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基于高光谱的土壤阳离子含量预测研究

基于高光谱的土壤阳离子含量预测研究

作者：王婷华南农业大学

学位级别：硕士

土壤交换性阳离子是衡量土壤质量和环境净化潜力的基本指标,为耕地农作物的生长质量提供保障。同时,土壤阳离子能影响金属元素以及有机污染物的离子吸附和解吸,具备隔离污染的潜力。而目前利用遥感技术进行定量反演土壤参数主要集中在... 详细信息

土壤交换性阳离子是衡量土壤质量和环境净化潜力的基本指标,为耕地农作物的生长质量提供保障。同时,土壤阳离子能影响金属元素以及有机污染物的离子吸附和解吸,具备隔离污染的潜力。而目前利用遥感技术进行定量反演土壤参数主要集中在如土壤有机质、土壤重金属、土壤水分等土壤成分,对土壤交换性阳离子进行相应的研究相对比较少见。因此,探讨快速准确的土壤阳离子预测方法对监测土壤质量状况和污染防治和控制具有非常重要的意义。而高光谱遥感技术的发展使得土壤阳离子含量监测的需求得以实现。在研究中,以广东省为例,对95个土壤样品进行构建土壤交换性阳离子含量的预测模型。首先通过实验室化学分析方法测量土壤样品中四种土壤阳离子:钙(Ca)、钾(K)、镁(Mg)和钠(Na)的含量,同时利用地物光谱仪收集光谱反射率数据,并对土壤光谱数据进行预处理;其次对土壤阳离子与光谱指标之间的关系进行分析;第三步则是利用多元线性逐步回归分析法(Multiple Linear Stepwise Regression,MLSR)、Boruta算法和连续投影算法(Successive Projections Algorithm,SPA)对光谱指标进行特征波段筛选;第四步,以波段筛选的结果为自变量,土壤阳离子为因变量,利用后向传播神经网络算法(Back Propagation Neural Network,BPNN)、遗传算法优化后向传播神经网络算法(Genetic Algorithm-Back Propagation Neural Network,GA-BPNN)和随机森林(Random Forest,RF)回归模型,建立了研究区四种土壤阳离子(Ca、K、Mg和Na)的高光谱预测模型,并以决定系数(R)、相对均方根误差(Relative Root Mean Squared Error,RRMSE)以及相对预测偏差(Residual Prediction Deviation,PRD)为评价指标,找出最优的土壤阳离子高光谱预测模型。最后,以建模效果最佳的一种阳离子为例,探索利用最佳波段选择方法和建模方法,借助环境一号高光谱卫星影像获取该离子的空间分布图的可行性。主要结论有:(1)通过数学变换的方式将原始光谱进行一阶微分、二阶微分以及倒数对数等变换后,发现相关性系数有不同程度的提高。其中,反射率一阶微分比其他的光谱指标对光谱信息的捕捉能力更突出,最大相关性绝对值都达到了极显著性相关水平。(2)本研究中土壤钙离子的最优预测模型为Boruta-RF模型,其验证结果的R、RRMSE和PRD分别为0.850,26.27%和2.332;土壤钾离子的最优预测模型为Boruta-GA-BPNN模型,其验证结果的R、RRMSE和PRD分别为0.803,29.49%和2.201;土壤镁离子的最优预测模型为SPA-RF模型,其验证结果的R、RRMSE和PRD分别为0.903,21.00%和2.862;土壤钠离子的最优预测模型为Boruta-RF模型,其验证结果的R、RRMSE和PRD分别为0.827,29.99%和2.118。这说明采用Boruta、SPA算法和非线性模型方法相结合来预测土壤阳离子含量是可行的。从四种土壤阳离子的高光谱预测模型的效果来看,Mg离子是预测效果最好的。(3)本研究利用了SPA算法和RF回归模型实现了基于“环境一号”高光谱影像对土壤交换性镁离子的空间分布制图。经过验证,获得的R为0.709,RRMSE为31.93%,RPD为2.303,这说明可以利用SPA算法和RF回归模型实现区域上的土壤镁离子的预测。

