萊州灣南岸表層土壤含鹽量與有機質(zhì)空間分布的定量研究

劉文全，于洪軍，徐興永

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023）

土壤鹽漬化是導(dǎo)致地區(qū)土地荒漠化的一個主要原因（Amezketa，2006），它使得土壤質(zhì)量下降，限制作物生長，抑制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致耕地撩荒。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145 km（豐愛平等，2006）。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(yán)重的地區(qū)之一（畢延鳳等，2012）。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。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（張祖陸等，2007）。土壤鹽漬化災(zāi)害已經(jīng)成為制約萊州灣南岸地區(qū)社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

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（馬瑾等，2010；尹業(yè)彪等，2010；陳海生等，2010；劉紅梅等，2011）。土壤有機質(zhì)是土壤固相部分的重要組成成分，盡管土壤有機質(zhì)的含量只占土壤總量的很小一部分，但它對土壤形成、土壤肥力、環(huán)境保護及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著極其重要作用的意義。有機質(zhì)含量雖然少，但在土壤肥力上的作用卻很大，不僅具有協(xié)調(diào)土壤水分、養(yǎng)分和氣、熱的功能，對土壤結(jié)構(gòu)耕性也有重要影響；同時它具有較穩(wěn)定的空間分布特征，是維持耕地土壤生產(chǎn)力的重要因素，其變化狀況常被作為評價土壤質(zhì)量狀況的一項重要指標(biāo)（阿米娜·阿布力克木等，2010）。國內(nèi)外學(xué)者針對農(nóng)田尺度范圍進行了土壤含鹽量和有機質(zhì)的定量研究，如Manpreet等（2012）研究了沙土和砂質(zhì)壤土在不同含鹽量下對土壤有機質(zhì)的影響，Peinemann等（2005）研究了南美大草原鹽漬化影響下土壤不同層位有機質(zhì)的穩(wěn)定性問題，阿米娜·阿布力克木等（2010）以格達良鄉(xiāng)為例分析了阿圖什市鹽漬化土壤中有機質(zhì)現(xiàn)狀及有機質(zhì)與鹽分之間的相關(guān)性。土壤鹽漬化問題是萊州灣南岸環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略問題，鹽漬化監(jiān)測結(jié)果表明，該區(qū)鹽漬化面積占總面積的44.4%，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)。本文以萊州灣南岸地區(qū)為研究對象，運用地統(tǒng)計分析和相關(guān)分析方法分析了區(qū)域鹽漬化土壤中有機質(zhì)和鹽分的空間分布現(xiàn)狀及二者之間的相關(guān)性，旨在為萊州灣南岸地區(qū)土地利用和鹽漬化評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)位于萊州灣南岸濱海平原北部，地理位置介于 118°40′-119°50′E，36°50′-37°15′N之間，行政區(qū)劃涉及壽光、寒亭和昌邑3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200～220天，大于等于10℃的積溫4 200℃左右；多年平均降雨量為670～800 mm，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3左右（劉文全等，2012）。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 采樣點布設(shè)

根據(jù)研究區(qū)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，對0-40 cm土層進行采樣，共計采集75個土壤樣品，具體斷面及采樣點布設(shè)參見圖1。各采樣點的相對坐標(biāo)采用DGPS定位技術(shù)確定。于2010年10月進行現(xiàn)場調(diào)查和取樣，由于此時處于棉花收獲期，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)，而蒸發(fā)量相對較小，處于水鹽均衡時期（姚榮江等，2007）。

圖1 研究區(qū)位置和土壤采樣點分布圖

1.2.2 樣品處理與分析

采集的土樣在實驗室自然風(fēng)干，用木棍磨碎后，剔除植物殘根、侵入體和新生體等，過2mm孔徑的篩子后待用。用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測量土壤有機質(zhì)的含量，樣品數(shù)據(jù)均為各個樣點土壤3次平行試驗分析數(shù)據(jù)的平均值。土壤全鹽含量采用重量法進行測量。具體測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》 （魯如坤，1999）。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

本研究對采樣點土壤有機質(zhì)和全鹽含量數(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軟件進行克立格（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（張金池等，2008）。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)（侯景儒，1993；王政權(quán)，1999）。

在地統(tǒng)計學(xué)中，變異函數(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：

式中：r（h）為變異函數(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 土壤有機質(zhì)與全鹽含量的描述性統(tǒng)計分析

