZHANG JiuMing3, XU YingDe1(
), WANG JingKuan1
Received:
2024-07-22
Accepted:
2024-09-19
Published:
2025-05-01
Online:
2025-05-08
摘要:
【目的】 针对东北典型黑土区耕地土壤“变硬”程度及其空间分布不明确问题,以黑龙江省嫩江市为例,对土壤容重空间分布格局进行预测分析,并建立基于有机质含量、紧实度等因素的土壤容重传递函数。【方法】 通过Pearson相关性分析和主成分分析评估土壤属性、气候变量以及地形变量对土壤容重影响的重要程度,运用随机森林模型进行土壤容重预测制图。同时,基于多元线性回归和支持向量机等多种模型构建土壤容重传递函数,并比较其精度。【结果】 土壤容重与土壤含水量、有机质含量呈显著负相关,同时受黏粒、砂粒、pH及年均气温和年均降水量等土壤和气候因素的影响,地形因素影响相对较小。进一步预测制图发现,嫩江市土壤容重均呈现由东北(1.08—1.17 g·cm-3)向西南(1.30—1.40 g·cm-3)逐渐递增,且呈现亚表层土壤容重高于表层的趋势。此外,土壤容重和紧实度随土壤深度增加而增加,但土壤容重变化较缓(1.20—1.44 g·cm-3),而紧实度主要在表层(0—20 cm)迅速增加(变化幅度约为300 kPa);土壤有机质含量随深度增加而降低。通过土壤容重与有机质含量、紧实度等参数进行函数拟合,发现二项式模型和支持向量机分别在有机质—容重、紧实度—容重的拟合中具有较高的R2值,表现出较好的拟合效果和较强的解释力。在亚表层土壤中,通过紧实度构建的土壤容重传递函数预测精度(R2=0.55,RMSE=0.1)高于通过土壤有机质构建的模型(R2=0.43,RMSE=0.12)。【结论】 嫩江市土壤容重呈东北低西南高的分布趋势,且受土壤属性、气候和地形等多种因素的共同影响。基于紧实度的传递函数可作为东北黑土容重变化及“变硬”程度的快速诊断方法。
王冰洁, 秦诗涵, 李德成, 胡文友, 姜军, 迟凤琴, 张超, 张久明, 徐英德, 汪景宽. 黑龙江省嫩江市土壤容重空间分布格局及传递函数构建[J]. 中国农业科学, 2025, 58(9): 1791-1803.
WANG BingJie, QIN ShiHan, LI DeCheng, HU WenYou, JIANG Jun, CHI FengQin, ZHANG Chao, ZHANG JiuMing, XU YingDe, WANG JingKuan. Spatial Distribution Pattern and Transfer Function Construction of Soil Bulk Density in Nenjiang City, Heilongjiang Province[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(9): 1791-1803.
表1
土壤容重空间预测的环境变量及数据来源"
变量类型 Variable category | 具体指标 Specific indicator | 数据来源 Data sources |
---|---|---|
土壤属性 Soil property | pH、含水量、粉粒、砂粒、黏粒 pH, Water content, Silt, Sand, Clay | SoilGrids250m 2.0 |
气候变量 Climate variable | 年均气温、年均降水量 Annual mean temperature (TEM), Annual mean precipitation (PRE) | 中国科学院资源环境科学数据中心( Resources and Environmental Science Data Center( |
地形变量 Terrain variable | 高程、坡度、坡向、剖面曲率、平面曲率、地形湿地指数、地形位置指数、 多尺度山谷平坦指数、多尺度脊顶平坦指数 DEM, Slope, Aspect, Profile curvature, Plan curvature, Topographic wetness index (TWI), Terrain position index (TPI), Multi-resolution valley bottom flatness (MrVBF), Multi-scale ridge top flatness (MrRTF) |
表2
基于土壤有机质含量的土壤容重传递函数比较"
方法 Method | 表层土壤 Topsoil | 亚表层土壤Subsoil | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
R2 | RMSE | RSE | R2 | RMSE | RSE | |
多元线性回归 Multiple linear regression | 0.38 | 0.11 | 0.11 | 0.42 | 0.12 | 0.12 |
二项式 Binomial | 0.43 | 0.11 | 0.11 | 0.43 | 0.12 | 0.12 |
广义线性 Generalized linear | 0.45 | 0.10 | 0.12 | 0.41 | 0.11 | 0.14 |
支持向量机 Support vector machines | 0.38 | 0.11 | 0.11 | 0.42 | 0.12 | 0.12 |
岭回归 Ridge regression | 0.38 | 0.11 | — | 0.42 | 0.12 | — |
Lasso回归 Least absolute shrinkage and selection operator | 0.38 | 0.11 | — | 0.42 | 0.12 | — |
表3
基于土壤紧实度的土壤容重传递函数比较"
方法 Method | 表层土壤 Topsoil | 亚表层土壤 Subsoil | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
R2 | RMSE | RSE | R2 | RMSE | RSE | |
最小二乘法 Ordinary least squares | 0.16 | 0.13 | 0.13 | 0.55 | 0.10 | 0.10 |
广义线性 Generalized linear | 0.16 | 0.13 | 0.15 | 0.07 | 0.10 | 0.13 |
支持向量机 Support vector machines | 0.18 | 0.11 | 0.15 | 0.56 | 0.10 | 0.10 |
岭回归 Ridge regression | 0.16 | 0.13 | — | — | 0.10 | — |
Lasso回归 Least absolute shrinkage and selection operator | 0.11 | 0.13 | — | — | — | — |
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