基于GIS的萊州灣南岸土壤鹽漬化特征分析研究

陳廣泉，劉文全，于洪軍，陳沈良，徐興永，趙娜，3，曹建榮，3

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.中國科學(xué)院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003）

萊州灣南岸系指萊州灣灣頂小清河口至虎頭崖岸段的濱海平原地區(qū)，岸線長145km［1］。該地區(qū)賦存有大量的淺層地下鹵水，是我國土壤鹽漬化災(zāi)害最嚴重的地區(qū)之一。由于地下水過量開采，咸淡水界面不斷向內(nèi)陸推移，導(dǎo)致土壤鹽漬化加劇，植被發(fā)生逆向演替。同時，在經(jīng)濟效益驅(qū)動下，土地利用方式發(fā)生較大改變，加劇了生態(tài)系統(tǒng)的退化，并誘發(fā)咸水入侵的擴展［2］。鹽漬化是制約萊州灣南岸地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的關(guān)鍵因子之一，因地制宜地合理開發(fā)和利用大面積分布的鹽漬土對實現(xiàn)該區(qū)土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義，而對土壤鹽漬化特征及其空間變異的定量研究是實現(xiàn)鹽漬土地科學(xué)管理及合理利用的必要前提。

土壤鹽分空間變異性在一定程度上反映了土壤耕層內(nèi)的鹽漬化程度和狀態(tài)。目前利用地統(tǒng)計學(xué)和GIS技術(shù)研究土壤性質(zhì)空間變異已成為土壤科學(xué)研究的熱點之一［3－9］。地統(tǒng)計學(xué)已經(jīng)被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律的最為有效的方法之一［10］。由于地統(tǒng)計學(xué)通常要求均勻取樣，這給大區(qū)域范圍的地統(tǒng)計學(xué)研究帶來一定的困難，以往有關(guān)土壤特性的地統(tǒng)計學(xué)研究只局限于相對小的空間尺度［11］。近年來，眾多國內(nèi)外研究者利用地統(tǒng)計分析方法和GIS技術(shù)對長距離范圍內(nèi)土壤鹽漬化特征及鹽分空間變異進行了研究，取得較好的研究成果。Miyamoto等［12］研究了德克薩斯州西部和新墨西哥州南部微咸水灌溉下土壤鹽漬化的空間變異性。Gallardo等［13］運用地統(tǒng)計學(xué)方法研究了西班牙加里西亞地區(qū)灌木叢林和牧草地兩種植被種群土壤中16種元素的空間分布狀況。王玉剛等［14］運用遙感、GIS和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法研究了三工河流域綠洲表層土壤鹽分含量的空間異質(zhì)特征。楊帆等［15］運用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法研究了松嫩平原西部地區(qū)鹽堿化指標土壤電導(dǎo)率（EC）、鹽分含量（SC）、pH和SAR的空間變異特征，繪了4種指標的空間分布圖。楊紅梅等［16］應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)方法對塔里木河下游表層土壤鹽分的空間異質(zhì)性特征及影響因素進行了分析。高婷婷等［17］基于GIS和地統(tǒng)計學(xué)方法研究了渭干河一庫車河流域三角洲綠洲鹽漬化土壤特征（土壤含鹽量）的空間變異性，研究結(jié)果表明：渭一庫綠洲土壤含鹽量的空間變異性為中等變異，且隨土壤深度增加而減弱。以往的研究多是針對內(nèi)陸平原地區(qū)為主，對濱海地區(qū)流域尺度上土壤含鹽量的空間異質(zhì)性研究相對較少。本研究通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析，將地統(tǒng)計學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合，定量研究了萊州灣南岸地區(qū)土壤鹽漬化特征及空間變異性，為該地區(qū)土壤鹽漬化的改良和利用提供一定的理論基礎(chǔ)，為流域生態(tài)環(huán)境安全管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于萊州灣南岸濱海平原北部，沿海岸近平行分布的東西長約120km，南北寬度40余km的帶狀區(qū)域。地理位置介于36°50′～37°15′N，118°40′～119°50′E之間，行政區(qū)劃涉及壽光、寒亭、昌邑、平度和萊州5個縣級市。該區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候，降水量較少，海洋性特征并不明顯。光照充足，熱量豐富，雨熱同期，四季分明；全年平均氣溫一般在11.5～13℃，無霜期200～220d，≥10℃的積溫4 200℃左右；多年平均降雨量為670～800mm，由北向南增加；年內(nèi)降雨分布不均，雨量多集中在6月下旬至9月上旬，占全年的70%～80%；蒸發(fā)強烈，蒸散量大，全區(qū)干旱系數(shù)一般在1.2左右。研究區(qū)地勢平緩，土壤類型主要以潮土與鹽化潮土兩類為主。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣布置

