第一章绪论
1研究目的和意义
土壤是土地的重要组成部分，其理化性质及生物量是决定土壤质量的重要因素，农业生产过程、粮食增产、环境影响评价等离不幵这些土壤数据的支持，因此，对土壤理化属性的精准预测对人类合理开发利用土地资源有着十分重要的意义。2011年3月全国两会通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，纲要中明确提出硬指标：严格保护耕地，保住18.18亿亩耕地零减少，粮食综合生产能力达到5.4亿吨以上。在全球人口总数不断增长、自然灾害频繁发生、水资源日益短缺的形势下，如何利用既有耕地保证粮食生产量能够满足人民需求成为了当前阶段的重要研究课题。粮食的增产增收需要优质的土壤，自2005年，农业部连续6年拨出61亿元在全国2498个县开展测土配方施肥补贴项目，按照农业部的统一部署，各省市先后启动测土配方施肥技术推广行动，为摸清我国土地生产潜力，积累了珍贵数据。
加强耕地土壤养分空间变异的研究，一方面可以为土地利用与耕地质量管理等提供基础信息；另一方面，由于耕地利用正逐渐偏离传统的精耕细作的轨道，农民大量使用化肥、农药，造成地力下降、土壤面源污染等问题，利用GIS、RS、GPS等先进技术幵展土壤数字制图工作，对保障粮食安全、加强环境保护等具有重要意义土壤有机质在土壤肥力的评价过程中起着重要的指示作用，是植物体内营养元素的的主要来源之一，虽然有机质的重量仅占农田土壤中的一小部分，但其能够影响到土壤的质地、持水性、保肥供肥特性及生产能力。
增强有机质管理，一方面有助于提高土壤肥力和增加粮食产量，另一方面能够减少农田向大气中排放的C02量，对保护环境和农业可持续发展有重要影响，因此，有必要开展野外调查并结合空间预测方法获取土壤有机质含量的空间变异规律。土壤速效钾含量代表着当前土壤中能被作物直接吸收利用的钾素含量。钾素能够促进植物的光合作周，提高对二氧化碳的利用效率，同时对作物的生长及环境、气候的调解有着不可忽视的重要作用。利用釆样数据结合空间预测方法制作速效钾分布图，能够有效指导钟素投入量。克里格法是目前预测土壤养分空间分布最主流的方法。
克里格法以空间自相关理论为基础，借助区域化变量理论及半变异函数的理论模型对未知点进行无偏最优估计。随着地统计学的不断发展，以地形、植被因素作为辅助变量的克里格法被提出，并有研究表明，其精度高于普通克里格，但是影响土壤养分含量的因素还有成土母质、降雨量、地表温度等则鲜见报道，因此，利用综合考虑多项环境因素的克里格法对景观高度异质地区进行土壤养分空间变异研究，具有重要的意义。本文拟通过野外调查、室内分析化验，利用地理信息系统、遥感及地统计软件，对地形起伏度大且成土母质复杂的湖南省石门县养分元素进行空间预测，寻求能够提高模型精度的最佳方法，为县域耕地资源管理及土壤养分空间预测理论提供参考。
2研究进展
土壤是一个时空上连续而非均质的变异体。20世纪70年代之前研究者主要使用Fisher经典统计学理论对土壤养分进行空间变异研究，它把研究变量假设为纯随机变量，相互独立，且服从某项分布，按照质地在水平面上划分为若干个较为均一的单元，在垂直方向上根据不同的耕层厚度划分为不同单元，利用样本均值、频率、标准差、变异系数等指标描述土壤养分的空间变异特征。但是Fisher经典统计存在较大的缺陷，一方面，在描述样品频率和直方图时，均不考虑样品的空间位置，这使得大量地学数据之间存在的空间自相关性无法得以表达；另一方面，其假设样品值为纯随机变量，服从某项正态分布且之间相互独立，但地学数据中两个相邻样点通常存在某种程度的关系。
20世纪70年代，法国著名主任工程师Matheron在总结前人的基础上，釆用随机函数描述矿产变量的结构性和随机性，提出了区域化变量理论，并应用于估测矿产品位及矿储量上，形成了较为完备的理论体系。80年代后，土壤科学研究中引入了克里格插值方法,研究发现，在Ihm2农田中，土壤属性存在较强的空间自相关性，且各元素间的空间自相关距离差异较大，有机碳、全氮等的空间自相关距离均大于182m，而铜锋则相关性几乎不存在。在随后的诸多研究也表明土壤属性存在空间自相关性，土壤学科中Fisher经典统计学逐渐被地质统计学法所取代。
第二章研究理论与方法
1地统计学方法
