Original paper

Correlation of topography, soil properties and spatial variability of biomass - application of the self-organizing map method

[Der Zusammenhang von Topographie, Bodeneigenschaften und kleinräumlicher Variabilität der Biomasse - Anwendung selbstorganisierender Merkmalskarten (SOM)]

Heuer, Antje; Casper, Markus C.; Herbst, Marcus

Abstract

Interactions of various geogenic factors and processes have a lasting effect on topography and vice versa on the development of biomass. This is obviously detectable in an agricultural plot, considering the spatial variability of biomass, here specified in terms of yield. The aim of the present study is to identify relationships among topography, chemical and physical soil properties and yield. We realized the analysis using the method of self-organizing maps (SOM), an unsupervised neural network method. The output of the SOM analysis provided a strong correlation between soil moisture and the amount of yield. Additionally, a relationship among soil depth and yield could be noted. The availability of plant nutrients, however, can positively affect the amount of yield, especially for zones with shallow soils. An inverse correlation was detected for soil depth and inorganic carbon content of the upper soil. Topographic properties expressed by the Topographical Index show a similar behaviour towards target variable yield, while exposition is of secondary importance. These results form a coherent image, which allows applying the SOM approach for further investigations.

Kurzfassung

Das Zusammenspiel verschiedener geogener Faktoren und Prozesse hat entscheidenden Einfluss auf das Relief; gleichzeitig wird auch die Biomassenentwicklung von geogenen Faktoren und Prozessen gesteuert. Dies ist anhand der räumlichen Variabilität der Biomasse, hier spezifiziert durch den Ertrag, innerhalb einer agrarisch genutzten Parzelle deutlich zu erkennen. Ziel der vorliegenden Studie ist es, Zusammenhänge zwischen Relief, chemischen und physikalischen Bodeneigenschaften und dem Ertrag zu identifizieren. Hiertür wurde auf die Methodik der selbstorganisierenden Merkmalskarten (SOM) zurückgegriffen. Die Auswertung der SOM-Karten zeigte eine deutliche Korrelation zwischen den Variablen Bodenfeuchte und Ertrag. Zudem wurde ein Zusammenhang zwischen Bodentiefe und Ertrag festgestellt. Ein erhöhtes Angebot an Pflanzennährstoffen kann den Ertrag positiv beeinflussen, dies gilt insbesondere für flachgründige Böden. Eine negative Korrelation besteht hingegen für die Variablen Bodentiefe und dem Canorg-Gehalt der obersten Bodenschicht. Topographische Eigenschaften, die in den Topographischen Index einfließen, zeigen ein ähnliches Verhalten wie die Zielvariable Ertrag; dagegen ist die Exposition von untergeordneter Bedeutung. Die gewonnenen Ergebnisse beschreiben ein kohärentes Bild und erlauben somit die Übertragbarkeit der Methode auf weitere Fragestellungen.

Keywords

self-organizing maptopographysoil propertiessoil depthsoil moisturespatial variabilityyield