為了查明萊州灣南岸地區(qū)土壤鹽分空間分布特征，根據(jù)研究區(qū)的土質(zhì)、土地利用類型等因素確定采樣點的位置。垂直于海岸線共布設(shè)14條斷面，每個斷面布設(shè)6～7個土壤剖面，具體斷面及采樣點布設(shè)參見圖1。各剖面均對0～10cm，10～20cm，20～40cm，40～60cm，60～80cm和80～100cm土層進行分層采樣，共計采集504個土壤樣品。各采樣點的相對坐標采用差分GPS定位技術(shù)確定?，F(xiàn)場調(diào)查和取樣在2010－10進行，處于棉花收獲期，此時大氣降水引起的土中水鹽運動已經(jīng)結(jié)束，耕層土壤鹽分及地下水性質(zhì)較為穩(wěn)定，地下水的消退主要靠天然蒸發(fā)，而此時的蒸發(fā)量相對較小，處于水鹽均衡時期。

圖1 研究范圍及采樣點布設(shè)Fig.1 Location of the study area and the sampling stations

1.2.2 樣品處理與分析

采集的土樣在實驗室自然風(fēng)干、磨碎、過20目篩，準確稱取10g土樣加50mL去CO2蒸餾水置于離心管中，用振蕩器振蕩3min后以4 500～5 000r·min－1轉(zhuǎn)速離心，離心后得到上清液，測量其電導(dǎo)率和離子含量，計算出相應(yīng)的土壤全鹽含量。采用YSI公司的YSI EC300測定土壤溶液電導(dǎo)率值；HCO3－、CO32－用雙指示劑滴定法測定；Cl－用AgNO3滴定法測定；SO42－用EDTA間接滴定法測定；Ca2＋、Mg2＋用EDTA絡(luò)合滴定法測定；K＋，Na＋用火焰光度法測定。具體測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［18］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

本研究對采樣點土壤總鹽數(shù)據(jù)的常規(guī)統(tǒng)計分析用SPSS 18.0軟件進行，半方差分析通過地統(tǒng)計學(xué)軟件GS＋9.0完成，利用Arcgis 10.0軟件進行克里格（Kriging）插值分析。

1.2.4 地統(tǒng)計學(xué)分析方法

地統(tǒng)計學(xué)方法是在傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的空間分析方法，此方法不僅能夠有效提示屬性變量在空間上的分布變異特征，而且能夠有效解釋空間格局對生態(tài)過程與功能的影響［19］。地統(tǒng)計學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究在空間分布上既有隨機性又有結(jié)構(gòu)性，或空間相關(guān)和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)［20－21］。

在地統(tǒng)計學(xué)中，半方差函數(shù)是相距為h的區(qū)域變量Z（xi）和Z（xi＋h）增量平方的數(shù)學(xué)期望，即區(qū)域化變量的方差。其理論模型公式為［21］

式中，γ（h）為半方差函數(shù)；h為步長，即樣點空間間隔距離；N（h）為抽樣間隔為h時的點對數(shù)；Z（xi）和Z（xi＋h）分別是變量Z在空間位置xi和xi＋h上的取值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含鹽量的描述性統(tǒng)計分析

