黃河三角洲典型區(qū)域土壤鹽分空間變異性分析

黃河三角洲典型區(qū)域土壤鹽分空間變異性分析

鹽漬化是黃河三角洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要障礙之一。土壤鹽漬化的時空分布和變形特征的監(jiān)測和預測對于控制該地區(qū)的灌溉。由于傳統(tǒng)的田間采樣方法比較費時、費力,且土壤特性的田間變異程度大,受人力、物力等因素的限制,常無法采集足夠數(shù)量的樣品。因此,傳統(tǒng)方法獲得的土壤特性信息常常比較粗略,且應用傳統(tǒng)方法獲得的信息制作成的相關(guān)圖件存在精度和準確性方面的問題。因此,農(nóng)業(yè)及其相關(guān)領(lǐng)域迫切需要有較高精度、快速、適應大面積運作的實用土壤質(zhì)量測評技術(shù)。電磁感應儀(EM38)能在地表直接測量土壤表觀電導率,為非接觸直讀式,適用于大面積土壤鹽漬化的測量,EM38用聯(lián)接DL600數(shù)據(jù)采集器電纜的方式,較常規(guī)方法的調(diào)查速度快100倍以上。自20世紀90年代以來,國外已在EM38對土壤鹽分、含水量、養(yǎng)分以及土壤組成等性質(zhì)的響應特征方面進行了大量研究,同時還和空間技術(shù)相結(jié)合將其擴展到區(qū)域尺度,并成為研究土壤其他重要性質(zhì)的有利工具。如Lesch等利用電磁感應儀對土壤鹽分進行標定、預測和制圖,發(fā)現(xiàn)在保證制圖精度前提下,應用電磁感應儀較傳統(tǒng)采樣方法能有效降低采樣數(shù)量,提高采樣效率。Triantafilis等運用電磁感應儀進行了田間尺度土壤鹽分的優(yōu)化地統(tǒng)計學模型的研究,在基于估計精度和偏差分析的基礎(chǔ)上對多種地統(tǒng)計學模型進行了比較。Barbiéro等利用電磁感應儀對田間尺度下塞內(nèi)加爾峽谷中部的土壤鹽漬化進行了研究,同時發(fā)現(xiàn)結(jié)合航片能更有效地制定當?shù)氐墓喔却胧?。Corwin等結(jié)合電磁感應儀的田間調(diào)查進行了合理采樣策略以及土壤質(zhì)量評價的研究,同時還分析了不同深度土壤理化性質(zhì)的空間變異性。至今,關(guān)于電磁感應儀在土壤屬性空間變異以及土壤質(zhì)量評價等方面的應用研究,國內(nèi)還沒有這方面的報道。本文以黃河三角洲地區(qū)典型地塊為研究對象,將野外采樣與電磁感應儀EM38田間測量相結(jié)合,綜合運用GIS和非參數(shù)地質(zhì)統(tǒng)計學——指示克立格方法對不同季節(jié)條件下0～100cm土體鹽分含量的空間變異特征進行了分析和評價,這是該方法在田間尺度農(nóng)田的土壤質(zhì)量評價中應用的一個很好的例子。該研究不僅為黃河三角洲地區(qū)鹽漬土地的科學管理與合理改良利用提供一定的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù),同時對研究該地區(qū)土壤鹽漬化的發(fā)生機理、預測與評估該地區(qū)土壤鹽漬化的發(fā)生發(fā)展具有重要意義。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1研究區(qū)地下水礦化度研究區(qū)位于山東省墾利縣永安鎮(zhèn)“東七村”與“東義和村”為主體的區(qū)域,地理位置位于37°33′～37°34′N,118°48′～118°50′E之間,該區(qū)東臨渤海,屬典型黃河下游三角洲地區(qū)。