干旱區(qū)土壤鹽分空間分布預測方法研究

干旱區(qū)土壤鹽分空間分布預測方法研究

中國鹽漬土總面積約為3.3.107hm2，占全國利用土地總面積的4.88%。這是中國的一個重要而強制性的土壤資源。鹽漬土在我國從濕潤地區(qū)到極端干旱荒漠區(qū)均有大量分布,尤其在干旱和半干旱區(qū),土壤鹽漬化嚴重制約了農業(yè)發(fā)展。為提高鹽漬土資源的利用潛力和效率,需要加強土壤鹽漬化監(jiān)測,研究鹽漬土的空間分布,這也已成為合理利用鹽漬土資源、促進農業(yè)發(fā)展的重要基礎。目前,傳統(tǒng)的采樣方法由于費時費力,難以為土壤鹽漬化的快速監(jiān)測提供足量的信息。電磁感應式大地電導率測量(EM)方法是基于電磁感應原理,通過測定大地表觀電導率來快速反映土壤信息,目前已應用于土壤質地、鹽分和水分等性質的快速測定,尤其在鹽漬化地區(qū),土壤鹽分含量是大地電導率的主要貢獻因子,而且其貢獻率會因鹽漬化程度增強而變大,所以在鹽漬化地區(qū)采用電磁感應技術進行土壤鹽漬化的快速監(jiān)測是一種有效的方法,在土壤鹽漬化的快速調查與監(jiān)測中得到了廣泛的應用。1一般區(qū)域條件和方法的研究1.1不同地區(qū)的蒸發(fā)量和蒸壓問題研究區(qū)選取南疆典型干旱區(qū)———巴音郭楞蒙古自治州西尼爾鎮(zhèn),研究區(qū)域地處天山南麓,年均氣溫為8.2~11.6℃,空氣干燥,光照充足,屬暖溫帶大陸性干旱氣候。年平均降水量多低于100mm,而蒸發(fā)量約2500mm,,高蒸降比使該地區(qū)土壤極易產生鹽漬化和次生鹽漬化問題。研究區(qū)域地塊規(guī)整,有利于機械化作業(yè),也為移動式磁感調查創(chuàng)造了條件,本研究選取約170hm2的農田作為電磁感應調查區(qū)域。1.2測量數據處理本研究選用EM38和EM31兩種型號的電磁感應式大地電導率儀,均有水平(H)和垂直(V)兩種不同測量模式:通常情況下,EM38水平模式測量深度為0.75~1.0m,而垂直模式測量深度可達1.5~2.0m;EM31在水平和垂直模式下測量深度約為3.0m和6.0m。將EM38和EM31與數據采集器、GPS連接構建移動式磁感調查系統(tǒng),即可同時采集大地表觀電導率和地理位置信息,實現(xiàn)大地表觀電導率快速測量,從而可以有效提高鹽漬化監(jiān)測的效率,本研究調查點如圖1所示。為建立土壤鹽分電磁感應解譯模型,在移動式磁感調查區(qū)域布設27個校準點,利用EM38和EM31測定不同模式下大地表觀電導率(H38、V38、H31和V31),并采集0~10cm土層的樣品,土壤樣品帶回實驗室自然風干,利用烘干法測定樣品鹽分含量,然后利用逐步回歸分析方法建立解譯模型。另外在調查區(qū)域布設精度檢驗樣點26個,用于空間分析精度檢驗。本文研究中數據統(tǒng)計分析應用SPSS軟件;半方差函數擬合采用GS+軟件;土壤鹽分空間異質性在ArcGIS9.2中完成,分別采用克里格插值、條件模擬、徑向基函數法以及柵格運算方法對土壤鹽分空間分布進行預測。2結果與分析2.1土壤鹽分與表觀電導率的關系為將電磁感應調查獲取的表觀電導率信息解譯成土壤鹽分信息,首先研究土壤樣品的全鹽含量與表觀電導率的相關性,采用逐步回歸分析法建立土壤鹽分的電磁感應解譯模型。以H38和H31為自變量式中,Ts為測定樣品的全鹽含量,gkg-1;H38為EM38水平模式讀數,mSm-1;V38為EM38垂直模式讀數,mSm-1;H31為EM31水平模式讀數,mSm-1;V31為EM31垂直模式讀數,mSm-1。研究發(fā)現(xiàn),土壤鹽分含量與表觀電導率具有很好的相關性,以H38、V38和H31、V31為自變量的解譯模型,式(1),相關系數高達0.937。