关键词：土壤阳离子波段选择预测模型环境一号高光谱影像

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施用NH_4Cl土壤阳离子变化动态

国外林业 1997年第2期27卷 4-7页

作者：刘菊荣

前言土壤溶液中的离子与土壤的吸咐、置换、积累、溶解以及森林植物体对离子的吸收与林地渗透水的离子量等密切相关。为了掌握森林的物质循环,了解施肥、打枝、采伐等营林措施及酸性降落物对林地土壤产生什么影响,有必要深入地研究土壤... 详细信息

前言土壤溶液中的离子与土壤的吸咐、置换、积累、溶解以及森林植物体对离子的吸收与林地渗透水的离子量等密切相关。为了掌握森林的物质循环,了解施肥、打枝、采伐等营林措施及酸性降落物对林地土壤产生什么影响,有必要深入地研究土壤溶液中离子的变化动态。

关键词：土壤阳离子氨化铵变化动态

海南岛西南部区域土壤阳离子交换量与pH、机械组成的相关性探析

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农业开发与装备 2024年第7期 154-156页

作者：王小茹倪德英海南省海洋地质资源与环境重点实验室、海南省地质测试研究中心海南海口570100

为了探究海南岛西南部区域土壤阳离子交换量的变化特征及其影响因素,为该区域土壤的科学管理和可持续发展提供科学依据和参考。采用乙酸铵交换法测定CEC,密度法测定机械组成,电极法测定pH,通过其测定含量分析海南岛西南部区域土壤CEC含... 详细信息

为了探究海南岛西南部区域土壤阳离子交换量的变化特征及其影响因素,为该区域土壤的科学管理和可持续发展提供科学依据和参考。采用乙酸铵交换法测定CEC,密度法测定机械组成,电极法测定pH,通过其测定含量分析海南岛西南部区域土壤CEC含量在0.47~10.82 cmol/kg,土壤保肥能力较弱;pH值为3.68~8.66,平均值为6.29,酸性为主;机械组成以砂粒为主,肥力易流失。进一步探究土壤阳离子交换量与机械组成的变化关系,结果表明:土壤的粉(砂)粒和黏粒与阳离子交换量呈现明显的正相关,土壤的砂粒与阳离子交换量呈现负相关。土壤粉(砂)粒和黏粒的增加均可提高阳离子交换量值。因此,可以通过改善土壤质地来增加土壤肥力。

关键词：海南岛西南部区域土壤阳离子机械组成 pH 相关性

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石灰性土壤阳离子交换量的测定方法改进

当代化工研究 2018年第4期 151-152页

作者：崔炳利深圳中检联检测有限公司广东518000

土壤交换性阳离子量(CEC)是指在一定pH值时,每千克土壤中所含有的全部交换性阳离子(K^+、Na^+、Ca^(2+)、Mg^(2+)、NH_4^+、H^+、Al^(3+)等)的厘摩尔数。阳离子交换量的大小,可作为评价土壤保肥能力的指标。是土壤缓冲性能的主要来源,... 详细信息

土壤交换性阳离子量(CEC)是指在一定pH值时,每千克土壤中所含有的全部交换性阳离子(K^+、Na^+、Ca^(2+)、Mg^(2+)、NH_4^+、H^+、Al^(3+)等)的厘摩尔数。阳离子交换量的大小,可作为评价土壤保肥能力的指标。是土壤缓冲性能的主要来源,是改良土壤和合理施肥的重要依据。它的组成与土壤的物理性质以及化学性质关系密切。对于现阶段的形式来说,乙酸钙法是目前国内广泛应用于石灰性土壤和盐碱土壤交换量测定的常规方法。由于土壤改良之后,处理的方法也有了很大的改变,本文就此测定方法的改进进行了分析。

