黃河三角洲不同土層鹽分和含水量的空間變異特征

黃河三角洲不同土層鹽分和含水量的空間變異特征

結(jié)果表明，土地計(jì)數(shù)是研究土壤特性的空間變異或其他農(nóng)業(yè)區(qū)特征的定量方法。已有的研究涉及到了土壤水分特征及狀態(tài)參數(shù)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、重金屬及其他元素。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),由于受同樣的區(qū)域化現(xiàn)象或空間過(guò)程的影響,許多土壤性質(zhì)在空間上并不是完全獨(dú)立的,而是在一定范圍內(nèi)存在空間上的相關(guān)性。因此分析土壤特性參數(shù)自身和各參數(shù)之間的空間關(guān)系,以此確定合理的取樣間距,對(duì)未測(cè)點(diǎn)估值,具有重要的理論和實(shí)踐意義。自20世紀(jì)80年代以來(lái),Burgess及Webster等人將區(qū)域化變量理論和Kriging及CoKriging估值方法引入土壤性質(zhì)空間變異性的研究中,使之定量化,推動(dòng)了研究向前發(fā)展,目前這已成為土壤科學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論對(duì)土地鹽漬化程度的空間變異以及區(qū)域水、鹽空間分布動(dòng)態(tài)變化的研究國(guó)內(nèi)已有很多詳細(xì)的報(bào)道。然而,目前國(guó)內(nèi)大部分研究仍以?xún)?nèi)陸平原地區(qū)為主,對(duì)河口地區(qū)及海涂土壤鹽分空間變異性的研究較少。為此本文以黃河三角洲地區(qū)典型地塊為例,分析和研究了土壤鹽分和含水量的空間變異性,探討了田間土壤水分和含鹽量Kriging和CoKriging估值方法,旨在為野外土壤鹽分預(yù)測(cè)提供方法,并為黃河三角洲地區(qū)鹽漬化土壤分區(qū)、改良和利用提供一定的理論參考和科學(xué)依據(jù)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1研究區(qū)域的選取試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)于山東省墾利縣永安鎮(zhèn)以東七村和東義和村為主體的研究區(qū)內(nèi),地理位置位于東經(jīng)118°47′～118°50′,北緯37°33′～37°34′。該區(qū)東臨渤海,屬典型黃河下游三角洲地區(qū);區(qū)內(nèi)四季氣候變化明顯,降水量時(shí)空分布不均,降水主要集中在7～8月份,占全年降水量的70%,年均蒸降比3左右。黃河多次改道,使沉積物多次交疊,形成了砂黏相隔層次。由于土壤直接發(fā)育于海相沉積物,再加上成陸過(guò)程中受海水強(qiáng)烈的浸漬側(cè)滲,研究區(qū)內(nèi)地下水礦化度較高,平均礦化度為30.1g/L,最高達(dá)60.9g/L;地下水埋深較淺,多介于1.6～2.6m之間,使得研究區(qū)內(nèi)土壤中含有較多的可溶性鹽分,已成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的因素。濱海潮鹽土是該區(qū)最主要的鹽土類(lèi)型。為研究方便,本試驗(yàn)選取了一塊東西長(zhǎng)約3.75km、南北寬約1.6km的長(zhǎng)方形典型地塊作為研究區(qū)域。在區(qū)內(nèi)局部鹽分較低處,作物種植模式主要為“小麥—棉花”;在鹽分較高處,植被群落以鹽生植物如茅草、鹽蒿、杞柳等為主;在高鹽分處,以裸露的鹽斑地為主。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1采樣點(diǎn)剖面位置及樣品采集在區(qū)內(nèi)布設(shè)采樣點(diǎn),采樣點(diǎn)的位置、數(shù)量根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、土地利用方式、植被類(lèi)型等因素確定,共挖取86個(gè)采樣點(diǎn)剖面,其中棉花地32個(gè),鹽蒿地18個(gè),茅草地14個(gè),其余采樣點(diǎn)均為光板地。