多尺度农田土壤空间非均质性研究

农田土壤的非均质性出现由孔隙、田块至区域等所有空间尺度上。各空间尺度上对土壤中运移过程起主导的介质空间结构特征存在差异。全面解析并模拟多尺度的农田土壤非均质性，对掌握各尺度上发生的有关现象、过程及其相互间的关系具有重要的理论意义和实际价值。本项目拟利用CT扫描、现场采样结合探地雷达（GPR）测试等手段，获取孔隙、田块和区域尺度上农田土壤主要结构特征、物理性质及其空间分布规律，探索可用于描述不同尺度土壤非均质特征的地统计学模拟方法，建立起更逼近实际情况的土壤介质三维空间分布模型，从而揭示各尺度土壤非均质特征及其相互间的关系。通过将土壤三维空间分布模型应用到区域尺度的农田水肥管理模型中，检验多尺度地统计学模拟方法的有效性，进一步地通过水氮模拟结果的不确定性分析，提出可更好表征土壤空间非均质性的田间布点采样方案，获得精度更高的区域水肥管理方案。

农田土壤的非均质性出现在由孔隙、田块到区域等多个空间尺度上。解析多尺度的土壤结构空间变异性是全面认识农田生态过程规律和本质的基础，也是实现区域尺度农田水肥精准管理的重要前提。. 本项目通过现场数据采集和历史资料数字化，建立了基于GIS的县域土壤空间/属性数据库及信息管理系统；探索了基于激光衍射法和参数模型的土壤粒径数据分析与扩充方法，解决了区域尺度研究中土壤质地信息的大量快速获取问题；提出并验证了基于CT图像的孔隙尺度土壤结构研究的地统计学条件模拟新思路；构建了基于转移概率-马尔科夫链的县域土体三维空间变异模型，应用概率分析评估了农田水肥渗漏的高风险区域，划定了需补充采样的重点地段。研究结果为准确刻画多尺度农田土壤非均质性提供了模型和方法，为县域农田水肥模拟和优化管理提供了高分辨率的数据支撑。取得的主要研究进展和结论如下：. 1、基于激光衍射法和粒径分布模型的土壤粒径数据快速获取与扩充方法：利用全国13个省份的样品测试数据，建立了基于激光衍射法的土壤粒径分布校正关系。分析表明，土壤颗粒衍射指数取值1.50、颗粒吸附指数取值0.01时激光法可获得最优的测试结果。粒径分布模型的适用性评价表明，四参数Fredlund模型、三参数Fredlund模型和改进逻辑斯蒂模型的精度和适用性最佳。. 2、孔隙结构研究的地统计学条件模拟和分形几何方法：率先将地统计学条件模拟方法引入孔隙尺度土壤结构研究。验证表明，该方法不仅适用于孔隙尺度上的土壤非均质性模拟，还可用于预测未知点的属性。基于CT数字图像、采用分形几何模型和孔隙网络模型成功预测了土体尺度的表观水力学性质。. 3、基于转移概率-马尔科夫链的县域土体三维空间变异模型：与克里格插值、顺序指示模拟结果的对比表明，马尔科夫链模型可更好地再现土体结构错综复杂的分布格局和质地类型间的相互转换关系，较好地克服了传统建模方法高熵和低连贯性的缺点，精度显著优于其它两种方法。. 4、基于空间概率分析的农田水肥渗漏高风险区域评估：通过概率分析，探讨了区域尺度土壤质地层次的空间分布特征和不确定性，评估了粘土夹层缺失导致的水肥渗漏高风险区，为完善采样布点方案提供了依据。. 项目共发表论文15篇（其中SCI论文5篇，EI论文4篇）。申请软件2项。培养博硕士研究生4名。获国家科技进步二等奖1项。圆满完成了预定的研究任务和考核指标。