天津市濱海新區(qū)土壤水鹽空間變異分析

楊曉瀟，王秀蘭?，王計平，范晨晨， 李慧杰

(1.北京林業(yè)大學，北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室，100083，北京； 2.中國林業(yè)科學研究院 國家林業(yè)局鹽堿地研究中心，100091，北京)

我國土壤鹽漬化問題突出，鹽堿地分布廣泛，其中濱海鹽堿地占比近40%[1]，已成為制約生態(tài)環(huán)境建設和經濟發(fā)展的突出問題[2]。土壤特性的空間變異性指土壤的特征參數(shù)及相關狀態(tài)變量的數(shù)值在同一時間不同空間位置是不同的[3]。經典統(tǒng)計學最早被用來描述土壤性質的空間變異特征，其認為土壤性質在空間上具有獨立性。隨著研究的深入，地統(tǒng)計學(Geostatistics) 在區(qū)域化變量理論的基礎上，由G. Matheron以及法國多名數(shù)學家提出。20世紀70年代，大量研究結果證明地統(tǒng)計學是研究土壤空間變異特征的有效方法。土壤水分和鹽分是土壤的2大重要特性[4]，土壤鹽漬化與土壤水分之間存在密切關系。蘇新禮等[5]研究表明土壤鹽漬化與水鹽均衡有關。周在明[6]研究指出地下水埋深和礦化度對土壤表層、底層鹽分含量具有明顯影響。了解土壤水鹽空間變異特征，對于了解土壤鹽漬化現(xiàn)狀、土壤鹽漬化防控與治理及土地資源可持續(xù)利用具有重大意義。國內外學者從不同區(qū)域、不同研究尺度對土壤水鹽的空間變異特征進行了研究。Panagopoulos等[7]使用GIS及地統(tǒng)計學方法，以地中海地區(qū)作為研究區(qū)域，利用Kriging插值方法研究了土壤鹽分的空間變異特征。Weindorf等[8]使用地統(tǒng)計學方法揭示了火山區(qū)表層土壤的空間變異特征，并對土壤鹽分的空間分布進行了分析。Brocca等[9]對意大利中部流域尺度的2個相鄰區(qū)域土壤水分的時空變異特征進行研究，其結果表明大尺度的土壤水分空間變異程度較強。李敏等[10]從3個尺度對新疆鹽堿地進行空間變異特征分析，并指出土壤水鹽變化與空間尺度的變化有關。王卓然等[11]研究了黃河三角洲墾利縣土壤水鹽狀況及其微域變異規(guī)律，其結果表明土壤含鹽量的變異性高于土壤含水量。徐英等[12]研究表明，河套平原長勝試驗區(qū)土壤水鹽空間變異性與采樣尺度有密切關系。吳向東[13]研究表明，基于田塊尺度的黃河三角洲濱海濕地土壤水鹽在垂直及水平方向具有明顯的空間變異性。柴晨好等[14]將經典統(tǒng)計學、地統(tǒng)計學、GIS技術相結合，以三工河流域的冰湖水庫和柳城子水庫為研究對象，探討不同土層的土壤鹽分空間變異特征，其結果表明，各層土壤鹽分呈中等空間自相關性，隨土層深度的增加，結構性因素產生的影響增強。

現(xiàn)有研究對于濱海地區(qū)鹽堿地的研究多集中于鹽堿地改良措施[15-18]，對于土壤水鹽空間變異特征及其分布規(guī)律的研究較少；研究多集中于表層土壤，未考慮不同土層間土壤水鹽空間變異特征；研究尺度多集中在較小尺度[19-20]，不利于把握宏觀規(guī)律，且較少以不同土地利用類型劃分研究尺度；研究多為土壤鹽分或水分單方面研究，較少開展土壤水鹽特性系統(tǒng)性研究。筆者以天津市濱海新區(qū)為研究區(qū)域，基于“高分一號”遙感影像，采用監(jiān)督分類方法獲取研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，根據實地采樣數(shù)據獲取的土壤電導率和土壤水分數(shù)據，結合統(tǒng)計學、地統(tǒng)計學方法及GIS技術，探討不同土層及不同土地利用類型的土壤水鹽空間變異特征及空間分布，旨在了解濱海新區(qū)土壤的鹽漬化現(xiàn)狀，為鹽堿地的治理與改良、植被恢復及土地利用優(yōu)化布局提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

