黃河三角洲地區(qū)地下水埋深與土壤鹽分空間分布特征研究

黃河三角洲地區(qū)地下水埋深與土壤鹽分空間分布特征研究

在分析區(qū)域水土資源特征時，通常會出現(xiàn)一些特定的值，這些值大于所有研究數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或平均值（或平均值），但這不是分析誤差或采樣方法等人為誤差造成的。雖然僅占所有觀測數(shù)據(jù)的一部分，但觀測值通過正態(tài)分布（對數(shù)）影響變異函數(shù)的穩(wěn)定性。目前解決途徑主要有三種:一種是通過非線性變換(如平方根變換,對數(shù)變換,反正弦變換等)“平滑”這些特異值,對變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行(地質(zhì))統(tǒng)計分析,最后再進(jìn)行逆變換,目前只有對數(shù)變換可以應(yīng)用對數(shù)正態(tài)克立格估值并轉(zhuǎn)換回原尺度,其他變換沒有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方法;另一個途徑是剔除或用估計鄰域和影響系數(shù)等方法處理特異值[1、2],但這些方法都在一定程度上破壞了變量空間變異的真實信息;第三種途徑就是應(yīng)用非參數(shù)地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)———指示克立格法進(jìn)行分析。指示克立格是條件普通克立格的非參數(shù)形式,它可以在不必去掉重要而實際存在的特異值的條件下處理各種不同的現(xiàn)象,并能抑制特異值對變異函數(shù)穩(wěn)健性的影響,因此是處理有偏數(shù)據(jù)的有力工具。有關(guān)指示克立格方法的研究與運用,國內(nèi)已有較多詳細(xì)的報道,例如李保國等應(yīng)用指示克立格方法對華北沖積平原區(qū)淺層地下水硝酸鹽含量進(jìn)行評價,繪制了硝酸鹽含量分布圖及概率分布圖;吳蓉等通過引入變異函數(shù)的孔穴效應(yīng)模型,采用指示克立格方法對區(qū)域裂隙介質(zhì)的滲透性參數(shù)進(jìn)行了估值計算,證明了孔穴效應(yīng)模型的適用性與Kriging方法的可行性;宋剛等以指示克立格法為基本工具分析了華北平原某地區(qū)含水層滲透性空間分布的結(jié)構(gòu)特征,揭示了該地區(qū)含水層滲透性的各向異性特征,表明了指示克立格法用以描述含水層滲透性空間分布規(guī)律的適用性;徐英等利用指示克立格對黃河河套灌區(qū)鹽漬化土地上關(guān)鍵時期的土壤水鹽特征進(jìn)行了空間分布的分析和不同尺度上農(nóng)業(yè)水土資源質(zhì)量的評價。本文針對黃河三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的土壤鹽漬障礙因子,以該地區(qū)典型地塊作為研究對象,綜合運用GIS和指示克立格方法,對地下水埋深以及與作物生長關(guān)系最為密切的0~40cm深度土壤鹽分這兩個重要指標(biāo)的空間變異性進(jìn)行了綜合分析與評價。旨在利用該方法在田間尺度農(nóng)田的土壤質(zhì)量評價中應(yīng)用的這個例子為科學(xué)管理與合理改良利用黃河三角洲地區(qū)鹽漬土地,研究該地區(qū)土壤鹽漬化的發(fā)生機理、預(yù)測與評估該地區(qū)土壤鹽漬化的發(fā)生發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。1試驗材料和方法1.1潮土、鹽土、礦化度試驗地點位于山東省墾利縣永安鎮(zhèn)“東義和村”與“東七村”為主體的研究區(qū)域(圖1),地處北溫帶大陸性季風(fēng)型氣候帶,東臨渤海,屬典型黃河下游三角洲地區(qū)。該區(qū)四季氣候變化明顯,降水主要集中在7~8月份,占全年降水量的70%,年均蒸降比為3.22。由于土壤直接發(fā)育于海相沉積物,再加上成陸過程中受海水的浸漬側(cè)滲作用,使得土壤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。