由于土壤直接發(fā)育于沖積沉積物,且成陸過程中受海水的浸漬側(cè)滲影響,研究區(qū)內(nèi)地下水礦化度較高,平均礦化度為32.4gL-1,最高達70.5gL-1;地下水埋深一般在1.6～2.4m之間,使研究區(qū)土壤和地下水含有較多的可溶性鹽類,濱海潮鹽土是該區(qū)最主要的鹽土類型。由于該區(qū)地處北溫帶大陸性季風型氣候帶,降水量時空分布不均,全年降水量的70%集中在7～8月份;再加上當?shù)厝狈π钏こ?雨季水量豐富但不能調(diào)蓄,非雨季淡水資源緊缺,這些因素的綜合作用導致了該地區(qū)土壤水鹽運動極其活躍。1.2學習方法1.2.1典型樣點土壤表觀電導率與剖面挖掘在研究區(qū)范圍內(nèi)選擇典型樣點,樣點的位置、數(shù)量根據(jù)當?shù)赝寥蕾|(zhì)地、鹽分狀況、植被類型等因素確定。通過電磁感應儀EM38的水平測定位(有效感應深度75cm),置于地表共測得164個典型樣點的土壤表觀電導率(記作EM38H)數(shù)據(jù),其中棉花/玉米地53個,鹽蒿地35個,茅草地14個,其余樣點均為光板地。對電磁感應儀測量后的典型樣點進行土壤剖面挖掘,各剖面均按0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100～120cm、120～140cm、140～160cm、160～180cm、180～200cm進行分層采樣,實際采樣時采至地下水位為止。樣品采集分別于2004年10月中旬及2005年9月下旬(正值旱季)分兩次進行,均處于棉鈴吐絮期。1.2.2土壤鹽分運動規(guī)律采集的土樣帶回實驗室內(nèi)自然風干,磨碎、過2mm篩后備用。所有的土樣均制備1∶5土水質(zhì)量比浸提液,采用常規(guī)分析法確定土壤各離子組成含量,并計算出相應的土壤全鹽含量,具體測定方法見文獻。本文旨在利用電磁感應儀EM38與指示克立格方法對0～100cm土體含鹽量的空間變異特征進行分析。由于研究區(qū)內(nèi)各采樣層土壤鹽分類型及離子組成特征相似,且土壤質(zhì)地差異較小,因此,0～100cm土體的平均鹽分含量可以認為是由1m深度田間實際采樣土層按等質(zhì)量混合而成,從而通過深度加權(quán)法計算得出。進一步對室內(nèi)分析得到的0～100cm土壤平均含鹽量與野外測得的土壤表觀電導率EM38H進行相關(guān)性分析(n=164),結(jié)果見圖1。可以看出,表觀電導率EM38H與土壤鹽分S0～100cm具有良好的相關(guān)性:S0～100cm=-0.5954+1.5779EM38H,相關(guān)系數(shù)達到95%以上。1.2.3磁感式田間測量的數(shù)據(jù)采集移動式磁感測定系統(tǒng)(Mobileelectromagneticsensingsystem,MESS)的基本架構(gòu)(圖2)包括:①電磁感應儀EM38。本研究中采用水平測量位(EM38H),貼地進行測量。②差分GPS?？商幚聿罘中盘枏亩_到更高測定精度,用于實時收集地理位置信息進行精準定位,并可以暫時存儲測得的表觀電導率數(shù)據(jù),存儲容量為200Mb。③機械牽引、傳動及連接裝置。利用一臺25馬力(18.4kW)的牽引機用作外部牽引動力;液壓傳動裝置,用于調(diào)整電磁感應儀的位置;由于電磁感應設(shè)備對金屬較為敏感,為盡量減少其感應范圍內(nèi)的金屬物,附屬部件是PVC支架及其余一些非金屬制品,用于聯(lián)接、固定和調(diào)整設(shè)備。