关键词：石灰性土壤阳离子测定方法发展情况

K1100F全自动凯氏定氮仪测定土壤阳离子交换量

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化学与粘合 2022年第6期44卷 548-550页

作者：闫凤娇闫伟辽宁省地质矿产研究院有限责任公司辽宁沈阳110032

土壤阳离子交换量是衡量土壤肥力的重要指标之一,能够作为土壤改良及施肥的指导依据。采用K1100F全自动凯氏定氮仪快速测定酸性及中性土壤样品阳离子交换量,代替现行标准中的蒸馏过程,缩短了整个实验过程,提高了工作效率。实验室对ASA-4... 详细信息

土壤阳离子交换量是衡量土壤肥力的重要指标之一,能够作为土壤改良及施肥的指导依据。采用K1100F全自动凯氏定氮仪快速测定酸性及中性土壤样品阳离子交换量,代替现行标准中的蒸馏过程,缩短了整个实验过程,提高了工作效率。实验室对ASA-4a、ASA-9、GBW07417三种国家土壤标准物质平行测定了6次,测定结果显示:3种标准物质的标准偏差在0.10cmol(+)/kg~0.14cmol(+)/kg,相对标准偏差在0.52%~2.24%,具有较好的稳定性、高准确度、高精密度等特点,满足实验室的检测要求,适用于大批土壤样品的阳离子交换量测定。

关键词：土壤阳离子乙酸铵全自动凯氏定氮仪

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设施蔬菜栽培对土壤阳离子交换性能的影响

现代农业科技 2019年第21期 106-106页

作者：郭贵宾河北省廊坊市农业农村局

蔬菜栽培过程中,土壤中有机质发挥十分关键的作用。本文围绕设施蔬菜栽培对土壤阳离子交换性能的影响展开探讨和研究,阐述了设施蔬菜栽培的概念和应用价值以及土壤阳离子交换性能的重要性,并深入分析了设施蔬菜栽培对土壤阳离子交换性... 详细信息

蔬菜栽培过程中,土壤中有机质发挥十分关键的作用。本文围绕设施蔬菜栽培对土壤阳离子交换性能的影响展开探讨和研究,阐述了设施蔬菜栽培的概念和应用价值以及土壤阳离子交换性能的重要性,并深入分析了设施蔬菜栽培对土壤阳离子交换性能及土壤交换性盐基离子的影响,以期为设施蔬菜栽培的长远发展提供参考。

关键词：设施蔬菜栽培土壤阳离子交换性能影响

不同灌水处理下滨海盐碱地土壤-玉米阳离子变化规律及相关关系研究

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灌溉排水学报 2021年第12期40卷 36-43页

作者：王航周青云张宝忠尹林萍天津农学院水利工程学院天津300392 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100083 中美生态农业与水环境保护国际联合研究中心天津300392

【目的】探讨不同灌水处理下滨海盐碱地土壤-玉米系统阳离子变化规律及相关关系。【方法】采用田间试验研究了滨海盐碱地不同滴灌方式对根系层土壤K^(+)、Ca^(2+)、Na^(+)和作物体内K^(+)/Na^(+)的影响,共设计4个处理,每个处理3次重复,... 详细信息

【目的】探讨不同灌水处理下滨海盐碱地土壤-玉米系统阳离子变化规律及相关关系。【方法】采用田间试验研究了滨海盐碱地不同滴灌方式对根系层土壤K^(+)、Ca^(2+)、Na^(+)和作物体内K^(+)/Na^(+)的影响,共设计4个处理,每个处理3次重复,分别为灌水定额10 mm常规滴灌处理(LI10)、灌水定额20 mm常规滴灌处理(LI20)、灌水定额10 mm膜下滴灌处理(FI10)、灌水定额20 mm膜下滴灌处理(FI20)。分别建立作物K^(+)/Na^(+)、Ca^(2+)和根系层土壤K^(+)、Ca^(2+)、Na^(+)的回归模型。【结果】灌水后膜下滴灌处理土壤Na^(+)相对量降幅远大于常规滴灌处理;膜下滴灌较大灌水量处理全生育期茎中K^(+)/Na^(+)均较大,生育前期膜下滴灌处理叶片K^(+)/Na^(+)均较大;常规滴灌处理相对膜下滴灌处理根系层土壤K^(+)/Na^(+)和Ca^(2+)质量分数均对根系K^(+)/Na^(+)的影响较大;常规滴灌和膜下滴灌处理根系层土壤Ca^(2+)的增大通过抑制根系层土壤K^(+)/Na^(+)的增大从而抑制根系K^(+)/Na^(+)的增大。【结论】在滨海盐碱地使用滴灌技术可以有效改善土壤和玉米体内阳离子分布,其中膜下滴灌相比常规滴灌技术更有利于提高玉米抗盐碱性。