區(qū)內(nèi)地下水位普遍較高,多介于1.4~2.4m之間,平均礦化度為32.4g·L-1;由于當(dāng)?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,這導(dǎo)致研究區(qū)地下水埋深及礦化度的季節(jié)性動態(tài)變化顯著,再加上該區(qū)內(nèi)地下水與土壤鹽分互為“源-庫”關(guān)系,由此也引起了土壤含鹽量呈現(xiàn)“積鹽-淋溶”的季節(jié)性動態(tài)變化。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1采樣點分布及相對坐標(biāo)的確定選取一塊面積約520hm2的連續(xù)地塊(東西間距約4.1km,南北間距約1.1~1.6km)作為研究區(qū)域,研究區(qū)域地勢相對平坦,其南部邊界為一條自西向東的灌溉渠,東南部位毗鄰大片的養(yǎng)殖魚塘。采樣地界于東經(jīng)118°47′~118°50′,北緯37°33′~37°34′之間,根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、植被類型等因素確定采樣點的位置與數(shù)量,共挖取127個剖面,其中棉花(玉米)地38個,鹽蒿地26個,光板地38個,其余均為雜草地,采樣點分布如圖1所示。由于研究區(qū)內(nèi)地下水埋深較淺,每個剖面都挖到地下水流出,同時對剖面0~40cm深度土壤樣品進(jìn)行采集,共計采集127個樣點的0~40cm深度土樣與地下水埋深數(shù)據(jù)。各采樣點的相對坐標(biāo)采用差分GPS定位技術(shù)確定。樣點采集分別于2004年10月中下旬及2005年9月下旬(均為旱季)分兩次進(jìn)行,正值棉鈴?fù)滦跗?一方面此時的地下水埋深對土壤次生鹽漬化的影響較大,地下水性質(zhì)受人為因素的影響也較小。另一方面9月中旬至來年3月地下水動態(tài)可視為相對穩(wěn)定期,這時土壤鹽分及地下水性質(zhì)較為穩(wěn)定,地下水的消退主要靠天然蒸發(fā),而此時的蒸發(fā)量也是不大的。1.2.2土壤含鹽量的測量地下水埋深:每個剖面都挖到地下水流出,待其水位穩(wěn)定以后,用刻度尺測量其埋深。土壤含鹽量:采集的土樣帶回實驗室內(nèi)自然風(fēng)干,磨碎、過2mm篩后備用。所有的土樣均制備1∶5土水比浸提液,采用常規(guī)分析法測定8大鹽分離子的含量,各鹽分離子含量之和即為相應(yīng)的土壤含鹽量。2結(jié)果與分析2.1地下水埋深與土壤鹽分的分布特征地下水埋深與土壤鹽分的統(tǒng)計特征值如表1所示。0~40cm土壤鹽分平均值達(dá)9.67g·kg-1,總體上屬于重度鹽化土類型(含鹽量4.0~10.0g·kg-1),說明土壤高度鹽漬化。按一般對變異系數(shù)值C.V.的評估,當(dāng)C.V.≤10%時,為弱變異性,10%<C.V.≤100%為中等變異性,地下水埋深與土壤鹽分的變異系數(shù)分別為31.87%和62.35%,地下水埋深的變異性要明顯小于土壤鹽分,但都屬于中等變異強度。由圖2所顯示的頻數(shù)分布圖看出,地下水埋深與土壤鹽分的分布具有明顯的差異性。地下水埋深的偏度值較高,達(dá)-0.887,呈現(xiàn)出向右偏倚的分布特征,但在左側(cè)的低值仍表現(xiàn)出高頻數(shù)分布;土壤鹽分的偏度值為0.696,其分布明顯向左偏倚,且右側(cè)由于特異值存在出現(xiàn)長尾現(xiàn)象。單樣本Kolmogorov-Smirnov正態(tài)檢驗和對數(shù)正態(tài)檢驗(P<0.05,2-tailed)表明,地下水埋深并不服從正態(tài)與對數(shù)正態(tài)分布,土壤鹽分則符合近似的對數(shù)正態(tài)分布。通過Cochran純隨機采樣理論公式計算合理采樣數(shù)量,在95%置信水平10%相對誤差條件下,地下水埋深與土壤鹽分的合理采樣數(shù)目分別為40和153。由表1可以看出,土壤鹽分的樣點密度并不滿足當(dāng)前條件下的合理采樣數(shù)量要求,但已滿足90%置信水平10%相對誤差條件下的合理采樣數(shù)量(N=107)。