Landskapet prosesser er kritiske komponenter i jord dannelse og spille en viktig rolle i å bestemme jordegenskaper og romlig struktur i landskap. Vi foreslår en ny tilnærming med gradvis viktigste komponenten regresjon for å forutsi jord distribusjon og jord organisk karbon over ulike romlige skalaer.
Landskapet topografi er en kritisk faktor som påvirker jord dannelse og spiller en viktig rolle i å bestemme jordegenskaper på jordoverflaten, som den regulerer gravitasjon-drevet jord bevegelse av avrenning og jordarbeiding. Siste anvendelse av lys gjenkjennings- og Ranging (LiDAR) data holder løftet for å generere høy romlig oppløsning topografiske beregninger som kan brukes til å undersøke jord egenskapen variasjon. I denne studien ble femten topografiske beregninger fra LiDAR data brukt til å undersøke topografiske virkninger på omfordeling av jord og romlige fordelingen av jord organisk karbon (SOC). Spesielt utforsket vi bruk av topografiske hovedkomponentene (TPCs) for å karakterisere topografi beregninger og gradvis viktigste komponenten regresjon (SPCR) for å utvikle topografi-baserte jorderosjon og SOC modeller på nettstedet og vannskille skalaer. Ytelsen til SPCR modeller ble evaluert forhold gradvis vanlig minst kvadrat regresjon (SOLSR). Resultatene viste at SPCR modeller oppnådd SOLSR modeller forutse jord omfordeling priser og SOC tetthet på forskjellige romlige skalaer. Bruk av TPCs fjernes potensielle kolinearitet mellom individuelle input variabler og dimensjonalitet reduksjon av viktigste komponenten analyse (PCA) reduserer risikoen for overfitting prediksjon modellene. Studien legger en ny tilnærming for modellering jord omfordeling over ulike romlige skalaer. For ett program, tilgang til privat land er ofte begrenset, og behovet for å ekstrapolere funnene fra representant studiesteder større innstillinger med privat land kan være viktig.
Jord videredistribusjon (erosjon og deponering) utøver store virkninger på jord organisk karbon (SOC) aksjer og dynamikk. Økende innsats har vært viet til å undersøke hvordan SOC er frittstående, transportert og deponert over landskapet1,2,3. Carbon (C) lagring og SOC distribusjon påvirkes av tyngdekraften-drevet jord bevegelse av vann erosjon4,5,6. I dyrket felt er jord translokasjon av jordarbeiding en annen viktig prosess bidra til C omfordeling7,8,9. Jordarbeiding erosjon fører til en betydelig netto downslope bevegelse av jordpartikler og fører til en i-feltet jord variant10. Både vann og jordarbeiding erosjon er betydelig påvirket av landskapet topografi, som bestemmer plasseringen av farget og depositional11. Derfor effektive jord erosjon regulering og C dynamisk etterforskning i jordbruksprodukter lander Etterlyser en bedre forståelse av topografiske kontroller på jorderosjon og bevegelser.
Flere studier har undersøkt virkningene av topografi på jord videreformidling og tilknyttede SOC dynamics9,12,13,14,15,16, 17. van der Perk et al. 12 rapportert at topografiske faktorer forklart 43% av variasjonen i jord videredistribusjon. Rezaei og Gilkes13 funnet høyere SOC i jord på en skyggefull aspektet, lavere temperaturer og mindre fordampning sammenlignet med andre aspekter i rangelands. Topografi kan ha betydelige konsekvenser på jord videredistribusjon i jordbruksområder med tradisjonelle jordarbeiding behandling enn de med minimum jordarbeiding, på grunn av samspillet mellom Landformer og jordarbeiding praksis9. Men var disse funnene hovedsakelig avledet fra feltet observasjoner, som presenterer vanskeligheter i gransker jordegenskaper i bredere romlige skala. Det er en trykker nød å utvikle nye strategier for effektivt å forstå romlige mønstre for jordegenskaper vannskille og regionale skalaer.
