基于不同放牧策略对锡林郭勒草原土壤化学性质影响研究.pdf

齐鲁工业大学学报第 卷 第 期 年 月出版 .:./.【数理与统计科学】基于不同放牧策略对锡林郭勒草原土壤化学性质影响研究赵琳琳张 楠张瀚青胡双霞王 岩李金红齐鲁工业大学(山东省科学院)数学与人工智能学部山东 济南 摘要:土壤有机碳()、土壤无机碳()和土壤碳氮比(/)是土壤的重要化学性质研究不同放牧策略对土壤化学性质的影响对于维持草原生态系统可持续发展有重要意义 以锡林郭勒草原为例分析不同放牧策略对土壤化学性质的影响取锡林郭勒草原某指定区域不同放牧策略下的土壤化学性质数据利用主成分分析中的因子分析法判断土壤各化学性质对环境影响的响应得出土壤有机碳、土壤无机碳和土壤碳氮比受环境影响较大的结论 采用时间序列方法中的 模型(整合移动平均自回归模型)预测放牧区的有机碳、无机碳、全氮含量给出相应的预测模型不同放牧策略对土壤有机碳含量影响的预测模型为()对土壤无机碳含量影响的预测模型为()对土壤碳氮比影响的预测模型为()关键词:土壤化学性质可持续发展主成分分析法 模型中图分类号:文献标志码:文章编号:()():()()(/).().()()().:收稿日期:网络出版时间:基金项目:山东省自然科学基金()国家自然科学基金()作者简介:赵琳琳硕士生研究方向:偏微分方程理论及应用通信作者:李金红教授研究方向:偏微分方程理论及应用.齐鲁工业大学学报 年第 期放牧优化是防止草原沙漠化的关键 过度放牧因牲畜密度过大可能导致土壤裸露面积增大土体内水分相对运动受到不利影响使土壤盐碱化程度加重最终造成草原沙漠化而适当的放牧可增强草原土壤的化学性质促进草原生态系统的可持续发展针对不同放牧强度下土壤化学性质的影响有学者们做了如下的研究 奚小艳等指出用模型模拟结合观测实验数据进行放牧对草地生态系统影响的深入机理研究是未来的研究方向 赵美曼以苏尼特右旗荒漠草原为例测定不同放牧强度下的土壤理化特性阐明土壤可蚀性值对放牧强度的响应机制证实土壤理化特性空间分布呈较弱与中等程度空间自相关在不同放牧强度与区组间表现各异 许婷婷等以希拉穆仁草原为研究对象分析不同放牧强度下植物群落特征及不同深度土壤有机碳含量和密度变化定量评估放牧对土壤有机碳的影响发现地上生物量的减少对土壤有机碳密度的影响相对较小土壤物理性质显著影响土壤有机碳密度的结论 于志慧等以希拉穆仁荒漠草原为研究对象分析 种放牧强度(无牧、轻度放牧、重度放牧)对 土壤有机碳、全氮、的影响 刻画土壤有机碳含量随放牧强度增大的变化趋势 马昕昕等以黄土高原水蚀风蚀交错区西部、中部、东部地区及水蚀区为研究对象刻画 个放牧强度下退耕草地 土层土壤有机碳储量的分布特征 对于若尔盖湿地不同放牧强度下的土壤化学性质李霞进行实地考察证实轻度放牧区土壤有机质、土壤全氮含量高于强度放牧区土壤全氮含量随放牧强度增加呈明显下降趋势 等收集卡廷加生物群落不同放牧强度下的土壤数据表明基于微生物的技术可以减轻卡廷加生物群落的土壤退化 范春梅采用土壤各项指标对黄土高原丘陵沟壑区放牧林草地土壤抗蚀性能进行分析证实土壤的有机质、全氮、水解氮和全磷含量均随着放牧强度的增加而减少 杨晶晶以伊犁绢蒿荒漠为研究对象将游牧区与定居区土壤全氮、全磷、全钾、速效氮含量进行对比得出定居区土壤 高于游牧区土壤有机碳、速效磷、速效钾含量均为游牧区显著高于定居区的结论方倩等采用 分析和结构方程模型方法研究不同放牧强度对于高寒草地土壤理化性质的影响强度及环境因素对平均效应值的影响过程证实放牧增加草地土壤全碳含量显著降低土壤全钾、全氮和全磷含量建立不同放牧强度下对草原土壤化学性质影响的数学模型是学者关注的重点 相较于机理分析模型经验预测模型包括神经网络模型等由于具有参数较少的特点在近十几年来已经被广泛应用在国内外的研究中 马秀枝等采用时间序列模型分析林火干扰对土壤化学性质的影响 黄子晨等采集浙东滨海围垦农田不同土壤深度土壤样品测定有机碳含量以未围垦的潮间带土壤作为对照分析不同围垦时期土壤碳库组分的含量变化特征及其与其它化学性质的关系得出随着围垦时间的增加 土层土壤中的可溶性有机碳均呈先减少后增加的趋势变化的结论 等使用基于前陆上暴露冰碛的时间序列分析土壤化学性质受鸟类运动的影响得知冰碛土壤的阳离子浓度随时间推移而增加表明鸟类运动可以增强土壤化学性质 等分析了水稻耕作系统和旱地种植耕作系统下的犁层土壤主要化学性质研究土壤随开垦产生的时间序列描绘了土壤有机碳含量随时间的变化规律采用整合移动平均自回归模型给出土壤有机碳、土壤全氮、土壤碳氮比在放牧强度影响下随时间变化的数学预测模型具有一定的现实意义丰富了温带草原环境下不同放牧强度对于土壤湿度影响的研究不同放牧强度对土壤化学性质的影响.