基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的田塊尺度鹽堿土特性研究

顧 鑫，楊 麗，任翠梅，高國(guó)金，孫連成，劉 冰，孫興榮，韓 墨

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 大慶分院，黑龍江 大慶 163316)

基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的田塊尺度鹽堿土特性研究

顧 鑫，楊 麗，任翠梅，高國(guó)金，孫連成，劉 冰，孫興榮，韓 墨

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 大慶分院，黑龍江 大慶 163316)

鹽堿土；土壤pH值；電導(dǎo)率；空間分異特征；地統(tǒng)計(jì)學(xué)

精確掌握鹽堿化土壤特性的空間分異情況，可為鹽堿地綜合利用、土壤資源可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。為此，選取東北松嫩平原鹽堿化土壤為研究對(duì)象，應(yīng)用網(wǎng)格法采集田塊尺度下鹽堿化土壤表層(0～20 cm)樣本，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和GIS技術(shù)，研究了該田塊土壤的電導(dǎo)率、pH值、容重、孔隙度、含水量及飽和持水量的空間分異特征，結(jié)果表明：這些指標(biāo)在統(tǒng)計(jì)上均服從正態(tài)分布，在空間上存在明顯的分異性；該田塊土壤整體發(fā)生輕度鹽堿化(土壤電導(dǎo)率為123.1～316.0 μs/cm，pH值為7.56～8.17)，與地面高處相比，低洼處的鹽堿化程度更強(qiáng)；土壤pH值和含水量的主導(dǎo)影響因素為結(jié)構(gòu)性因素(氣候、母質(zhì)、土壤類型等自然條件)，土壤電導(dǎo)率、容重、孔隙度、飽和持水量的主導(dǎo)影響因素為隨機(jī)性因素(施肥、灌溉、耕作措施等人為活動(dòng))。

土壤作為地球上最寶貴的一種自然資源，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展。在干旱、半干旱地區(qū)，土地生產(chǎn)力普遍低下，土壤常常發(fā)生鹽堿化，這已成為全球性的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)和糧農(nóng)組織(FAO)的不完全統(tǒng)計(jì)[1]，全球鹽堿化土地面積大約為9.55億hm2，約占全世界可耕作土地面積的10%。我國(guó)是世界上發(fā)生土壤鹽堿化較為嚴(yán)重的國(guó)家之一，在黃淮海平原、西北內(nèi)陸地區(qū)、東北松嫩平原及東部濱海地區(qū)均有分布[2]，其中具有農(nóng)業(yè)利用潛力的鹽堿化耕地將近1 330萬(wàn)hm2，挖掘潛力相當(dāng)大[3]。黑龍江省大慶地區(qū)位于東北松嫩平原腹地，其鹽堿化土地面積高達(dá)288萬(wàn)hm2，占東北地區(qū)鹽堿地總面積的39.3%[4]，且新開(kāi)墾土地的不斷增加和不合理的灌溉方式，使鹽堿化土地的數(shù)量仍在繼續(xù)增長(zhǎng)。鹽堿化土壤改良難、利用難，其形成實(shí)質(zhì)是一定時(shí)期一定空間范圍多因素作用下土體水鹽橫向與縱向遷移所致，土壤特性在空間分布上并非是均一不變的，同一時(shí)間不同地點(diǎn)存在著明顯的分異性[5]。為此，摸清鹽堿化土壤家底，精確掌握真實(shí)的土壤信息，對(duì)于鹽堿地治理與綜合利用具有重要的意義。本研究選取東北松嫩平原鹽堿化土壤為研究對(duì)象，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)土壤特性的空間分異情況進(jìn)行研究，從而判斷土壤各個(gè)特性的主導(dǎo)影響因素，以期為鹽堿地綜合利用、土壤資源可持續(xù)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大慶分院試驗(yàn)基地進(jìn)行。該基地位于北緯46°40′、東經(jīng)125°14′，坐落于嫩江平原中部，地形為碟形凹地。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多大風(fēng)，夏季高溫多雨水，秋季涼爽且短促，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)；多年平均氣溫3.3 ℃，最低氣溫出現(xiàn)在1月，為-37.2 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，為38.3 ℃；多年平均降水量為426 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為972 mm，最大凍土深度2.14 m。土壤季節(jié)性地發(fā)生鹽堿化，土壤積鹽—脫鹽過(guò)程交替出現(xiàn)，土體中鹽分的遷移與地下水位關(guān)系密切。選取一典型田間地塊作為本研究的調(diào)查對(duì)象，田塊面積約5 hm2。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集方法

