主成分の土壌の再分配と土壌の有機炭素をマップに地形モデルをスケール アップ用

再配布土壌調査と SOC の地形ベースのモデルの可能性を評価するためにテストベッドとしてウォルナット クリーク流域 (WCW) を使用します。流域は、アイオワ州内でブーンとストーリー郡 (41 ° 55′ 42 ° 00 ‘ N; 93 ° 32′ 93 ° 45’ W) 5,130 面積 ha (図 2)。農地は、(平均 90 m、地形の起伏 2.29 m)、比較的平坦な地形で、WCW の支配的な土地利用型です。耕起、ディスキング、ノミと悲惨な操作作物フィールド26,27; の主の耕起作業ただし、耕起方向は経営慣行の違いにより異なります。 4 160 作物フィールド場所は WCW (図 2) の地形情報を導出するランダムに選ばれました。460 の場所から 100 など 2 つの 300 m のトランセクト (それぞれは 9 サンプリング場所を持っている)、フィールド サンプリングが選択されたと SOC と土壌の再分配レベルの分析のため。さらに、地形景観、土壌タイプ、および耕起、WCW のように 2 つの小規模圃場のサイトより集中的なサンプリングに選ばれました。各小規模圃場サイトで 25 × 25 m グリッド セルを作成し、230 の採取場所はグリッド ・ ノード (図 3) に位置していた。230 の場所の地形測定値と土壌のプロパティ情報を求めた。 上記のプロトコルに従う、WCW で地形の指標が生成されました。(0.11 ラジアン 0 に至るまで) 相対的な低斜面、上り坂の勾配 (0 から 0.09 m)、適度な曲率と低-中程度の地形 (標高 325 m 260 からまで) と、WCW が特徴です (プロファイル曲率:-0.009 0.009 m-1、計画曲率: 0.85 m に-1、一般的な曲率は-0.85:-0.02 0.02 m-1)。Dem の標高の垂直 (POP100) 肯定的な開放性指標を作成するため WCW の比較的低いフィールド スケール安堵の識別を高めるため 100 倍が拡大されました。変換後、肯定的な開放性の範囲は 0.08 ラジアンから増加 (POP: 1.51 1.59 ラジアン) 0.86 ラジアン (POP100: 0.36 1.22 ラジアン)。 地形の起伏生成されます私たち次の半径を持つ 7 つのリリーフ マップ: 7.5 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、90 m。2 つの救済の主成分は、7 救済変数で主成分分析の結果に基づいて選ばれました。最初は粗い解像度救済救済45 m変動を示した主な変数として。このコンポーネントは、大規模な救援 (LsRe) として定義しました。7.5 mの救済と相関高いと高解像度救済バリエーションを提示、2 番目のコンポーネントは、小規模の救済 (SsRe) として定義されました。 地形指標と SOC 密度/土壌の再配布の間の相関分析の結果は、表 2に掲載されています。TWI と LsRe、それぞれ SOC 密度と土壌再分配率高の相関を示した。2 つの指標の空間分布は、図 4で示されます。TWI と LsRe の詳細は、沢エリアから良く観察できます。両方のメトリックは、depressional エリア、傾斜とリッジの分野で低値で高い値を示した。ただし、溝エリア、TWI は非常に高い値を示したが、LsRe の値が隣接する地域から別の 2 つの指標の違いが発生しました。 15 地形指標を生成した後、WCW の 460 のサンプリング サイトとこれらの地形の変数で、PCA を使用しました。最初の 7 つを説明した地形の主要コンポーネント (tpc のほか) よりも全体地形データセットの 90% 変動しました。地形モデルを構築している選択が最終的だった 5 TPCs の表 3のとおりです。最初の主成分 (TPC1)、G_Cur は最高のローディングを示した。斜面、トゥイ、Upsl、LS_FB だった負荷量 0.35 を超えると TPC2 の最も重要な指標です。TPC3、FA、SPI、および CA の 0.482、0.460、0.400、荷重での重要な指標であった。FPL (-0.703) と Pl_Cur (0.485)、TPC6 で最も重要であった。TPC7 で高荷重での主な指標は SsRe (0.597)、DI (0.435)、FPL (0.407) と Pl_Cur (0.383). VIF を調べることによって地形の変数の共線性を調べた。15 の指標の斜面、トゥイ、G_Cur は、高の Vif のため削除されています。土壌再配布料金と 1 と 2 のサイトから炭素密度データに基づいて、SOLSR モデルすべての 15 の指標 (SOLSRf) を使用して開発され、共変量を 12 の指標を削除 (SOLSRr) (表 4)。一般的には、70%、SOC の密度と土壌の再分配の可変性の 65% 以上レートが SOLSRfモデルによってそれぞれ説明されました。共変量を削除 (SOLSRr) とモデル、シミュレーション効率はあった SOLSRfモデル (SOC 密度の 68% と土壌の再分配のための 63%) よりも若干低かった。楽天的、概ね、RSR SOLSRfモデルより SOLSRrモデルでわずかに高かった。 SPCR モデル SOLSRrと同様のシミュレーション効率は表 4で観察されます。ただし、少数の独立変数は、SOLSRf SOLSRrモデル (以上 6 変数) と SPCR モデル (未満 5 変数) で選ばれました。