天津濱海新區(qū)位于華北平原的北部，處于山東半島與遼東半島的交匯、海河的下游、瀕臨渤海，地理坐標E 117°20′～118°00′，N 38°40′～39°00′， 研究區(qū)分布如圖1所示。濱海新區(qū)氣候類型為大陸性季風氣候，具有暖溫帶半濕潤氣候特征，年平均氣溫8.3 ℃～2.4 ℃，年平均降水量611.6～640.0 mm，年平均水面蒸發(fā)量1 625 mm，屬于海積平原地貌類型，土勢較低平，地下水位高，海水浸漬嚴重，排水不暢，土壤鹽漬化程度較重。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

2 材料與方法

2.1 數(shù)據來源與處理

1) 土壤水鹽數(shù)據。 本研究使用的土壤鹽分及水分數(shù)據是經過采樣后實驗室化驗所得，采樣時間為2017年11月24—27日，天氣晴，采樣深度為0～20 cm和20～40 cm。根據研究區(qū)土地利用類型、土壤類型、地貌、植被類型、土壤鹽漬化程度等因素布設土壤采樣點，為了反映整個研究區(qū)土壤鹽分及水分空間變異特征，在濱海新區(qū)內部及邊界區(qū)域采集土樣。每個土樣的質量為100 g，將采集所得土壤樣品放入樣品袋中，貼好標簽，標注采樣深度和采樣時間。利用手持 GPS定位儀測定樣方中心位置坐標，記錄樣點的土壤類型、土地利用狀況、植被類型、植被覆蓋情況等環(huán)境信息，并用數(shù)碼相機進行記錄，獲取土壤樣本47個，將通過GPS測得的采樣點坐標數(shù)據通過ArcGIS軟件轉為具有空間坐標的空間點，并對其進行投影轉換，投影坐標系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_Zone_50N，生成研究區(qū)采樣點的空間分布(圖2)。將土壤樣品進行風干處理，篩去植被殘根、大塊石頭、大塊顆粒物等雜質，磨碎，取通過2 mm篩的土壤樣品30 g，加入150 mL無二氧化碳水，加塞震蕩3 min，抽氣，過濾得到1∶5土水比浸提液，利用電導率綜合測試儀測定土壤樣品電導率，采用烘干法測定土壤含水量。

圖2 采樣點分布Fig.2 Distribution of sampling points

土壤鹽分的定量表述是描述土壤鹽漬化程度的基礎，中國習慣上常用土壤含鹽比例(%)表示鹽漬化程度[21]，國外一般直接使用電導率進行表述。王艷等[22]研究了土壤含鹽量與電導率之間的關系，表明不同土水比土壤浸提液電導率與全鹽量之間都呈及顯著正相關關系，據此將土壤電導率數(shù)據轉換為土壤鹽分數(shù)據。土壤鹽漬化等級按照表1[23]進行劃分。

表1 濱海新區(qū)土壤含鹽量分級Tab.1 Soil salinized degree in Binhai New Area

2) 土壤水鹽數(shù)據處理。 結合經典統(tǒng)計學與地統(tǒng)計分析方法，利用SPSS軟件對不同土層深度采樣點土壤鹽分及水分進行描述性統(tǒng)計分析及相關性分析。K-S檢驗用于數(shù)據的正態(tài)性檢驗，對不服從正態(tài)分布的數(shù)據進行轉換，使其符合正態(tài)分布，通過相關性分析確定不同土層鹽分與水分之間的關系。使用GS+軟件，計算半變異函數(shù)，篩選出最優(yōu)半變異函數(shù)模型，獲得相關參數(shù)。通過ArcGIS軟件的地統(tǒng)計分析功能，根據最優(yōu)半變異函數(shù)模型提供的參數(shù)對土壤鹽分及水分進行Kriging插值及分級，生成土壤鹽分及土壤水分空間分布圖。

3) 遙感數(shù)據處理。選擇與野外采樣時間相近、影像質量良好的8幅“高分一號”衛(wèi)星遙感影像，利用ENVI5.3軟件，將多光譜影像與全色波段進行融合以提高影像分辨率，通過融合，影像分辨率為2 m，并進行正射校正，輻射定標，利用FLAASH大氣校正模塊進行大氣校正，以去除大氣中成分對對地物反射波譜的影響，獲得研究區(qū)遙感影像圖(圖3)。對遙感影像監(jiān)督分類，獲得研究區(qū)土地利用類型(圖4)，去除水體作為空間插值范圍。