土壤化学性质循环过程土壤中各种物质和各项指标均是相互联系且相互作用 不同放牧强度下的牲畜数量不同牲畜对牧草地采食和践踏影响草地植被覆盖率进而影响土壤内有机碳含量 土壤有机氮作为土壤碳固机制的组成部分受到土壤有机碳的影响 土壤微生物也参与土壤碳循环中的几个重要循环过程如碳降解碳固定和甲烷代谢 落叶等凋零物降解产生的有机碳也会对土壤的化学性质产生影响 土壤碳元素循环机制如图 所示 年第 期赵琳琳等:基于不同放牧策略对锡林郭勒草原土壤化学性质影响研究图 土壤化学元素循环模式.主成分分析法判断因子权重土壤化学性质包括众多性质如土壤有机碳、土壤无机碳、土壤全碳、全氮含量和土壤碳氮比等 为符合土壤内化学元素循环机制需对土壤化学性质做综合分析因此需用主成分分析法判断多种指标中的因子权重寻找主成分即寻找初始变量在各个主成分上的载荷 设代表放牧强度环境的 个放牧小区分别为设土壤有机碳、土壤全氮、土壤碳氮比、无机碳含量和土壤全碳分别为 设 在 上的载荷分别为 载荷为 个放牧小区相关矩阵的 个较大的特征值对应的特征向量 分别为原指标变量的第 个主成分筛选土壤有机碳、土壤全氮、土壤碳氮比、无机碳含量和土壤全碳含量中受放牧强度影响前几个最大的主成分 对样本 进行标准化记标准化后的变量为:()()满足如下的因子模型:()表示标准化之后的公共因子能作用于任何原始观测变量其中 ()()()矩阵 叫做因子荷载阵 中每一个元素 叫因子荷载由上式可知因子荷载是 的协方差、相关系数表示第 个变量在第 个公共因子上的负荷因子载荷越大(的绝对值)说明 和 有着越强的依存关系 由表 可知 统计量值大于.变量间的相关程度无太大差异数据适合做主成分分析表 和 球形度检验 值 球形度检验近似卡方 值.取内蒙古自治区锡林郭勒盟典型草原不同放牧强度土壤碳氮监测数据集对放牧强度与五个指标进行主成分分析法 为消除各项指标在量纲和数量级上的差异对指标数据做归一化处理由 软件求指标数据的相关系数矩阵得到指标的归一化数据与相关系数 计算总方差的解释率见表 齐鲁工业大学学报 年第 期表 总方差的解释率特征根方差解释率/累积/特征根方差解释率/累积/.表 格针对因子提取情况以及因子提取信息量情况进行分析从表 可知:因子分析一共提取出 个因子特征根值均大于 此 个因子旋转后的方差解释率分别是.、.、.旋转后累积方差解释率为.表 线性组合系数及权重结果名称因子 因子 因子 得分系数权重特征根(旋转后).方差解释率/.土壤有机碳.土壤无机碳.土壤全碳.全氮.土壤/比.放牧小区.放牧强度.综上所述得知土壤有机碳、土壤有机碳和土壤碳氮比对环境评价影响最大是主要因素 对土壤有机碳、土壤无机碳和土壤全氮含量进行分析验证对数据做残差处理增强数据的平稳性得到脉冲函数图像由图 可知残差处理后的数据逐渐平稳图 土壤有机碳、无机碳、碳氮比对放牧强度的响应 模型预测土壤化学性质由因子分析得知土壤有机碳、全氮含量和土壤碳氮比受放牧强度的影响最大 利用 模型描述 年第 期赵琳琳等:基于不同放牧策略对锡林郭勒草原土壤化学性质影响研究土壤化学性质和放牧强度之间的关系()中 为自回归项数 为滑动平均项数 为使其成为平稳序列所做的差分次数 针对土壤化学性质用 模型预测的步骤如下:()收集差分数据用于制作差分时序图表和检验差分平稳性()对差分非平稳性数据进行差分平稳化后的处理确定 值()根据差分次数公式 建立差分序列 模型进行识别和定阶利用自相关差分函数和偏自相关方差函数确定 值和 值()模型参数的参数估计分析和适应性检验()利用()模型对系统进行预测以土壤有机碳()含量为例得出不同放牧强度下土壤有机碳含量随时间变化的序列图 模型要求序列是平稳序列因此要对数据进行平稳性分析分析土壤有机碳含量随时间变化的自相关趋势和偏自相关趋势见图、图 和图 从图 和图 可以看出序列的自相关图和偏自相关图大部分编号位于置信区间内部说明序列是基本平稳的 故可采用 模型预测 年土壤有机碳含量 图 时序图 图 数据自相关图 图 数据偏自相关图 图 ()模型拟合与预测图 经 分析确定 时的 模型最优模型的参数统计量见表 表 ()模型参数表项符号系数标准误 值 值 常数项.