SOC モデルと TPCs 1 の独立変数の組み合わせとして選ばれた TPCs 1、2、3、7、2、3、6、および 7 は、土壌の再分配モデルの組み合わせとして選ばれました。 分かった SPCR モデルの最善の予測をしていた SOLSR のrモデルは、流域スケールで最貧の性能を示した。観察する SOC 密度予測を比較することによって (r2) 決定係数の増加: SOLSRf 0.21 と SOLSRで 0.16 から増加した 1) SOLSRf 0.60 と SPCR、および 2) NSE の 0.66 SOLSRrで 0.52 rに SPCR; で 0.59一方、RSR SPCR 0.64 0.87 SOLSRf SOLSRrで 0.91 から減少。SPCR 土壌再分配率予測測定された変数の可変性の 36% を占めているし、予測 SOLSRf (34%) ・ SOLSRr (0.35%) より高かった。高い NSE と SPCR で低い RSR (NSE = 0.33、RSR = 0.82) SOLSRfと比較して (NSE 0.31、RSR を = = 0.83) と SOLSRr (NSE 0.32、RSR を = = 0.82) また SPCR による土壌再分配率シミュレーションでより良いパフォーマンスを発揮します。 モデルの評価によると SOC 密度を生成する SPCR モデルが選択されてし、流域スケールで土壌再分配率マップします。マップでは、モデル シミュレーションと実測 (図 5) の一貫したパターンを明らかにしました。シミュレーションと観測との高い整合性をに沿ってより明らかにした、林します。両方 SOC の密度及び土壌の再配布料金は、風景地形と高い相関を示した。SOC 密度の高い値は、数と傾斜 SOC 密度の低値が認められた一方、土壌沈着が発生したと、堆積の分野で見つけることができます分野、土壌浸食が起こった。 図 1:、斜面、側面、システムの自動化された地層分析 (佐賀県) の曲率モジュール。ポリゴンは、研究領域の場所を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 2: ウォルナット クリーク流域および流域 (アイオワ州) のサンプリング サイトの場所。この図は、前の仕事17から適応されました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 3:サンプリング サイトの場所 1 a) と b) 2 (z 軸 15 x 標高).この図は、前の仕事17から適応されました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。  図 4: 地形メトリック マップします。(a) 地形気候湿潤度 (TWI) と (b) 大規模な地形の起伏 (LsRe) ウォルナット クリーク流域のトランセクト領域 (z 軸 15 x 標高) と。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 5:土壌再分配率(t ハ-1年-1)マップと SOC 密度 (kg m-2) マップ. 土壌再配布マップ ウォルナット クリーク流域内 (a) と (b) 2 つに沿ってトランセクトは示しています。SOC 密度 (kg m-2) マップ (c) (d) とウォルナット クリーク流域内にある 2 つに沿ってトランセクト段階的主成分分析モデル (z 軸 15 x 昇格) を使用します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 変数 意義 傾き (ラジアン) 流出速度、土壌水コンテンツ28,29 断面曲率 (m-1) 加速度、土壌浸食、堆積率11,30 を流れ 曲率 (m-1) を計画します。 流れの収束と発散、土壌水コンテンツ30 一般曲率 (m-1) 流出速度、土壌浸食、堆積29 累積流量 土壌水、コンテンツ流出ボリューム20 地形の起伏 (m) 風景排水特性、流出速度と加速度21,31  肯定的な開放性 (ラジアン) 風景排水特性、土壌の水コンテンツ32 上り坂の勾配 (m) 流出速度33,34 フローのパスの長さ (m) 土砂、侵食率35  下り傾斜インデックス (ラジアン) 土壌水コンテンツ36 流域面積 (m2) 流出速度とボリューム33,37  地形気候湿潤度 土壌水分分布28,38,39  ストリーム パワー インデックス 土壌浸食、流れ40の収束  スロープ長さ係数 収束と発散の28,40 を流れ 表 1:選択した地形指標の意義. 斜面 P_Cur Pl_Cur G_Cur FA LsRe SsRe ポップ Upsl FPL ・ ディ ・ CA TWI SPI LS_FB (ラジアン) (m-1) (m-1) (m-1) (m) (m) (ラジアン) (m) (m) (°) (m2) SOC -0.687 -0.159 -0.333 -0.288 :0.165 0.698 -0.171 -0.451 -0.315 0.499 0.413 0.588 0.735 :0.165 -0.453 、† ** *** *** *** 、† *** *** *** *** *** 、† 、‡ *** *** SR -0.65 -0.205 -0.274 -0.282 0.156 0.687 -0.099 -0.427 -0.217 0.487 0.361 0.565 0.647 0.156 -0.438 、† *** *** *** ** 、‡ * *** *** *** *** 、† 、† *** *** P_Cur、Pl_Cur、および G_Cur、断面曲率, 計画曲率と一般的な曲率、それぞれ;FA は流れの蓄積RePC1 と RePC2、地形の起伏コンポーネント 1 と 2、それぞれ。