由于構建移動式磁感調查系統(tǒng)時,EM38和EM31只能選用一種固定測定模式,考慮到EM38和EM31水平及垂直模式感應深度,故在移動調查時均設定為水平模式,研究發(fā)現(xiàn)以H38和H31為自變量與鹽分含量仍具有顯著相關性,式(2),由此可以解譯移動式磁感調查點位的鹽分信息,為土壤鹽分空間異質性研究提供數據基礎。2.2經典統(tǒng)計分析結果由于磁感調查過程中各種因素的影響,測定數據中難免存在非真實值,即離群值。離群值的存在會造成變量連續(xù)表面的中斷,影響變量的分布特征。本研究采用域法識別離群值,取樣本均值三倍標準差范圍內為正常測定值,范圍以外的用最小或最大值代替。對研究區(qū)域進行移動式磁感調查,共獲取22642組表觀電導率信息,經典統(tǒng)計分析結果如下,表1。由經典統(tǒng)計分析結果可以看出,H38具有比H31較高的變異系數,其變異程度比較大,二者均呈現(xiàn)中等強度變異。地統(tǒng)計分析要求數據符合正態(tài)或近似正態(tài)分布,否則可能存在比例效應,參照H38和H31偏度峰度系數及K-S檢驗結果,H38和H31均不符合正態(tài)分布,需經對數轉換。利用解譯模型,式(2),獲取磁感調查點鹽分含量信息。經典統(tǒng)計分析結果顯示,移動式磁感調查點土壤鹽分的最小值為0.013gkg-1,最大值為33.461gkg-1,平均值為2.636gkg-1;偏度為2.930,峰度為16.706,K-S檢驗結果表明,解譯的鹽分含量數據經對數轉換后符合正態(tài)分布。2.3模擬結果與分析2.3.2條件模擬法條件模擬是地統(tǒng)計學中繼克里格插值后發(fā)展起來的新技術,它克服了克里格方法的平滑效應,不僅保持了與實際數據具有相同的數學期望和方差,還保證了在各個已知點的模擬值等于該點的實測值。條件模擬中網格的劃分對于建模是非常重要的,對于連續(xù)性較好的空間變量可以適當劃分較大的網格;對于離散的變量,網格劃分應盡可能的小。本研究考慮到移動式磁感調查過程中各個調查點之間的間距,選擇3m格網密度劃分進行模擬。條件模擬仍以半方差函數為運算模型,并且要求各個已知點的模擬值等于該點的實測值,利用半方差函數式(3)進行模擬。一般來說模擬次數大于50次后,模擬結果變化不大,漸漸趨于穩(wěn)定,為保證運算精度,本研究設定500次模擬。由模擬結果(圖2b)可以看出,土壤鹽分分布與前文研究具有良好的一致性,而且鹽分梯度劃分也比較明顯。2.3.3徑向基函數法與克里格插值和條件模擬方法不同,徑向基函數法(RadialBasisFunction)是一種確定性插值方法,是以平滑度為基礎由已知采樣點來創(chuàng)建表面,可以把比樣點高或低的未知點的值預測出來,是人工神經網絡方法中的一種。本研究選取規(guī)則樣條函數對鹽分分布進行預測,由結果可以看出,圖2c,土壤鹽分梯度劃分也比較明顯,鹽分分布與前文研究具有良好的一致性。2.3.4柵格運算法擬合表觀電導率空間變異半方差函數,表2,H38擬合半方差函數為指數模型,H31擬合半方差函數為球狀模型。塊金效應結果表明,H38具有強空間自相關性,H31具有中空間自相關性;分維數D0反應隨機變異大小,分維數越小,由隨機因素引起的異質性越小,空間自相關性越強,比較H38和H31分維數,H38比H31空間自相關性強。擬合半變異函數決定系數(r2)分別為0.937和0.941,具有高擬合精度。塊金效應和分維數比較均反映出H38具有比H31更高的空間自相關性。在ArcGIS9.2的地統(tǒng)計模塊,應用擬合好的最優(yōu)半變異函數(表2)對研究區(qū)域進行克里格插值,研究其空間分布[17~19],結果如圖3。利用已獲取H31和H38的空間分布圖和利用前文研究的土壤鹽分電磁感應解譯模型,在ArcGIS9.2中通過柵格運算(RasterCalculator)即可獲取土壤鹽分的空間分布,圖2d。