20世纪40年代末期，地质学家们发现，地学变量并非都是纯随机变量，他们之间存在着某种空间自相关性，因此，不能用简单的统计学方法对矿产资源进行预测和评估。区域化变量理论的提出较好的解决了传统统计学不能解释的空间问题，经过30多年的发展，地统计学已在空间预测和时空变异等方面得到广泛应用。随后被引入土壤学科，并得到了快速发展，大大推进了土壤属性的空间变异研究。
1.1区域化变量理论
当一个变量呈现空间分布，我们称之为“区域化变量”Z (X)，这种变量能够反映某种现象的特征，例如以土壤属性变化反映土壤肥力特征。用区域化变量表示的现象叫做“区域化现象”，在地质统计学发展中最基本的概念就是区域化理论。区域化理论的研究内容是建立区域化变量与不同位置X的函数模型，其较Hsher经典统计法的先进之处在于能够同时反映变量的随机性和结构性。
第三章 研究区概况及采样设计................................ 26-29
1 研究区概况................................ 26
2 样品采集................................ 26-28
3 样品测定方法................................ 28-29
第四章 基于环境辅助变量的空间预测 ................................29-40
1 数据来源及处理 ................................29-34
2 研究方法 ................................34-38
2.1 相关系数计算................................ 34-35
2.2 构建区域化模型................................ 35-38
2.2.1 普通克里格 ................................35-36
2.2.2 回归克里格................................ 36-38
2.3 插值结果验证及对比分................................38
3 本章小结与讨论................................38-40
第五章 辅助变量的空间预测 ................................40-46
1 数据处理 ................................40-42
2 研究方法 ................................42-45
3 本章小结与讨论................................ 45-46
结论
对土壤理化性质进行空间预测一直是土壤学科研究的热点问题之一。摸清县域土壤理化性质的空间分布，对于县域行政部门进行耕地地力评价、土地适宜性评价、制定惠农政策等具有重要的意义。本文尝试运用多变量与普通克里格相结合的方法，对湖南省石门县土壤有机质、速效钾含量进行空间分布预测，运用普通克里格作为参考，主要研究结论如下：
(1)有机质含量与定量环境因子存在一定的相关性。与由30m分辨率派生出的地形因子坡度、地面粗糙度、地形起伏度、高程成正比，与经度、复合地形指数、剖面曲率、地表温度呈显著负相关，其他地形因子与有机质相关性不明显；与TM遥感影像派生的NDVI成正比，并通过显著性检验，与EVI相关性不大；与气象卫星派生的地表温度指数存在较好相关性，但降水因子相关系数较低，这可能与数据源的分辨率及影像云层厚度等产生的误差有关。
(2)回归克里格法精度较普通克里格法有所提高，但提高幅度不大，仅为6.03%。通过有机质半方差函数分析，指数模型为有机质进行空间预测的最佳理论模型，有机质的块金值（0.017)较小，块金值比基台值为11.409%,表现出强变异性，其变程为6000m，即在6000m范围内存在空间自相关性，表明可进行更小尺度的研究分析。从空间分布上看，石门县土壤有机质呈现西北东南高，中部、北部较低的趋势，回归克里格较普通克里格更能详细刻画本研究区土壤有机质分布。
(3)在成土母质较为复杂地区，运用PMK法可以有效提高土壤速效钾空间预测精度。不同成土母质条件间土壤速效钾含量存在差异，通过对比分析普通克里格空间预测结果与PMK法所得预测结果图，OK预测图速效钾含量变化较为平缓，具有一定平滑效应，但是PMK预测图呈现突变而非渐变，与研究区实际更为相符。预测结果统计表明PMK相对普通克里格的提高值为68.07%，提高幅度较大。