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基于模型和GIS的江苏省农田土壤有机碳动态研究

作　者: 沈雨
导　师: 黄耀
学　校: 南京农业大学
专　业: 环境工程
关键词: 江苏省农田土壤有机碳分解动态模拟预测 GIS
分类号: S158
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
下　载: 312次
引　用: 3次
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内容摘要

本研究建立在前期建模研究工作基础上，以农田土壤有机碳分解模型为核心，以江苏省农田土壤基本理化特性、基础气象资料、1985-2000年逐年粮食作物产量、常规农作措施为数据源，应用地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术，模拟从1985年到2000年江苏省农田土壤有机碳变化动态，并在此基础上预测不同秸秆还田量下2010年江苏省农田土壤有机碳分布状况。继而，根据模拟和预测研究结果探讨秸秆还田的现实意义。首先是对模型中外源有机物影响因子子模型的修正。选取19种有机物料，包括植物的根、茎、叶，初始全氮含量范围为4.0-35.2 g／kg，初始木质素为157.7-254.0 g／kg，不同含量值在该范围分布比较均匀，从而保证统计结果的合理性和所建模型在该范围的整体适用性。采用实验室培养实验，定量研究这些有机物料在25℃、400 g／kg含水量(100 g风干土40 g水)条件下的分解特征，探讨有机物料的化学组成与其在土壤中分解动态的定量描述关系。采用多元逐步回归(Multiple Stepwise Regression)的统计方法，建立易分解组分比例与初始全氮和初始木质素含量的定量关系方程：F_w=150+1.496N-0.572L(R~2=0.7990，p＜0.001，n=17)，式中F_w为易分解比例(％)，N为初始氮含量(g／kg)，L为初始木质素含量(g／kg)，易分解组分比例总体与初始全氮含量呈正相关，与初始木质素含量呈负相关。然后收集整理了铜山、宜兴、丹阳、兴化四个长期培肥试验点的土壤培肥数据和有机质含量动态资料，它们分属徐淮、太湖、宁镇丘陵和里下河四个传统农业区，其种植制度和轮作方式基本代表了江苏省农田土壤利用的整体情况，同时初始有机碳含量有明显的梯度(6.0-13.5 g／kg)，用此数据验证所建模型在全省范围内的整体适用性，同时还用山东陵县的土壤培肥资料进一步验证该模型在土壤有机碳背景值很低(4.2 g／kg)条件下的适用性。这5个点的验证结果表明，农田土壤有机碳分解模型能较好的描述不同背景含量下农田土壤有机碳的动态变化趋势，并且模拟值与实测值十分接近，模拟值基本能反映土壤有机碳的实际含量。111组实测值和模拟值数据的相关分析方程为：Y=0.757X+1.9545(R~2=0.6278，Y为模拟值，X为实测值)，零截距方程为：Y=0.9656x(R~2=0.5784，Y为模拟值，X为实测值)，零截距方程表明模型模拟结果可靠。最后，在模型验证通过的基础上，我们尝试将模型与GIS技术进行结合，从而快速而直观的展现有机碳动态区域差异。GIS是分析具有地理特征对象的通用技术，模型与GIS的结合，拓展了模型的使用范围，便捷的实现区域模拟和预测，使我们可以从以前只能通过表格了解一个点的现状到现在可以从图(静态和动态)直观的看到一基于模型和Gls的江苏省农田土壤有机碳动态模拟个区域甚至更大范围的现状差异和动态演变过程，从而发现变化趋势和规律，提出解决方案。栅格格式数据可与模型很好的结合，我们以户Jcinfo的Grid数据格式实现模型和Gls的结合。通过基本的矢量数据修正、矢量属性追加、栅格数据生成、数据格式转换等数据处理，以A SCn码为交换文件格式，以Visual Basic 6.0为开发工具，实现全省农田土壤有机碳1 985一2000年动态模拟以及2001一2010年的动态预测。模拟及预测结果表明，自第二次土壤普查以来，全省77%的农田土壤有机碳含量有所增加。到2000年，苏北和沿海地区的增加量1 .0一3.09瓜g之间，苏南太湖地区增加量3.5一5.0g瓜g之间;苏中的江淮平原和宁镇丘陵区略有下降，降低0.5一1 .59瓜g之间。不同桔秆还田量(常规还田和50%还田)条件下2010年预测情景分析结果表明，全省大部分地区农田土壤有机碳含量将继续增加，土壤仍然具有较大的固持外源有机碳的能力.通过增加桔秆还田量，可以增加或维持较高的土壤有机碳含量，这对改善土壤性状、促进农业可持续发展、增加土壤碳储量，以及减缓大气CO:浓度增加的趋势具有现实意义。应用结果证明，模型和GIS的藕合是切实可行的，栅格文件为这种结合提供了很好的接入点.模型和栅格数据的结合，可以方便的实现区域模拟，直观的展现空间差异，模型应用得到极大的拓展.

