黄河三角洲地区地下水埋深与土壤盐分空间分布特征研究

黄河三角洲地区地下水埋深与土壤盐分空间分布特征研究

在分析区域水土资源特征时，通常会出现一些特定的值，这些值大于所有研究数据的算术平均值或平均值（或平均值），但这不是分析误差或采样方法等人为误差造成的。虽然仅占所有观测数据的一部分，但观测值通过正态分布（对数）影响变异函数的稳定性。目前解决途径主要有三种:一种是通过非线性变换(如平方根变换,对数变换,反正弦变换等)“平滑”这些特异值,对变换后的数据进行(地质)统计分析,最后再进行逆变换,目前只有对数变换可以应用对数正态克立格估值并转换回原尺度,其他变换没有相应的转换方法;另一个途径是剔除或用估计邻域和影响系数等方法处理特异值[1、2],但这些方法都在一定程度上破坏了变量空间变异的真实信息;第三种途径就是应用非参数地质统计学———指示克立格法进行分析。指示克立格是条件普通克立格的非参数形式,它可以在不必去掉重要而实际存在的特异值的条件下处理各种不同的现象,并能抑制特异值对变异函数稳健性的影响,因此是处理有偏数据的有力工具。有关指示克立格方法的研究与运用,国内已有较多详细的报道,例如李保国等应用指示克立格方法对华北冲积平原区浅层地下水硝酸盐含量进行评价,绘制了硝酸盐含量分布图及概率分布图;吴蓉等通过引入变异函数的孔穴效应模型,采用指示克立格方法对区域裂隙介质的渗透性参数进行了估值计算,证明了孔穴效应模型的适用性与Kriging方法的可行性;宋刚等以指示克立格法为基本工具分析了华北平原某地区含水层渗透性空间分布的结构特征,揭示了该地区含水层渗透性的各向异性特征,表明了指示克立格法用以描述含水层渗透性空间分布规律的适用性;徐英等利用指示克立格对黄河河套灌区盐渍化土地上关键时期的土壤水盐特征进行了空间分布的分析和不同尺度上农业水土资源质量的评价。本文针对黄河三角洲地区农业生产发展的土壤盐渍障碍因子,以该地区典型地块作为研究对象,综合运用GIS和指示克立格方法,对地下水埋深以及与作物生长关系最为密切的0~40cm深度土壤盐分这两个重要指标的空间变异性进行了综合分析与评价。旨在利用该方法在田间尺度农田的土壤质量评价中应用的这个例子为科学管理与合理改良利用黄河三角洲地区盐渍土地,研究该地区土壤盐渍化的发生机理、预测与评估该地区土壤盐渍化的发生发展提供一定的理论基础和参考依据。1试验材料和方法1.1潮土、盐土、矿化度试验地点位于山东省垦利县永安镇“东义和村”与“东七村”为主体的研究区域(图1),地处北温带大陆性季风型气候带,东临渤海,属典型黄河下游三角洲地区。该区四季气候变化明显,降水主要集中在7~8月份,占全年降水量的70%,年均蒸降比为3.22。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的浸渍侧渗作用,使得土壤含有较多的可溶性盐类,滨海潮盐土是该区最主要的盐土类型。区内地下水位普遍较高,多介于1.4~2.4m之间,平均矿化度为32.4g·L-1;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,这导致研究区地下水埋深及矿化度的季节性动态变化显著,再加上该区内地下水与土壤盐分互为“源-库”关系,由此也引起了土壤含盐量呈现“积盐-淋溶”的季节性动态变化。1.2学习方法1.2.1采样点分布及相对坐标的确定选取一块面积约520hm2的连续地块(东西间距约4.1km,南北间距约1.1~1.6km)作为研究区域,研究区域地势相对平坦,其南部边界为一条自西向东的灌溉渠,东南部位毗邻大片的养殖鱼塘。采样地界于东经118°47′~118°50′,北纬37°33′~37°34′之间,根据当地土质、植被类型等因素确定采样点的位置与数量,共挖取127个剖面,其中棉花(玉米)地38个,盐蒿地26个,光板地38个,其余均为杂草地,采样点分布如图1所示。由于研究区内地下水埋深较浅,每个剖面都挖到地下水流出,同时对剖面0~40cm深度土壤样品进行采集,共计采集127个样点的0~40cm深度土样与地下水埋深数据。各采样点的相对坐标采用差分GPS定位技术确定。样点采集分别于2004年10月中下旬及2005年9月下旬(均为旱季)分两次进行,正值棉铃吐絮期,一方面此时的地下水埋深对土壤次生盐渍化的影响较大,地下水性质受人为因素的影响也较小。