表1是土壤有機質(zhì)和全鹽含量的經(jīng)典統(tǒng)計分析結(jié)果。由于變異函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)（李哈濱等，1998），因此需要對原始數(shù)據(jù)進行K-S法正態(tài)檢驗（P<0.05，2-tailed）。土壤全鹽含量的原始數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，對其進行自然對數(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)換后的土壤全鹽含量服從正態(tài)分布，滿足進行地統(tǒng)計分析的平穩(wěn)性條件。從二者的變幅來看，土壤全鹽含量變幅較大，達到12.91 g·kg-1。根據(jù)王遵親等（1993）土壤鹽化分級標(biāo)準(zhǔn)（濱海地區(qū)），萊州灣南岸耕層土壤平均含鹽量達到中度鹽漬化程度，說明萊州灣南岸地區(qū)的土壤鹽漬化問題比較嚴(yán)重，其主要影響因素是一是氣候干旱，少雨，蒸發(fā)比較大；二是萊州灣南岸地區(qū)受海（咸）水入侵嚴(yán)重，鹽分隨水分上升至耕層。從偏度和峰度來看，二者符合近似正態(tài)分布。從變異系數(shù)看，有機質(zhì)為44.78%介于10%和100%之間，具有中等變異強度；土壤全鹽含量為113.57%大于100%，具有強變異性，說明耕層土壤全鹽含量較有機質(zhì)受外界因素（氣候、海水入侵及土地利用等）影響更為強烈。

表1 土壤有機質(zhì)和鹽分的統(tǒng)計特征值（N=75）

2.2 空間趨勢效應(yīng)分析

圖2為土壤有機質(zhì)和全鹽含量的空間分布趨勢圖，X-Z投影面上綠色曲線表示“東-西”向，Y-Z投影面上的藍色曲線表示“南-北”向，X-Y投影面上的散點表示采樣點的二維平面空間分布。對趨勢效應(yīng)的處理辦法一般是在半方差/協(xié)方差函數(shù)建模時去掉趨勢效應(yīng)，而在克立格預(yù)測時再把趨勢效應(yīng)追加回來（姚榮江等，2007）。在本研究中，盡管有機質(zhì)和全鹽含量的偏、峰度檢驗結(jié)果均呈正態(tài)（或?qū)?shù)正態(tài)）分布，但都表現(xiàn)出明顯的趨勢效應(yīng)（圖2），顯然本研究中不能簡單的忽略趨勢效應(yīng)問題。

從圖2可以看出，在“東-西”方向上有機質(zhì)和全鹽含量都呈明顯的1階趨勢效應(yīng)。從“南-北”方向來看，有機質(zhì)呈1階趨勢效應(yīng)，土壤全鹽含量呈現(xiàn)明顯的2階趨勢效應(yīng)，呈倒“U”型的拋物線變化。這說明區(qū)受區(qū)內(nèi)海水入侵、土地利用等因素的影響，有機質(zhì)和土壤全鹽含量在南北方向上呈現(xiàn)較大的變化。

圖2 土壤有機質(zhì)和鹽分的趨勢效應(yīng)分析

2.3 空間變異特征分析

經(jīng)典統(tǒng)計方法除了可以判別土壤有機質(zhì)和全鹽含量的分布類型外，統(tǒng)計均值、標(biāo)準(zhǔn)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，不能定量地刻畫二者的隨機性和結(jié)構(gòu)性、獨立性和相關(guān)性，因此在進行有機質(zhì)和全鹽含量空間變異性研究時，利用地統(tǒng)計學(xué)方法進行進一步的分析與探討（姚榮江等，2007）。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?。ㄍ跤駝偟龋?007）。

表2 土壤有機質(zhì)與鹽分的半方差模型及其參數(shù)

從表2中可以看出，土壤有機質(zhì)和全鹽含量的半方差理論模型均符合球狀模型。土壤有機質(zhì)和全鹽含量的塊金值為正值，但二者數(shù)據(jù)均較小，說明存在由采樣誤差、短距離的變異、隨機和固有變異引起的各種正基底效應(yīng)，但基底效應(yīng)不明顯。塊金值（C0）與基臺值（C0+C）之比表示隨機部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例；比值小于25%，說明系統(tǒng)具有強烈的空間相關(guān)性，比值在25%-75%之間，說明系統(tǒng)為中等空間相關(guān)性，比值大于75%，說明系統(tǒng)具有較弱的空間相關(guān)性（侯景儒等，1998）。從表2中可以看出二者的變異系數(shù)均小于25%，說明具有強的空間相關(guān)性，這主要是受自然因素（氣候條件和海水入侵等）影響所致。土壤有機質(zhì)和全鹽含量變程相差不大，R2值較大，RSS較少，說明球狀模型擬合較好。