于2016年4月中旬采用網(wǎng)格法對(duì)研究區(qū)典型田間地塊土壤進(jìn)行采樣。采樣時(shí)將該地塊等間距打成40 m×40 m大小的網(wǎng)格，然后在網(wǎng)格內(nèi)按梅花形采集5鉆土壤(采樣深度為0～20 cm)組成代表該點(diǎn)的混合樣本，并利用GPS定位儀精確記錄采樣點(diǎn)的地理位置信息。共采集樣本26個(gè)。

2.2 土壤特性測(cè)定方法[6]

土壤pH值測(cè)定采用電位法(1∶2.5土水比，IS139實(shí)驗(yàn)室pH計(jì))；土壤電導(dǎo)率(Electrical Conductivity，EC)值測(cè)定采用電導(dǎo)率儀(型號(hào)DDS-307)；土壤含水量測(cè)定采用經(jīng)典鋁盒烘干法；土壤容重及飽和持水量測(cè)定采用經(jīng)典環(huán)刀法。

2.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論

地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論是地質(zhì)礦產(chǎn)部門在探礦和采礦時(shí)采用的一種先進(jìn)空間分異分析方法，可用于土壤特性空間分異研究的定量分析[7]。該方法主要是利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對(duì)未知樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏估值，理論基礎(chǔ)是變差圖理論和區(qū)域變量理論。地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論在研究土壤特性空間變異中取得了相當(dāng)大的成功，并得到了廣泛應(yīng)用[8]。在地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中，半方差函數(shù)是用于研究土壤特性空間分異結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵函數(shù)，該函數(shù)的形式[9]為

(1)

式中：γ(h)為半方差函數(shù)，它等于所有以給定間距h相隔的樣點(diǎn)的觀測(cè)值之差平方的數(shù)學(xué)期望；N(h)為以h為間距分隔的所有觀測(cè)樣點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目，當(dāng)樣點(diǎn)總數(shù)為n時(shí)，N(h)=n-1；Z(xi)、Z(xi+h)為以h為間距的兩個(gè)實(shí)測(cè)值。

通常，半方差函數(shù)反映了不同間距觀測(cè)值之間的變化，γ(h)值隨著樣點(diǎn)間距h的增加而增大，當(dāng)間距h升到最大時(shí)，γ(h)值趨于穩(wěn)定。

實(shí)際上，土壤的性質(zhì)在空間上是連續(xù)變化的，所以土壤性質(zhì)的半方差函數(shù)應(yīng)該是連續(xù)函數(shù)。但是，樣品半方差圖卻是由一批間斷點(diǎn)組成的，可以用直線或曲線將這些點(diǎn)連接起來(lái)，用于擬合的曲線方程就稱為半方差函數(shù)的理論模型。地統(tǒng)計(jì)學(xué)中有多種半方差函數(shù)理論模型，其中應(yīng)用最廣的理論模型是有基臺(tái)值的球狀模型，該模型能用于各種沉積礦物、土壤和水的空間變異性研究。球狀模型[10]為

(2)

式中：C0為間距為0時(shí)的半方差，稱為塊金常數(shù)，表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機(jī)變異；C0+C為半方差函數(shù)隨著間距遞增到一定程度后出現(xiàn)的穩(wěn)定值，稱為基臺(tái)值，表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異；C為基臺(tái)值與塊金常數(shù)的差值；a為半方差達(dá)到基臺(tái)值時(shí)的樣本間距，稱為變程。

