基于時空變異性的海涂圍墾區(qū)棉田分區(qū)管理研究

基于時空變異性的海涂圍墾區(qū)棉田分區(qū)管理研究

浙江省豐富的海洋資源。這些海涂資源的開發(fā)和恢復(fù)可以很好地緩解該省人口和耕地之間的矛盾。過去30年來,在浙江省共有40萬hm2的灘涂被圍墾為農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)用地。在本研究區(qū)浙江省上虞市,已經(jīng)圍墾了大約1.7萬hm2的海涂區(qū),并使其成為該市重要的糧、棉、果和水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)。由于特殊的母質(zhì)和成因,以及圍墾措施和種植利用的不同,圍墾區(qū)土壤特性尤其是鹽分發(fā)生了較大的變異性,從而引起作物種植類型以及產(chǎn)量的變異。因此,精確的土壤鹽分的時空變異分析,并據(jù)此所進行的分區(qū)管理研究,對當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門和農(nóng)戶進行科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。本研究利用地統(tǒng)計學(xué)方法,在ArcInfo平臺上對海涂圍墾區(qū)鹽堿地土壤鹽分的時空變異性進行研究的基礎(chǔ)上,產(chǎn)生一個綜合的管理分區(qū)圖,并利用棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)來驗證和評價所生成的管理分區(qū)的適用性以及海涂圍墾區(qū)進行鹽分精確管理的可能性。1土壤鹽分含量研究區(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(nóng)場。該地屬于亞熱帶區(qū)域,自然植被為常綠闊葉林,年平均溫度16.5℃,年均降水量為1300mm。土壤主要來自于海洋和河流沉積物,土壤質(zhì)地以輕壤土或砂壤土為主。土壤類型是粗松咸砂土,剖面發(fā)育不明顯,同一剖面上下層質(zhì)地較為均勻。近年來該區(qū)已被連續(xù)墾種。由于圍墾措施和種植利用的不同,反映土壤鹽分含量的指標(biāo),土壤電導(dǎo)率的變異相當(dāng)顯著。本研究的地塊為一圍墾于1996年的棉田,面積為10.5hm2。2ecb與ec15的相關(guān)性運用網(wǎng)格采樣法(間距為20～80m),通過一個便攜式電導(dǎo)率測定計,在表土(0～20cm)共測得122個土壤體積電導(dǎo)率(bulkelectricalconductivity,簡稱ECb)數(shù)據(jù)。在每個網(wǎng)格點1m的圓周范圍內(nèi)共采集樣品5個,取其平均值作為該網(wǎng)格點的ECb值。差分GPS被用來進行樣點定位。采樣日期分別為2003年12月30日,2004年4月29日,2004年9月5日。在每次采樣時,在一定的點位上同時采集部分土壤樣品,經(jīng)自然風(fēng)干后,制成水土比為5∶1的浸提液,在室內(nèi)利用傳統(tǒng)電導(dǎo)率測定儀對其進行EC1∶5的測定,并與對應(yīng)點位上野外得到的ECb進行比較。同時于2004年秋,在相應(yīng)的土壤采樣網(wǎng)格點共測得122個棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)(籽棉產(chǎn)量)。3個采樣時期上野外測得的土壤ECb與室內(nèi)測得的EC1∶5之間具有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)都達到88%以上。經(jīng)過分析,得到了ECb與EC1∶5之間的一個平均的回歸方程:y=0.798x+18.3。這里y表示EC1∶5讀數(shù),x表示ECb讀數(shù)。3學(xué)習(xí)方法3.1空間特征提取地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ),以變異函數(shù)為基本工具,研究那些在空間上具有隨機性和相關(guān)性的自然現(xiàn)象的科學(xué)。半方差函數(shù)用來描述區(qū)域化變量的空間相關(guān)特征?？肆⒏穹ㄓ脕韺ξ床蓸狱c的區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估值。本研究采用ArcInfo平臺對3個采樣時期上的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進行常規(guī)統(tǒng)計和地統(tǒng)計分析,采用普通克立格法對未采樣點進行插值并制圖。3.2ecb穩(wěn)定性評估海涂圍墾區(qū)土壤鹽分的空間趨勢可用空間趨勢圖表示?？臻g趨勢圖通過計算每個樣點3次采樣時期上ECb的平均值(見公式1),并經(jīng)克立格內(nèi)插得到,它表示了田間穩(wěn)定的高鹽區(qū)和低鹽區(qū)。式中:ECbit——表示第i個樣點在第t個采樣日期上所測得的ECb;n——采樣次數(shù),本研究中n=3。海涂圍墾區(qū)土壤鹽分時間變異性用時間穩(wěn)定性圖表示。時間穩(wěn)定性圖通過計算3次采樣得到的ECb的變異系數(shù),并經(jīng)克立格法內(nèi)插得到。該方法最初由Blackmore提出,并應(yīng)用于糧食作物產(chǎn)量的時間穩(wěn)定性評估。變異系數(shù)公式:CVi=(n×Σi=1nEC2bit?(Σi=1nECbit)2)/(n×(n?1))√(Σt=1nECbit/n)CVi=(n×Σi=1nECbit2-(Σi=1nECbit)2)/(n×(n-1))(Σt=1nECbit/n)(2)利用ArcGIS軟件的疊加分析功能將空間趨勢圖和時間穩(wěn)定性圖進行疊置,得到一個包含了時空變異信息的新的圖層。由EC1∶5和ECb之間關(guān)系式以及研究區(qū)土壤全鹽含量與EC1∶5之間的經(jīng)驗關(guān)系式,可以得到研究區(qū)土壤全鹽含量。根據(jù)鮑士旦對濱海鹽土的分級,得到如表1所示的分級指標(biāo)1。指標(biāo)2是將變異系數(shù)CVi與30%相比,CVi大于30%認(rèn)為鹽分的變異是不穩(wěn)定的,小于30%則認(rèn)為是穩(wěn)定的。將這兩個指標(biāo)進行組合,可以將研究區(qū)劃分為非鹽化區(qū)(NS),中等鹽化和穩(wěn)定區(qū)(MSS),中等鹽化和不穩(wěn)定區(qū)(MSU),重度鹽化和穩(wěn)定區(qū)(SSS),重度鹽化和不穩(wěn)定區(qū)(SSU)5個管理級別,并制圖輸出。4結(jié)果與分析4.1適當(dāng)增加了作物生長和管理措施不均勻的作物調(diào)3個不同采樣時期上土壤鹽分的統(tǒng)計特征值見表2?？梢钥闯?3個時期上鹽分的平均值沒有較大差異,但變異系數(shù)都較高,都達到了55%以上。這種較高程度的變異性主要由不均勻的作物生長和管理措施的不同引起。另外,利用K-S檢驗法檢驗了鹽分的分布類型,發(fā)現(xiàn)3個采樣時期上鹽分都呈正態(tài)分布,這為開展進一步的結(jié)構(gòu)分析提供了前提。4.2研究區(qū)土壤鹽分的空間分布ECb的空間變異性呈現(xiàn)出了一種各向同性的行為,它們都具有較好的空間連續(xù)性且都能用球狀模型來擬合(見表3)。3個耕作時期上鹽分的半方差值呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。變程和塊金系數(shù)與基臺值的比值在3個時期上都沒有較大的改變,表明鹽分變異的空間結(jié)構(gòu)在時間上保持了相對穩(wěn)定。塊金系數(shù)主要來自于小于抽樣間距上的變異性或抽樣誤差。塊金系數(shù)和基臺值的比值可以作為劃分土壤特性空間相關(guān)性的一個指標(biāo),3個時期上的塊金系數(shù)和基臺值比值都小于25%,表明了鹽分具有強烈的空間自相關(guān)性,這種強烈的空間相關(guān)性通常跟內(nèi)部因素如土壤母質(zhì)和其他成土因素有關(guān)?？臻g自相關(guān)距離在120.4～164.2m之間變動,表明本采樣間距(20～80m)對量化該研究區(qū)的鹽分變異是足夠的。Hajrasuliha等的研究表明80m采樣網(wǎng)格上土壤鹽分的空間相關(guān)距離達到了800m。Agrawal等發(fā)現(xiàn)表土鹽分的空間自相關(guān)性變程在46～119m之間變化,主要依賴于采樣的格網(wǎng)間距大小。Miyamoto等發(fā)現(xiàn)所研究的土壤鹽分沒有空間結(jié)構(gòu),主要因為采集的樣本太少或采樣間距對所研究的區(qū)域不合適。這些結(jié)果進一步證明采樣間距和鹽分的內(nèi)在變異性影響鹽分的結(jié)構(gòu)方差和空間自相關(guān)性距離。采用克立格內(nèi)插法對未采樣點的ECb含量進行預(yù)測,得到3個時期鹽分的空間分布圖(圖1)?？梢钥闯?3個時期上的鹽分具有相似的分布模式,都是東部區(qū)域鹽分含量高而西部和北部區(qū)域低。