2.4 空間分布特征

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)土壤耕層有機質(zhì)和全鹽含量進行最優(yōu)插值，并繪制其空間分布圖（圖3）。Kriging插值方法就利用半方差函數(shù)與已知采樣點的數(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3 土壤有機質(zhì)和全鹽含量的空間分布圖

Kriging插值結(jié)果平滑了土壤有機質(zhì)和含鹽量的數(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3中可以看出，整個區(qū)域土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為南部高，沿海地區(qū)低；而土壤全鹽含量則表現(xiàn)為離海越近數(shù)值越大，即圖中顏色域從內(nèi)陸到沿海逐漸變深，這充分體現(xiàn)了萊州灣南岸地區(qū)土壤鹽分含量與海水入侵相關(guān)的一般特征。從有機質(zhì)分布圖可以看出，在昌邑與寒亭交界的地區(qū)有機質(zhì)含量較大，而從土壤全鹽含量來看該區(qū)鹽漬化較重，說明有機質(zhì)含量與含鹽量在一定程度上具有相關(guān)性。利用Kriging內(nèi)插法繪制的土壤有機質(zhì)和全鹽含量空間分布圖，可準(zhǔn)確和直觀地了解整個地區(qū)有機質(zhì)和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)。

為了更加直觀的體現(xiàn)土壤有機質(zhì)和含鹽量的分布特征，對二者進行了等級劃分，從所占面積來反映該區(qū)有機質(zhì)和鹽分的分布情況。表3為全國養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)有機質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對萊州灣南岸地區(qū)耕層土壤有機質(zhì)進行了分級，從統(tǒng)計結(jié)果來看，占萊州灣南岸總面積32.42%的區(qū)域?qū)儆?級，而剩余部分則屬于4級水平，說明該區(qū)有機質(zhì)水平較低。根據(jù)王遵親等（1993）土壤鹽化分級標(biāo)準(zhǔn)（濱海地區(qū)），對土壤全鹽含量進行分級，結(jié)果表明，無鹽漬化區(qū)域占46.74%，輕度鹽漬化區(qū)域占34.82%，中度鹽漬化區(qū)域占18.44%，面積較少的沿海地區(qū)為重鹽漬化和鹽土區(qū)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，萊州灣南岸鹽漬化區(qū)域面積較大，鹽漬化問題嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全。

表3 全國土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

2.5 有機質(zhì)與鹽分之間的相關(guān)性分析

土壤有機質(zhì)、鹽分是土壤基本性質(zhì)，本文分析萊州灣南岸地區(qū)土壤有機質(zhì)與鹽分之間的相關(guān)性。利用SPSS進行了二者的相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為-0.269（P<0.05），呈顯著負(fù)相關(guān)，這一點從二者的空間分布中也可以得到印證。隨著鹽分含量的增大，有機質(zhì)含量逐漸降低。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)耕層土壤有機質(zhì)均值較低，而全鹽含量的均值較高；有機質(zhì)服從正態(tài)分布，全鹽含量符合對數(shù)正態(tài)分布；有機質(zhì)變異系數(shù)屬于中等變異強度，全鹽含量屬于強變異強度。

（2）在“東-西”方向上有機質(zhì)和全鹽含量都呈明顯的1階趨勢效應(yīng)；從“南-北”方向來看，有機質(zhì)呈1階趨勢效應(yīng)，土壤全鹽含量呈現(xiàn)明顯的2階趨勢效應(yīng)；二者的空間結(jié)構(gòu)特征均較好地符合球狀模型分布；受自然因素作用，有機質(zhì)和全鹽含量具有強空間相關(guān)性；R2值較大，RSS較少，說明球狀模型預(yù)測二者的空間分布具有較好的準(zhǔn)確性。

（3）耕層土壤有機質(zhì)和全鹽含量的空間分布均呈明顯的條帶狀格局。有機質(zhì)表現(xiàn)出離海岸線距離越近（遠）含量越?。ù螅┑囊?guī)律；全鹽含量與耕層土壤有機質(zhì)分布正好相反，表現(xiàn)為離海岸線距離越近（遠）鹽分越高（低）的規(guī)律；海水入侵、土地利用及人為的耕作措施是形成該空間格局的重要因素。

（4）從二者的相關(guān)性分析得出，耕層土壤有機質(zhì)和全鹽含量具有顯著的負(fù)相關(guān)。由于本文只是在10月份進行了一次取樣，對于不同時期不同季節(jié)二者之間的關(guān)系有待于進一步研究。

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