圖3 濱海新區(qū)遙感影像圖Fig.3 Remote sensing image of Binhai New Area

圖4 濱海新區(qū)土地利用類型Fig.4 Land use types of Binhai New Area

如表2所示，研究區(qū)域內各土地利用類型中，按照面積排序為水域>耕地>建設用地>典型鹽堿地>荒地，耕地主要分布在研究區(qū)西南部，荒地多分布于耕地附近；水域分布較廣；林地大多分布在北大港水庫周圍，人工林零星分布；建設用地主要集中在研究區(qū)中部；典型鹽堿地多分布于沿海地區(qū)。

表2 土地利用類型面積及占比Tab.2 Areas and percentages of different land use types

2.2 研究方法

應用于此研究中的經典統(tǒng)計學主要對土壤性質進行描述性統(tǒng)計分析，常用的描述性統(tǒng)計參數(shù)包括平均值、最大值、最小值、標準差、變異系數(shù)、峰度、偏度等，Cv為變異系數(shù)，是反映數(shù)據離散程度的絕對值，可用來表示土壤性質的變異程度。

變異系數(shù)的計算公式為

(1)

式中：σ為標準差,μ為平均值,Cv為變異系數(shù)。當Cv<0.1為弱變異性，0.11為強變異性。

地統(tǒng)計學認為土壤性質不是完全獨立或隨機的，它在一定的空間范圍內是相關的，相互聯(lián)系的。在滿足平穩(wěn)和固有假設的基礎上，地統(tǒng)計學使用變異函數(shù)來定量描述土壤性質的空間變異結構。變異函數(shù)γ(h)的計算公式為

(2)

式中：γ(h)為半變異函數(shù)值；h為滯后距離，km；N(h)為樣本對數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)分別為研究變量在點xi和點xi+h處的值。變異函數(shù)的常用理論模型主要包括球狀模型、指數(shù)模型及高斯模型，模型公式如下。

高斯模型：

(3)

指數(shù)模型：

(4)

球狀模型：

(5)

式中：C0為塊金值，是隨機變異影響因素，即人為影響因素，如耕作措施、灌溉、施肥、平整土地、土地利用類型；C為結構性方差，是結構性因素引起的空間變異，即自然影響因素，如母質、氣候、植被、土壤類型等；a為變程，km，表示空間最大相關距離[24]，反映自相關的范圍。半變異函數(shù)的參數(shù)還包括：C0+C為基臺值，是總方差，為系統(tǒng)內采樣點的整體變異情況，包括隨機性變異和結構性變異；C0/(C0+C)為塊金系數(shù)，表示空間相關性，即隨機因素引起的空間異質性占系統(tǒng)總變異的比例。當C0/(C0+C)<25%時，空間自相關性較強，當25%75%時，為弱空間自相關性。

3 結果與分析

3.1 土壤水鹽狀況統(tǒng)計分析

1) 不同深度土壤水鹽描述性統(tǒng)計分析。各層土壤鹽分在水平方向上為強變異性。各層土壤水分為中等變異性，變異程度總體較小，結構較為穩(wěn)定?？傮w上分析，土壤水分變異程度小于土壤鹽分；隨著土層深度的增加，土壤水分變異性遞減，其主要原因是表層土壤易受降水及蒸發(fā)等因素影響，隨土層深度的增加，土壤結構緊實，入滲能力下降，呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)；隨土層深度的增加，土壤鹽分空間變異性遞減，其主要原因是表層土壤受外界影響較大，如人類活動因素、氣象因素等，隨土層深度的增加，這些因素的影響逐漸減小，變異性減弱。

表3 不同土層水分及鹽分統(tǒng)計值Tab.3 Statistics of moisture and salinity in different soil depth

2) 不同土層土壤鹽分及水分相關性分析。 由表4所示，0～20 cm與21～40 cm土層土壤的鹽分相關系數(shù)為0.931；由表5所示，土壤水分相關系數(shù)為0.757，呈顯著正相關；由表6所示，不同土層土壤鹽分與水分之間呈顯著正相關，隨土層深度的增加，相關性增強。

表4 不同土層土壤鹽分相關系數(shù)Tab.4 Soil salinity correlation coefficient under different soil depth

表5 不同土層土壤水分相關系數(shù)Tab.5 Soil moisture correlation coefficient under different soil depth

表6 不同土層土壤水分與鹽分相關系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient between soil moisture and soil salinity under different soil depth

注：**在0.01級別，相關性顯著。Note：At the 0.01 level, the correlation is significant.

