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土地作为人类生存发展和生产活动的源泉与依托，在经济发展和农业生产中，起着重要的作用。土地质量在生态系统范围内，维持着生物的生产力、促进动植物及人类健康等。中国地质调查局地质调查技术标准DD2008-06号文件《土地质量地球化学评估技术要求（施行）》指出，进行土地质量地球化学评估以量化土地质量，实行动态管理，为土地管理和规划提供地球化学依据，为土地可持续利用服务。其中土壤 pH 值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量是影响土地质量内部因素主要的评估指标。
土壤 pH 值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量作为土地质量地球化学评估指标的重要组成部分，在复杂的地形环境、农业生产实践活动中，受到多种因素的综合作用和影响，在不同的地理环境和地质地貌条件下，其空间分布和影响因素存在差异，并且随着研究尺度的变化而变化。尤其是在山地丘陵区，小流域尺度的土壤特性及其空间分布，受地形影响更为显著。清晰地掌握它们的空间分布特征及其影响因素，对于高效的土地质量评估和土壤管理，合理的农业区划和土地资源利用，以及实施精准农业等都有着重要的意义。
本文以三峡库区草堂河流域为研究区，利用网格布点，共采集 102 个表层（0~20cm）土壤样点，分析测定各土壤特性后，以成土母质、地形、植被、土地利用类型为自变量，采用多元线性回归、普通克里格插值、分类回归树以及随机森林四种方法对流域尺度的土壤 pH 值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量构建预测模型，并比较各模型预测精度，选取精度最优的预测模型分别对五种土壤特性进行空间分布预测制图并评价各影响因素的相对重要性，为研究区土地质量评价、土壤管理、利用和农业生产管理提供科学依据，为流域尺度土壤特性的空间分布预测提供方法借鉴。主要研究结果如下：
（1）草堂河流域土壤pH值的变化范围在5.08~8.59之间，均值为7.35，变异系数为 15.65%。土壤有机碳、氮、磷、钾含量的变化范围分别为 0.47~2.10、0.58~1.79、0.21~0.52、1.20~2.84 g/kg，均值分别为1.07、1.13、0.35、2.01g/kg，变异系数分别为33.64%、23.01%、20%和17.91%。结果表明土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量属于中等程度变异。
（2）研究区包含三叠系须家河组石英砂岩和大冶组灰岩两种成土母质类型，对土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量在不同母质类型之间进行均值比较，结果表明，土壤 pH 值、土壤磷、钾含量在不同类型的成土母质之间存在显著差异（P＜0.05），而土壤有机碳、氮含量在不同类型成土母质之间的差异不显著（P＜0.05）。其中，三叠系大冶组灰岩发育的土壤 pH 值、土壤磷、钾含量均高于三叠系须家河组石英砂岩发育的土壤pH值、土壤磷、钾含量。
（3）土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量与地形因子之间存在相关关系。土壤 pH 值与海拔高度和距河网垂直距离呈极显著负相关关系，与谷深呈极显著正相关，相关系数分别为：-0.583、-0.397和0.412，表明其值随海拔的升高和距河网垂直距离的增加而降低，随谷深的增加而增高。土壤有机碳含量与坡度和坡度坡长因子呈极显著正相关，与归一化植被指数呈显著正相关，相关系数分别为：0.257、0.255和0.234。土壤氮含量与坡度及坡度坡长因子呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.259和0.287，与其他地形因子无明显相关关系。土壤磷含量与海拔高度和距河网垂直距离呈极显著负相关关系，与谷深呈极显著正相关，相关系数分别为：-0.393、-0.341、0.310，与其他地形因子无明显相关关系。土壤钾含量则与各地形因子之间无明显的相关关系。
（4）使用四种模型分别对研究区土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量构建模型。结果表明，多元线性回归对五项土壤特性的预测精度（决定系数 R2）分别为0.57、0.19、0.23、0.30和0.21；普通克里格插值对五项土壤特性的预测精度（R2）分别为0.56、0.25、0.21、0.33、0.30；分类回归树对五项土壤特性的预测精度（R2）分别为0.73、0.64、0.51、0.36、0.78，随机森林对五项土壤特性的预测精度（R2）分别为0.85、0.85、0.95、0.89、0.87。在山地丘陵区，随机森林模型预测精度高于多元线性回归、分类回归树和普通克里格插值。可见，基于环境因子的随机森林预测模型，预测精度高，可以作为流域尺度土壤特性空间分布预测的有效方法。
（5）对五种土壤特性影响因素的相对重要性进行分析。结果表明，对土壤pH值产生主要影响的环境因子为成土母质、海拔，其次是距河网垂直距离；对土壤有机碳含量产生主要影响的环境因子为坡度、坡度坡长因子和海拔高度；对土壤氮含量产生主要影响的环境因子为坡向、地形湿度指数和坡度坡长因子；对土壤磷含量产生主要影响的环境因子为坡高、海拔高度、距河网垂直距离；对土壤钾含量产生主要影响的环境因子为海拔高度、坡向、距河网垂直距离。
（6）使用预测精度（R2）最高的模型对研究区土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量进行空间分布制图。结果表明，研究区土壤 pH 值的空间分布因成土母质类型的不同而形成明显的西南-东北走向的界限区分，集中表现为东北区域的土壤pH值比西南部的土壤pH值低。土壤有机碳在北部区域以及东南部含量较高，西南区域含量较低，总体呈现由南向北、由西向东逐渐增高的变化趋势。土壤氮含量空间分布表现为西北角、西南边缘以及东南区域中心位置含量较低，并分别沿北部和南部不断增高的趋势，没有明显的界限区分，整体分布较为均衡。土壤磷含量的分布整体呈现由北向南逐渐增高的趋势，在不同的区域因地形的差异而呈现明显的不同，与海拔呈现出明显的反向差异。土壤钾含量的分布在西北区域明显较低，东南区域相对较高，整体呈现由西北往东南逐渐升高的趋势。