另一方面9月中旬至来年3月地下水动态可视为相对稳定期,这时土壤盐分及地下水性质较为稳定,地下水的消退主要靠天然蒸发,而此时的蒸发量也是不大的。1.2.2土壤含盐量的测量地下水埋深:每个剖面都挖到地下水流出,待其水位稳定以后,用刻度尺测量其埋深。土壤含盐量: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,采用常规分析法测定8大盐分离子的含量,各盐分离子含量之和即为相应的土壤含盐量。2结果与分析2.1地下水埋深与土壤盐分的分布特征地下水埋深与土壤盐分的统计特征值如表1所示。0~40cm土壤盐分平均值达9.67g·kg-1,总体上属于重度盐化土类型(含盐量4.0~10.0g·kg-1),说明土壤高度盐渍化。按一般对变异系数值C.V.的评估,当C.V.≤10%时,为弱变异性,10%<C.V.≤100%为中等变异性,地下水埋深与土壤盐分的变异系数分别为31.87%和62.35%,地下水埋深的变异性要明显小于土壤盐分,但都属于中等变异强度。由图2所显示的频数分布图看出,地下水埋深与土壤盐分的分布具有明显的差异性。地下水埋深的偏度值较高,达-0.887,呈现出向右偏倚的分布特征,但在左侧的低值仍表现出高频数分布;土壤盐分的偏度值为0.696,其分布明显向左偏倚,且右侧由于特异值存在出现长尾现象。单样本Kolmogorov-Smirnov正态检验和对数正态检验(P<0.05,2-tailed)表明,地下水埋深并不服从正态与对数正态分布,土壤盐分则符合近似的对数正态分布。通过Cochran纯随机采样理论公式计算合理采样数量,在95%置信水平10%相对误差条件下,地下水埋深与土壤盐分的合理采样数目分别为40和153。由表1可以看出,土壤盐分的样点密度并不满足当前条件下的合理采样数量要求,但已满足90%置信水平10%相对误差条件下的合理采样数量(N=107)。2.2克立格估计结果统计特征(表1和图2)表明,地下水埋深呈非正态分布与土壤盐分呈对数正态分布,而且存在特异值,两者都会影响变异函数的稳健性,进而影响克立格估计结果;此外,尽管各种克立格方法能给出某个变量的空间分布图,但有时人们更感兴趣的不是某一点处地下水埋深或土壤盐分的具体值,而是大于(或小于)某一阈值,或处于某一范围内的该变量在空间上的分布概率。指示克立格法不仅能削弱偏态分布和特异值对变异函数及估计结果的影响,而且能有效地估计区域化变量的分布概率,成为解决这类问题的有力工具。2.2.1地下水埋深与土壤盐分条件概率的空间异质性及条件自相关性分析对地下水埋深与土壤盐分分别进行单元指示克立格分析,其计算的关键是选择阈值,本研究选择1.80m和6.0g·kg-1作为地下水埋深和土壤盐分的阈值。对于地下水埋深,置小于1.80m为1,否则为0;对于土壤盐分,置大于6.0g·kg-1为1,否则为0。选取1.80m和6.0g·kg-1分别作为地下水埋深和土壤盐分阈值的原因是多方面的:一方面,综合考虑黄河下游三角洲地区独特的水文水资源、地形地貌、土壤母质等条件导致该区土壤水盐运动极其活跃,再加上采样期正值旱季,使得研究区土壤与地下水之间盐分交换较为频繁,极易引起土壤盐渍化与次生盐渍化;另一方面,综合考虑研究区土壤盐渍化程度重,且当地种植制度和主要作物类型以棉花的一年单熟制为主,少部分是棉花-冬小麦的一年两熟制。对赋值后的地下水埋深与土壤盐分进行指示半变异函数分析,地下水埋深与土壤盐分的指示半方差分别符合球状模型和高斯模型,结果如图3所示。图3中,块金值C0通常表示由实验误差和小于实验取样尺度引起的变异;基台值C通常表示系统内总的变异;块金值/基台值表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例,它反映了土壤属性的空间依赖性,常被用作研究变量空间相关的分类依据[11、12]。分维数D为步长与半方差的双对数直线回归斜率,通过变量D值之间的比较,可以确定空间异质性(分形特征)的程度。地下水埋深与土壤盐分的块金值/基台值分别为44.0%和59.7%,均体现为中等的空间自相关性。这说明在当前阈值条件下,地下水埋深与土壤盐分条件概率的空间分布是由结构性因素(如气候、地形、土壤类型等)和随机性因素(如灌溉、耕作措施等各种人为活动)共同作用的结果。