濱海鹽土三維土體電導率空間變異模擬

濱海鹽土三維土體電導率空間變異模擬

土壤是具有三維性的自然空間。人們不僅關心二維平面信息，還關心垂直方向上的第三方信息。然而，目前土壤屬性空間變異的研究主要集中在水平方向上。即使是以土壤屬性三維變異特性描述為目的的研究,也僅僅局限于用一系列水平層來描述土壤不同深度土層的屬性變化,沒有考慮上下層之間的相互影響。土壤鹽分作為濱海鹽土區(qū)農業(yè)生產的一個重要限制性因子,影響著土壤質量和作物產量,嚴重時導致農用土壤的荒棄。1m深度范圍內,濱海鹽土的鹽分含量隨降雨、蒸發(fā)、微地形等因素變化明顯。因此,研究濱海鹽土三維土體鹽分的空間變異規(guī)律對于海涂土壤改良、濱海鹽土區(qū)農業(yè)的精確管理具有重要意義。通常三維空間的原始數據均是離散的,插值是間接獲取相關信息的常用手段之一。目前,常用的三維空間插值方法大都由二維插值方法擴展而來,主要有逆距離權重法、克立格插值法等。但是這些研究主要應用在地質采礦中,而在土壤科學中應用還很少。國際上,在土壤養(yǎng)分、液化勢三維空間變異等方面有所報道,但同類研究極其有限。本研究采用EM38大地電導率儀和線性預測模型來獲取剖面土壤表征電導率(SoilApparentElectricalConductivity,ECa),并以此為數據源,利用三維普通克立格方法進行三維土體電導率空間變異預測和模擬,為地統計學在土壤科學領域(土壤環(huán)境污染、土壤溶質運動等)的研究提供了新的方法。1材料和方法1.1采樣點定位和采樣時間研究區(qū)位于浙江省上虞市西北地區(qū)、杭州灣南岸的海涂實驗農場。以近似格網采樣法在每個格網點1m的圓周范圍內采集有代表性的成熟水稻植株3叢,共采集192個水稻產量樣品,并用DGPS對采樣點進行定位。水稻樣品經自然風干后測量其平均穗重作為該網格點的水稻產量,采樣時間是2006年10月20日。EM38在地表0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.75、0.9、1.0、1.2、1.5m等11個不同高度同時采集水平、垂直模式下的ECa,共采集了56個樣點,采樣時間為2006年12月20日。研究區(qū)及采樣點的空間分布模式見圖1。1.2空間特征參數的計算三維普通克立格插值法是在給定一個隨機過程的實測值的條件下,得到該過程的無偏最優(yōu)估計。它是一種局部估值的加權平均,通過半方差函數確定各實測點的權重。三維插值意味著首先必須在三維空間上進行采樣,進而分析三維方向上的半方差。在本征平穩(wěn)假設條件下,下列變異函數成立:λ(h3)=12N(h3)∑N(h3)i=1[Z(x1)?Z(x1+h3)]2λ(h3)=12Ν(h3)∑Ν(h3)i=1[Ζ(x1)-Ζ(x1+h3)]2(1)式中,h3表示點對之間的三維空間距離,γ(h3)為所有空間相距h3的點對的平均方差,N(h3)是在空間上具有相同間隔h3的離散點對數目,Z(xi)和Z(xi+h3)分別為點xi和與xi相距h3的點的觀測值。在本研究中,首先單獨分析水平、垂直方向的半方差,然后組合這兩個方向上的半方差為3D半方差模型。如果變異函數分析的結果表明該屬性的空間相關性存在,則可以利用三維普通克立格進行插值。其公式為:Z?(x0)=∑ni=1λiZ(xi)Ζ*(x0)=∑ni=1λiΖ(xi)(2)式中,Z*(x0)為待估點x0處的估計值,Z(xi)為實測值,λi為根據半方差分配給每個實測值的權重且∑λi=1。n為參與x0點估值的實測值的數目。1.3交叉檢驗restitution此外,采用二維普通克立格法分別對10個土層的電導率進行預測,將112個樣點的二維普通克立格預測結果和三維普通克立格預測結果分別進行交叉檢驗分析。交叉檢驗(Cross-validation)用來評價以上兩種方法的預測精度。均方根誤差(RMSE)、預測值與實測值的相關系數(r)用來表征預測的精度。均方根誤差越小、相關系數越大則預測的精度越高。