分別選擇秋季(2004年10月中下旬)和春季(2005年3月下旬)這兩個關(guān)鍵季節(jié),運用移動式磁感測定系統(tǒng)對面積約200hm2(東西約1.9km,南北約1.0km)的研究區(qū)進行測量,兩次田間測定方式均采用水平位測量模式,在進行表觀電導率數(shù)據(jù)采集的同時,固定于機械牽引裝置上的差分GPS同步采集該測定點的地理坐標信息(由于GPS與EM38間的位置與距離固定,可以通過對GPS采集的地理坐標進行校正而獲得EM38實際測定點的坐標)。2004年秋季磁感式田間測量由東向西沿條田方向進行,共有27個測量行,平均行間距40m左右,行內(nèi)數(shù)據(jù)采集間距為1.0～3.0m,共采集26672個磁感表觀電導率數(shù)據(jù)。2005年春季田間測量沿南北、東西兩個方向進行,共有12條橫行和28條縱行,行內(nèi)數(shù)據(jù)采集間距為1.0～3.0m,共采集19715個磁感表觀電導率數(shù)據(jù)。因此,兩次磁感式田間測量共計收集46387個土壤表觀電導率測定數(shù)據(jù)以及對應測定點的地理坐標數(shù)據(jù)。測定日期選擇2004年10月中下旬和2005年3月下旬,分別處于棉鈴吐絮期的晚期(拔稈期)和春播期,此時田間覆蓋度較低,有利于移動式磁感測定系統(tǒng)進入田間進行土壤表觀電導率的測定。2結(jié)果與分析2.1各時段土壤表觀電導率的特征表1列出了不同時段土壤表觀電導率的統(tǒng)計特征值?？梢钥闯?不同時段土壤表觀電導率的統(tǒng)計特征值具有一定的差異性。從平均值來看,各時段土壤鹽分都較高,根據(jù)圖1計算可知,0～100cm土體土壤含鹽量均值分別達7.99gkg-1和8.54gkg-1。這主要是由于這兩個時段均正值旱季,0～100cm深度土壤積鹽相對強烈。此外,2005年春季要略高于2004年秋季,其原因在于研究區(qū)春季為季節(jié)性積鹽期,此時土壤積鹽與秋季相比更為強烈。按一般對變異系數(shù)值Cv的評估,當Cv≤10%時,為弱變異性,10%<Cv≤100%為中等變異性,各時段土壤表觀電導率的變異系數(shù)分別為51.4%和47.8%,均屬于中等變異性。2004年秋季土壤表觀電導率的峰度值接近3,但偏度值較大,達0.89,且右側(cè)由于特異值的存在出現(xiàn)長尾現(xiàn)象(圖3);2005年春季峰度很大程度偏離了3,但偏度值較小,僅為0.33。實際上,各時段土壤表觀電導率的頻率分布圖均明顯向左偏倚,并不符合正態(tài)分布,經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后,均大致接近正態(tài)分布。進一步通過Cochran純隨機采樣理論公式計算得出不同時段土壤表觀電導率的合理采樣數(shù),在99%置信水平1%相對誤差條件下,其合理采樣數(shù)目分別為17519和15176。由表1可以看出,當前各時段土壤表觀電導率的樣點密度均已滿足合理采樣數(shù)量的要求。2.2土壤鹽分的域值統(tǒng)計特征(表1和圖3)表明,土壤表觀電導率數(shù)據(jù)不僅呈非正態(tài)分布,而且存在特異值(尤其是2004年秋季),兩者均會影響變異函數(shù)的穩(wěn)健性,進而影響克立格估值結(jié)果;此外,盡管各種克立格方法(包括指示克立格和普通克立格等)能給出單個變量,即某一時段土壤鹽分的空間分布圖,但有時人們更感興趣的不是某一部位土壤鹽分的具體含量,而是大于(或小于)某一閾值,或處于某一范圍內(nèi)的鹽分含量在空間上的分布概率。指示克立格法不僅能削弱有偏分布和特異值對變異函數(shù)及估計結(jié)果的影響,而且能有效地估計區(qū)域化變量的分布概率,成為解決這類問題的有力工具。對不同時段土壤表觀電導率分別進行單元指示克立格分析。其計算的第一步(也是比較關(guān)鍵的一步)是選擇閾值,本研究選擇4.0gkg-1作為各時段土壤鹽分的域值,對應的土壤表觀電導率為2.9dSm-1,且置大于2.9dSm-1的表觀電導率為1,否則為0。