关键词：滨海盐碱地滴灌方式土壤阳离子玉米阳离子回归模型

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检测土壤中阳离子交换量的方法研讨

分析仪器 2020年第6期 123-126页

作者：张艳丽宋保军孟新立鹤壁市农产品检验检测中心鹤壁458030

重点讨论了用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法检测土壤中阳离子交换量时的一些问题,这些问题对试验结果的精密度、准确度会产生影响。针对优化检测过程,减少浸提液用量,对酸性土壤结果偏低等问题展开了方法和结果研讨,方法改进后,提高了... 详细信息

重点讨论了用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法检测土壤中阳离子交换量时的一些问题,这些问题对试验结果的精密度、准确度会产生影响。针对优化检测过程,减少浸提液用量,对酸性土壤结果偏低等问题展开了方法和结果研讨,方法改进后,提高了检测方法的准确性和精密度。

关键词：三氯化六氨合钴土壤阳离子浸提液用量针式滤器

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阴离子淀粉对土壤养分离子的吸附作用

浙江农林大学学报 2014年第3期31卷 366-372页

作者：沈振明夏俊戴勇沈秋兰李永春徐秋芳浙江省临安市林业科技推广总站浙江临安311300 杭州市环境监测中心站浙江杭州310007 浙江农林大学环境与资源学院浙江临安311300

减少养分的损失是控制面源污染最有效和经济的方法。通过淋溶试验评价带负电荷的阴离子淀粉对土壤养分离子的吸附作用,寻找对土壤养分离子吸附效果好的淀粉种类。试验1设置5个处理:去离子水、硝酸钾,以及硝酸钾分别与黄原酸酯淀粉、磷... 详细信息

减少养分的损失是控制面源污染最有效和经济的方法。通过淋溶试验评价带负电荷的阴离子淀粉对土壤养分离子的吸附作用,寻找对土壤养分离子吸附效果好的淀粉种类。试验1设置5个处理:去离子水、硝酸钾,以及硝酸钾分别与黄原酸酯淀粉、磷酸酯淀粉和羧甲基淀粉等3种不同淀粉混合;试验2设置去离子水、黄原酸酯淀粉、黄原酸酯淀粉和氯化铵混合、氯化铵等4个处理。阴离子淀粉取代度是决定它们对阳离子吸附强度的主要因子,供试的3种阴离子淀粉对土壤中的阳离子吸附作用高低顺序:羧甲基淀粉>磷酸酯淀粉>黄原酸酯淀粉。以黄原酸酯淀粉为载体,用氯化铵溶液处理结果表明:黄原酸酯淀粉对土壤中的钠、钾、镁和钙等4种阳离子均有显著的吸附作用(P土壤中的钠离子、铵离子和钾离子吸附效果较好,而对钙、镁等2种离子的吸附效果不明显,说明淀粉对阳离子的吸附效果与加入的营养液也有很大的关系。阴离子淀粉对阴离子养分没有吸附作用。试验推测,具有较高取代度的黄原酸酯淀粉可作为理想的吸附剂,没有潜在风险;在降水量较小的地区,较高取代度的磷酸酯淀粉也可以作为理想的吸附剂,因为没有铵离子淋失的风险。

关键词：土壤学阴离子淀粉土壤阳离子吸附养分流失