按經(jīng)典統(tǒng)計方法，不同層次土壤鹽分的統(tǒng)計特征值列于表1。由表1可以看出，研究區(qū)不同層次土壤含鹽量普遍較高，根據(jù)王遵親等［22］土壤鹽化分級標準（濱海地區(qū)），0～10cm，10～20cm，20～40cm和40～60 cm土壤鹽分的均值分別為1.69g／kg，1.68g／kg，1.74g／kg和1.89g／kg，屬于輕度鹽化；60～80cm和80～100cm的均值分別為2.17g／kg和2.25g／kg，屬于中度鹽化。土壤鹽分含量隨土壤深度的增加而逐漸變大，分析原因：取樣時間是在秋季，降雨過程基本結(jié)束，棉花處于收獲期，經(jīng)過雨季的沖刷，土壤中的鹽分分布具有較強的底聚性。從偏度系數(shù)和峰度系數(shù)兩項指標可看出，研究區(qū)各層土壤含鹽量正偏差數(shù)值較大，均呈右偏；六層土壤均為“尖頂峰”。變異系數(shù)CV反映的是相對變異，即隨機變量的離散程度。根據(jù)變異系數(shù)對土壤鹽分變異性進行分類，當CV＜10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV＞100%為強變異性［23］。從表1可以看出除表層和底層土壤鹽分的變異系數(shù)屬于強變異性外，其余4層均屬于中等變異性，但變異性均比較高，接近于強變異性。研究區(qū)各層土壤含鹽量具有較強的空間變異性，其原因主要在于研究區(qū)不同的土壤質(zhì)地、微地貌、土地利用及灌溉方式等多因素綜合作用的結(jié)果。對各層土壤含鹽量數(shù)據(jù)采用Kolmogorov－Smirnov（K－S）正態(tài)分布檢驗概率進行檢驗［24］，各層土壤含鹽量的原始數(shù)據(jù)均不符合標準正態(tài)分布（表1），對不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行自然對數(shù)轉(zhuǎn)換后再檢驗其正態(tài)性，結(jié)果表明：在95%的顯著水平上經(jīng)自然對數(shù)轉(zhuǎn)換后的土壤含鹽量均服從正態(tài)分布，滿足進行地統(tǒng)計分析的平穩(wěn)性條件。

表1 研究區(qū)不同層次土壤鹽分統(tǒng)計特征值Table 1 Statistical character values of soil salinity in different soil layers in the study area

2.2 土壤含鹽量的空間變異特征分析

經(jīng)典統(tǒng)計方法除了可以判別土壤含鹽量的分布類型外，統(tǒng)計均值、標準差、變異系數(shù)等僅在一定程度上反映研究區(qū)域樣本總體及變異狀況，不能定量地刻畫土壤含鹽量的隨機性和結(jié)構(gòu)性、獨立性和相關(guān)性。因此在進行土壤鹽分空間變異性研究時，利用地統(tǒng)計學(xué)方法進行進一步的分析與探討。土壤特性數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性檢驗是使用地統(tǒng)計學(xué)Kriging方法進行土壤特性空間分析的前提，由于半方差函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)或近似正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)［21］。通過對研究區(qū)土壤各層含鹽量數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)化后符合近似的正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計學(xué)分析的要求。本研究使用GS＋9.0軟件來進行半方差函數(shù)的計算，然后用交叉驗證的方法來修正模型參數(shù)，結(jié)果見表2。半方差函數(shù)理論模型的選擇主要考慮決定系數(shù)R2要大、殘差RSS和塊金值Co要?。?4］。

表2 土壤含鹽量半方差函數(shù)模型參數(shù)Table 2 Parameters for the soil salinity semi－variogram model