参数.将不同时间下的土壤化学性质看作随机的序列反映变量随时间积累受到的影响 时间序列模型不仅受影响因素的影响也受到自身变化规律的影响 设土壤有机碳含量为 时间为 土壤有机碳受环境影响的最优 模型见式()土壤有机碳模型拟合和预测图见图 ().().()()齐鲁工业大学学报 年第 期同理土壤全氮含量的时间序列图、序列自相关图和序列偏自相关图见图、图 和图 由序列自相关图和偏自相关图可知大部分编号位于置信区间内部说明序列是基本平稳的故可采用 模型预测 年土壤无机碳含量 图 时序图 图 数据自相关图 图 数据自相关图 图 ()模型拟合与预测图经分析确定 时的 模型最优模型的参数统计量见表 设土壤全氮含量为 放牧强度为 土壤有机碳对放牧强度的最优 模型见公式()土壤有机碳模型拟合和预测图见图 表 ()模型参数表项符号系数标准误 值 值 常数项.参数.参数.().().().()()土壤碳氮比的时间序列图、序列自相关图和序列偏自相关图见图、图 和图 由序列自相关图和偏自相关图可知大部分编号位于置信区间内部说明序列是基本平稳的故可采用 模型预测 年土壤碳氮比值 图 /时序图 图 /数据自相关图 年第 期赵琳琳等:基于不同放牧策略对锡林郭勒草原土壤化学性质影响研究 图 /数据自相关图 图 ()模型拟合与预测图表 ()模型参数项符号系数标准误 值 值 常数项.参数.().().().()()经分析确定 时的 模型最优模型的参数统计量见表 设土壤全氮含量为 放牧强度为 土壤有机碳对放牧强度的最优 模型见式()土壤有机碳模型拟合和预测图见图 综上所给出的 个预测模型对 年 月同一放牧区内的土壤有机碳、土壤全氮、土壤碳氮比进行预测得出 年土壤有机碳含量、土壤全氮含量和土壤碳氮比的预测结果见表 表 土壤化学性质预测结果时间/月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.月.结论基于 模型对锡林郭勒草原土壤化学性质进行分析得出土壤有机碳、土壤无机碳和土壤碳氮比在不同放牧策略影响下的最优 模型分别为()、()、()参考文献:奚小艳黄小涛罗格平等.草地牧草生产力对不同放牧强度响应的研究进展.安徽农业科学():.赵美曼.荒漠草原不同放牧强度土壤理化特性及可蚀性的空间分布.泰安:山东农业大学.齐鲁工业大学学报 年第 期 许婷婷董智李红丽等.放牧对希拉穆仁草原植物群落及种间联结的影响.干旱区资源与环境():.于志慧吕广一王新雅等.放牧强度对内蒙古荒漠草原土壤碳氮及其稳定同位素的影响.草地学报():.马昕昕赵允格马宁等.放牧对黄土高原退耕草地土壤有机碳储量的影响.应用生态学报():.李霞.放牧干扰对若尔盖高原湿地土壤性质的影响.农业与技术():.:.范春梅.黄土高原丘陵沟壑区放牧对林草地土壤性质的影响.咸阳:西北农林科技大学.杨晶晶.游牧和定居对伊犁绢蒿荒漠秋牧场植被和土壤特征的影响.乌鲁木齐:新疆农业大学.方倩李菲.基于 分析探索放牧对青藏高原高寒草地土壤理化性质的影响.青海草业():.汪靖阳郄志红吴天齐等.土壤温度时间序列预测的 神经网络研究.河北农业大学学报():.马秀枝范雪松舒常禄等.不同时间序列林火干扰对兴安落叶松林区土壤性质及温室气体通量的影响.生态环境学报():.黄子晨张小平卞方圆等.浙东滨海围垦区土壤碳含量的时间变化特征及其影响因子.土壤通报():.:.().:.刘洋荧王尚厉舒祯等.基于功能基因的微生物碳循环分子生态学研究进展.微生物学通报():.武艳涛杨晶晶梁茂伟等.内蒙古自治区锡林郭勒盟典型草原不同放牧强度土壤碳氮监测数据集 年 月 日 年 月 日.兰州:国家冰川冻土沙漠科学数据中心.(责任编辑:赵立爱校对:孙洪清)