綠洲土壤表層含鹽量空間變異分析的插值方法研究

馬成霞，丁建麗，王 璐，牛增懿，王 爽，李艷華

（新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046）

土壤鹽分的分異狀態(tài)在一定程度上反映了土壤耕作層內(nèi)的鹽漬化程度和狀態(tài)［1］。對(duì)于土壤鹽分空間變異，利用空間插值、地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法，對(duì)比預(yù)測(cè)精度選取精度較高的方法進(jìn)行研究，對(duì)于指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，防止土壤鹽漬化和提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］。渭庫綠洲區(qū)域傳統(tǒng)的獲取含鹽量的方法是通過野外實(shí)測(cè)幾個(gè)采樣點(diǎn)的含鹽量數(shù)據(jù)，具有局限性，絕大多數(shù)空間位置上的含鹽量數(shù)據(jù)無法獲得，也不能全面地反映該綠洲整體鹽度的分布特性。為此，根據(jù)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插預(yù)測(cè)附近未知點(diǎn)的屬性值的研究方法成為一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)。研究區(qū)域和時(shí)間尺度的不同決定選用的插值方法及模型不同［3］，選擇最優(yōu)的方法一直是地學(xué)研究的一個(gè)難題［4］。因此插值方法的篩選、參數(shù)的優(yōu)化已經(jīng)成為空間插值技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，在氣象［5］、遙感［6］等領(lǐng)域都有廣泛報(bào)道，但在土壤鹽漬化領(lǐng)域研究甚少。隨著GIS和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，愈來愈多的空間插值方法被引進(jìn)來。史海濱研究了土壤表層鹽分的空間變異性，得出了合理取樣數(shù)目，并用普通克里格法對(duì)鹽分空間分布進(jìn)行了最優(yōu)無偏估計(jì)［7］。孟慶香等［8］研究基于GIS的黃土高原降水量和年均溫空間插值，結(jié)果表明不同插值方法構(gòu)建的降水量和年均溫分布圖差異較大。空間化的土壤鹽漬化信息，對(duì)于鹽堿土改良，指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有重要的意義［9］。本文采用反距離加權(quán)法、樣條函數(shù)法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)比擇優(yōu)的方法分析研究區(qū)土壤含鹽量的空間變異，并試圖揭示其含鹽量的空間變化規(guī)律，有利于綠洲受損生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控和恢復(fù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭干河—庫車河三角洲綠洲（以下簡(jiǎn)稱渭—庫綠洲）位于塔里木盆地的北緣，是一個(gè)典型的洪積扇群帶平原。該綠洲位于中緯度地區(qū)，屬于大陸性溫暖帶干旱氣候，氣候干燥，光照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，透水性差，降水分布不均，晝夜溫差大，為典型的綠洲農(nóng)業(yè)。各縣歷年平均溫度都在10℃以上，多年平均蒸發(fā)量2 318.7mm，是降水量的38.58倍。該地區(qū)農(nóng)作物以玉米（15%）、棉花（55%）為主，并伴有胡楊（Populus euphratica）、駱 駝 刺 （Sparsifdia）、蘆 葦（Phragm ites comm unis）等優(yōu)良的防風(fēng)固沙鹽生灌叢，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。

1.2 土樣采集

2011年1 0月中旬，在研究區(qū)域內(nèi)根據(jù)實(shí)際地表植被類型、土質(zhì)、微地形以及樣區(qū)鹽漬化程度不同，由灌區(qū)內(nèi)部到外圍，選取有代表性的土壤樣點(diǎn)53個(gè)，采用GPS定位，記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，并對(duì)樣點(diǎn)及周圍區(qū)域進(jìn)行景觀拍照。為確保準(zhǔn)確反映研究區(qū)域的空間變異性，采樣密度根據(jù)鹽漬化程度不同，在鹽漬化較嚴(yán)重的地區(qū)相對(duì)要密一點(diǎn)，在定位點(diǎn)30m范圍內(nèi)進(jìn)行梅花狀采樣，采樣時(shí)取500g土樣剔除土樣中的植物根段、石粒和枯落物等雜質(zhì)，裝入編號(hào)的塑料袋中封存并帶回實(shí)驗(yàn)室用于室內(nèi)各指標(biāo)的測(cè)定。同時(shí)，用鋁盒取土樣30～50g左右，并現(xiàn)場(chǎng)稱重。

1.3 實(shí)驗(yàn)室樣品測(cè)定及軟件方法

土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、研磨，過0.15～1 mm孔徑篩，裝入容器待用。土樣制備均采用5∶1水土比進(jìn)行抽濾浸提，并參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測(cè)定樣品的含鹽量。

利用Excel對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤鹽分的相關(guān)性分析，用GS＋軟件對(duì)土壤鹽分的空間變異性進(jìn)行定量的特征分析。在ArcGIS9.3軟件的Geostatistieal Analyst模塊進(jìn)行多種插值方法繪制土壤鹽分含量的空間分布圖。