Kriging空間插值分析是地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中最常見(jiàn)的空間局部?jī)?nèi)插法[11]，它是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)有限區(qū)域內(nèi)的若干已知樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)未知樣點(diǎn)值進(jìn)行的一種線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)。對(duì)于任意待估點(diǎn)，其估計(jì)值是通過(guò)n個(gè)該待估點(diǎn)影響范圍內(nèi)的有效樣點(diǎn)值的線性組合得到，是建立在半變異函數(shù)理論分析基礎(chǔ)上的加權(quán)平均估計(jì)，公式為

(3)

式中：Z(x)為待估點(diǎn)的估計(jì)值；Z(xi)為待估點(diǎn)影響范圍內(nèi)的某個(gè)有效樣點(diǎn)值；λi為權(quán)重系數(shù)，Σλi=1。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 19.0和ArcGIS 9.3進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析及土壤特性空間分異圖繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤特性的統(tǒng)計(jì)特征分析

研究區(qū)土壤各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表1。土壤電導(dǎo)率能夠影響土壤養(yǎng)分及污染物的轉(zhuǎn)化和有效性，反映了在一定條件下土壤鹽分的實(shí)際狀況，與土壤鹽分呈現(xiàn)正相關(guān)，因此常用電導(dǎo)率來(lái)估測(cè)土壤的含鹽量[12]。由表1可知，該田塊土壤電導(dǎo)率在123.1～316.0 μs/cm之間，平均值為192.58 μs/cm，表明該田塊土壤整體上發(fā)生輕度鹽化；該田塊土壤pH值在7.56～8.17之間，平均值為7.92，表明該田塊土壤整體呈輕度堿化；該田塊土壤容重和孔隙度的平均值分別為1.20 g/cm3和54.83%，表明土壤熟化程度較高；土壤含水量和飽和持水量平均值分別為14.13%和37.70%，體現(xiàn)了土壤的保水、持水能力較強(qiáng)。從變異系數(shù)CV來(lái)看，該田塊土壤pH值、容重、孔隙度屬于弱變異(CV≤10%)，土壤電導(dǎo)率、含水量、飽和持水量屬于中等變異(10%

表1 表層(0～20 cm)土壤特性統(tǒng)計(jì)特征

土壤電導(dǎo)率、pH值、容重、孔隙度、含水量及飽和持水量的偏度系數(shù)接近于0，峰度系數(shù)接近于3(表1)，經(jīng)K-S檢驗(yàn)(表2)，各個(gè)指標(biāo)的檢驗(yàn)P值均大于0.05，表明數(shù)據(jù)均呈近正態(tài)分布，滿足半方差函數(shù)分析使用的要求[14]。

表2 表層(0～20 cm)土壤特性K-S檢驗(yàn)

3.2 土壤特性的半方差函數(shù)分析

經(jīng)半方差函數(shù)分析，獲得研究區(qū)土壤各指標(biāo)的半方差參數(shù)，見(jiàn)表3。土壤各指標(biāo)特性基臺(tái)值(C0+C)在0.151～1.419之間，表現(xiàn)為具有明顯的空間結(jié)構(gòu)。該研究區(qū)土壤各指標(biāo)特性的變程在1.671～3.807 m之間。塊基比C0/(C0+C)的大小反映了系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性，其比值越小空間相關(guān)性就越強(qiáng)，同時(shí)該比值的大小也能反映出引起空間變異的主導(dǎo)影響因素，比值較高說(shuō)明是由隨機(jī)因素引起的空間變異占主要部分，比值較低說(shuō)明是由空間結(jié)構(gòu)因素引起的變異占主要部分[15]。由表3可以看出，該田塊土壤pH值和含水量的空間相關(guān)性較強(qiáng)，C0/(C0+C)<0.25，土壤pH值和含水量受結(jié)構(gòu)性因素(氣候、母質(zhì)、土壤類型等自然條件)影響強(qiáng)烈；土壤電導(dǎo)率、容重、孔隙度、飽和持水量的空間相關(guān)性較弱，C0/(C0+C)>0.75，受隨機(jī)性因素(施肥、耕作措施等人為活動(dòng))影響強(qiáng)烈。