2.2克立格估計結(jié)果統(tǒng)計特征(表1和圖2)表明,地下水埋深呈非正態(tài)分布與土壤鹽分呈對數(shù)正態(tài)分布,而且存在特異值,兩者都會影響變異函數(shù)的穩(wěn)健性,進(jìn)而影響克立格估計結(jié)果;此外,盡管各種克立格方法能給出某個變量的空間分布圖,但有時人們更感興趣的不是某一點處地下水埋深或土壤鹽分的具體值,而是大于(或小于)某一閾值,或處于某一范圍內(nèi)的該變量在空間上的分布概率。指示克立格法不僅能削弱偏態(tài)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。2.2.1地下水埋深與土壤鹽分條件概率的空間異質(zhì)性及條件自相關(guān)性分析對地下水埋深與土壤鹽分分別進(jìn)行單元指示克立格分析,其計算的關(guān)鍵是選擇閾值,本研究選擇1.80m和6.0g·kg-1作為地下水埋深和土壤鹽分的閾值。對于地下水埋深,置小于1.80m為1,否則為0;對于土壤鹽分,置大于6.0g·kg-1為1,否則為0。選取1.80m和6.0g·kg-1分別作為地下水埋深和土壤鹽分閾值的原因是多方面的:一方面,綜合考慮黃河下游三角洲地區(qū)獨特的水文水資源、地形地貌、土壤母質(zhì)等條件導(dǎo)致該區(qū)土壤水鹽運動極其活躍,再加上采樣期正值旱季,使得研究區(qū)土壤與地下水之間鹽分交換較為頻繁,極易引起土壤鹽漬化與次生鹽漬化;另一方面,綜合考慮研究區(qū)土壤鹽漬化程度重,且當(dāng)?shù)胤N植制度和主要作物類型以棉花的一年單熟制為主,少部分是棉花-冬小麥的一年兩熟制。對賦值后的地下水埋深與土壤鹽分進(jìn)行指示半變異函數(shù)分析,地下水埋深與土壤鹽分的指示半方差分別符合球狀模型和高斯模型,結(jié)果如圖3所示。圖3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)[11、12]。分維數(shù)D為步長與半方差的雙對數(shù)直線回歸斜率,通過變量D值之間的比較,可以確定空間異質(zhì)性(分形特征)的程度。地下水埋深與土壤鹽分的塊金值/基臺值分別為44.0%和59.7%,均體現(xiàn)為中等的空間自相關(guān)性。這說明在當(dāng)前閾值條件下,地下水埋深與土壤鹽分條件概率的空間分布是由結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、地形、土壤類型等)和隨機性因素(如灌溉、耕作措施等各種人為活動)共同作用的結(jié)果。地下水埋深與土壤鹽分條件概率的分維數(shù)分別為1.882和1.920,表明在當(dāng)前閾值條件下,土壤鹽分條件概率的空間異質(zhì)性程度高于地下水埋深,且分維數(shù)與塊金值/基臺值變化表現(xiàn)出一致性,其原因在于隨機性因素強,結(jié)構(gòu)性差,結(jié)構(gòu)性差則分布復(fù)雜,從而分維數(shù)高;相反隨機性弱,結(jié)構(gòu)性好,分布簡單,從而分維數(shù)低。圖4顯示了地下水埋深(小于1.80m)和土壤鹽分(大于6.0g·kg-1)的概率分布圖。整體上看,研究區(qū)的地下水埋深小于1.80m的概率東部高于西部、南部高于北部,土壤鹽分大于6.0g·kg-1的概率亦表現(xiàn)出同樣的規(guī)律,地下水埋深與土壤鹽分的條件概率在空間分布上存在著相似性,這從空間尺度上說明了地下水埋深與土壤積鹽之間的關(guān)聯(lián)性。地下水埋深與土壤鹽分條件概率分布是多方面因素共同作用的結(jié)果。首先,由于研究區(qū)東臨渤海,東部受海水的浸漬側(cè)滲作用較西部強烈,表現(xiàn)為地下水埋深由東向西逐漸增加,而礦化度逐漸降低,這也是導(dǎo)致土壤鹽分由東向西逐漸降低的直接因素。其次,研究區(qū)具有西高東低、北高南低的地形特點,且局部微地形起伏較大,在一定程度上影響著地下水埋深和土壤鹽分的空間分布特征,這是地下水埋深與土壤鹽分該空間分布格局形成的重要因素。