由于柵格運算要求H38和H31的空間分布圖為柵格形式,所以在計算前,將其輸出為柵格圖,根據移動式磁感調查相鄰采集數據的間距一般在1~2m,輸出柵格圖過程中采用1.5×1.5m像元大小。2.4實測值對比分析2.4.1交互檢驗根據各種插值方法的原理,一般來說徑向基函數(RBF)方法以及條件模擬法其最小值應該不高于已知點最小值,其最大值應該不低于已知點最大值;而克里格插值方法以及柵格運算方法由于克里格插值的平滑效應,其最小值可能高于已知點的最小值,而其最大值要低于已知點的最大值。由表3可以看出,徑向基函數法和克里格插值法極值相同,其最小值均等于已知調查點最小值,而最大值略低于已知調查點的最大值,對于克里格插值方法來說,這是由于平滑效應所致,而對于徑向基函數方法來說,表面看來這種現(xiàn)象是有悖于常理的,實則不然,這主要是由于調查過程中同時采集地理信息和表觀電導率信息,由于GPS精度等原因往往會出現(xiàn)同樣的地理位置下采集多組數據,在進行經典統(tǒng)計分析過程中未考慮地理信息的差異,但在進行地統(tǒng)計的過程中,同一坐標下出現(xiàn)多個屬性值時,我們采取了取平均值的方法,導致有的極值就會被平均化,并未參與進行地統(tǒng)計分析,參與分析的實際是其平均值。條件模擬極值可以看出,其最小值明顯低于克里格插值結果,而最大值也略高于克里格插值的最大值,可以看出條件模擬,客服了克里格插值的平滑效應。柵格運算由于表觀電導率進行克里格插值的平滑效應,以及表觀電導率空間分布圖的柵格化等都削弱了其空間預測的精度。由表3預測誤差均方根(RMS)也可以看出,柵格運算其預測誤差均方根最大,精度不高,基于徑向基函數柵格運算預測誤差均方根次之,克里格插值和條件模擬相對較低。2.4.2實測點檢驗為比較不同預測方法的精度,在研究區(qū)域隨機布設檢驗點共計26個,采集0~10cm層土壤樣品,在不同預測方法下的空間分布圖上提取檢驗樣點點位處的預測值,研究檢驗樣點的預測值和樣品實測值的相關性,可以看出四種方法實測值與預測值之間均具有良好相關性,但以克里格插值和條件模擬方法決定系數更高,預測值與實測值更接近(斜率k更接近于1,截距b更接近于0),對土壤鹽分空間分布的預測精度相對較高?？死锔癫逯捣?3土壤鹽分的空間分布研究結果表明,研究區(qū)域土壤存在嚴重的鹽漬化障礙,需要加強鹽漬化的監(jiān)測和診斷,以提高鹽漬土的利用潛力。在鹽漬化地區(qū),大地表觀電導率H38和H31與鹽分含量具有顯著相關性(r=0.935),土壤鹽分含量是大地電導率的重要貢獻因子,大地表觀電導率是土壤鹽分含量的良好表征,利用基于電磁感應技術進行土壤鹽分的快速診斷是一種有效的方法。利用交互檢驗和實測樣點檢驗兩種方法對比不同方法的預測精度,結果表明,克里格插值和條件模擬具有良好的預測精度,但克里格插值具有明顯的平滑效應。克立格插值適合于預測變化平緩的空間屬性,更強調局部的平滑內插;而條件模擬適合于定量描述空間屬性的非均質性和不確定性,它更強調概率模型的作用和結果的整體概率特征。綜合分析得出,在對典型干旱區(qū)進行土壤鹽分空間分布預測,選用條件模擬和克里格插值具有較高的精度。對土壤鹽漬化空間分布進行預測,對于合理利用鹽漬土資源,促進鹽漬土的可持續(xù)利用具有重要意義。以H38、V38和H31、V31為自變量空間插值預測方法分為確定性插值和地統(tǒng)計插值兩大類:確定性插值以研究區(qū)域內部的相似性,或以平滑度為基礎根據已知采樣點來創(chuàng)建表面;地統(tǒng)計插值方法利用的則是已知樣點的統(tǒng)計特性,來量化已知點間的空間自相關性,以及采樣點在預測區(qū)域內的空間分布情況。本研究分別選用了地統(tǒng)計插值中的克里格插值和條件模擬方法以及確定性插值中的徑向基函數法,另外本文還采用了經克里格插值的表觀電導率空間分布圖進行柵格運算的方法對