全文目录

摘要  6-10
引言  10-12
第一章模型的修正  12-20
  1 材料和方法  12-14
    1.1 供试材料与测定项目  12
    1.2 培养实验  12-13
    1.3 田间填埋试验  13-14
  2 结果与讨论  14-18
    2.1 培养实验  14-16
    2.2 田间填埋试验  16-17
    2.3 植物残体的易分解比例  17-18
  3 结论  18-20
第二章模型的验证  20-28
  1 模型结构分解  20-22
    1.1 总模型  20
    1.2 环境因子模型  20-21
    1.3 其它参数计算模型  21-22
  2 模型验证资料  22-23
    2.1 定点培肥数据  22
    2.2 气象数据  22-23
  3 结果和讨论  23-27
    3.1 铜山验证结果  23
    3.2 丹阳验证结果  23-24
    3.3 兴化验证结果  24
    3.4 宜兴验证结果  24-25
    3.5 山东陵县验证结果  25-26
    3.6 验证结果综合分析  26-27
  4 结论  27-28
第三章模型与GIS的结合  28-44
  1 地理信息系统概述  28-29
  2 地理信息系统的专业应用  29-32
    2.1 基本应用模式  29-30
    2.2 通用GIS平台的弱点分析  30-32
  3 ArcGIS8.1介绍(ESRI，2002)  32
  4 数据处理  32-35
    4.1 土壤数据  32-33
    4.2 气象数据  33
    4.3 农业生产相关数据  33
    4.4 网格文件的生成  33-34
    4.5 计算方法  34-35
  5 Arcinfo应用的相关命令  35-41
    5.1 格式转换和处理  36-37
    5.2 Coverage文件的投影定义  37
    5.3 属性数据与矢量文件的关联  37-38
    5.4 矢量文件栅格化  38-39
    5.5 Grid文件转ASCⅡ文件  39
    5.6 气象插值  39-41
  6 、区域模式的程序实现  41-44
第四章模型应用  44-52
  1 材料与方法  44-46
    1.1 模型及参数  44-45
    1.2 软件应用及计算方法  45-46
    1.3 数据来源  46
  2 结果与讨论  46-52
    2.1 2000年土壤有机碳含量模拟与分析  47-49
    2.2 2010年土壤有机碳含量预测与分析  49-52
第五章系统及程序设计  52-64
  1 、系统结构  52-53
  2 、程序设计  53-55
    2.1 编程语言  53
    2.2 GIS控件  53-54
    2.3 数据链接机制  54-55
    2.4 数据库  55
  3 重要类(Classes)和标准模块(Modules)  55-57
    3.1 类模块说明  55-57
      3.1.1 clsFactors，影响因子计算类  55-56
      3.1.2 clsMapTip类，GIS属性提示类  56-57
    3.2 标准模块  57
      3.2.1 mdlDataConnection模块  57
  4 点模式模拟的部分代码  57-61
  5 程序样图  61-64
文献综述  64-75
  1 农田土壤有机碳动态变化模拟研究的意义  64-66
    1.1 农业生产价值  64
    1.2 环境效益价值  64-65
    1.3 建立和完善土壤有机碳周转模型的必要性  65-66
    1.4 研究范围  66
  2 有机碳周转模型研究现状  66-70
    2.1 国外  67-69
    2.2 国内  69-70
  3 土壤及植物残体碳周转研究方法  70
  4 影响有机碳循环的影响因素  70-75
    4.1 气候因子  70-72
      4.1.1 温度因子  71
      4.1.2 水分因子  71-72
    4.2 土壤因子  72-73
    4.3 外源有机物因子  73-75
全文结论  75-76
参考文献  76-83
附表  83-94
致谢  94

基于模型和GIS的江苏省农田土壤有机碳动态研究

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