表2中，各土層的相關(guān)系數(shù)R2均較大，說明理論模型能很好的反應(yīng)土壤含鹽量的結(jié)構(gòu)特征。Co是塊金值，Co＋C是基臺值，它們是半方差圖的2個重要參數(shù)。基臺值的大小可反映變量變化幅度或系統(tǒng)的總變異程度，塊金值大小可反映區(qū)域化變量隨機性大小，即由實驗誤差和小于采樣尺度上的因素引起的變異，Co是結(jié)構(gòu)方差，它是反映由空間自相關(guān)部分或區(qū)域因素引起的變異，因而，塊金值與基臺值之比Co／（Co＋C）表示由隨機因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異（包括隨機因素引起的變異和區(qū)域因素引起的變異）的比例，可反映變量的空間相關(guān)程度。一般認為，比值＜25%，說明變量具有強烈的空間相關(guān)性；比值在25%～75%變量具有中等的空間相關(guān)性；＞75%時，則說明變量空間相關(guān)性弱。表2中，0～60cm的土層具有中等空間相關(guān)性，60～100cm的土層則具有很強的空間相關(guān)性。這種現(xiàn)象與研究區(qū)得實際情況相符，土壤鹽漬化主要由地形、土壤母質(zhì)和人類對土地的利用方式、灌溉等決定，隨著深度的加大，土壤鹽分受地形、地勢和地下水等自然因素影響越大，而耕層土壤鹽分受土地利用、灌溉等人為因素影響較大。

2.3 土壤含鹽量的空間分布特征分析

空間數(shù)據(jù)插值是進行數(shù)據(jù)外推的基本方法。利用ArcGIS 10空間分析模塊中的普通克立格（Ordinary Kriging）對萊州灣南岸地區(qū)土壤含鹽量進行最優(yōu)插值，并繪制其空間分布圖（圖2）。Kriging插值方法就利用變異函數(shù)與原始數(shù)據(jù)對未采樣點的區(qū)域化變量的取值進行線性無偏最優(yōu)估計。

圖2 不同土層土壤含鹽量空間分布圖Fig.2 The spatial distributions of soil salinity in different soil layers

Kriging插值結(jié)果平滑了土壤含鹽量的數(shù)據(jù)，使得大值降低、小值增高，從而減少了土壤鹽分含量的突然變化。從圖2中可以看出，整個區(qū)域不同土層土壤含鹽量的中高值區(qū)所占面積均較大，即圖中顏色中等和深色區(qū)域所占面積較大，這充分體現(xiàn)了萊州灣南岸地區(qū)土壤鹽份含量較高的一般特征。在水平方向上，土壤含鹽量分布不均勻，但總體分布趨勢呈現(xiàn)從海邊到內(nèi)陸逐漸減小；央子鎮(zhèn)即羊口鹽場附近含鹽量較高；東部膠萊河附近土壤含鹽量較低，其原因主要是受膠萊河水下滲和地下水灌溉影響，導(dǎo)致土壤積鹽較輕。在垂直方向上，表層土壤含鹽量明顯高于其它層，由于采樣季節(jié)為秋季，雨季已經(jīng)結(jié)束，在持續(xù)的強烈地表蒸發(fā)作用下，深層土壤的可溶性鹽類借助毛細管作用上升積聚于土壤表層，使得土壤表層含鹽量明顯高于其它部位。

利用Kriging內(nèi)插法繪制的土壤含鹽量空間分布圖，可準確和直觀地了解整個地區(qū)各層土壤鹽分的空間分布狀況，為萊州灣南岸地區(qū)區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境維護提供了一定的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

3 結(jié) 論

對萊州灣南岸地區(qū)土壤含鹽量的進行Kriging插值分析，結(jié)論如下：

1）從不同土層土壤鹽分的描述性統(tǒng)計值來看，土壤含鹽量服從近似正態(tài)分布。受研究區(qū)不同的土壤質(zhì)地、微地貌、土地利用及灌溉方式等多因素綜合作用影響，土壤含鹽量的變異系數(shù)除表層和底層屬強變異性外，其它均屬中等變異強度。

2）整個研究區(qū)土壤含鹽量較高，鹽漬土所占面積較大；土壤含鹽量的理論模型除10～20cm和80～100 cm土層分布符合球狀模型外，其它各層均符合指數(shù)模型。因此，在區(qū)域尺度上應(yīng)通過合理的排灌比維持該地區(qū)的水鹽平衡，保持耕層土壤鹽分濃度在大田作物的耐性范圍內(nèi)，不盲目開墾荒地，防止鹽漬化趨勢擴大。

3）研究區(qū)不同土層土壤鹽份含量具有明顯的空間變異性，除60～80cm和80～100cm土層土壤含鹽量具有強空間相關(guān)外性，其它各層均具有中等空間相關(guān)性。

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