每個(gè)采樣點(diǎn)剖面均按0～10,10～20,20～40,40～60,60～80,80～100,100～120,120～140,140～160,160～180,180～200cm進(jìn)行分層采樣,實(shí)際采樣時(shí)采至地下水位為止,并同步采集土壤樣品用于土壤含水量的測(cè)定。各采樣點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)采用GPS定位技術(shù)確定,采樣日期為2004年10月中下旬(正值旱季),處于棉鈴?fù)滦跗凇?.2.2研究區(qū)土壤全鹽含量與ec15的關(guān)系土壤含水量的測(cè)定采用烘干法。將裝有土壤樣品的鋁盒于105℃下烘至恒重,稱(chēng)重并計(jì)算出各相應(yīng)采樣土層的土壤質(zhì)量含水量。采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干,磨碎、過(guò)2mm篩后備用。所有的土樣均制備1∶5土水比浸提液,并測(cè)定其電導(dǎo)率EC1∶5;從以上采集的土樣中選取24個(gè)土壤剖面,共計(jì)246個(gè)土壤樣品,測(cè)定其離子組成。測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》一書(shū),采用常規(guī)分析法(土水比1∶5)測(cè)定土壤各離子組成含量,計(jì)算出相應(yīng)的土壤全鹽含量,進(jìn)一步可以得出研究區(qū)土壤全鹽含量與EC1∶5之間的換算關(guān)系:St=2.9995EC1∶5-0.2269(r=0.994**,p<0.0001,n=246),其中,St——土壤全鹽含量(g/kg);EC1∶5——1∶5土水比土壤浸提液電導(dǎo)率(mS/cm)。對(duì)于未測(cè)定離子組成的土壤樣品,其全鹽含量可由浸提液電導(dǎo)率EC1∶5經(jīng)上式換算得到。由于部分采樣點(diǎn)剖面的地下水埋深<2.0m,為研究方便,本文選取0～20,20～60,60～100cm和100～160cm土層的平均含水量和鹽分含量作為研究對(duì)象。各研究土層的平均含水量和全鹽含量可以認(rèn)為是由采樣土層按等質(zhì)量混合而成,從而通過(guò)深度加權(quán)法計(jì)算得出。1.2.3半方差函數(shù)擬合以及插值分析本研究在數(shù)據(jù)分析時(shí)采用GS+forWindow軟件進(jìn)行半方差函數(shù)的擬合、Kriging插值以及CoKriging估值,空間分布與等值線圖利用SURFER8.0軟件分析制作。2結(jié)果與分析2.1不同深度土壤鹽分分布特征對(duì)0～20,20～60,60～100cm和100～160cm土層的鹽分含量與含水量進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)特征值列于表1。從表1可以看出,各土層鹽分與含水量的特征參數(shù)值均表現(xiàn)出明顯的差異性。從變幅來(lái)看:0～20cm土層鹽分和含水量的變化幅度為35.71g/kg和14.06%,而20～60,60～100,100～160cm土層鹽分和含水量的變化幅度分別為19.84,20.95,17.50g/kg與11.53%,10.87%,13.36%。表層土壤鹽分與水分的變幅均最大。從平均值來(lái)看,鹽分變化范圍在7.06～10.45g/kg之間,總體上屬于重鹽土類(lèi)型(含鹽量大于4.0g/kg),說(shuō)明了土壤高度鹽漬化是制約該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素;此外,不同深度鹽分含量的均值差異較大,說(shuō)明各層土壤平均鹽分含量在垂直方向上變異較強(qiáng),也就是說(shuō)總體上鹽分分布具有一定的表聚性。雖然采樣期正值旱季,但區(qū)內(nèi)土壤含水量普遍較高,各土層含水量平均值的變化范圍為25.37%～32.99%,且隨著深度的增加而逐漸增大,黃河下游三角洲地區(qū)的低地勢(shì)及淺地下水埋深條件是造成這種現(xiàn)象最直接的原因。