3.2 土壤水鹽空間變異特征

利用GS+9.0軟件對土壤鹽分及水分進行半方差函數(shù)擬合，獲得土壤水鹽半方差函數(shù)擬合圖(圖5及圖6)，得到最優(yōu)半方差模型，獲取塊金值(C0)，基臺值(C0+C)，變程(a)，相關系數(shù)(R2)等參數(shù)，如表7所示。

表7示出，土壤鹽分及水分半方差模型的相關系數(shù)較大，模型擬合效果較好，即半方差函數(shù)模型能夠很好的反映土壤水鹽含量的空間分布特征。由表7所示，各層土壤水鹽塊金值較小，說明由于采樣誤差引起的土壤鹽分及水分的變異不大，采樣合理。土壤含鹽量在0～20 cm土層深度表現(xiàn)為中等空間自相關性，說明其空間分布是由隨機因素和結構性因素共同引起的；21～40 cm土層表現(xiàn)為強空間自相關性。隨著土層深度的增加，土壤鹽分的空間自相關性增大，表明隨機性因素(耕作措施、灌溉、施肥、平整土地)對土壤鹽分的空間變異作用逐漸減弱，結構性因素(母質、氣候、植被、土壤類型)的影響不斷加強。各層土壤水分表現(xiàn)為強空間自相關性，主要受結構性因素影響引起空間變異。整體而言，土壤鹽分與水分的空間自相關性隨土層深度的增加而增加，穩(wěn)定性增強，土壤水分的空間自相關性大于土壤鹽分。

圖5 土壤鹽分半方差函數(shù)擬合Fig.5 Soil salinity semi-variogram fitting

圖6 土壤水分半方差函數(shù)擬合Fig.6 Soil moisture semi-variogram fitting

表7 不同土層水分及鹽分半方差擬合模型與參數(shù)

3.3 土壤水鹽空間分布特征

3.3.1 不同土層土壤水鹽空間分布 如圖7所示，0～20 cm土層輕度鹽漬化土壤面積最大，21～40 cm土層濱海鹽土面積最大，土壤鹽漬化程度較重。隨著土層深度的增加，輕度鹽漬化土壤面積減小，中度、重度鹽漬化及濱海鹽土面積擴大，鹽漬化程度向西南方向演進，即隨土層深度的增加，鹽漬化程度加重。土壤鹽分空間分布呈整體條帶狀、局部斑塊狀的空間分布特征，隨著與渤海的距離增大，土壤的鹽分含量遞減，鹽漬化程度減輕。其中，輕度鹽漬化土壤主要分布在西南部有耕地分布區(qū)域，土壤鹽漬化程度較重的區(qū)域主要分布在東部，土地利用類型主要為典型鹽堿地。在0～20 cm土層中，含水量為10%～15%的土壤面積最大，在21～40 cm土層中，含水量為15%～18%的土壤面積最多，隨著土壤深度的增加，土壤水分含量遞增，從濱海新區(qū)東北部到西南部，土壤含水量總體呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。

3.3.2 不同土地利用類型土壤水鹽空間分布及變異程度分析 如表8所示，縱向分析可知，不同土地利用類型土壤含鹽量與含水量均為0～20 cm<21～40 cm，即土壤水鹽含量隨土層深度的增加而增加；不同土地利用類型土壤水鹽的變異性隨著土層深度的增加而減小，與3.1.1中獲得的結論一致。從整體來看，不同土地利用類型土壤含鹽量的變異程度大于土壤含水量。

表8 不同土地利用類型土壤水鹽統(tǒng)計分析Tab.8 Statistics of moisture and salinity in different land use %

不同土地利用類型土壤含鹽量排序為典型鹽堿地>建筑用地>荒地>耕地>林地，且不同土層表現(xiàn)出相同的趨勢，典型鹽堿地土壤含鹽量最大，按照鹽漬土分級標準為濱海鹽土，大部分為重度鹽漬化土壤，林地土壤鹽分含量最小，大部分為中度鹽漬化土壤。根據野外調查情況及查閱相關文獻，林地多為人工林地，經過化學改良，含鹽量較低。耕地主要分布在濱海新區(qū)的內陸地區(qū)遠離海岸線且經過土壤改良，土壤鹽漬化程度較低。典型鹽堿地多分布于渤海灣沿岸附近，荒地分布在沿海灘涂附近，受海水浸漬影響，土壤鹽分含量較高。建設用地多分布于濱海新區(qū)中心地帶和偏東方向，而濱海新區(qū)總體鹽分含量從東部沿海地區(qū)沿海岸線逐漸遞減，這就導致建設用地土壤鹽分含量較高。不同土層土壤含鹽量變異性均為耕地>建筑用地>荒地>典型鹽堿地>林地，其中：0～20 cm耕地為強變異性，其余為中等變異性；21～40 cm中，不同土地利用類型均為中等變異性。

