土壤盐分空间分异研究进展

土壤盐分空间分异研究进展

土壤表面约为1.3是干旱地区。在该地区，灌溉土壤盐碱是土壤特性中最活跃、最复杂的部分。受土壤性质、气候变化、地形、地下水性质、长期地球化学变化等自然条件的影响，以及农业、灌溉等人类活动因素的影响，土壤养分的异质性在一定程度上反映了土壤耕作层的盐化程度和状态。了解差异的区别，根据土壤盐分的异质性规律和变化，指南应排水，制定控制土壤盐分的措施，确保土壤结构的质量，提高农业产量。人们的生产实践和科学研究活动表明,与区域盐碱化斗争并取得进展,关键在于对土壤水分、盐分运动和分异的静态和动态规律认识的不断深化,并加以科学的调节和管理.随着多学科的介入和计算机科学的发展,人们对土壤盐分空间分异的研究在静态和动态结合的基础上,由定性描述向定量描述,由单离子的分异规律向多离子耦合,由垂向一维向区域化动态,由小区域预报向结合GIS技术的宏观分异和预报方向发展,系统地总结和探讨这些研究方法的特点和应用对于进一步深入研究无疑是有意义的.土壤盐分空间变异可分为静态和动态两个方面.静态分异指的是某一特定时间,土壤盐分在区域空间上的异质性和在剖面中的垂直分布状况.动态分异则指土壤盐分在垂向和区域上随时间的变化,包括含量和空间分布的变化.1静态研究方法静态研究方法的主要手段是统计学理论,包括经典统计学和地统计学,这是因为土壤盐分的空间变异数据具有随机性的缘故.1.1“碱思”土中各土中盐分的空间分布特征土壤盐分状况是时空连续的变异体,具有高度的空间异质性,不论是大尺度上还是小尺度上,其盐分的空间异质性均存在.为了描述其盐分状况的空间分异性,经典的方法是依据影响土壤盐碱化状况的因子把土壤分为内部相对均一的类单元,这样就把盐分的空间连续变异转换为单元间的差异.然后依据研究需要,选取盐碱化变量,进行统计分析,根据统计结果得出单元间或垂向上盐分的空间分异状况.经典统计学理论是以概率论为基础的一门研究随机现象统计规律的应用数学学科,其可应用于研究土壤盐分空间分异的理论主要有相关分析、聚类分析、主成分分析和趋势面分析,Markov链理论等.相关分析是通过建立单元内或单元间的各盐碱化变量的相关矩阵,剖析其相互关系,并结合空间位置的分析,研究土壤盐分的空间变异.相关分析常是进行聚类分析的基础.宋长春对松嫩平原草甸碱上的四种类型:结皮草甸碱土、浅位柱状草甸碱土、中位柱状草甸碱土和深位柱状草甸碱土中的CO2-32−3、HCO-3、Cl-、SO2-、Na+、Ca2+Mg2+七项指标分别进行相关分析,得出在空间上分布不同的四种草甸碱土,其盐分指标变量具有不同相关关系的结论.在“碱甸子”的高处分布的结皮草甸碱土中的Na+和CO2-32−3、HCO-3、Cl-、SO2-42−4、Ca2+、Mg2+间均具有较强的正相关;位于“碱甸子”中稍高处的浅位柱状草甸碱土中的Na+和CO2-3、HCO-3有强正相关关系;分布于“碱甸子”小丘顶部的中位柱状草甸碱土中Na+和HCO-3有显著正相关关系;而位于碱包上的深位柱状草甸碱土中Na+仅和Cl-有显著正相关关系.聚类分析在土壤盐分空间变异研究上的应用则是通过对不同空间单元上各盐分变量的聚类,了解各空间单元的类别,剖析土壤盐分的空间分异,或是通过对单元内垂向剖面的盐分变量的聚类,了解垂向不同层位的类别.石元春通过对曲周测报区土壤盐分变量在区域和剖面上的聚类和主成分分析,将测报区土壤盐分在区域上的分布分为盐土和潮土两大类,根据盐分在垂向空间上的分异分为下聚型、中聚型和表聚型.趋势面分析则是依据经典统计学中多元回归分析的思想,将土壤分异中的系统变化、局部变化和随机变化区分开来,并建立起土壤盐分变量在空间位置上的趋势面方程,构造出土壤盐分在空间分布上的等值线图,从而研究其在区域空间上的分异状况.能够应用样本数据构造趋势面方程的主要依据是因为土壤盐分变量在空间分布上具有连续性和变异性的缘故.由于该方法的应用对区域上采样点位的要求较高,而且由于土壤盐分变化受多因子复合影响,使其变化很复杂,有时看上去与地理坐标无明显函数关系,而更象是随机分异,所以目前该方法应用于土壤盐分空间分异研究方面还不多.另外,也可把时间序列分析改用于空间序列分析,以自相关和空间相关系数来估计和表征土壤变异性,用频谱分析研究土壤空间变异.但上述方法中的空间协方差对数据要求很高,实践中应用有一定的难度.1.2地统计学理论体系上的空间分异经典统计学对土壤特性的随机分异研究是有效的,而土壤性质变异实际上可分为系统变异和随机变异两部分,在这方面地统计学具有更大的优越性.