1.4 空間插值的方法

1.4.1 反距離加權(quán)插值法（IDW） IDW 實(shí)際是一種加權(quán)移動(dòng)平均方法，將計(jì)算區(qū)域劃分成若干矩形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的寬度和長(zhǎng)度分別為Δx和Δy，網(wǎng)格格點(diǎn)處的含鹽量可用其周圍鄰近的站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料按距離平方的倒數(shù)插值求得。反距離加權(quán)插值法易受數(shù)據(jù)點(diǎn)集的影響，從而使計(jì)算結(jié)果常出現(xiàn)一種孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)明顯高于周圍數(shù)據(jù)點(diǎn)的情況。

1.4.2 樣條函數(shù)插值法（Spline） 樣條函數(shù)插值是用數(shù)學(xué)方法對(duì)一些限定的點(diǎn)值通過控制估計(jì)方差，利用一些特征節(jié)點(diǎn)，在空間插值時(shí)準(zhǔn)確地通過實(shí)測(cè)樣點(diǎn)擬合出連續(xù)光滑的表面。該方法優(yōu)點(diǎn)是易操作，計(jì)算量不大，缺點(diǎn)是難以對(duì)誤差進(jìn)行估計(jì)，采樣點(diǎn)稀少時(shí)效果不好。

1.4.3 克里金方法（Kriging） 克里金法也稱空間局部插值，充分吸收了地理統(tǒng)計(jì)的思想，建立在半變異函數(shù)理論分析基礎(chǔ)上，是對(duì)有限區(qū)域內(nèi)的區(qū)域化變量取值進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法?？死锝鸩逯挡粌H考慮了距離，而且通過變異函數(shù)和機(jī)構(gòu)分析，考慮了已知樣本點(diǎn)的空間分布及未知采樣點(diǎn)的空間方位關(guān)系，就是說地統(tǒng)計(jì)學(xué)的克里格插值預(yù)測(cè)方法不但能描述空間變異分布特征，而且能表達(dá)預(yù)測(cè)誤差?？死锝鸱椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是使用靈活，能評(píng)估結(jié)果精度。

1.4.4 協(xié)同克里金方法（Co-Kriging） 協(xié)同克里金法是普通克里金法的擴(kuò)展形式，它要用到兩個(gè)或者兩個(gè)以上的變量，其中一個(gè)是主變量，其他作為輔助變量，將主變量的空間自相關(guān)性和主輔變量間的交互相關(guān)性結(jié)合起來用于無偏最優(yōu)估值中。

1.4.5 驗(yàn)證方法 為充分比較和評(píng)價(jià)4種插值方法的結(jié)果，采用交叉驗(yàn)證的方法進(jìn)行模型檢驗(yàn)。由于反距離加權(quán)插值、樣條函數(shù)插值只依賴于數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)只有RMSE，而地統(tǒng)計(jì)插值依賴于數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)模型，有 MSE，RMSE，ASE，RMSSE 4種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以統(tǒng)一采用RMSE（均方根誤差）作為選取最優(yōu)插值模型的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。ME總體反映估計(jì)誤差的大小和插值結(jié)果的系統(tǒng)偏差，RMSE可以反映利用樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)估計(jì)靈敏度和極值效應(yīng)［10］。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤鹽分的描述性統(tǒng)計(jì)分析

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法是當(dāng)前揭示土壤屬性變量在空間分布、變異的最有效方法之一，可對(duì)土壤屬性空間性質(zhì)進(jìn)行定量描述和研究［11］。表層土壤含鹽量的變異系數(shù)＞100%，受隨機(jī)因素影響具有強(qiáng)空間變異性。

由于人類不合理的灌溉方式及水分蒸降比較高的情況下，促使可溶性鹽類隨上升水流蒸發(fā)濃縮，聚積于地表，導(dǎo)致渭庫地區(qū)鹽分表聚強(qiáng)烈。表層土壤含鹽量較高，平均值為40.26g／kg，屬于重鹽土類型（含鹽量大于5.0g／kg）［12］，在一定程度上反映了土壤耕作層內(nèi)的鹽漬化程度（表1）。

表1 表層土壤鹽分各要素統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.2 土壤含鹽量的地統(tǒng)計(jì)特征

經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的土壤含鹽量，近似服從正態(tài)分布，符合空間分析要求，保證了半方差函數(shù)的計(jì)算不受比例效應(yīng)的影響。變異函數(shù)值增大到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的常數(shù)C0＋C時(shí)，便不再增大，這一點(diǎn)被稱作基臺(tái)值，表示系統(tǒng)總的變異，較大的基臺(tái)值意味著系統(tǒng)變量具有較強(qiáng)的空間變異［13］。達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的間隔距離被稱作變程，超過這一距離后，區(qū)域化變量就不再具有空間相關(guān)性，因此變程的大小表示空間變異性尺度［14］。當(dāng)間隔距離h＝0時(shí)，γ（0）＝C0，該值稱為塊金值。較大的塊金值表明較小尺度上的某種過程不容忽視［15］。結(jié)構(gòu)性因子（C／（C0＋C））比值＜25%、25%～75%、＞75%分別表示變量的空間相關(guān)性弱、中等、較強(qiáng)［16］。分維數(shù)D反映隨機(jī)變異大小。