0～20 cm土層，耕地土壤含水量最大，林地最?。?1～40 cm土層，典型鹽堿地土壤含水量最大，林地最小。由于人工灌溉，耕地土壤含水量較大。不同土層中林地含水量均為最小，即不同土層土壤鹽分與水分之間呈顯著正相關。0～20 cm土層除林地為弱變異性，其余為中等變異性；21～40 cm土層中林地、荒地為弱變異性，耕地、建筑用地、典型鹽堿地為中等變異性，林地在不同土層中均表現(xiàn)為弱變異性。

4 結論

1)通過經典統(tǒng)計學分析，土壤鹽分為強變異性，土壤水分為中等變異性，隨著土層深度的增加，土壤水鹽變異性減弱，土壤鹽分的變異性大于土壤水分。不同土層土壤含鹽量與含水量呈顯著正相關，且隨土層深度的增加，相關性增強。

2)土壤鹽分在0～20 cm土層深度為中等空間自相關性，21～40 cm土層為強空間自相關性，各層土壤水分均為強空間自相關性。隨土層深度的增加，土壤水鹽分空間自相關性增大，說明隨機性因素對土壤鹽分空間變異的影響逐漸減弱，結構性因素的影響不斷加強。

3)土壤水鹽的空間分布特征表現(xiàn)為：各層土壤水鹽空間分布規(guī)律基本一致，且隨土層深度的增加，土壤水鹽含量遞增，縱向變化趨勢一致，表現(xiàn)出一定的層次性。土壤含鹽量呈整體條帶狀、局部斑塊狀的空間分布特征，鹽漬化程度向西南方向演進，隨著與海岸線的距離增大，土壤鹽分遞減，鹽漬化程度減輕。從濱海新區(qū)東北部到西南部，土壤含水量呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。

4)不同土地利用類型的土壤水鹽空間變異規(guī)律與研究區(qū)整體趨勢保持一致，即土壤水鹽含量隨土層深度的增加而增加，變異性隨著土層深度的增加而減小，土壤含鹽量變異程度大于土壤含水量。各土層土壤含鹽量從大到小的土地利用類型為典型鹽堿地>建筑用地>荒地>耕地>林地，0～20 cm土層，耕地土壤含水量最大，林地最小，21～40 cm土層，典型鹽堿地土壤含水量最大，林地最小。各層土壤含鹽量變異性均為耕地>建筑用地>荒地>典型鹽堿地>林地，0～20 cm土層除林地為弱變異性，其余為中等變異性；21～40 cm土層中林地、荒地為弱變異性，耕地、建筑用地、典型鹽堿地為中等變異性。不同土地利用中，典型鹽堿地土壤含鹽量最大，空間變異性較強，林地的土壤含鹽量最小，空間變異性最弱，最為穩(wěn)定。

基于上述研究結果，耕地整體屬于中度鹽漬化，由于土壤上已有農作物覆蓋，可通過化學改良方式，可施用化學酸性肥料、礦物化肥、有機肥等，不僅可以改善鹽漬化程度，還可提高土壤肥力。荒地整體屬于重度鹽漬化，多分布于耕地周圍，可通過化學改良結合生物改良措施，種植較耐鹽或高抗鹽植物，如白刺、怪柳等，還可種植抗鹽性較強的綠肥和牧草，翻壓入土可肥田，如草木樨、田菁或紫花苜蓿?？稍诮ㄔO用地上進行生物改良，如進行植被恢復，促進生態(tài)良性循環(huán)。濱海新區(qū)內林地土壤鹽分含量較低且穩(wěn)定，可適當采取化學改良的方式加以鞏固改良，同時還需要注意對人工林地的日常維護工作。典型鹽堿地主要分布在沿海地區(qū)，可根據濱海新區(qū)發(fā)展規(guī)劃或具體區(qū)域的規(guī)劃，使用化學改良及水利工程改良方法。