地统计学(Geostatistics)于50年代初开始形成,60年代在法国著名统计学家G.matheron的大量理论工作基础上形成一门新的统计学分支.70年代开始北美和西欧出现了一个土壤物理性质空间分异研究的高潮,并形成了把土壤水分参数作为随机变量的处理方法及土壤水分运动的随机模型.80年代初Webster等在分析土壤性质空间变异规律的基础上,将地统计学引入土壤科学.国内于70年代开始研究地统计学,雷志栋最先把它应用于旱地土壤的有关研究,在土壤水分物理特性方面的研究较多,而对盐分化学特征的空间分异研究较少.但是在分析有关区域化变量的空间分异规律方面,地统计学已经被证明是有效的方法.并已经成为土壤科学的重要研究内容之一.我国学者侯景儒等(1993)认为:“地统计学是以区域化变量理论为基础,以变异函数为主要工具,研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性,或空间相关和依赖性的自然现象的科学”.区域土壤盐分的静态空间分异正符合这样的特点.其基本理论如下:1.2.1土壤盐分随时间的变化土壤盐分信息是一种区域化变量,在一定范围内,相邻的采样点值具有一定的结构性.样区V内有一点xi对应区域土壤盐分变量z(xi),则:z(xi)={z(x),∀x∈V}i=1,2,3,ΛΛn当区域土壤盐分变量满足二阶平稳或准平稳假设,且样本容量足够大时,自相关函数ρ(h)和实验变异函数r(h)分别为:ρ(h)=1σ2Ν(h)Ν(h)∑i=1[z(xi)-ˉz][z(xi+h)-ˉz]γ(h)-12Ν(h)Ν(h)∑i=1[z(xi)-z(xi+h)]2ρ(h)=1σ2N(h)∑i=1N(h)[z(xi)−z¯][z(xi+h)−z¯]γ(h)−12N(h)∑i=1N(h)[z(xi)−z(xi+h)]2式中:N(h)为样本资料数目;h为采样间距;σ为标准差.ρ(h)和γ(h)呈相反的变化趋势,ρ(h)越大则数据的空间相关性越强.1.2.2生长空间变异方程实际上的理论变异函数是未知的,上述的变异函数是实验变异函数,因此需要估计出理论变异函数.地统计学理论中理论变异函数模型主要有线性模型、球状模型、指数模型等,在土壤空间分异研究中应用较多的球状模型:γ(h)={c0+c[32⋅ha-12⋅(ha)2]0≤|h|≤ac0+c|h|＞a0|h|=0γ(h)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪c0+c[32⋅ha−12⋅(ha)2]0≤|h|≤ac0+c|h|＞a0|h|=0式中:c0为块金方差,c0越大则表明数据的空间变异性越大,即空间异质性越大;c为拱高,它是空间变异函数所达到的最大稳态值与c0的差;a为最大滞后距,也称为变程,理论变异函数说明当数据之间的空间距离达到a时,数据的空间变异函数达到最大稳态值,同时数据的空间自相关函数为零,即理论上数据的空间相关性已不存在.1.2.3土壤盐分检测算法克立格法是利用原始数据和半方差函数的结构性,对未采样的区域化变量进行最优无偏估计的方法,并能计算出每个估计值的误差大小.主要克立格法有点状克立格法(PunctualKriging)、块段克立格法(Blockkriging)、协同克立格法(Co-Kriging)、泛克立格法(UniversalKriging)、对数正态克立格法(NonnormalKriging)和转换克立格法(DisjunctiveKriging)等.以最常用的点状克立格法为例有:区域土壤盐分变量在位置x0的线性内插函数为:ˆz(x0)=n∑i=1[λi⋅z(xi)]zˆ(x0)=∑i=1n[λi⋅z(xi)]式中:n为临近z(xi)的观测值个数;λi为每个z(xi)的权重.确定权重的条件是∶E{ˆz(x0)-z(x0)}=0E(ˆz(x0)-z(x0))2=Μin确定权重的条件是∶E{zˆ(x0)−z(x0)}=0E(zˆ(x0)−z(x0))2=Minz(x0)为点x0处的真值.E代表求数学期望.{n∑i=1λiγ(xi‚xj)+u=γ(xi‚x0)n∑i=1λi=1式中u为拉格郎日乘子,γ(xi,xj)是间距为|xi-xj|的理论变异函数,这样就建立了n+1个方程和n+1个未知数的方程组.由此解得λi后,即可以进行估值.