再次,研究區(qū)東南部位毗鄰大片人工開挖的養(yǎng)殖魚塘,魚塘中大量的地下水入滲到該區(qū)域,抬高了地下水位,在旱季持續(xù)地表蒸發(fā)作用下地下水返鹽強烈,即地下水中的可溶性鹽類借助毛細(xì)管作用上升并積聚于表土,導(dǎo)致該區(qū)域絕大部分為裸露的鹽斑地。此外,研究區(qū)西部土壤鹽分相對較低,土地利用強度較大,而在土壤鹽分較高的東部,由于土地改良利用難度大,基本處于未利用狀態(tài),因此,耕作、灌溉、施肥等人為農(nóng)業(yè)活動對地下水埋深與土壤鹽分的空間格局也有不容忽視的影響。2.2.2研究區(qū)地下水土中鹽分的單元概率分布由于黃河三角洲地區(qū)土壤水鹽運動非?；钴S,僅對土壤鹽漬化(土壤鹽分)單一變量進(jìn)行考察是不全面的,還要綜合考慮潛在鹽漬化狀況(主要指標(biāo)為地下水埋深),為此,需要同時對地下水埋深和土壤鹽分這兩個指標(biāo)的分布進(jìn)行考察。多元指示克立格是(單元)指示克立格的簡單外延,其目的是將多個研究指標(biāo)(即變量)整合為一個指標(biāo),以便于分析和估值。多元指示克立格分析具體計算步驟如下:(1)分別為每個指標(biāo)選擇各自的閾值,本研究中地下水埋深與土壤鹽分的閾值仍然取1.80m和6.0g·kg-1;(2)為每個指標(biāo)建立指示函數(shù)并進(jìn)行指示變換,即將地下水埋深小于1.80m與土壤鹽分大于6.0g·kg-1的指示值都置為1,否則為0;(3)將多個指標(biāo)合并為一個綜合指標(biāo),當(dāng)某采樣點上m(m≤n,n表示變量數(shù))個指示變換值如果都為1,則綜合指標(biāo)為1,否則綜合指標(biāo)為0;本研究m=n=2,即采樣點上地下水埋深與土壤鹽分均滿足小于1.80m和大于6.0g·kg-1這兩個條件時,綜合指標(biāo)為1,否則為0;(4)計算綜合指標(biāo)的指示半變異函數(shù)(圖5);(5)進(jìn)行普通克立格插值,得到綜合指標(biāo)的概率分布圖(圖6)。圖6反映了研究區(qū)地下水埋深(小于1.80m)和土壤鹽分(大于6.0g·kg-1)的綜合概率分布,可以看出,地下水埋深小于1.80m以及土壤鹽分大于6.0g·kg-1的高概率區(qū)域占研究區(qū)面積比例較大,土壤鹽漬化與次生鹽漬化的風(fēng)險總體較高。研究區(qū)綜合概率分布呈現(xiàn)出東部高于西部、南部高于北部的規(guī)律性,即土壤鹽漬化與次生鹽漬化的發(fā)生概率東部高于西部,南部高于北部,其總體趨勢與圖4中地下水埋深及土壤鹽分的單元概率分布較為接近,這也說明研究區(qū)土壤鹽漬化與次生鹽漬化并非是完全相互獨立的過程,而是存在著空間上的關(guān)聯(lián)性。從空間分布來看,研究區(qū)土壤鹽漬化與次生鹽漬化的高概率區(qū)主要位于東部,且呈現(xiàn)連片分布?？紤]到研究區(qū)東部土壤鹽漬化程度高、次生鹽漬化風(fēng)險大以及分布集中、而且地勢較低,其改良利用宜采用以水利工程措施為主、農(nóng)業(yè)生物措施為輔的綜合治理方案。研究區(qū)西部土壤鹽漬化與次生鹽漬化概率較低,但由于該區(qū)域土地利用強度高,耕作、施肥、灌溉等人為農(nóng)業(yè)活動較為頻繁,因此應(yīng)加強田間管理,對出現(xiàn)的土壤鹽漬化宜采用農(nóng)業(yè)、生物調(diào)控措施,同時,還應(yīng)完善田間排水設(shè)施,以防止人為農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致土壤次生鹽漬化。此外,研究區(qū)土壤鹽漬化與次生鹽漬化概率分布圖還可為當(dāng)季種植作物種類的選擇提供依據(jù),如在鹽漬化與次生鹽漬化低概率區(qū)可種植耐鹽性較差的經(jīng)濟(jì)作物如胡蘿卜、馬鈴薯等,而在高風(fēng)險區(qū)易種植耐鹽性較好的糧食作物如大麥、冬小麥、高粱等。區(qū)域土壤資源利用風(fēng)險性定量評價指標(biāo)不僅有地下水性質(zhì)和土壤鹽分,還包括各種養(yǎng)分含量、容重、孔隙度等理化性質(zhì),且各個指標(biāo)之間可以相關(guān)(如本文的地下水埋深和土壤鹽分)也可以相互獨立,可以是水土資