選取4.0gkg-1的土壤含鹽量為閾值的原因是多方面的:一方面,在10月下旬對研究區(qū)進行磁感式田間測量,此時田間作物已收獲完畢,這時如果知道哪些是鹽漬化發(fā)生的高概率區(qū),哪些是低概率區(qū),不僅能夠定量掌握研究區(qū)土壤鹽漬化狀況,同時還可為鹽漬化改良利用措施的制定提供科學依據(jù);另一方面,黃河三角洲地區(qū)鹽漬化土地春季時段尚未播種,此時對研究區(qū)進行磁感式田間測量可為當季種植作物種類的選擇提供依據(jù),如在鹽漬化發(fā)生的低概率區(qū)種植耐鹽性較差的玉米等作物,而在高概率區(qū)種植耐鹽性較好的棉花、小麥、向日葵等。2.2.1結(jié)構(gòu)模型擬合指示半方差函數(shù)的理論模型及參數(shù)的確定可參考有關(guān)文獻。本研究中步長選取距離組方法,根據(jù)半方差函數(shù)的理論及計算模型得圖4。從圖4所反映的各時段土壤表觀電導率(>2.9dSm-1)的指示半方差函數(shù)圖來看,2004年秋季與2005年春季均表現(xiàn)出較為復雜的尺度效應,即其空間變異的結(jié)構(gòu)并非是單純的一種,而是多種或多層次結(jié)構(gòu)的疊加,這也證明土壤屬性空間變異的影響是有尺度范圍的。半變異函數(shù)的穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、地形、土壤類型等)和隨機性因素(如耕作、施肥、灌溉措施等人為農(nóng)業(yè)活動)綜合作用的結(jié)果,從指示半方差隨步長變化的穩(wěn)定性來看,2004年秋季要明顯強于2005年春季,其原因是在秋季進行磁感式田間測量時,棉花已基本采摘結(jié)束,人為農(nóng)業(yè)活動如施肥、灌溉、耕作等隨機性因素較少;而次年春季進行磁感式田間測量時正值春播,此時田間人為農(nóng)業(yè)活動較多,再加上春季正處于季節(jié)性積鹽期,微地形、地下水以及土壤等條件也影響著局部土壤積鹽規(guī)律,這些因素的綜合作用增強了0～100cm土壤含鹽量的空間變異性,并進而增強了土壤表觀電導率的空間變異性,使得其指示半方差隨步長表現(xiàn)出波動性“巢穴”結(jié)構(gòu)。此外,春季土壤含水量的局部變異性可能也是導致這種指示半方差波動性不容忽視的因素。采用球狀套合模型對各時段土壤表觀電導率的指示半方差進行分段最優(yōu)擬合,發(fā)現(xiàn)均具有較佳的擬合效果,得到的套合結(jié)構(gòu)模型分別見式(1)和式(2)。γ1(h)=?????????????????0.049,h=00.049+0.105(32h22?12h3223)+0.023(32h660?12h36603),0＜h≤22(1)0.154+0.023(32h660?12h36603),22＜h≤6600.177,h＜660γ2(h)=?????????????????0.013,h=00.013+0.122(32h20?12h3203)+0.022(32h150?12h31503),0＜h≤20(2)0.135+0.022(32h150?12h31503),20＜h≤1500.157,h＞150γ1(h)={0.049,h=00.049+0.105(32h22-12h3223)+0.023(32h660-12h36603),0＜h≤22(1)0.154+0.023(32h660-12h36603),22＜h≤6600.177,h＜660γ2(h)={0.013,h=00.013+0.122(32h20-12h3203)+0.022(32h150-12h31503),0＜h≤20(2)0.135+0.022(32h150-12h31503),20＜h≤1500.157,h＞150各對應模型的參數(shù)如表2所示,對各擬合模型進行檢驗,從決定系數(shù)R2和殘差平方和RSS可知,各擬合指示半變異模型均具有較高的精度,經(jīng)F檢驗為極顯著。