黄河三角洲典型地块土壤盐分空间分布特征

黄河三角洲典型地块土壤盐分空间分布特征

土壤计数是研究土壤特征的空间变异或其他农业区特征的一种有效方法。已有的研究涉及到了众多土壤物理、化学与生物学性质,但这些研究大多集中在单一土壤特性的空间变异分析上。近年来的研究发现,许多土壤性质在空间上并不是完全独立的,而是在一定范围内存在空间上的相关性。因此,分析土壤特性参数自身和各参数之间的空间关系,以此确定合理的取样间距,对未测点估值,具有重要的理论和实践意义。从20世纪70年代开始,国外就开始了土壤性质空间变异性的研究。80年代后,Burgess和Webster等人将区域化变量理论和Kriging及Co-Kriging估值方法引入这一研究领域,使之定量化,推动了研究的向前发展,目前这已成为土壤科学的热点问题之一。自80年代中期以来,Kriging及Co-Kriging估值方法被逐渐引入到土壤盐分的空间变异以及水盐运动规律的研究中,目前有关这方面的研究国内已有很多比较详细的报道。至今,国内大部分研究以内陆平原地区为主,而对河口地区及海涂土壤特征空间变异性的研究较少。本文以黄河三角洲地区典型地块为例,分析和研究了土壤盐分含量的空间变异性,探讨了田间土壤含盐量Kriging和CoKriging估值方法,旨在为野外土壤盐分预测提供方法,并为黄河三角洲地区盐渍化土壤分区、改良和利用提供一定的理论参考和科学依据。1研究领域的总结和研究方法1.1研究区土壤条件试验地点位于山东省垦利县永安镇以“东七村”与“东义和村”为主体的研究区内,地理位置118°47′～118°50′E,37°33′～37°34′N,地处北温带大陆性季风型气候带,四季气候变化明显,降水量时空分布不均,主要集中在7～8月份,占全年降水量的70%,年均蒸降比为3左右。该区东临渤海,属典型黄河下游三角洲地区,黄河多次改道,使沉积物多次交叠,形成了砂黏相隔层次。由于土壤直接发育于海相沉积物,再加上成陆过程中受海水强烈的浸渍侧渗,地下水矿化度较高,平均矿化度为30.1g·L-1,最高达60.9g·L-1;地下水埋深较浅,一般在1.6～2.4m,使得研究区内土壤中含有较多的可溶性盐分。滨海潮盐土是该区最主要的盐土类型。由于当地缺乏蓄水工程,雨季水量丰富但不能调蓄,非雨季淡水资源紧缺,农田灌溉一般采用当地微咸水,土壤含盐量总体上呈现“积盐—淋溶”动态变化趋势。土壤中高可溶性盐分成为制约当地农业生产的最重要因素。本试验选取东西长约3.75km、南北宽约1.6km的长方形地块作为研究区域。在试验区内局部盐分较低处,作物种植模式主要为“小麦-棉花”;在盐分较高处,植物群落以盐生植物,如茅草、盐蒿、杞柳等为主;在高盐分处,以裸露的盐斑地为主。1.2学习方法1.2.1采样点剖面位置及相对坐标系的确定采样点的位置、数量根据当地土质、植被类型等因素来确定。共挖取86个剖面,其中棉花地32个,盐蒿地18个,茅草地14个,其余样点均为光板地。每个采样点剖面按0～10,10～20,20～40,40～60,60～80,80～100,100～120,120～140,140～160,160～180,180～200cm进行分层采样。实际采样至地下水位为止。各采样点的相对坐标采用差分GPS定位技术确定。采样日期为2004年10月中下旬,正处于棉铃吐絮期。1.2.2浸提液电导率与土壤全盐含量的关系采集的土样带回实验室内自然风干、磨碎、过2mm筛后备用。所有的土样均制备1∶5土水比浸提液,并测定其电导率EC1∶5;从以上采集的土样中选取24个土壤剖面,共计246个土壤样品,用于测定其离子组成。测定方法参考《土壤农业化学分析方法》一书,采用常规分析法(土水比1∶5)确定土壤各离子组成含量,计算出相应的土壤全盐含量,进一步可以得出该区土壤全盐含量与浸提液电导率之间的换算关系:St=2.9995EC1∶5-0.2269(r=0.994**,n=246)(1)式中:**表示显著性水平在p<0.01;St表示土壤全盐含量(g·kg-1);EC1∶5为1∶5土水比土壤浸提液电导率(ms·cm-1)。对于其余未测定离子组成的土壤样品,其全盐含量可由浸提液电导率EC1∶5经上式(方程1)换算得到。由于部分采样点剖面的地下水埋深小于2.0m,为研究方便,本文选取0～20,20～60,60～100,100～160cm各土层的平均盐分含量作为研究对象。