[发明专利]一种平原区土壤有机碳三维空间分布模拟方法

权利要求书

1.一种平原区土壤有机碳三维空间分布模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)土壤有机碳剖面变化最优深度函数的拟合及函数参数确定

分别采用对数函数、幂函数和指数函数对分层剖面采样获得的土壤有机碳含量的剖面变化进行拟合；利用拟合方程的决定系数R²以及误差评价指数即平均绝对误差MAE、平均相对误差MRE和均方根误差RMSE，选择土壤有机碳剖面变化的最佳深度拟合函数，进行得到揭示土壤有碳含量剖面变化的最优深度函数类型及其土壤有机碳剖面变化深度函数参数即SOC_v1、C₀和k三个参数；

步骤(1)具体方法为：

首先将土壤有机碳含量转换成有机碳密度，公式如下：

SOC_v＝SOC_m×B×(1-θ％) (1)

式中，SOC_v表示土壤有机碳含量，kg m^-3；SOC_m表示土壤有机碳含量，gkg^-1；B表示土壤容重，g cm^-3；θ表示大于2mm的石砾所占百分比，％；

拟合过程中以单位为g cm^-3的土壤有机碳含量为纵坐标，以中心土层深度为横坐标，逐个拟合每个剖面土壤有机碳的剖面分布；

考虑到农业表层即0～20cm土壤受人为干扰较大，土壤有机碳含量趋于均一化，将土壤有机碳的剖面分布拟合分为两部分，一共包含SOC_v1、C₀和k三个参数；

当土层深度≤20cm时：

y＝SOC_v1 (2)

式中，y表示一定深度土壤有机碳含量，kg m^-3；SOC_v1表示0～20cm范围内土壤有机碳含量，kg m^-3；

当土层深度≥20cm时，分别采用指数函数、对数函数和幂函数拟合土壤有机碳含量剖面分布，其拟合公式如下：

y＝C₀e^-kx (3)

式中，y表示一定深度土壤有机碳含量，kg m^-3；x表示中心土层深度，cm；C₀表示地表土壤有机碳含量，kg m^-3；k表示土壤有机碳剖面变化的斜率；

y＝-kln(x)+C₀ (4)

式中，y表示一定深度土壤有机碳含量，kg m^-3；x表示中心土层深度，cm；k表示土壤有机碳剖面变化的斜率；C₀表示地表土壤有机碳含量，kg m^-3；

y＝C₀x^-k (5)

式中，y表示一定深度土壤有机碳含量，kg m^-3；x表示中心土层深度，cm；C₀表示土壤有机碳含量，kg m^-3；k表示土壤有机碳剖面变化的斜率；

(2)土壤有机碳剖面深度函数参数的影响因素分析

(2.1)影响因素的选择与处理

根据土壤发生学原理，从成土因素中选取和构建地形平缓区土壤有机碳剖面变化的环境因子，包括成土母质、地形与水文、植被指数、农用地密度、建设用地密度、人口密度和GDP；

(2.2)土壤有机碳部分函数参数与影响因素间相关关系分析

利用相关分析和回归分析方法分析土壤有机碳剖面变化深度函数的SOCv1、C0和k三个参数与成土母质、地形与水文、植被指数、农用地密度、建设用地密度、人口密度和GDP环境因子间的关系，从而确定建立模型所需的环境辅助因子；

(3)三维空间分布模拟模型的构建与计算过程

(3.1)模型构建

结合所选的环境因子，利用回归克里格法预测土壤有机碳剖面变化深度函数参数即SOC_v1、C₀和k三个参数的空间分布，从而实现对土壤有机碳三维空间分布的模拟；模型RK_E构建如下：

z(x_i，k，y_j，k)＝f(x_i，k，y_j，k)+r(x_i，k，y_j，k) (6)

式中：Z(x_i，k，y_j，k)表示在点(x_i，y_j)处土壤有机碳深度函数参数的实测值，(x_i，y_j)为点位坐标；f(x_i，k，y_j，k)为点位(x_i，y_j)处由该点位环境因子点位环境因素差异引起的土壤有机碳深度函数参数变异；r(x_i，k，y_j，k)为点位(x_i，y_j)处去除研究中所选因素的影响后剩余的残差项，由研究中未考虑到的其它因素或点位处其它因素引起；

(3.2)计算过程

采用该方法模拟土壤有机碳三维空间分布的计算过程如下：

(1)首先利用建模样点，采用多元逐步回归分析方法建立土壤有机碳深度函数参数与环境因子之间的回归模型；然后在ArcGIS中运用所建立的多元回归模型在栅格计算器分别生成SOC_v1、C₀和k三个参数的f(x_i，k，y_j，k)曲面；

(2)以建模样点对应点位SOC_v1、C₀和k的值减去多元回归模型的模拟值，得到各样点去除所选环境因素后的残差项r(x_i，k，y_j，k)；然后在ArcGIS中以普通克里格法对SOC_v1、C₀和k三个参数多元回归模拟残差的空间分布进行模拟，分别生成残差SOC_v1、残差C₀和残差k 3个参数的r(x_i，k，y_j，k)曲面；

(3)将多元回归模型模拟得到的SOC_v1、C₀和k三个参数的f(x_i，k，y_j，k)曲面分别与普通克里格法得到的三个参数残差项r(x_i,k,y_j,k)空间分布曲面相加，得到研究区土壤有机碳深度函数参数的空间分布；

(4)在ArcGIS栅格计算器中，利用最优深度函数类型以及由回归克里格法预测得到的土壤有机碳深度函数参数的空间分布数据，分别输入对应的土壤深度，从而模拟得到研究区0-20cm、20-40cm、40-60cm和60-100cm土层土壤有机碳空间分布。