表2中,塊金值C0通常表示由實驗誤差和小于實驗取樣尺度引起的變異;基臺值C通常表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異;塊金值/基臺值表示隨機部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例,它反映了土壤屬性的空間依賴性,常被用作研究變量空間相關(guān)的分類依據(jù)。各時段土壤表觀電導率指示半變異函數(shù)的C0/C分別為27.7%和8.3%,這說明土壤表觀電導率的條件概率(>2.9dSm-1)的空間分布是由結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等)和隨機性因素(如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動)共同作用的結(jié)果,且由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間異性程度均要顯著高于隨機性因素。從變程來看,2004年秋季與2005年春季土壤表觀電導率均表現(xiàn)出兩種空間變異尺度(分別用上標1和2表示),其變程分別為22m、660m和20m、150m,其中變程為22m、20m的小尺度反映的是局部的短程變異。不同時段土壤表觀電導率短程變異尺度下的偏基臺值占整個研究尺度偏基臺的比例分別為82.0%和84.7%,說明在各時段短程變異均是構(gòu)成其空間異質(zhì)性的最主要部分。2.2.2土地利用方式對土壤表觀電導率的指示半方差的各向異性影響土壤表觀電導率的空間變異是由土壤性質(zhì)(主要是含鹽量)、地形、氣候以及種植制度、耕作措施等各種因素在不同方向、不同尺度共同作用的結(jié)果。由于研究區(qū)南北和東西方向上地形、土地利用方式存在一定差異,為詳細分析這些因素對不同時段土壤表觀電導率條件概率(>2.9dSm-1)的影響,分別計算了NE0°、NE45°、NE90°和NE145°四個方向上的指示半變異函數(shù),角度容差設(shè)為45°,并對主軸方向分別為NE0°和NE45°時土壤鹽分的各向異性進行了分析,結(jié)果如圖5所示。圖5顯示的是不同時段土壤表觀電導率在四個方向上的指示半方差函數(shù)及其各向異性比k(h)。從圖5可以看出,當步長變化于0～500m時,2004年秋季土壤表觀電導率指示半方差在不同方向上的變化大致相同(圖5a,圖5b),超出此范圍,其各向同性有所減弱,且東北、西南方向的各向異性要強于南北、東西方向,但是在全步長變化域上,它們的各向異性比基本保持或圍繞在1左右,說明2004年秋季土壤表觀電導率的指示半方差在各方向上是各向同性的。相對而言,2005年春季土壤表觀電導率的指示半方差在步長0～350m范圍內(nèi)波動較為劇烈,導致該范圍內(nèi)的各向異性比γ(NE0°)/γ(NE90°)和γ(NE45°)/γ(NE135°)的變化相對復雜(圖5c,圖5d),可以看出的是東北、西南方向上指示半變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)性和各向同性明顯好于南北、東西方向;當超出此350m范圍后,各方向上指示半變異函數(shù)的變化趨勢大致相同,表現(xiàn)為各向異性比γ(NE0°)/γ(NE90°)和γ(NE45°)/γ(NE135°)也基本上是隨著空間尺度的增大趨于平穩(wěn);在全步長變化域上,東北、西南方向上的各向異性比γ(NE45°)/γ(NE135°)基本圍繞1上下波動,說明在該方向上土壤表觀電導率的指示半方差是各向同性的;南北、東西方向的各向異性比γ(NE0°)/γ(NE90°)在350m范圍內(nèi)差距較大,但隨著距離的增加,又表現(xiàn)出各向同性的趨勢,因此,南北、東西方向上土壤表觀電導率指示半方差的各向異性主要表現(xiàn)在0～350m步長范圍內(nèi)。不同時段土壤表觀電導率的指示半變異函數(shù)在4個方向上的變化趨勢及其各向異性比反映出了研究區(qū)地形、土地利用方式在南北、東西方向上存在著的差異。由于研究區(qū)具有西高東低、北高南低的地形特點,再加上秋季時段棉花采摘結(jié)束后土地利用以閑置為主,因此土地利用方式對該時段指示半變異函數(shù)及其各向異性比影響較小,而地形差異對其產(chǎn)生的影響在步長超過500m后才表現(xiàn)出來。相比而言,春季時段正值春播,且研究區(qū)西部土壤鹽分相對較低,土地利用方式以棉花種植為主,而在土壤鹽分較高的東部,土地改良利用難度大,基本處于未利用狀態(tài)。因此,由土地利用方式差異引起的土壤鹽分非均一性是影響春季時段土壤表觀電導率指示半變異函數(shù)的直接因素,并導致了南北、東西方向上指示半變異函數(shù)的各向異性比在全步長域的劇烈波動。2.3土壤鹽分分布格局缺乏有成為環(huán)選擇4.0gkg-1作為土壤含鹽量的域值(對應的土壤表觀電導率為2.9dSm-1),對各時段土壤表觀電導率分別進行單元指示克立格分析,圖6詳盡地反映了土壤含鹽量高于4.0gkg-1的條件概率。整體看來,各時段研究區(qū)土壤鹽分空間分布呈現(xiàn)出條帶狀和斑塊狀格局,均表現(xiàn)出東部高于西部、南部高于北部的趨勢。從空間分布圖來看,研究區(qū)東部和南部各時段土壤鹽分不僅較高,且呈現(xiàn)出連片的條帶狀分布,事實上通過對研究區(qū)土壤鹽分狀況的實地調(diào)查,這些部位絕大部分為裸露的鹽斑地。鑒于這些部位土壤鹽漬化程度高、分布集中的特點,采用以水利工程為主、農(nóng)業(yè)生物措施為輔的綜合治理措施具有較顯著改良效果;而在研究區(qū)西部土壤鹽分相對較低,且以斑塊狀分布為主,因此對該部位土壤鹽漬化的治理宜采用農(nóng)業(yè)生物措施。由于研究區(qū)內(nèi)局部部位微地形起伏較大,在旱季持續(xù)的強烈地表蒸發(fā)作用下,深層土壤以及地下水中的可溶性鹽類借助毛細管作用上升并積聚于表層土壤,并且這種鹽分的表聚性隨地形起伏、地下水性質(zhì)等因素的差異而不同,這是形成該鹽分空間分布格局的最直接的因素。此外,在研究區(qū)西部土壤鹽分相對較低,土地利用方式以棉花種植為主,因此頻繁的人為農(nóng)業(yè)活動可能也是加快這種鹽分分布格局形成的重要因素。從圖6a所反映的2004年秋季土壤鹽分的條件概率圖來看,在研究區(qū)的西南部位分布著土壤含鹽量高概率區(qū),而事實上該部位主要為棉花地和鹽蒿地;此外,研究區(qū)春季正處于季節(jié)性積鹽期,此時土壤積鹽比秋季更為強烈,但在2005年春季土壤鹽分條件概率圖(圖6b)并沒有看到該含鹽量高概率區(qū)。造成該現(xiàn)象的原因是多方面的:首先,研究區(qū)西南部位地勢最低,這導致該部位土壤鹽分的表聚性明顯強于其他部位,使得該區(qū)域土壤表觀電導率高于其他部位;其次,在秋季時段研究區(qū)地下水埋深明顯淺于春季,這可能是導致該現(xiàn)象最為重要的因素,其原因在于淺地下水埋深使得電磁感應儀測量值較真實值增大,尤其是當?shù)叵滤裆钚∮?m