典型潮土区土壤耕层盐分含量的趋势效应研究_杨玉建

灌溉排水学报

JournalofIrrigationandDrainage　第23卷第6期　

文章编号:1000646X(2004)06001004

典型潮土区土壤耕层盐分含量的趋势效应研究

杨玉建,杨劲松

(中国科学院南京土壤研究所,江苏南京210008)

摘　要:通过分析典型潮土区

X

山东省禹城市100个土壤采样点2003年耕层土壤的盐分含量,研究得出了潮土

区土壤耕层盐分含量的空间分布图,在地统计学和地理信息系统的支持下,分析了区域尺度土壤耕层含盐量的趋势效应,探讨了研究区土壤盐分含量的空间变异性特征。在对比分析研究区2003年和1980年第二次土壤普查土壤耕层盐分含量的空间变异性基础上,基于研究区近50年的气温和降水资料,分析了研究区盐分含量变化的原因,并总结了引起研究区土壤盐碱化的人为原因。关　键　词:潮土;盐分含量;克里格内插;趋势变化中图分类号:S156　　文献标识码:A

　　运用经典统计学与地统计学的原理和方法,在研究典型潮土区表层土壤盐分时空分布的基础上,结合地理信息系统,利用克里格插值法研究土壤盐分的时空分布,进行20年前后禹城市(1993年撤县设市)土壤盐分空间分布特征的对比研究,探讨该地区土壤盐分含量的变化特征和规律,并分析土壤盐分含量变化的原因。禹城市位于山东省西北部,全市总面积990km2。属于暖温带半湿润季风气候。年内降雨多集中于夏季,其中6～9月平均为470.7mm,占全年的76.4%。年平均蒸发量1379.5mm,为降雨量的2.2倍。禹城市内皆平原,海拔高度介于19.2～27.27m,微地貌比较复杂,共有7种类型,即:河滩高地、高坡地、平坡地、洼坡地、浅平洼地、决口扇形地和砂质河槽地。由于受地形、地貌、母质、气候等因素的影响,全市形成了潮土和盐

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土二大土类。潮土面积7.3万hm,占土壤面积的97.77%,在全市广泛分布。

1　采样点布设方法

首先将研究区当作总体(N),采用数理统计学中的机械布点方法,采样点间隔距离大约3km。布设的步骤是,首先从该研究区最南端的边界作一平行线(南起点线),再以此线为起点线由南向北作平行线(到北边界为止),每2条平行线之间的间隔大约3km;然后另外再以东边的边界线为起点线,由东西向作间隔3km垂直于南线的垂直线,最后以平行线与垂直线直交的“点”为采样点。规则网格数据的特点是样点间距离相等或成倍数,这种结构可以在研究区域上进行全部取样,也可以在网格上随机取样以减少工作量。采用规则网格数据结构不但计算比较方便,而且在空间局部估计中因数据结构一致,计算起来比较快捷,节省计算时间。采用网格方法采样正是为了尽量提高克里格插值的精度,减少不确定性,实现含盐量点尺度到面尺度的扩展。

以禹城市1∶50000地形图为基础底图,一共在100个采样点采集了土样,所有样点都用GPS进行定位。对每个样点都进行了统一编号,景观描述,拍摄了相应的景观照片。每个样点0～20cm的耕层土样用土钻钻取,相邻不同的3钻土样经混合后组成待测样品。土壤样品的处理和分析均采用常规方法,首先测定采样点土壤耕层的电导率,然后按该区域土壤盐分含量与电导率建立的回归方程转换为相应的土壤含盐量[1]。

2　土壤耕层含盐量空间变异特征研究

X收稿日期:2004

0713

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G19990118);国家自然科学基金项目(40371058)

作者简介:杨玉建(1975),男,山东郓城人,在读博士,研究方向为土壤水盐运动和土壤盐渍化预测预报.

102.1　土壤耕层含盐量和电导率的统计特征分析

变异系数可以粗略地估计变量的变异程度,研究区土壤耕层2003年样点含盐量的变异系数为0.347(见表1)。变异系数的划分等级有:弱变异性(Cv<0.1);中等变异性(Cv=0.1～1.0);强变异性(Cv>1.0),按照此等级,研究区土壤耕层含盐量属于中等变异强度。

表1　禹城市土壤含盐量统计特征值

特征值含盐量/(g・kg-1)

样本数量100

最小值0.710

最大值4.052

平均值0.962

标准差0.334

方差0.112

变异系数0.347

偏度8.206

峰度75.447

2.2　土壤耕层含盐量空间变异半方差模型的拟合与特征参数分析

由于土壤特性的传统统计分析只在一定程度上反映样本全体,而不能定量地刻画土壤特性的随机性和结构性、独立性和相关性。为了解决这些问题,必须进一步采用地统计方法进行土壤特性空间变异结构的分析和探讨。土壤特性数据的正态分布性检验是使用地统计学克里格方法进行土壤特性空间分析的前提,由于半方差函数的计算一般要求数据符合正态或近似正态分布,否则可能存在比例效应。因此,只有当数据(或者数据经过对数转化)服从正态分布时,克里格方法才有效。利用Komogorov-Smirnov法对100个样本的耕层含盐量数据进行了检验,样点盐分含量数据经对数转化后服从正态分布,这表明所测数据满足地统计学分析的要求。