這是因為研究田塊的東部有大片魚塘,大量的地下水入滲到田塊東部區(qū),使之受地下水返鹽影響強烈,導(dǎo)致其表土鹽分升高。此外,由于該海涂區(qū)土壤類型為粗松咸砂土,質(zhì)地疏松,土壤毛管活動十分強烈。據(jù)有關(guān)測定,其暴曬法的毛管上升高度可達2.5～3.0m,即埋深3m的含鹽地下水都能通過毛管作用上升到地表積鹽。這種性質(zhì)形成了土壤“脫鹽快,返鹽也快”的特點,在外因的作用下,如氣候連續(xù)干旱無雨的條件下,就會導(dǎo)致返鹽。即鹽分在土壤剖面中隨上升水流升到地面,水分蒸發(fā),鹽分積聚在表層土壤。西部和北部區(qū)較低的含鹽量主要由土壤管理措施引起。計算出每個點的平均ECb,并經(jīng)克立格內(nèi)插法,得到鹽分分布的空間趨勢圖(圖2)。從圖中可以得知研究區(qū)總體的高鹽區(qū)和低鹽區(qū),以及受鹽分影響的程度以采取的相應(yīng)脫鹽措施。還可以根據(jù)每種作物的耐鹽水平,使農(nóng)戶清楚了解研究區(qū)的適種作物。事實上,棉花是本研究區(qū)種植的主要農(nóng)作物,這主要是因為棉花具有較高的耐鹽上限。據(jù)有關(guān)測定,棉花生長的耐鹽上限高達770mS/m。如果其他一些耐鹽性低的作物要在本研究區(qū)種植,則必須采取一定的措施來降低鹽分含量,否則就難以獲得較高的生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。4.3重度鹽化情況對作物生長和鹽化過程的影響計算每個采樣點ECb在時間上的變異系數(shù),并由克立格內(nèi)插法得到研究區(qū)鹽分分布的時間穩(wěn)定性圖(見圖3),從而可以幫助了解鹽分隨時間的變化趨勢,理解在不同條件下這種時間上的異質(zhì)性對作物的影響。有趣的是,可以發(fā)現(xiàn)重度鹽化的東部區(qū)顯示了鹽分變異在時間上的相對穩(wěn)定,變異系數(shù)小于30%,而鹽分含量較低的西部區(qū)域卻呈現(xiàn)了時間上的不穩(wěn)定性。這種情況的發(fā)生是一種特例還是普遍現(xiàn)象有待于進一步分析和調(diào)查。4.4田間分區(qū)的確定圖4(左)是結(jié)合了時間變異性和空間變異性而制作的管理分區(qū)圖。該圖顯示了4個不同的潛在管理子區(qū),分別是中等鹽化且穩(wěn)定區(qū)(MSS),中等鹽化且不穩(wěn)定區(qū)(MSU),重度鹽化且穩(wěn)定區(qū)(SSS),重度鹽化且不穩(wěn)定區(qū)(SSU)。為了驗證所劃分的管理子區(qū),棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)也經(jīng)克立格插值從而得到棉花產(chǎn)量的分布圖,并與管理分區(qū)圖比較,來檢查這些不同管理區(qū)上實際的作物生產(chǎn)水平(圖4,右)?？梢钥闯?棉花產(chǎn)量與管理分區(qū)圖吻合地很好?？偟膩碚f,MSS區(qū)具有最高的棉花生產(chǎn)能力,MSU區(qū)次之,而SSS和SSU區(qū)的棉花產(chǎn)量最低。該結(jié)果也表明棉花產(chǎn)量更多地受到鹽分的空間變異性而非時間變異性的影響。F檢驗用來對不同分區(qū)內(nèi)的平均ECb,CVi及實測的棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行均值比較和檢驗(表4)。結(jié)果顯示不同管理分區(qū)內(nèi)的平均ECb,CVi及實測的棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)的均值在95%的置信區(qū)間內(nèi)具有顯著差異。因此,基于海涂圍墾區(qū)土壤鹽分的時空變異性來定義田間管理分區(qū)是可行的。通過研究田間土壤鹽分、作物產(chǎn)量等在時間和空間上的變異性,制作反映土壤鹽分分布和作物產(chǎn)量變異的圖件,據(jù)此定義精確的管理分區(qū)并對之實施不同管理措施,可以為研究區(qū)進行定點和精確的田間管理提供手段,為海涂圍墾區(qū)實施精確農(nóng)業(yè)提供前提和基礎(chǔ)。5空變異特性與土壤樣品的處理利用空間管理工具來定義田間精確管理分區(qū)已成為精確農(nóng)業(yè)近年來的研究熱點。本研究在GIS支持下,利用地統(tǒng)計學(xué)工具并結(jié)合傳統(tǒng)統(tǒng)計方法量化了海涂圍墾區(qū)土壤鹽分的時空變異性,并根據(jù)時空變異特性定義了4個異質(zhì)性管理子區(qū),對具有相似變異性的區(qū)域?qū)嵭刑囟ǖ奶镩g管理。研究表明海