2結果分析2.1深度和土壤鹽分分布預測利用EM38電導率線性響應模型結合Tikhonov正則化方法反演56個剖面在0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.675、0.825、0.95、1.10m這10個深度的土壤電導率值(圖2)。預測結果分析如表1所示。從表1可知,整個土壤剖面的電導率最大值為410.6mSm-1,最小值為25.33mSm-1;從單個土層電導率來看,最大值、平均值隨著深度的增加而增加。從圖1可直觀地看出,研究區(qū)的東南部分電導率明顯大于北部地區(qū);土體剖面上下層電導率空間變化相對較大,底層的電導率明顯大于上層土壤,說明隨著深度的增加土壤鹽分越來越高。最后,在每個剖面中,隨機選擇2個點作為交叉檢驗樣點,其他8個樣點進行三維空間預測插值。2.2模型參數及半方差通過聯合水平、垂直半方差模型,構建一個包含一個塊金效應模型和三個球狀模型的三維各向同性半方差套合模型。第一套合結構表示一個非常小的3D全向性塊金效應模型,塊金值C0;第二、三、四套合結構均為3D各向同性模型,包括全向性基臺值C1和水平、垂直方向變程a。表2提供了各模型的參數。由于垂直變程0.75m相對水平變程87.7m較小,根據套合模型進行三維半方差可視化時不能較好地表達垂直變程對三維半方差的影響,故將垂直變程放大100倍,與水平變程相當。圖3中角度a、b分別表示待預測點與實測點之間的連線與X軸和XY水平平面的夾角。由于半方差函數結構不存在各向異性,因此角度a的變化對半方差值沒有影響。圖3為半方差值隨角度b變化的三維半方差圖,其中0°、180°、360°表示水平方向,90°、270°表示垂直方向。從圖3可以看出,由于不考慮各向異性,和二維各向同性半方差模型一樣,模型具有對稱性。2.3土壤壓變化特征采用三維克立格方法進行土壤電導率空間插值,由于垂直方向土層深度的變化范圍較小,為了獲得更佳的可視化效果,垂直方向擴大50倍(圖4)。圖4a為研究區(qū)三維土體1.1m深度范圍內土壤電導率的空間變異圖。電導率越高,土壤鹽分越高。從圖4a表層土壤電導率等值線可以看出,研究區(qū)的北部區(qū)域電導率相對較小,而東南部角落的土壤鹽分較高。這是由于東面田塊靠近成片的養(yǎng)殖魚塘,而魚塘內的水為淡鹽水,通過地下水滲透到田塊的土壤底層,然后隨著水分的蒸發(fā)鹽分向上層土壤運移而鹽分升高。從圖4a的正側面可以看出,土壤電導率隨著土壤深度的增加而變大,剖面上土壤電導率變異表現出較好的連續(xù)性。由于三維空間的特殊性,一張靜態(tài)的三維空間變異圖還不足以直觀地將整個研究區(qū)的電導率三維空間變異情況均表示出來。圖4b、圖4c和圖4d分別為研究區(qū)三維土體1.1m深度范圍內電導率分別大于100、200、300mSm-1的土壤電導率三維空間分布情況。從這四張系列圖,可以清楚看到隨著土壤電導率值的增加,大于相應閾值的土壤分布范圍越來越小。在垂直剖面上,南部區(qū)域的鹽分明顯大于北部區(qū)域;隨著土層深度的增加,鹽分越來越高,且東南部明顯大于西北部區(qū)域。顯然,土壤剖面特性的三維空間插值預測和制圖技術,使土壤特性在三維空間上的變化趨勢表達的更清晰直觀,為科學合理地制定農田改良或種植計劃提供決策依據。經交叉檢驗分析,二維、三維克立格方法的預測均方根誤差(RMSE)分別為41.29、27.49mSm-1,三維克立格法較二維克立格法RMSE降低了33.42%。預測值和實測值之間的相關系數(r)由二維克立格法的0.858提高至三維克立格法的0.902,提高了5.13%。顯然,三維克立格方法的預測精度高于二維克立格法,其原因在于三維克立格預測插值時考慮了上下層采樣點之間的空間相關性。3與二維克立格法預測精度比較1)研究結果表明,通過構建一個包含一個塊金效應模型和三個球狀模型的三維各向同性半方差套合模型能較好地描述電導率在三維空間上的空間相關性。2)三維普通克立格法進行剖面電導率插值預測,其預測精度優(yōu)于目前常用的二維普通克立格法的結果。三維克立格法較二維克立格法RMSE降低了33.42%,預測值和實測值之間的相關系數(r)提高了5.13%。其原因在