地下水埋深与土壤盐分条件概率的分维数分别为1.882和1.920,表明在当前阈值条件下,土壤盐分条件概率的空间异质性程度高于地下水埋深,且分维数与块金值/基台值变化表现出一致性,其原因在于随机性因素强,结构性差,结构性差则分布复杂,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。图4显示了地下水埋深(小于1.80m)和土壤盐分(大于6.0g·kg-1)的概率分布图。整体上看,研究区的地下水埋深小于1.80m的概率东部高于西部、南部高于北部,土壤盐分大于6.0g·kg-1的概率亦表现出同样的规律,地下水埋深与土壤盐分的条件概率在空间分布上存在着相似性,这从空间尺度上说明了地下水埋深与土壤积盐之间的关联性。地下水埋深与土壤盐分条件概率分布是多方面因素共同作用的结果。首先,由于研究区东临渤海,东部受海水的浸渍侧渗作用较西部强烈,表现为地下水埋深由东向西逐渐增加,而矿化度逐渐降低,这也是导致土壤盐分由东向西逐渐降低的直接因素。其次,研究区具有西高东低、北高南低的地形特点,且局部微地形起伏较大,在一定程度上影响着地下水埋深和土壤盐分的空间分布特征,这是地下水埋深与土壤盐分该空间分布格局形成的重要因素。再次,研究区东南部位毗邻大片人工开挖的养殖鱼塘,鱼塘中大量的地下水入渗到该区域,抬高了地下水位,在旱季持续地表蒸发作用下地下水返盐强烈,即地下水中的可溶性盐类借助毛细管作用上升并积聚于表土,导致该区域绝大部分为裸露的盐斑地。此外,研究区西部土壤盐分相对较低,土地利用强度较大,而在土壤盐分较高的东部,由于土地改良利用难度大,基本处于未利用状态,因此,耕作、灌溉、施肥等人为农业活动对地下水埋深与土壤盐分的空间格局也有不容忽视的影响。2.2.2研究区地下水土中盐分的单元概率分布由于黄河三角洲地区土壤水盐运动非常活跃,仅对土壤盐渍化(土壤盐分)单一变量进行考察是不全面的,还要综合考虑潜在盐渍化状况(主要指标为地下水埋深),为此,需要同时对地下水埋深和土壤盐分这两个指标的分布进行考察。多元指示克立格是(单元)指示克立格的简单外延,其目的是将多个研究指标(即变量)整合为一个指标,以便于分析和估值。多元指示克立格分析具体计算步骤如下:(1)分别为每个指标选择各自的阈值,本研究中地下水埋深与土壤盐分的阈值仍然取1.80m和6.0g·kg-1;(2)为每个指标建立指示函数并进行指示变换,即将地下水埋深小于1.80m与土壤盐分大于6.0g·kg-1的指示值都置为1,否则为0;(3)将多个指标合并为一个综合指标,当某采样点上m(m≤n,n表示变量数)个指示变换值如果都为1,则综合指标为1,否则综合指标为0;本研究m=n=2,即采样点上地下水埋深与土壤盐分均满足小于1.80m和大于6.0g·kg-1这两个条件时,综合指标为1,否则为0;(4)计算综合指标的指示半变异函数(图5);(5)进行普通克立格插值,得到综合指标的概率分布图(图6)。图6反映了研究区地下水埋深(小于1.80m)和土壤盐分(大于6.0g·kg-1)的综合概率分布,可以看出,地下水埋深小于1.80m以及土壤盐分大于6.0g·kg-1的高概率区域占研究区面积比例较大,土壤盐渍化与次生盐渍化的风险总体较高。研究区综合概率分布呈现出东部高于西部、南部高于北部的规律性,即土壤盐渍化与次生盐渍化的发生概率东部高于西部,南部高于北部,其总体趋势与图4中地下水埋深及土壤盐分的单元概率分布较为接近,这也说明研究区土壤盐渍化与次生盐渍化并非是完全相互独立的过程,而是存在着空间上的关联性。从空间分布来看,研究区土壤盐渍化与次生盐渍化的高概率区主要位于东部,且呈现连片分布。考虑到研究区东部土壤盐渍化程度高、次生盐渍化风险大以及分布集中、而且地势较低,其改良利用宜采用以水利工程措施为主、农业生物措施为辅的综合治理方案。研究区西部土壤盐渍化与次生盐渍化概率较低,但由于该区域土地利用强度高,耕作、施肥、灌溉等人为农业活动较为频繁,因此应加强田间管理,对出现的土壤盐渍化宜采用农业、生物调控措施,同时,还应完善田间排水设施,以防止人为农业活动导致土壤次生盐渍化。此外,研究区土壤盐渍化与次生盐渍化概率分布图还可为当季种植作物种类的选择提供依据,如在盐渍化与次生盐渍化低概率区可种植耐盐性较差的经济作物如胡萝卜、马铃薯等,而在高风险区易种植耐盐性较好的粮食作物如大麦、冬小麦、高粱等。区域土壤资源利用风险性定量评价指标不仅有地下水性质和土壤盐分,还包括各种养分含量、容重、孔隙度等理化性质,且各个指标之间可以相关(如本文的地下水埋深和土壤盐分)也可以相互独立,可以是水土资