POP100 は肯定的な開放性;Upsl は上り坂斜面;FPL はフロー パスの長さ;ディは下りのインデックス;CA は集水領域;TWI は地形気候湿潤度;SPI はストリーム パワー インデックス;LS_FB、斜面の長さ要因 (フィールド ベース)。 * P < 0.05、* * P < 0.005、* * * P 0.0001 <。 †Correlation 係数 > 土壌プロパティごとに 0.5、‡Highest 相関係数。 表 2: スピアマンの順位相関 (n = 560) 選択した地形指標と土壌有機炭素 (SOC) 密度土壌再配布率 (SR) と。 TPC1(25%) TPC2(24%) TPC3(14%) TPC6(5%) TPC7(4%) 斜面 0.062 0.475† -0.035 -0.013 -0.183 P_Cur -0.290 0.000 0.346 -0.070 -0.002 Pl_Cur -0.283 :0.107 -0.001 0.485† 0.383† G_Cur -0.353† 0.054 0.275 0.025 0.100 FA 0.297 -0.042 0.482† 0.179 0.131 LsRe 0.309 -0.193 -0.237 0.113 -0.116 SsRe 0.234 0.266 -0.118 0.084 0.597† POP100 -0.330 0.092 0.258 -0.292 0.217 Upsl 0.187 0.419† -0.143 -0.066 0.012 FPL 0.147 -0.168 -0.088 -0.703† 0.407† ・ ディ ・ 0.103 -0.220 -0.164 0.184 0.435† CA 0.326 -0.128 0.4† -0.160 -0.092 TWI :0.053 -0.465† -0.067 0.185 -0.047 SPI 0.345 -0.014 0.46† 0.169 0.080 LS_FB 0.256 0.396† 0.050 0.011 -0.072 P_Cur、Pl_Cur、および G_Cur、断面曲率, 計画曲率と一般的な曲率、それぞれ;FA は流れの蓄積RePC1 と RePC2、地形の起伏コンポーネント 1 と 2、それぞれ。POP100 は肯定的な開放性;Upsl は上り坂斜面;FPL はフロー パスの長さ;ディは下りのインデックス;CA は集水領域;TWI は地形気候湿潤度;SPI はストリーム パワー インデックス;LS_FB、斜面の長さ要因 (フィールド ベース)。 †Loadings > 0.35。 表 3: 地形指標の主成分 (tpc のほか) に変動荷重の計算 (n = 460) ウォルナット クリーク流域で。 モデル R2adj NSE RSR 段階的な主成分回帰 (SPCR) SOC 2.932-0.058TPC2-0.025TPC3 + 0.051TPC7 + 0.037TPC1† 0.68 0.69 0.56 SR 2.111 + 0.013TPC1 + 0.032TPC7-0.028TPC2-0.016TPC3-0.010TPC6 0.63 0.63 0.61 段階的な普通最小自乗回帰 (SOLSRf) SOC 2.755 + 0.021TWI + 0.0004FPL-6.369G_Cur-5.580Slope+ 0.011LsRe + 0.091DI + 0.013SsRe + 0.125LS_FB 0.7 0.71 0.55 SR 2.117 + 0.007LsRe-3.128Slope + 0.109DI + 0.010SsRe + 0.0002FPL+ 0.801Upsl – 4.442P_Cur 0.65 0.65 0.59 普通少なくとも平方ステップワイズ共変量と削除 (SOLSRr) SOC 2.951 + 0.033LsRe-2.869Upsl + 0.0006FPL + 0.028SsRe + 0.124DI-0.163LS_FB + 0.007SPI-10.187P_Cur 0.68 0.68 0.56 SR 2.042 + 0.016LsRe-0.146LS_FB + 0.118DI + 0.017SsRe + 0.0003FPL+ 0.070POP 0.63 0.64 0.6 † TPCs の順序はステップワイズ選択手順をに基づいてください。 R2adjは調整係数の決定;NSE はナッシュ ・ サトクリフ効率;RSR は、測定データの標準偏差の根平均二乗誤差 (RMSE) の比率です。 TPC は、地形の主要コンポーネントを表します。TWI は地形気候湿潤度;FPL はフロー パスの長さ;P_Cur、Pl_Cur、および G_Cur、断面曲率, 計画曲率と一般的な曲率、それぞれ;LS_FB は斜面の長さ要因 (フィールド ベース);LsRe と SsRe は大規模と小規模の地形レリーフをそれぞれ;ディは下りのインデックス;Upsl、上り坂の勾配です。 表 4: 土壌有機炭素 (SOC) 密度とサイト 1 と 2 で地形指標に基づく農業用土壌再配布率 (SR) のモデル。