青藏高原多年冻土区土壤-景观模型与土壤分布制图研究

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青藏高原是世界上海拔最高、地形最复杂的高原,也是我国大陆的第三阶梯,拥有独特的地貌和自然地理特征。由于青藏高原特殊的地理地貌特征、高大地形的动力作用和地面强大热源的热力影响,它对我国乃至全球气候系统尤其在亚洲季风有重要的影响。此外,青藏高原还是我国主要大江大河的发源地,多年冻土约占高原总面积的2/3,由于其特殊的水文特征,在寒区生态环境、水文及气候系统中起着极其重要的作用。在全球变暖的背景下,青藏高原的冻土退化的现象已十分显著,人们亟需用模式来预估青藏高原多年冻土未来的变化。然而,由于青藏高原地区气候环境恶劣,交通不便,人烟稀少,现有土壤、植被等模式所需基础资料很少,尤其是高原腹地、人迹罕至的多年冻土区更是稀缺。相对于植被,青藏高原土壤资料更为基础且更难获得。  青藏高原现有的土壤资料和土壤图主要是基于中国土壤发生分类,这些建立在发生原理假说之上的土壤资料,由于对发生原理的认识不同,同一种土壤常被划分为不同的类别;缺乏定量指标,不能将土类与土类之间的边界分清,与现代信息社会不相适应。此外,传统土壤图会综合舍掉小的土壤斑块,简化了土壤图在空间的表示;也不能表达土壤属性的渐变性和连续性,已经不能满足精准农牧业、环境管理及生态保护、陆面过程/气候模型模拟等对高精度土壤信息的需求。第二次全国土壤普查在青藏高原也主要是在有人口分布的季节冻土区开展,人迹罕至的多年冻土区很少。  因此,基于更新的土壤分类系统对青藏高原多年冻土区进行土壤调查和制图迫在眉睫。本文以青藏高原多年冻土区为研究对象,基于其2009-2011年的野外土壤调查数据,筛选了多种与土壤形成密切相关的环境因子作为潜在变量,运用决策树See5.0分别建立了青藏高原多年冻土区西部(西昆仑区)和东部(温泉地区)的土壤-景观模型,并基于此模型,对研究区进行了土壤分布制图。在东西部小区域制图实践的基础上,建立了整个青藏高原多年冻土区的土壤-景观模型,并完成了青藏高原多年冻土区的数字土壤制图。此外,还探讨了各个区域的土壤空间分布规律,分析了各区域土壤类型与环境因子之间的关系。在温泉区,将本文的制图方法与前人的方法进行了对比;在西昆仑地区,将本区域土壤分布规律与南极多年冻土区的土壤分布规律进行了对比分析,并探讨了其差异原因。论文的主要研究结果如下:  (1)青藏高原温泉地区以干润雏形和干润均腐土土为主,分别占总面积的60.0%和25.6%;坡度是决定本区域土壤类型分布的主控因子。温泉区决策树See5.0的5折交叉精度最低为66.7%,最高为80%,平均为75.44%,达到较好的分类精度,同时随着研究区训练样本数量的增多,有望进一步提升分类精度。  (2)综合分析决策树提取的分类规则和土壤与多年冻土的关系,总结出了温泉高山区土壤的垂直分布规律:即随着海拔从高到底(从山顶到山谷),依次分布永冻潜育土-寒冻雏形土-干润均腐土-干润雏形土-潮湿雏形土。通过与本区域多年冻土分布图的对比分析,发现温泉区永冻潜育土和寒冻雏形土主要分布在连续多年冻土区,干润均腐土主要分布在岛状、不连续多年冻土区,而干润雏形土和潮湿雏形土主要分布在多年冻土零星分布或是没有冻土的区域。  (3)通过对比决策树See5.0+SoLIM方法和基于支持向量机的制图方法,发现前者能够生成明确的分类规则和筛选出重要的环境因子,且前者在土壤图的详细度和精度方面都高于后者。  (4)西昆仑的制图结果表明:西昆仑地区研究区以Turbels(扰动寒冻土)、Cryids(寒性干旱土)和Psamments(砂质新成土)为主,他们分别占总面积的47.9%、22.3%和11.7%。研究区还零星分布有正常寒冻土、寒冻雏形土和冲积新成土,它们分别占总面积的3.3%、1.3%和0.8%。海拔是决定本区域土壤类型分布的主控因子。  (5)综合分析西昆仑地区的土壤-景观模型和土壤与多年冻土的关系,得出本区域土壤的分布规律:Cryids(寒性干旱土)主要分布在季节冻土区,Turbels(扰动寒冻土)主要分布在多年冻土区,Gelepts(寒冻雏形土)、Psamments(砂质新成土)、Fluvents(冲积新成土)、Orthels(典型寒冻土)主要分布在多年冻土与季节冻土的过渡区。  (6)通过对比本区域和南极南设群岛多年冻土区的土壤分布规律,发现本区土壤类型的分布特征与已有多年冻土区分布特征不一致,主要体现在本区岛状或不连续多年冻土区以Psamments(砂质新成土)和Fluvents(冲积新成土)为主,而南极高山区主要以寒冻土为主,新成土主要分布在季节冻土区。分析其原因发现,西昆仑地区极度干旱、寒冷,活动层厚度普遍大于2米,而美国土壤分类系统定义的深度在2米以内,从而导致将本区岛状或不连续多年冻土区的寒冻土误判为新成土。  (7)采用国际通用的美国土壤分类系统(2010版),分区建立了青藏高原多年冻土区东部和西部的土壤-环境模型,并基于此模型,对整个研究区进行了土壤分布制图。结果表明,青藏高原多年冻土区以Gelisols(寒冻土)和Inceptisols(雏形土)为主,分别占总面积的34%和28%;母质是决定本区域土壤类型分布的主控因子。分区来看,在高原西部多年冻土区,土壤主要以Gelisols(寒冻土)Inceptisols(雏形土)和Aridisols(干旱土)为主,分别占多年冻土区西部总面积的43%、30%和17%;而在东部,土壤主要以Gelisols(寒冻土)、Mollisols(均腐土)和Inceptisols(雏形土)为主,分别占多年冻土区东部总面积的27%、26%和25%。  (8)青藏高原多年冻土区土壤与环境关系研究表明,同一种土壤在东西部的分布有海拔上的差异也有母质等方面相同的地方。多年冻土的存在也影响了土壤的分布规律,使得干旱土在西部分布在较低的海拔,而在东部却又分布在较高的海拔。从整个多年冻土区来看,青藏高原多年冻土区东部土壤发育要优于西部,土壤类型更多,且各土壤类型所占比例也更趋于均衡。
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