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森林土壤养分是指森林生态系统中能够直接或经转化后被植物根系吸收的矿质营养成分,是森林土壤肥力的重要组成部分,也是衡量森林土壤质量的重要指标,主要包括有机质(Soil organic matter,SOM)、全氮(Total nitrogen,TN)、全磷(Total phosphorus,TP)、全钾(Total potassium,TK)、碱解氮(Alkeline nitrogen,AN)、速效磷(Available phosphorus,AP)和速效钾(Available potassium,AK)。摸清森林土壤养分三维空间分布状况和特征,确定土壤养分级别,对科学营林、合理施肥、提高肥效、促进森林资源可持续利用等方面具有重要作用。本次研究以广东省云浮市森林土壤为对象,针对0-100cm深度的土壤,由上到下分5层(D1:0-20cm、D2:20-40cm、D3:40-60cm、D4:60-80cm和D5:80-100cm)分别建立土壤养分7个指标(SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK)的后反馈人工神经网络(Back propagation-Artificial Neural Network,BP-ANN)预测模型。模型输入由必选参数和候选参数两部分组成:必选输入参数为比例尺为1:100万的粗分辨率各土壤养分图;候选参数由10m分辨率的数字高程模型(DEM)数据衍生获得,包括4个地形参数,坡度(Slope)、坡向(Aspect)、地形位置指数(Topographical position index,TPI)、潜在太阳辐射(Potential solar radiation,PSR)和5个水文参数,潜在地下水位深(Depth to water,DTW),泥沙输移比(Sediment delivery ratio,SDR)、水流长度(Flow length,FL)、水流流向(Flow direction,FD)、土壤地形因素(Soil terrain factor,STF)。研究区内共计449(385+64)个样点数据用于此项研究,其中建模区域(罗定市和新兴县)内的385个样点数据用于基于10重交叉验证(10-fold Cross Validation)法的模型建立,独立验证区域(郁南县、云城区和云安区)内的64个样点数据用于检验模型的推广应用精度。依据RMSE、R2、ROA±5%、ROA±10%和ROA±20%共5个模型评价指标,对模型输入的9个地形水文候选参数进行筛选,以增加候选参数个数直至模型精度没有显著提高为筛选原则,分析最优的模型输入参数组合。最终利用最优的BP-ANN预测模型生产各土壤养分空间分布图,并依据全国第二次土壤普查推荐的土壤养分分级标准,评价云浮市土壤养分含量的三维空间分布变化状况。具体结论如下:(1)在土壤养分各指标5个土壤层构建的BP-ANN预测模型中,AN指标的最优模型输入为5-6参数组合,预测精度明显优于其它指标,分别为RMSE,431.2mg/kg-866.5mg/kg,R2,0.86-0.89,ROA±5%,60%-78%,ROA±10%,81%-92%,ROA±20%,87%-95%;SOM、TP、TK和AK指标的最优模型输入为5-8参数组合,预测精度低于AN指标,精度范围为R2,0.68-0.88,ROA±5%,34%-53%,ROA±10%,58%-72%,ROA±20%,70%-86%;TN和AP指标的最优模型输入,除TN指标D5土壤层为2参数组合外,其余模型为5-7参数组合,预测精度较低于其它指标。如上所述,应用10重交叉验证法建立的BP-ANN模型可以较好的表达高分辨率地形和水文参数与土壤养分指标的映射关系,反映各土壤养分指标随地形变化的高变异性。(2)根据各地形、水文参数对土壤养分各指标变异的解释能力和在最优模型输入组合中出现的频次来判断各参数的预测能力:Slope和TPI对土壤养分SOM和AN的预测能力相对较强,FD和Aspect对TN的预测能力相对较强,SDR和STF对TP的预测能力相对较强,SDR和TPI对TK的预测能力相对较强,TPI对AP的预测能力相对较强,Slope、SDR和DTW对AK的预测能力相对较强。各参数对土壤养分整体的预测能力:TPI对整个土壤养分的预测能力相对较强,其次为Slope、SDR和Aspect,STF、FD、DTW、PSR和FL对整个土壤养分的预测能力相对较弱。总体上,不同候选参数在预测不同土壤层不同土壤养分指标时的预测能力有所差异。(3)依据全国第二次土壤普查推荐的土壤养分分级标准,将D1-D5层模型预测的水平空间分布图划分等级:SOM,在D1土壤层中的平均值为22.66g/kg,属于Ⅲ级;D2-D4土壤层为15.14 g/kg-16.58g/kg,属于Ⅳ级;D5土壤层为9.05g/kg,属于Ⅴ级。TN和TK在D1-D5土壤层中的平均值分别为1.13g/kg-1.44g/kg和15.92g/kg-18.83g/kg,均属于Ⅲ级。TP,在D1-D5土壤层中的平均值为0.28g/kg-0.31g/kg,属于Ⅴ级。AN,在D1土壤层中的平均值为97.97mg/kg,属于Ⅲ级;D2-D5土壤层为80.71 mg/kg-87.16mg/kg,属于Ⅳ级。AP,在D1-D5土壤层的平均值为0.72mg/kg-1.36mg/kg,属于Ⅵ级。AK,在D1土壤层中的平均值为51.22mg/kg,属于Ⅳ级;D2-D5土壤层为36.77mg/kg-43.09mg/kg,属于Ⅴ级。整体看来,云浮市土壤养分TN和TK的含量丰富,AN和SOM含量处于中等水平,但TP、AP和AK的含量较缺乏,是云浮市土壤质量的主要限制因子。(4)各土壤养分的垂直5层的空间分布状况:随土壤深度的增加,SOM、AN、AP和AK的含量呈逐渐下降趋势;TN含量在D1-D2土壤层先增加,后D3-D5土壤层逐渐降低;TP含量在D1-D3土壤层中无明显变化,D4-D5土壤层略微增加;TK含量在D1-D4土壤层逐渐增加,D5土壤层略微下降。这些特征符合亚热带区域土壤养分的相关研究和报道。