变差函数能够揭示区域土壤盐分的空间结构一般特征和方向性特征,克立格法则可估计样区内任一点的土壤盐分含量特征.史海滨等(1996)用地统计学研究了内蒙古河套灌区沙壕渠实验区的土壤盐分空间变异性,得到了满意的结果.2上土壤盐分的动态分异静态空间分异的特征只是揭示了土壤盐分在某一时刻的分布状况,而实际上土壤盐分在各种动力条件下随土壤水分不停地进行着对流、弥散和扩散运动,运动的过程中又受到地形、植被及人为因素等的影响,所以土壤盐分的空间动态分异研究更为复杂,但它对于指导农业生产具有更重要的意义.2.1土壤水盐运动模式研究60年代以来,多孔介质溶质运移理论和计算机技术的发展,使定量研究土壤盐分的空间动态分异成为可能并得到迅速发展(Laopidus,1952).但是由于(1)土壤性质和水盐运动参数的空间变异性大;(2)影响土壤盐分运动的环境因素在时空上的不均一性;(3)土壤边界条件变动的复杂性,使得研究工作过多地集中在土壤盐分的一维动态分异上.Warrick等曾在加利福尼亚大学的一个实验场进行了一维土壤水盐运动的研究,模拟了土壤中盐分的动态分布规律.国内自80年代以来,开始应用水盐动力学模型模拟土中盐分的动态分异(贾大林,1985;李韵珠,1985;陈文林,1990;戚隆溪,1997).这类研究的特点是;(1)该类研究中所采用的模拟方程都是由对流—弥散方程和相应辅助方程构成的;(2)模型中的参数、变量和边界条件都是确定的;(3)模拟一次,仅能给出一组确定输出.目前,国内外广泛应用这类模型来对土壤盐分运移特征进行分析、预测,已正式发表的该类模型不下百个.2.2分区分布预报模型Frind(1982)曾对二维土壤水盐动态分异用交替方向的伽辽金法(ADG)作过数值模拟.但该方法只适用于土壤水流连续变化不大的情况下的水动力弥散,在复杂的区域条件下则不能适用.Gilliland与BaxlerPotter(1987)运用GIS技术,研究水土污染的空间分异.Rhoades等(1988)探讨了该方法用于研究区域土壤盐分分布预报的可行性,并得到了一幅区域盐渍化分布图.我国学者石元春研究了区域多点土壤盐分动态统计预报模型;李保国研究了区域土壤盐分分布动态模型,并取得了明显进展.这类研究中采用的模型多是在一维模型的基础上,结合了多元统计理论和专家识别的方法,其准确性和适用性与统计年代的长短、统计资料的多少及专家经验的可靠性有很大关系.3土壤养分空间差异研究方法的进展随着人们对土壤盐分空间分异研究重要性认识的提高和科学研究的进展,更有效的方法和先进的技术必将得到进一步的应用.3.1地统计学在土壤空间变异研究中的应用自从CampbellJ.B.(1978)、Burgess等(1980)、Burough(1983)、Webester(1985)和Trangmar(1985)将地统计学引入土壤科学,并做了大量研究实例后,地统计学已在土壤科学中得到广泛的应用.国内学者沈思渊(1989)对地统计学在土壤空间变异研究中的应用及其理论作了较详细的论述.由于土壤盐分数据具有空间结构性和随机性的特点,用地统计学研究其空间分异是有效的方法.用地统计学研究土壤盐分的空间分异可解释其分异的特征.同时在土壤盐分空间分异克立格分析基础上,利用计算机可快速的处理数据并输出分布图,将之与地球化学条件、地形、植被和人为因子等的分异特征相结合,图件相套合可分析土壤盐分空间分异的机理,以指导人们对土壤盐渍化进行防治.3.2土壤盐分的空间分布和空间分异随着计算机技术的发展,地理信息系统(GIS)技术日臻成熟,将之应用于研究大尺度土壤盐分空间分异已成可能并将成为发展趋势.Jordan等利用GIS技术以北爱尔兰区域为例建立了区域硝酸盐淋溶模型;Mattson利用多元回归方法和GIS技术研究美国道路上盐分在周围水土环境中的分布和影响.我国学者周慧珍等将地统计学和GIS技术相结合以中科院红壤生态实验站为例研究了区域土壤空间分异.该研究方法的研究过程为:(1)对区域土壤盐分进行调查与采样,调查与采样中要根据区域特征合理设计采样点位和采样网格间距.(2)在微机、数字化仪等硬件设备和ARC/INFO,FOXPRO及相关统计理论模块等软件支撑的GIS上,建立土壤盐分的图形数据和属性数据相结合的信息数据库.(3)用相关的统计模块研究区域土壤盐分空间分异特征,并建立其空间分异模型.我国学者徐江等曾探讨过与之相似的环境地球化学空间信息系统.3.3随机分异研究,仍需努力在其不可