表3 表層(0～20 cm)土壤特性半方差參數(shù)

3.3 土壤特性的空間插值分析

根據(jù)半方差函數(shù)分析結(jié)果，運(yùn)用Kriging插值方法對(duì)實(shí)際采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間最優(yōu)內(nèi)插，精確獲得該研究區(qū)土壤各個(gè)特性的空間分異情況， 見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，土壤電導(dǎo)率在田塊中心處較低(123.1～137.6 μs/cm)，逐漸向四周擴(kuò)增變大，西部最大(270.1～316.0 μs/cm)，而從田塊實(shí)際微地形上來(lái)看，該地塊中心處比周圍要高一些，這說(shuō)明低洼處更容易聚集鹽分，發(fā)生鹽化；土壤pH值在7.56～8.17之間，說(shuō)明土壤發(fā)生弱堿化，堿化較重處發(fā)生在田塊西南處；土壤容重和孔隙度也表現(xiàn)出明顯的空間分異性，容重大小在1.00～1.50 g/cm3之間，由東北向西南逐漸遞減，孔隙度則恰好相反，由東北向西南逐漸遞增，大小在43.4%～62.3%之間，表明該田塊土壤熟化程度由東北向西南逐漸增加；飽和持水量和土壤含水量在空間上也表現(xiàn)出明顯的分異性，飽和持水量在26.7%～53.0%之間，整體上由西北向東南逐漸遞減，含水量在7.3%～22.0%之間，與飽和持水量保持基本一致的空間變化規(guī)律，但最低土壤含水量發(fā)生在田塊地面較高處，總體上，田塊西北土壤水分比東南充沛，蓄水保水能力較強(qiáng)。土壤特性的空間分異不僅與自然條件有關(guān)，同時(shí)也受人為因素(施肥、灌水、耕作等)的強(qiáng)烈影響。由表3數(shù)據(jù)可知，該田塊土壤pH值和含水量受自然因素影響強(qiáng)烈，其他土壤指標(biāo)受人為因素影響強(qiáng)烈。為此，采取合理的農(nóng)田管理措施，平整土地，填平局部低洼處，能夠降低土壤的鹽堿危害，使其地力有所提高。

4 結(jié) 論

通過(guò)利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和GIS技術(shù)對(duì)田塊尺度下土壤電導(dǎo)率、pH值、容重、孔隙度、含水量及飽和持水量等特性進(jìn)行分析，摸清楚了土壤空間特性的準(zhǔn)確信息，得出以下結(jié)論：土壤各個(gè)特性在統(tǒng)計(jì)上均服從正態(tài)分布，在空間上存在明顯的分異性；該田塊土壤整體發(fā)生輕度鹽堿化(土壤電導(dǎo)率為123.1～316.0 μs/cm，pH值為7.56～8.17)，與地面高處相比，低洼處的鹽堿性更強(qiáng)；土壤pH值和含水量的主導(dǎo)影響因素為結(jié)構(gòu)性因素(氣候、母質(zhì)、土壤類型等自然條件)，土壤電導(dǎo)率、容重、孔隙度、飽和持水量的主導(dǎo)影響因素為隨機(jī)性因素(施肥、灌溉、耕作措施等人為活動(dòng))。

圖1 表層(0～20 cm)土壤特性空間分異情況

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

S155.2

A

1000-0941(2017)07-0048-04

顧鑫(1988—)，男，黑龍江訥河市人，碩士，主要從事土壤改良與土壤生態(tài)方面的研究工作。

2016-08-14