基于GWR的伊河流域土壤碳氮空间特征及影响因素分析

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伊河流域作为中国南北过渡带的一部分,是重要的生态功能区。以往对该区域的研究主要集中在水文特征和景观格局方面,缺乏土壤碳氮方面的探索。因此,本文依据实验数据,采用经典统计分析、多元逐步回归分析等方法研究了土壤碳氮的含量特征,同时,采用GWR4.0和ArcGIS中的地理加权回归工具分析了土壤碳氮的空间特征及其影响因素,以期为区域土地的科学利用提供理论指导。主要得出以下结果:(1)0-20cm,土壤有机碳、全氮、活性有机碳、硝态氮、铵态氮的平均含量分别为13.30 g.kg-1、0.30 g.kg-1、3.82 g.kg-1、19.74 mg.kg-1、11.11 mg.kg-1,20-40 cm,土壤有机碳、全氮、活性有机碳、硝态氮、铵态氮的平均含量为8.21 g.kg-1、0.20 g.kg-1、2.08 g.kg-1、11.53 mg.kg-1、13.38 mg.kg-1;0-20 cm土壤有机碳、活性有机碳、土壤全氮以及硝态氮的含量高于20-40 cm,而铵态氮含量低于20-40 cm;土壤碳氮的变异程度中等,整体上土壤氮的变异系数大于土壤碳;土壤剖面上,有机碳的下降幅度大于活性有机碳,土壤全氮及其组分下降幅度的大小顺序为硝态氮>全氮>铵态氮。并分析了土地利用类型和土壤pH条件影响下的土壤碳氮含量特征:0-20 cm林地和灌草丛中土壤有机碳、活性有机碳、全氮的含量高于耕地和果园,硝态氮和铵态氮的含量则是耕地和果园高于林地和灌草丛。20-40 cm耕地中土壤有机碳氮及其组分的含量高于林地和灌草丛。0-20 cm和20-40cm,中性、酸性土中土壤有机碳、活性有机碳和全氮的含量高于碱性土,强碱性土含量最低。铵态氮含量高低顺序为:强碱性土>碱性土>中性、酸性土。(2)采用多元逐步线性回归分析的结果表明,0-20 cm,土壤有机碳对土壤全氮、活性有机碳、硝态氮和铵态氮的影响更显著。同时,土壤全氮和活性有机碳对土壤有机碳作用明显。20-40 cm,土壤碳氮关系发生了改变,碳氮与各自组分之间关系更密切,硝态氮、活性有机碳是影响土壤有机碳的主要因素,有机碳、全氮是影响硝态氮的关键因子。(3)GWR模型的应用及土壤碳氮的影响因素选取。以土壤有机碳氮及其组分为因变量,利用Pearson双变量相关分析和多重共线性检验筛选自变量,构建GWR模型。0-20cm,影响土壤有机碳和活性有机碳的因子是土壤全氮、硝态氮、铵态氮、海拔、容重、50-250μm以及锰。影响土壤有机碳和全氮的因子是活性有机碳和容重。影响土壤全氮及其组分的因子是土壤有机碳和活性有机碳。影响无机氮的因子是土壤有机碳、活性有机碳、海拔、pH、1-5μm、5-10μm和50-250μm。影响土壤活性有机碳、硝态氮和铵态氮的因子是土壤有机碳、海拔、pH和50-250μm。20-40 cm,土壤有机碳和活性有机碳之间的关系密切。土壤全氮主要受有机碳、硝态氮和铵态氮的影响,而硝态氮和铵态氮与全氮、pH和钙的相关性显著。对土壤有机碳氮及其组分进行全局回归模型和局域回归模型的分析,结果表明,GWR模型比OLS模型更具优势,其RSS、AICc、R2和Adj-R2四个诊断指标都优于OLS模型。(4)土壤碳氮空间分布预测结果显示,0-20 cm,土壤有机碳、活性有机碳、全氮的分布较一致,高值区大部分都聚集在上游林地范围内,低值区主要位于建设用地较密集的区域。硝态氮在上游林地区与土壤全氮的分布一致,而在中下游出现了差异。铵态氮的高值区是在中下游的农耕区,林地范围内的铵态氮含量则较低。20-40 cm,土壤有机碳、活性有机碳、全氮、硝态氮的高值区有向下游转移的趋势,下游变成了高值集中区。铵态氮则是在中游成了高值区,上游和下游成了低值区。0-20 cm和20-40 cm土壤有机碳和活性有机碳预测的准确度随着海拔的升高而升高。0-20 cm土壤全氮和硝态氮的LocalR2的分布从上游到下游递减,铵态氮的LocalR2的分布趋势正好与土壤全氮相反。20-40 cm土壤全氮的LocalR2的值有两个明显的高值区,一个是海拔大于1000 m的区域,一个是海拔在200 m左右的区域,而在海拔300-1000 m的范围内LocalR2值相对较小。总的来说,土壤有机碳、活性有机碳和全氮的分布趋势一致,土壤全氮和硝态氮在上游林地区分布趋势一致,流域中下游由于受人为因素的干扰,硝态氮和铵态氮的分布不同于土壤全氮。
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