各研究土层的平均含盐量可以认为是由采样土层按等质量混合而成,从而通过深度加权法计算得出。2结果与分析2.1不同深度土壤盐分分布特征对0～20,20～60,60～100cm和100～160cm各土层盐分含量进行经典统计分析,统计特征值列于表1。由于变异函数的计算一般要求数据符合正态分布,否则可能存在比例效应。通过Kolmogorov-Smirnov法进行正态检验(p<0.05,2-tailed)发现,表层0～20cm土层含盐量不服从正态分布,经对数转化后呈正态分布,变异函数计算采用的数据为对数转化后的数据。其余各土层的盐分含量均符合近似的正态分布,已满足地统计学分析的要求,因此,未对原始数据作对数转化,随后的分析都是根据原始数据进行的。从表1可以看出,各土层盐分的特征参数值均表现出明显的差异性。从变幅来看:0～20cm土层盐分含量的变化幅度为35.71g·kg-1,而20～60,60～100,100～160cm土层含盐量的变化幅度分别为19.84,20.95g·kg-1和17.50g·kg-1。表层土壤盐分的变幅最大,随着土壤深度的增加,土壤盐分的变幅均有所下降。从平均值来看,盐分变化范围在7.06～10.45g·kg-1之间,总体上属于重盐土类型(含盐量大于4.0g·kg-1)。说明土壤高度盐渍化是制约该区农业生产的重要因素。此外,不同深度盐分含量的均值差异较大,说明各层土壤平均盐分含量在垂直方向上变异较强,也就是说总体上盐分分布具有一定的表聚性。从变异系数来看,各土层含盐量的变异系数相差较大,分别为0.78,0.68,0.65和0.56,均呈现中等变异强度。造成这种现象的原因在于,区内局部地势起伏、土地利用方式的差异、灌溉制度以及耕作方式不同等。随着土壤深度的增加,这些因素对盐分的影响逐渐减弱,导致盐分在水平方向上的变异逐步趋弱,表现为含盐量的变异系数,随深度增加而不断减小。对土壤盐分的传统统计分析只能概括其全貌,不能反映局部的变化特征,即只在一定程度上反映总体状况,而不能定量地刻画土壤盐分分布的随机性和结构性、独立性和相关性。为了解决这些问题,必须进一步采用地统计学方法进行空间变异结构的分析和探讨。2.2固有变异引起的空间差异半方差函数的理论模型及参数的确定可参考文献,根据半方差函数的理论及计算模型获得表2和图1。由图1看出,各土层盐分的半方差理论模型均较符合高斯模型。表2中,C0为块金值;C0+C1为基台值;D为分维数;C0/(C0+C1)可以表明土壤性质空间相关性的程度。如果C0/(C0+C1)小于25%,表现为强空间相关性;在25%～75%之间,空间相关性中等;大于75%,空间相关性很弱;若比值接近于1,说明在整个尺度上具有恒定的变异。各土层盐分的块金值C0均为正值。说明,存在着由采样误差、短距离的变异、随机和固有变异引起的各种正基底效应。各土层土壤盐分的块金值/基台值变化范围在0.37～0.66之间,均表现为中等的空间相关性。分维数的变化范围在1.84～1.92之间,其中分维数最高的是表层0～20cm,最低的是底层100～160cm,且随着深度的增大,对应土层的分维数越小。尽管分维数的差别不是很大,但仍然可以看出随机性和结构性因素引起的空间异质性程度的不同。0～20cm土壤盐分的分维数最高,由随机性因素引起的空间差异性程度最高,占到66%。这说明,表层各样点之间盐分的差异主要来自施肥、耕作措施等随机性因素。100～160cm土壤盐分的分维数最低,由随机性因素引起的空间差异性程度最低,只占到37%。说明,该土层各样点之间盐分的差异主要是由于母质、地形等结构性因素引起的。这是因为随机性因素强,结构性差,结构性差意味着分布复杂,从而分维数高。相反随机性弱,结构性好,分布简单,从而分维数低。从表2可以看出,块金值越低,块金值与基台值之比也越低;块金值越高,块金值与基台值之比也越高,这同分维数的变化是一致的。从自相关距来看,各层土壤盐分的自相关范围在2779～3176m之间,差异不大,这说明各层土壤盐分的空间自相关变化的尺度是相同的。