Målet med denne studien er å utvikle effektive modeller for å simulere jord distribusjon og SOC distribusjon. Topografi-baserte modeller bruke topografiske beregninger som prediktorer er utviklet for å kvantifisere jord erosjon og deponering prosesser. Sammenlignet med empirisk – eller prosess-baserte erosjon modeller som ansatt diskret feltet prøvetaking simulere jord erosjon18,19, topografi-baserte modeller kunne utvikles basert på topografiske informasjon fra digital høyde modeller (DEMs) med høy oppløsning. Denne tilnærmingen gir kontinuerlig jord egenskapen simuleringer vannskille eller regionale skala. I de siste tiårene, er topografiske informasjonen vesentlig forbedret, med økende tilgjengelighet av høy oppløsning eksternt sensed data. Selv om tidligere studier har ansatt topografi-baserte modeller for å simulere jord, egenskaper,12,,20,,21,,22, brukte de fleste av disse undersøkelsene en enkelt topografiske beregning eller én kategori topografiske beregninger (lokal, ikke-lokal eller kombinert topografiske beregninger), som kanskje ikke har tilstrekkelig utforsket topografiske virkninger på jord mikrobiell aktivitet. Derfor, for å få en bedre forståelse av topografi kontroller på jorderosjon og C dynamikk, undersøkte vi et omfattende sett med topografiske beregninger inkludert lokale, ikke-lokal og kombinerte topografiske beregninger og utviklet flere variable topografi-basert modeller for å simulere jord egenskapen dynamics. Anvendelser av disse modellene er forventet å gi vitenskapelig støtte for bedre jord erosjon kontroll og jordbruksland.
Topografiske beregninger er vanligvis kategoriseres i en av tre kategorier: a) lokale topografiske beregninger, b) ikke-lokal topografiske beregninger eller c) kombinert topografiske beregninger. Lokale topografiske beregninger se lokale funksjoner til ett punkt på land overflaten. Ikke-lokal topografiske beregninger refererer til de relative plasseringen av valgte punktene. Kombinert topografiske beregninger integrerer lokale og ikke-lokale topografiske beregninger. Et sett med topografiske beregninger påvirker jorderosjon og deponering ble brukt i denne studien for å undersøke topografiske kontrollene på jord bevegelse og C aksjer (tabell 1). Spesielt vi brukte fire lokale topografiske beregninger [skråningen, profil kurvatur (P_Cur), planlegge kurvatur (Pl_Cur), generelt kurvatur (G_Cur)], sju ikke-lokal topografiske beregninger [flyt opphopning (FA), topografiske relieff, positiv åpenhet (POP), upslope stigningstallet (UpSl), flyt banelengde (FPL), downslope indeks (DI), nedslagsfeltet (CA)], og tre kombinert topografiske beregninger [topografiske væte indeks (TWI), stream makt indeks (SPI) og skråningen lengde faktor (LS)].
SOLSRf modellene hadde litt bedre forestillinger enn SPCR modeller i kalibrering ved Feltskalaen. Men er noen av de topografiske beregningene, som SPI og CA (r > 0,80), nært korrelert med hverandre. Kolinearitet kan legge til usikkerhet i modell spådommer. På grunn av multicollinearity blant prediktorer, kan små endringer i input variabler påvirke modell spådommer41. Derfor SOLSRf modellene tendens til å være ustabil og viste lav effektivitet i simuleringer av SOC tetthet og jord omfordeling rate på vannskille skalaen. SPCR modellene oppnådd betydelig SOLSRf modeller prediksjon av SOC distribusjon i vannskille skala. TPCs fjerne av multicollinearity ved å konvertere femten topografiske beregningene til gjensidig uavhengige (ortogonale) komponenter. Konverteringen også avdekket underliggende relasjoner mellom topografiske beregninger. Som angitt av de høye belastninger (> 0,35) topografiske beregninger i komponentene, var de TPC1, TPC2, TPC3, TPC6 og TPC7 forbundet med avrenning hastighet, jord vanninnhold, avrenning volum, flyt divergens og flyt akselerasjon, henholdsvis. Romlige mønstre for jord omfordeling priser og SOC distribusjon var sterkt korrelert med jord vann innhold og avrenning divergens i WCW, som samsvarer med studiet av Fox og Papanicolaou2, som viste at erodert av Upland kan påvirkes av flyt divergens i lav-lettelse landbruket skjellsettende.
Videre redusert færre prediktor variabler i SPCR modeller enn SOLSRf og SOLSRr modeller risikoen for over passende prediksjon modeller42,43. Det var mer enn seks variabler i alle SOLSR modeller, som kan øke vanskelighetene med data tolkning og indusere høye avviket i modell simuleringer41,44,45. Dette kan forklare lavere prediksjon effektiviteten i WCW SOLSR modeller enn av SPCR modellene.