最佳擬合模型的確定一般要求決定系數(shù)較大，殘差較小。由表2可知，表層土壤含鹽量半方差函數(shù)理論模型為高斯模型，決定系數(shù)為0.734，表明模型的擬合相關(guān)性較好。分維數(shù)D為1.847，由隨機(jī)因素引起的空間變異性較大，這與描述性統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果相一致?？臻g結(jié)構(gòu)比小于0.75，說明表層土壤鹽分含量屬于中等程度空間相關(guān)性。

通過分析不同角度的（0°，45°，90°，135°）半方差函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)土壤含鹽量的半方差值大致圍繞一條直線上下波動(dòng)，空間變異性隨間隔距離的增大有增長(zhǎng)趨勢(shì)。各采樣點(diǎn)的鹽分是空間相關(guān)的，存在空間變異結(jié)構(gòu)，不存在方向效應(yīng)，說明鹽分是各項(xiàng)同性的［17］。

表2 土壤含鹽量的變異函數(shù)理論模型及有關(guān)參數(shù)

2.3 插值結(jié)果與交叉驗(yàn)證

采用地統(tǒng)計(jì)插值法、常規(guī)插值法插值進(jìn)行對(duì)比。運(yùn)用Cross-Validation進(jìn)行交叉驗(yàn)證，并對(duì)各參數(shù)進(jìn)行修正，以期得到最好的插值結(jié)果。所得的擬合值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，計(jì)算平均預(yù)測(cè)誤差（ME）和均方根預(yù)測(cè)誤差（RMSE），ME和RMSE越小，插值精度越高，尤其是RMSE越小越好。IDW的均方根誤差較大，其次為樣條函數(shù)插值法，說明常規(guī)型的空間插值法對(duì)土壤含鹽量的影響，其可靠性并不明顯。而兩種克里格插值法的均方根誤差較小，尤其是簡(jiǎn)單克里格空間插值法。協(xié)克里金方法的符號(hào)和算法比較復(fù)雜，交叉協(xié)方差函數(shù)和交叉變異函數(shù)的求取比較困難。顯然，從均方根誤差這一指標(biāo)來看，簡(jiǎn)單克里格法優(yōu)于其余幾種空間插值方法，為插值效果最好、精度最準(zhǔn)確的一種方法（表3）。

空間插值方法不同，空間格局在局部范圍上有細(xì)微的差異。反距離加權(quán)插值法和樣條函數(shù)插值法的插值表面都出現(xiàn)了不同程度的“牛眼”現(xiàn)象，這是由于原始測(cè)量值的奇異值造成的。反距離加權(quán)插值法雖然對(duì)局部現(xiàn)象的反映比較好，但不能反映真實(shí)的鹽分曲面。從插值圖像的平滑程度上，以簡(jiǎn)單克里金插值較佳。

表3 不同插值方法交叉驗(yàn)證

2.4 含鹽量的空間分布

新和縣的東南部在強(qiáng)蒸發(fā)的作用下，可溶性鹽隨毛細(xì)管上升并停留在表層土壤，從而形成了植被稀少的鹽土，而且越往東靠近，含鹽量越重；在該區(qū)由于不合理開荒，排水設(shè)施不暢，加之灌溉造成次生鹽漬化而導(dǎo)致土壤鹽分加重；非鹽土和輕鹽土則主要集中在西北地區(qū)，由于該區(qū)域植被覆蓋度較高，是渭庫綠洲的主要耕地區(qū)，區(qū)內(nèi)排水設(shè)施完善，土壤鹽分較低。

在水平方向上，土壤鹽分的分布和研究區(qū)的地形地貌關(guān)系密切，土壤鹽分高值區(qū)主要集中分布在人類活動(dòng)強(qiáng)烈和地勢(shì)較為低洼區(qū)域［18］。從地域分布來說主要是庫車縣和沙雅縣的外圍土壤鹽漬化較嚴(yán)重，在新和縣和沙雅縣的部分區(qū)域，含鹽量具有中等水平的空間分布。從研究區(qū)分布來說，西北部含鹽量分布較低，東南部含鹽量分布較高。

3 結(jié)論

（1）表層（0—10cm）土壤含鹽量變異系數(shù)＞100%，受隨機(jī)性因素影響具有強(qiáng)空間變異性，半方差函數(shù)理論模型為高斯模型，屬于中等程度空間相關(guān)性。造成這種情況的原因在于研究區(qū)地勢(shì)高低不平，不合理灌溉以及土壤的人為作用熟化程度不同，鹽分表聚現(xiàn)象嚴(yán)重。

（2）表層土壤含鹽量呈現(xiàn)出東南高西北低的空間分布。

（3）根據(jù)交叉驗(yàn)證可知，簡(jiǎn)單克里金插值誤差最小，精度較高，插值結(jié)果最佳。IDW插值在觀測(cè)站附近出現(xiàn)“牛眼”狀分布，協(xié)克里金的插值效果弱于克里金插值。徑向基函數(shù)插值效果最差，原因是它主要是考慮多維空間的數(shù)據(jù)插值問題。

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