其原因是该区长期受海水强烈的浸渍侧渗作用,地下水的矿化度极高(平均值为30.1g·L-1,最高值达60.9g·L-1),且埋深多介于1.6～2.4m,再加上该区独特的气候、微地形等条件的作用,引起地下水中可溶性盐类与土壤盐分间的频繁交换以及各土层盐分含量的周期性动态变化,使得土壤盐分组成与含量在很大程度上受着地下水性质的影响。这些因素的综合作用导致各土层盐分的空间自相关距趋于一致的现象,这也说明在一定的范围内各土层盐分的分布存在着空间上的相关性。2.3土壤盐分的空间分布为准确直观地描述各层土壤盐分在空间上的分布,本研究采用块段插值法(BlockKriging)进行空间内插。块段插值的估计要优于点插值,尤其是在块金效应较高时。Kriging插值是借助于地统计软件GS+5.0完成的,插值结果以SURFER软件能读取的Krg格式存储;其中0～20cm土层含盐量的插值结果须通过计算转为实际的土壤盐分含量,最后得到各层土壤含盐量的空间分布及等值线图(图2),所有图形的制作均是通过SURFER8.0完成的。从各层土壤盐分的空间分布及等值线图(图2a,2b,2c和2d)来看,各土层含盐量的空间分布均呈现出条带状和斑块状格局。从整体上看,试验区土壤含盐量东部高于西部,西南部位高于西北部位,且各土层盐分含量的分布在空间上存在着较强的相关性。从空间尺度来看,含盐量最低值均分布于试验区的西北部位,土壤盐分从东部向西北角逐渐降低,即含盐量沿着海岸线向腹地的延伸方向呈现显著下降的趋势。其原因是地下水中可溶性盐类是导致研究区土地盐渍化最主要的因素,也是土壤盐分的最主要来源,因此,各土层含盐量总体表现出与地下水矿化度相似的空间分异规律。此外,由于试验区的西部土壤盐分相对较低,土地利用方式以棉花种植为主,因此,频繁的人为农业活动可能也是加快这种盐分分布格局形成的重要因素。从局部上看,表层0～20cm土壤含盐量最高值在试验区的中间部位,在坐标值(500～1500m,2000～2500m)范围内空间变异性最大,而其余各土层含盐量最高值在试验区东部,且土壤含盐量的空间变化相对平缓。其原因是表层土壤盐分空间分布是与微地形、气候条件、地下水性质等因素密切相关。由于试验区的该部位微地形起伏较大,在旱季持续的强烈地表蒸发作用下,深层土壤以及地下水中的可溶性盐类借助毛细管作用上升,并积聚于表层土壤,导致该部位地势较高处表层土壤盐分的积聚性和空间变异性要明显强于其它部位。随着深度的增加,微地形、气候条件等因子对盐分空间分布的影响程度逐渐弱化,而地下水性质对土壤盐分空间分布的主导作用越来越明显。事实上通过对研究区土壤盐分状况的实地调查,该部位绝大部分为裸露的盐斑地。2.4不同协同克立格法对不同cm土壤盐分的估计方差黄河三角洲地区独特的气候、水文水资源、地形地貌以及土壤等条件决定了该区不同层次的土壤盐分在空间上并不是完全独立的,而是在一定的范围内存在空间上的相关性。探讨该地区不同土层含盐量之间的空间关系,可为采样间距的合理确定以及野外土壤盐分的预测提供一定的理论基础和科学依据。选取表层0～20cm土壤盐分分别对20～60,60～100cm和100～160cm土壤盐分进行CoKriging估值。为更加准确地比较普通克立格法与协同克立格法的估值精度,分别计算了运用普通克立格法和协同克立格法进行估值时的估计方差的总和(表3)。从表3可以看出,各组协同区域化变量的协同克立格法估计方差均比普通克立格法估计方差要小,估计方差减少百分数的变化范围为114.02%～167.36%,其中,最大的是表层0～20cm土壤盐分对20～60cm土壤盐分的估计方差,达167.36%;最小的是表层0～20cm土壤盐分对100～160cm土壤盐分的估计方差,为114.02%。上述分析说明,在黄河三角洲地区加入表层土壤盐分,采用CoKriging方法来估测深层土壤盐分,可以大幅降低估测误差,提高土壤盐分估值的精度。这不仅为土壤盐分的空间估值提供了更为高效、准确的方法,同时也为该地区盐渍化土地的分区、改良、管理和合理利用提供了理论基础和参考依据。3影响表层土壤盐分空间分布的因素(1)经典统计分析和正态分布性检验表明,各土层盐分含量(其中0～20cm土层盐分含量经对数转化)和含水量均服从正态分布。土壤盐分的变异系数在0.56～0.78之间,属于中等变异强度,平均盐分含量在垂直方向上变异较强。总体上,盐分分布具有一定的表聚性。(2)空间结构性分析表明,各土层含盐量在一定的区域范围内具有空间结构特征,均较好地