從變異系數(shù)來(lái)看,各土層鹽分的變異系數(shù)相差較大,變化范圍在55.86%～77.61%之間,均表現(xiàn)為中等變異強(qiáng)度;造成這種現(xiàn)象的原因在于區(qū)內(nèi)微地形起伏、土地利用方式差異、灌溉制度以及耕作方式不同等因素;隨著土壤深度的增加,這些因素對(duì)鹽分的影響逐漸減弱,導(dǎo)致鹽分在水平方向上的變異強(qiáng)度趨弱,表現(xiàn)為鹽分的變異系數(shù)隨深度增加而不斷減小。土壤含水量的變異系數(shù)在7.75%～12.10%之間,差異不大,其中表層0～20cm屬中等變異強(qiáng)度,其原因在于研究區(qū)內(nèi)局部地勢(shì)不平及土壤質(zhì)地的差異,引起水分分布不均勻;其余各土層含水量均為弱變異強(qiáng)度,這是與研究區(qū)地下水埋深較淺而導(dǎo)致的土壤含水量均一化密切相關(guān)的。2.2系統(tǒng)空間相關(guān)分析由于變異函數(shù)的計(jì)算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,否則可能存在比例效應(yīng)。進(jìn)一步通過(guò)Kolmogorov-Smirnov法進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)(p<0.05,2-tailed)發(fā)現(xiàn)表層0～20cm土層含鹽量不符合正態(tài)分布,經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后呈正態(tài)分布;其余各土層的鹽分與含水量均服從近似的正態(tài)分布,已滿(mǎn)足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的要求。半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)的確定可參考有關(guān)文獻(xiàn),根據(jù)半方差函數(shù)理論及計(jì)算模型得表2。由表2可以看出,各土層鹽分和含水量的半方差理論模型均分別比較符合高斯和指數(shù)模型。塊金值C0通常表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度引起的變異,較大的塊金方差值表明較小尺度上的某些過(guò)程不容忽視?？傮w來(lái)說(shuō),各土層鹽分和含水量的塊金效應(yīng)都比較大(表2),這說(shuō)明在小于當(dāng)前的研究尺度下,影響土壤鹽分和含水量變異的過(guò)程作用還比較強(qiáng)?；_(tái)值通常表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異,塊金值與基臺(tái)值的比例可以表明系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性的程度。如果比值小于25%,說(shuō)明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;如果比例在25%～75%之間,表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性;>75%說(shuō)明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱。土壤鹽分和含水量的塊金值/基臺(tái)值變化范圍分別在37.22%～66.14%和33.53%～50.80%之間,可見(jiàn),各層土壤鹽分和含水量均表現(xiàn)為中等的空間相關(guān)性。這說(shuō)明土壤鹽分和含水量的空間分布是由結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類(lèi)型等)和隨機(jī)性因素(如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng))共同作用的結(jié)果。分維數(shù)D表示變異函數(shù)曲線的曲率大小。通過(guò)變量D值之間的比較,可以確定空間異質(zhì)性的程度。各層土壤鹽分和含水量的分維數(shù)范圍分別在1.84～1.92與1.86～1.94之間,其中表層的分維數(shù)均較高。盡管分維數(shù)的差別不是很大,但仍然可以看出隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性因素引起的空間異質(zhì)性程度的不同。