地统计学半方差图是利用变异函数研究土壤特性空间变异并产生一个合适的空间变异模型,是地统计学解释土壤特性空间变异结构的基础,它的精确估计是成功的空间内插的关键。土壤耕层含盐量空间变异的定量研究中涉及地统计学的半方差函数及其模型和克里格插值,克里格分析是利用了半方差图的模型进行测定点之间的最优内插,它是利用已知点的数据去估计任意点x0处的数值。

　　在小尺度或者农田地块土壤含盐量的空间变异研究中,因面积有限,土壤含盐量大都直接表现出明显的正态分布或者对数正态分布,在进行变异函数计算和克里格内插时,可不做趋势分析或者在某种程度上忽略趋势效应。但是在进行区域含盐量研究时,土壤含盐量这个区域化变量容易观察到趋势效应。通过对研究区土壤耕层盐分含量的空间趋势效应研究发现,土壤含盐量总体上从北向南呈“U”型变化的2阶趋势效应,从东向西方向为0阶趋势效应,这说明在不同的方向上土壤含盐量的空间变异性不同。通过观察异向性对变异函数建模和预测结果的影响,利用ARCGIS[6]的地统计学组件剔除了趋势参数为0阶和2阶条件下的空间变异影响,并利用地统计学的克里格方法研究土壤耕层盐分含量的空间变异,进行了土壤耕层盐分含量空间变异半方差模型的拟合,得到了研究区土壤性质半方差模型及其拟合参数,建立了球状模型,模型参数见表2。

表2　土壤含盐量的空间变异特征值

特征值含盐量/(g・kg-1)

样本数模型100

S

块金值(C0)0.024

基台值(C)0.035

变程/km18.974

块金/(基台+块金)0.686

决定系数r20.608

残差Rss0.007

F检验*

　　基台值通常表示系统内总的变异,块金值与基台值的比例可以表明系统变量空间相关性的程度。如果比例在25%～75%之间,表明系

　注　S:spherucal　*:P<0.05。

[7,8]

统具有中等的空间相关性。由表2中可知C0/(C+C0)比值为0.686,说明系统具有中等的空间相关性。这是因为土壤盐分含量的空间分布是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果。结构性因素,如母质、土壤类型、气候等成土因素;随机性因素,如耕作、管理措施、种植制度、污染等人为活动的影响,削弱了土壤盐分含量的空间相关性。通过盐分含量球状模型拟合、克里格插值分析表明,研究区土壤耕层盐分含量除受土壤自身性质影响外,局部地区的人为活动影响也不可忽视。

1980年研究区土壤盐分含量的区域分布通过数字化禹城市地下水埋深图、禹城市地下水矿化度图、禹城市地貌图、禹城市土壤类型图并结合当时盐碱地分布图等图件,在GIS支持下,进行了图幅的叠加、合并图斑,并经过polygontogrid的转化得到。2003年同一研究区土壤耕层含盐量空间分布从野外100个采样点盐分含量经上述克里格插值获得。综合分析1980年和2003年盐分含量的区域分布可知:1980年第二次土壤普查中,轻度盐化土壤指含盐量为(1～3)g/kg的区域,占土地总面积的7.59%;中度盐化土壤指含盐量在(3～6)g/kg的区域,占土地总面积的4.05%;重度盐化土壤指含盐量在(6～10)g/kg的区域,占土地总面积的3.37%,各种盐化土壤在研究区零星分布。经过20多年的改良,2003年,研究区土壤盐分含量比第二

11次土壤普查期间的土壤盐分含量有了大幅度下降,约95.3%的区域土壤耕层盐分含量小于1g/kg,研究区土壤盐分含量最大值为4.052g/kg,盐分含量高值区分布也比较集中,主要分布在研究区西部靠近西普天河的区域。

3　研究区盐分含量变化原因分析

通过对2003年分布在盐化潮土土属、白潮盐土土属、典型潮土土属、褐土化潮土土属上的4个典型剖面不同层次上的含盐量的分析,发现土壤耕层以下的含盐量均大于耕层,这说明研究区潜在盐渍化的威胁依然严重。研究区20多年来土壤含盐量的大幅度下降和土壤养分的提高密切相关,土壤耕层含盐量的降低为土壤养分含量的提高提供了条件;同时施用有机肥和化肥,增加土壤中的有机质和有效养分,使盐渍化土壤向非盐渍化转化。