土壤 pH 值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量作为土地质量地球化学评估指标的重要组成部分，在复杂的地形环境、农业生产实践活动中，受到多种因素的综合作用和影响，在不同的地理环境和地质地貌条件下，其空间分布和影响因素存在差异，并且随着研究尺度的变化而变化。尤其是在山地丘陵区，小流域尺度的土壤特性及其空间分布，受地形影响更为显著。清晰地掌握它们的空间分布特征及其影响因素，对于高效的土地质量评估和土壤管理，合理的农业区划和土地资源利用，以及实施精准农业等都有着重要的意义。
本文以三峡库区草堂河流域为研究区，利用网格布点，共采集 102 个表层（0~20cm）土壤样点，分析测定各土壤特性后，以成土母质、地形、植被、土地利用类型为自变量，采用多元线性回归、普通克里格插值、分类回归树以及随机森林四种方法对流域尺度的土壤 pH 值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量构建预测模型，并比较各模型预测精度，选取精度最优的预测模型分别对五种土壤特性进行空间分布预测制图并评价各影响因素的相对重要性，为研究区土地质量评价、土壤管理、利用和农业生产管理提供科学依据，为流域尺度土壤特性的空间分布预测提供方法借鉴。主要研究结果如下：
（1）草堂河流域土壤pH值的变化范围在5.08~8.59之间，均值为7.35，变异系数为 15.65%。土壤有机碳、氮、磷、钾含量的变化范围分别为 0.47~2.10、0.58~1.79、0.21~0.52、1.20~2.84 g/kg，均值分别为1.07、1.13、0.35、2.01g/kg，变异系数分别为33.64%、23.01%、20%和17.91%。结果表明土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量属于中等程度变异。
（2）研究区包含三叠系须家河组石英砂岩和大冶组灰岩两种成土母质类型，对土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量在不同母质类型之间进行均值比较，结果表明，土壤 pH 值、土壤磷、钾含量在不同类型的成土母质之间存在显著差异（P＜0.05），而土壤有机碳、氮含量在不同类型成土母质之间的差异不显著（P＜0.05）。其中，三叠系大冶组灰岩发育的土壤 pH 值、土壤磷、钾含量均高于三叠系须家河组石英砂岩发育的土壤pH值、土壤磷、钾含量。
（3）土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量与地形因子之间存在相关关系。土壤 pH 值与海拔高度和距河网垂直距离呈极显著负相关关系，与谷深呈极显著正相关，相关系数分别为：-0.583、-0.397和0.412，表明其值随海拔的升高和距河网垂直距离的增加而降低，随谷深的增加而增高。土壤有机碳含量与坡度和坡度坡长因子呈极显著正相关，与归一化植被指数呈显著正相关，相关系数分别为：0.257、0.255和0.234。土壤氮含量与坡度及坡度坡长因子呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.259和0.287，与其他地形因子无明显相关关系。土壤磷含量与海拔高度和距河网垂直距离呈极显著负相关关系，与谷深呈极显著正相关，相关系数分别为：-0.393、-0.341、0.310，与其他地形因子无明显相关关系。土壤钾含量则与各地形因子之间无明显的相关关系。
（4）使用四种模型分别对研究区土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量构建模型。结果表明，多元线性回归对五项土壤特性的预测精度（决定系数 R2）分别为0.57、0.19、0.23、0.30和0.21；普通克里格插值对五项土壤特性的预测精度（R2）分别为0.56、0.25、0.21、0.33、0.30；分类回归树对五项土壤特性的预测精度（R2）分别为0.73、0.64、0.51、0.36、0.78，随机森林对五项土壤特性的预测精度（R2）分别为0.85、0.85、0.95、0.89、0.87。在山地丘陵区，随机森林模型预测精度高于多元线性回归、分类回归树和普通克里格插值。可见，基于环境因子的随机森林预测模型，预测精度高，可以作为流域尺度土壤特性空间分布预测的有效方法。
（5）对五种土壤特性影响因素的相对重要性进行分析。结果表明，对土壤pH值产生主要影响的环境因子为成土母质、海拔，其次是距河网垂直距离；对土壤有机碳含量产生主要影响的环境因子为坡度、坡度坡长因子和海拔高度；对土壤氮含量产生主要影响的环境因子为坡向、地形湿度指数和坡度坡长因子；对土壤磷含量产生主要影响的环境因子为坡高、海拔高度、距河网垂直距离；对土壤钾含量产生主要影响的环境因子为海拔高度、坡向、距河网垂直距离。
（6）使用预测精度（R2）最高的模型对研究区土壤pH值、土壤有机碳、氮、磷、钾含量进行空间分布制图。结果表明，研究区土壤 pH 值的空间分布因成土母质类型的不同而形成明显的西南-东北走向的界限区分，集中表现为东北区域的土壤pH值比西南部的土壤pH值低。土壤有机碳在北部区域以及东南部含量较高，西南区域含量较低，总体呈现由南向北、由西向东逐渐增高的变化趋势。土壤氮含量空间分布表现为西北角、西南边缘以及东南区域中心位置含量较低，并分别沿北部和南部不断增高的趋势，没有明显的界限区分，整体分布较为均衡。土壤磷含量的分布整体呈现由北向南逐渐增高的趋势，在不同的区域因地形的差异而呈现明显的不同，与海拔呈现出明显的反向差异。土壤钾含量的分布在西北区域明显较低，东南区域相对较高，整体呈现由西北往东南逐渐升高的趋势。