Topografi-baserte SPCR modeller har fordeler i simulere jord videreformidling og tilknyttede SOC dynamikk. Første, topografiske informasjon kan lett hentes fra DEMs. Siste økt tilgjengelighet av høy romlig oppløsning LiDAR data kan hjelpe forbedre nøyaktigheten av DEM-avledet landskapet topografi og nytte undersøkelser i områder med begrenset felt observasjoner. Andre kan bruker et sett av topografiske beregninger og statistiske analyser, topografi-baserte modeller effektivt kvantifisere jord distribusjon og SOC distribusjon mønstre. Tredje kan anvendelse av viktigste komponenten effektivt redusere fordommer knyttet multicollinearity topografiske beregninger og øke stabiliteten av gradvis regression modeller når flere romlige skalaer.
Imidlertid kan SPCA modellene være begrenset av variabler under modellen utvikling. Selv om anvendelse av LiDAR dataene økt i økologiske studier, metoder for å utlede topografiske Información ennå ikke blitt fullt har utforsket. I denne studien viste TWI og LsRe høyeste sammenhenger med SOC tetthet og jord omfordeling priser, henholdsvis. Men flere topografiske variabler som ikke anses kan være like eller viktigere forklarer jorderosjon og C dynamikk. I tillegg, var andre faktorer som ledelsesmetoder, som kan forårsake jord erosjon variasjon, ikke inkludert i denne studien. For eksempel da jordarbeiding var parallell retning maksimal helning, kan jorderosjon doble i forhold til erosjon i slantwise jordarbeiding snu jord upslope46. Derfor kan ulike jordarbeiding praksis også være en årsak til redusert prediksjon effektiviteten av SPCR modeller.
Studien er basert på papir publisert i Catena17. I stedet for en mekanistisk-basert analyse av topografiske påvirkninger på jord bevegelse og jordegenskaper som utføres i Catena papir, fokusert her vi på metoder for å kvantifisere topografiske beregninger og utvikle topografi-baserte modeller. Vi diskuterte muligheten og fordelene ved å bruke topografi-baserte modeller i studier av romlige jordegenskaper. I mellomtiden har vi forbedret våre modeller av oppdatering av skråningen lengde faktor og flyt akkumulering. Omfanget av skråningen lengdemåling faktor var begrenset til feltets område. I tillegg ble deterministisk uendelig algoritmen brukt for flyt akkumulering generasjon. Sammenlignet med metoden i Li et al. 17 generert flyt akkumulering med en deterministisk åtte-noders algoritme, uendelig algoritmen i denne studien reduserer looper i flyt retning vinkler og viste seg for å være en bedre algoritme for lavt relieff områder47.
Avslutningsvis viser våre resultater muligheten for topografi-baserte SPCR modeller i simulere SOC distribusjon og jord omfordeling mønstre i landbruk felt. En kostnadseffektiv metode til å beregne SOC aksjer og jord omfordeling priser, er det gjelder for nettsteder med begrensede observasjonsstudier data og privat land mangler offentlig tilgang. I fremtidige studier, prediksjon modeller kan forbedres ytterligere raffinement og tilgjengelighet av LiDAR data og inkludering av flere topografiske beregninger. Store jord egenskapen kartene som ble utviklet basert på modellene vil føre til ytterligere forståelse for mekanismene bak topografiske virkninger på jord bevegelse i kulturlandskap og skjebnen til SOC vannskille og regionale skalaer.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble støttet av USDA Natural Resources Conservation Service i tilknytning til våtmarksområde komponenten av nasjonale bevaring effekter vurdering prosjektet (NRC 67-3A75-13-177).
Light Detection and Ranging (LiDAR) data | http://www.geotree.uni.edu/lidar/ | Collected from the GeoTREE LiDAR mapping project | |
LECO CNS 2000 elemental analyzer | LECO Corp., St. Joseph, MI | ||
Canberra Genie-2000 Spectroscopy System | CANBERRA Industries | ||
Geographic positioning system | Trimble | RTK 4700 GPS | |
ArcGIS | ESRI, Redlands, CA | 10.2.2 | |
Statistical Analysis System | SAS Institute Inc | ||
System for Automated Geoscientific Analysis | University of Göttingen, Germany | v. 2.2.5, http://www.saga-gis.org/ | GNU General Public License |