基于小波的土壤有机碳密度与其影响因子的尺度相关分析

论文摘要

土壤有机碳库是陆地生态系统碳库的主要组成部分,研究土壤有机碳储量和密度、空间分布规律及其主控影响因素的尺度效应,不仅有助于区域的碳循环研究、确定合理的土壤取样间距和为区域生态环境保护与资源可持续利用研究提供科学依据,也为我国土壤碳库和碳平衡的研究提供基础数据。基于GIS、小波变换和相关分析等研究方法,本论文采用土壤类型法估算了广东山区土壤有机碳密度,分析了不同土类和植被类型有机碳密度的空间分布特征,运用区域统计分析模型研究了NDVI和地形因子（海拔高度、坡度和坡向）对土壤有机碳密度分布的影响,并采用DB6小波母函数、运用一维离散小波变换对各因子进行多尺度分解,以期在栅格尺度上定量揭示土壤有机碳密度的多尺度空间分布格局及与其影响因子相关关系的多尺度响应特征。主要研究内容及结论如下:（1）运用区域统计模型分析了广东山区不同NDVI、海拔高度、坡度和坡向级别土壤有机碳密度的分布情况。整体上, 0-20cm和0-100cm深度土壤有机碳密度均随着NDVI的增大而增大,随着海拔高度的升高而逐渐增大,在不同的海拔级别其增大的幅度不同,随着坡度的增大而先增大后减小,阳坡土壤有机碳密度高于阴坡。（2）以广东山区的土壤有机碳密度及其影响因子（NDVI、海拔高度、坡度、坡向）作为分析对象,尝试使用一维离散小波变换对分析对象进行多尺度分解,在栅格尺度上定量揭示土壤有机碳密度的多尺度空间分布格局及与其影响因子相关关系的多尺度响应特征。土壤有机碳密度空间异质性的大小受控于不同尺度下土壤有机碳密度分布格局的主导因子影响程度,整体上在大于等于1km的尺度,其空间异质性较强;各个样带特征尺度的差异与各样带的土壤和植被类型、地貌特征以及土地利用方式、耕作管理方式等人类活动干扰强度有关。土壤有机碳密度与其影响因子具有不同程度的尺度相关性,NDVI和海拔高度对土壤有机碳密度的正向控制作用基本随着尺度的增大而增强,其中,NDVI在2km、8km和16km尺度,海拔高度在8km和16km尺度下控制作用最强;坡度的控制作用极弱,具有不太显著的尺度相关性;坡向在2km尺度以后表现为随尺度增大而增大的负相关作用;同一条样带不同剖面深度的土壤有机碳密度与影响因子的尺度相关性存在一定的差异;不同样带的土壤有机碳密度受不同影响因子的制约,NDVI和海拔高度是影响广东山区土壤有机碳密度分布的主要因子,坡度和坡向仅在个别样带较大尺度上起作用,整体上来说是尺度越大影响因子越多,产生这种差异的原因主要与各样带所处的地貌和气候特征有关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 土壤有机碳密度和碳储量研究进展
• 1.2.2 土壤有机碳的影响因子研究进展
• 1.2.3 小波多尺度分析在地学领域中的应用
• 1.3 主要研究目标
• 本章小结
• 第二章 材料与方法
• 2.1 研究区概况
• 2.2 数据源概况
• 2.2.1 土壤数据
• 2.2.2 植被数据
• 2.2.3 地形数据
• 2.3 数据预处理
• 2.3.1 主要软件平台
• 2.3.2 土壤有机碳密度的计算
• 2.3.3 NDVI 数据的预处理
• 2.3.4 地形数据的预处理
• 2.4 小波多尺度分析——离散小波变换
• 2.4.1 小波多尺度分析的基本原理
• 2.4.2 样带剖面数据提取
• 2.4.3 样带剖面数据的一维离散小波变换
• 2.5 研究方法和技术路线
• 2.5.1 研究方法
• 2.5.2 技术路线
• 本章小结
• 第三章 NDVI 和地形因子对土壤有机碳密度分布的影响
• 3.1 主要土壤类型有机碳密度分布特征
• 3.2 植被类型对土壤有机碳密度格局的影响
• 3.3 NDVI 对土壤有机碳密度变化的影响
• 3.4 地形因子对土壤有机碳密度变化的影响
• 3.4.1 海拔高度对土壤有机碳密度变化的影响
• 3.4.2 坡度对土壤有机碳密度变化的影响
• 3.4.3 坡向对土壤有机碳密度变化的影响
• 本章小结
• 第四章 土壤有机碳密度与其影响因子尺度相关分析
• 4.1 样带自然地理景观的总体特征
• 4.2 土壤有机碳密度的DB6 小波分解的生态学意义
• 4.3 土壤有机碳密度的空间异质性格局—尺度效应
• 4.3.1 空间异质性大小的量度—小波方差
• 4.3.2 尺度效应分析
• 4.4 土壤有机碳密度与其影响因子的尺度相关分析
• 4.4.1 简单相关分析和偏相关分析
• 4.4.2 土壤有机碳密度与NDVI 的尺度相关性
• 4.4.3 土壤有机碳密度与海拔高度的尺度相关性
• 4.4.4 土壤有机碳密度与坡度的尺度相关性
• 4.4.5 土壤有机碳密度与坡向的尺度相关性
• 4.4.6 不同样带土壤有机碳密度与其影响因子间的尺度相关性
• 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 论文创新点
• 5.3 不足之处和研究展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