比較各土層鹽分或含水量間的分維數(shù)變化可以看出(表2),塊金值較高,塊金值/基臺(tái)值也較高,隨機(jī)性因素強(qiáng);塊金值越低,塊金值/基臺(tái)值也越低,隨機(jī)性因素弱,這同分維數(shù)的變化是一致的。其原因在于隨機(jī)性因素強(qiáng),結(jié)構(gòu)性差,結(jié)構(gòu)性差意味分布復(fù)雜,從而分維數(shù)高;相反隨機(jī)性弱,結(jié)構(gòu)性好,分布簡(jiǎn)單,從而分維數(shù)低。從自相關(guān)距來(lái)看,各層土壤鹽分的自相關(guān)距在2779～3176m之間,差異不大,這說(shuō)明了各層土壤鹽分的空間自相關(guān)變化的尺度是相同的。表層土壤鹽分的自相關(guān)距要小于底層的自相關(guān)距,且隨著深度的增加而逐漸增大,這是因?yàn)楸韺油寥利}分受外界的影響因子較多,導(dǎo)致其自相關(guān)范圍較小,而底層只是間接地受到外界因子的作用。土壤含水量的自相關(guān)范圍在741～1308m之間,差異較大。表層土壤含水量的自相關(guān)距最大,這是由于采樣期為旱季,持續(xù)的蒸發(fā)作用增強(qiáng)了表層土壤局部含水量分布的均勻性,且采樣期正值棉花收獲季節(jié),施肥、灌溉和耕作等農(nóng)業(yè)活動(dòng)相對(duì)較少,導(dǎo)致該季節(jié)表層土壤含水量的自相關(guān)距較大。20～60cm土壤含水量的自相關(guān)距要明顯小于表層和60～100cm,這主要是受黃河多次改道引起沉積物多次交疊的影響,在研究區(qū)50～75cm深度普遍分布著厚度不一的單層或多層含粘層,土壤剖面呈砂黏相隔分布,使得局部范圍的土壤導(dǎo)水性能有較大差異,減弱了含水量空間分布的均一性,這可能是導(dǎo)致該土層含水量自相關(guān)距顯著縮短的最主要因素。60～100cm和100～160cm土壤含水量的自相關(guān)距差異不大,且要小于表層含水量的自相關(guān)距,其原因在于研究區(qū)地下水埋深主要在1.6～2.6m之間,60～100cm和100～160cm土壤含水量與地下水埋深的關(guān)系極為密切,因此60～100cm和100～160cm土壤含水量的空間變異在一定程度上也反映了地下水埋深的空間變異。事實(shí)上通過(guò)田間采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)局部部位的地下水埋深確實(shí)存在著較大的變異性,這與實(shí)際情況是相一致的。此外,研究區(qū)內(nèi)微地形起伏和底層土壤母質(zhì)差異也是導(dǎo)致這種現(xiàn)象不容忽視的因素。2.3土壤鹽分的空間分布在獲得土壤鹽分與含水量的半方差函數(shù)模型后,利用SURFER軟件進(jìn)行Kriging插值,并繪制出空間分布及等值線圖(見(jiàn)圖1,2)。從各層土壤鹽分的空間分布及等值線圖(圖1)來(lái)看:總體上,研究區(qū)土壤含鹽量東部高于西部,西南部位高于西北部位,且各土層鹽分含量的分布在空間上存在著較強(qiáng)的相關(guān)性。從空間尺度來(lái)看,土壤鹽分從東部向西北部位逐漸降低,即含鹽量沿著海岸向腹地的延伸方向呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。其原因是地下水中可溶性鹽類(lèi)是導(dǎo)致研究區(qū)土地鹽漬化最主要的因素,也是土壤鹽分的最主要來(lái)源,因此各土層含鹽量總體表現(xiàn)出與地下水礦化度相似的空間分異規(guī)律。此外,研究區(qū)西部土地利用以棉花種植為主,因此人為農(nóng)業(yè)活動(dòng)可能也是加快這種鹽分分布格局形成的重要因素。從局部上看,表層0～20cm土壤含鹽量最高值在研究區(qū)的中間部位,在坐標(biāo)值(500～1500,2000～2500m)范圍內(nèi)空間變異性最大,而其余各土層含鹽量最高值均在研究區(qū)東部,且土壤含鹽量的空間變異相對(duì)平緩。原因在于表層土壤鹽分的空間分布是與微地形、氣候、地下水性質(zhì)等因素密切相關(guān)的,由于該部位地勢(shì)相對(duì)較高且微地形起伏較大,在旱季持續(xù)的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下,深層土壤以及地下水中的可溶性鹽類(lèi)借助毛細(xì)管作用上升并積聚于表層,導(dǎo)致該部位表層土壤鹽分的積聚性和空間變異性要明顯強(qiáng)于其它部位。