从局部来看,造成土壤盐碱化的人为因素不可忽视。正是研究区人们注意了引起土壤盐碱化的原因,使研究区土壤盐碱化的面积减小、程度减轻。另一方面,研究区人们对引起土壤盐碱化的原因重视的不够是研究区目前存在盐碱化和潜在盐渍化的一个重要原因。在禹城市,造成土地盐渍化原因的人为因素主要有以下几个方面:引黄灌渠的渗漏,缺乏排碱工程;开挖河沟多,工程不配套,用水不当;耕作管理粗放,地面不平,施肥又少,结果造成土壤结构破坏;自然植被破坏,潜水蒸发系数大。上述人为因素在不同的地方影响程度不同,通过对研究区2003年盐分含量的区域分布分析可知,靠近西普天河有一盐分含量高值区,造成该高值区的主要原因和引黄灌渠的渗漏、当地居民用水不当有极大的关系,说明这二个因素是影响该地区土壤盐碱化的主要原因,而其他原因的影响程度为次。

图1　禹城市1956～2003年年均气温波动曲线　　　　　图2　禹城市1956～2003年年总降水波动曲线

　　禹城土壤表层盐分的变化与区域浅层地下水位的变化是密不可分的,浅层地下水位的降低是土壤表层脱盐的关键,区域土地利用类型的变化和集约化程度的提高在导致浅层地下水位降低的同时,也促进了土壤表层脱盐。气候条件的改变对农业土地利用具有限制作用,气候的急剧变化尤其是气候灾害,会引起人类活动和土地利用条件的非正常变化,直接或间接的影响土地的开发利用以及土地覆盖变化。气温和降水要素对农业生产的波动影响很大,依据研究区近50年的气温和降水观测资料,分别绘制了1956～2003年禹城的年均气温和1956～2003年的年降水量波动曲线和变化趋势线图(参图1、图2)。从图中可以看出,禹城的年均气温40多年来有升高的趋势;而降水量有下降的趋势,增温必然导致蒸发量加大,再与降水减少相配合,气候转向干旱,土壤水分干燥程度加重,是必然的。这种气候条件变化特别是降水的变化引起了区域地下水位的变化,从而在一定程度上影响了区域水盐平衡,使土壤耕层的盐分含量下降。

4　结　论

研究区土壤耕层含盐量存在空间变异性,这种变异性具有空间趋势效应,结构性因素和随机性因素是土壤耕层盐分含量空间变异的原因。研究区局部土壤潜在盐渍化的威胁依然严重,这是由于该区域表层土壤脱盐,盐分下移,在土体0.5～3.0m处有聚盐层。

气温和降水条件的变化在一定程度上使盐荒地转变为耕地成为可能。尽管禹城经过多年的综合治理,土壤质量有了较大提高,但在禹城还广泛分布着大量的中、低产田。尽管禹城的排灌体系完善,但是发生土壤盐12渍化的生物气候条件并没有改变。由于地下水位是制约土壤表层盐分含量的关键因素,地下水位的降低使表层土壤脱盐成为可能,而土壤表层盐分含量降低使盐碱地成为可垦地,开垦以后的土地投入增加和不同用地类型投入的差异促使养分平衡向养分积累方向发展,促使土壤养分大幅度上升和不同用地类型养分含量产生差异。

本研究揭示的是区域尺度上土壤盐分含量的整体变异性和变化趋势,它无法反映小尺度上(如田间水平)含盐量的空间变化特点,对这一特点的揭示还有待于在更小尺度上展开深入研究。

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TheTrendVariabilityofSoilSaltContentintheRepresentative

Fluvo-aquicSoilArea

YANGYu-jian,YANGJin-song

(InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofScience,Nanjing210008,China)

Abstract:Bymeansofanalyzingsaltcontentof100soilsamplingpointsofYuchengcitywherelocatesintherepresentativeFluvo-aquicsoilareainShandongprovincein2003,thearticlestudiedthetemporalandspatialvariabilityofsaltcontentbycouplinggeostatisticstheorywithgeographicinformationsystem,alsoanalyzedthetrendvariabilityofsoilsaltcontentontheregionscaleinsoilarablelayer.Withthehelpofthetemperatureandprecipitationwithin50years,thearticlealsoanalyzedthechangecauseofsoilsaltcontentintheresearcharea,andthedecreaseofsaltcontentprovidedgoodconditionsfortheincreaseofSOMcontentandeffectivenutrientcontent.Theresearchresultsshowedthatsoilsaltcontentcharacteristicisnormaldistribution(afterlogtransformation),thesemivariogrammodelofsoilsaltcontentisfittedwithsphericalmodel,thenugget/sillratio,soilsaltcontenthadexhibitedmiddlespatialcorrelation,whichresultsfromstructureandstochasticfactortogether.

Keywords:fluvo-aquicsoil;soilsaltcontent;kriginginterpolation;trendvariability

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