隨著深度的增加,微地形、氣候條件等因子對(duì)鹽分空間分布的影響程度逐漸弱化,地下水性質(zhì)對(duì)土壤鹽分空間分布的主導(dǎo)作用越來(lái)越明顯。由各層土壤含水量的空間分布及等值線圖(圖2)可以看出,研究區(qū)東部的土壤含水量高于西部,南部高于北部,東南部位(坐標(biāo)值200～700,2000～3000m)的各層土壤含水量普遍較高。0～20cm土壤含水量在西北部位最小,且空間變異較平緩,這是由于研究區(qū)西部的土地利用以棉花種植為主,表層土壤與其余部位相比質(zhì)地較輕、孔隙度較好。20～60cm和60～100cm土層含水量表現(xiàn)出了相似的空間分布規(guī)律,在研究區(qū)的南部(坐標(biāo)值500～1000m,2500～3000m與坐標(biāo)值500～1000m,1000～1500m)和西北部位(坐標(biāo)值800～1300m,500～1000m)空間變異性均較大;從整體上看,20～60cm土層含水量的空間變異性要強(qiáng)于60～100cm,含粘層的厚度及其空間分布的不均一性是導(dǎo)致這種現(xiàn)象最主要的因素。此外,土壤質(zhì)地的差異也不容忽視。從圖2c和2d可以看出,100～160cm和60～100cm土層含水量的空間分布在研究區(qū)東部比較相似,而在研究區(qū)西部差異較大,原因在于研究區(qū)東部與西部的地下水埋深以及地勢(shì)的差異,由于研究區(qū)地勢(shì)由東向西逐漸增高,地下水埋深由東向西逐漸增大,引起研究區(qū)60～100cm和100～160cm層次土壤含水量在空間分布上的相似性東部要強(qiáng)于西部。2.4模型估計(jì)方差的比較黃河三角洲地區(qū)獨(dú)特的氣候、水文水資源、地形地貌以及土壤母質(zhì)等條件決定了該區(qū)不同層次的土壤鹽分和含水量在空間上并不是完全獨(dú)立的,而是在一定的范圍內(nèi)存在空間上的相關(guān)性。選取表層0～20cm土壤鹽分分別對(duì)20～60,60～100cm和100～160cm土壤鹽分,以及各土層含水量對(duì)相應(yīng)土層的鹽分進(jìn)行CoKriging估值。為更加準(zhǔn)確地比較普通克立格法與協(xié)同克立格法的估值精度,分別計(jì)算了運(yùn)用普通克立格法和協(xié)同克立格法進(jìn)行估值時(shí)的估計(jì)方差的總和(表3)。從表3可以看出,各組協(xié)同區(qū)域化變量的協(xié)同克立格法估計(jì)方差均比普通克立格法估計(jì)方差要小,其中估計(jì)方差減少百分?jǐn)?shù)最大的是表層0～20cm土壤鹽分對(duì)20～60,60～100cm和100～160cm土壤鹽分的估計(jì)方差,分別達(dá)167.36%,132.68%和114.02%,各土層含水量對(duì)相應(yīng)土層鹽分協(xié)同克立格法估值的估計(jì)方差減少百分?jǐn)?shù)的變化范圍為11.19%～24.77%。通過(guò)以上的具體分析,說(shuō)明了在黃河三角洲地區(qū)用土壤含水量對(duì)鹽分進(jìn)行CoKriging估值,結(jié)果較Kriging方法精度稍高。加入表層土壤鹽分采用CoKriging方法來(lái)估測(cè)深層土壤鹽分,可以大幅降低估測(cè)誤差,極大提高土壤鹽分估值的精度。采用表層土壤鹽分對(duì)深層土壤鹽分進(jìn)行CoKriging估值的精度要明顯高于采用土壤含水量。這不僅為土壤鹽分的空間估值提供了更為高效、準(zhǔn)確的方法,同時(shí)也為該地區(qū)鹽漬化土地的分區(qū)、改良、管理和合理利用提供了理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。3不同土層鹽分的空間分布規(guī)律和相(1)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析和正態(tài)分布性檢驗(yàn)表明:各土層鹽分(其中0～20cm土層鹽分含量經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化)和含水量均服從正態(tài)分布。土壤鹽分均屬于中等變異強(qiáng)度,平