黃河三角洲地區(qū)地下水埋深與土壤鹽分空間分布特征研究

黃河三角洲地區(qū)地下水埋深與土壤鹽分空間分布特征研究

在分析區(qū)域水土資源特征時，通常會出現(xiàn)一些特定的值，這些值大于所有研究數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或平均值（或平均值），但這不是分析誤差或采樣方法等人為誤差造成的。雖然僅占所有觀測數(shù)據(jù)的一部分，但觀測值通過正態(tài)分布（對數(shù)）影響變異函數(shù)的穩(wěn)定性。目前解決途徑主要有三種:一種是通過非線性變換(如平方根變換,對數(shù)變換,反正弦變換等)“平滑”這些特異值,對變換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行(地質(zhì))統(tǒng)計(jì)分析,最后再進(jìn)行逆變換,目前只有對數(shù)變換可以應(yīng)用對數(shù)正態(tài)克立格估值并轉(zhuǎn)換回原尺度,其他變換沒有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換方法;另一個途徑是剔除或用估計(jì)鄰域和影響系數(shù)等方法處理特異值[1、2],但這些方法都在一定程度上破壞了變量空間變異的真實(shí)信息;第三種途徑就是應(yīng)用非參數(shù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)———指示克立格法進(jìn)行分析。指示克立格是條件普通克立格的非參數(shù)形式,它可以在不必去掉重要而實(shí)際存在的特異值的條件下處理各種不同的現(xiàn)象,并能抑制特異值對變異函數(shù)穩(wěn)健性的影響,因此是處理有偏數(shù)據(jù)的有力工具。有關(guān)指示克立格方法的研究與運(yùn)用,國內(nèi)已有較多詳細(xì)的報(bào)道,例如李保國等應(yīng)用指示克立格方法對華北沖積平原區(qū)淺層地下水硝酸鹽含量進(jìn)行評價(jià),繪制了硝酸鹽含量分布圖及概率分布圖;吳蓉等通過引入變異函數(shù)的孔穴效應(yīng)模型,采用指示克立格方法對區(qū)域裂隙介質(zhì)的滲透性參數(shù)進(jìn)行了估值計(jì)算,證明了孔穴效應(yīng)模型的適用性與Kriging方法的可行性;宋剛等以指示克立格法為基本工具分析了華北平原某地區(qū)含水層滲透性空間分布的結(jié)構(gòu)特征,揭示了該地區(qū)含水層滲透性的各向異性特征,表明了指示克立格法用以描述含水層滲透性空間分布規(guī)律的適用性;徐英等利用指示克立格對黃河河套灌區(qū)鹽漬化土地上關(guān)鍵時期的土壤水鹽特征進(jìn)行了空間分布的分析和不同尺度上農(nóng)業(yè)水土資源質(zhì)量的評價(jià)。本文針對黃河三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的土壤鹽漬障礙因子,以該地區(qū)典型地塊作為研究對象,綜合運(yùn)用GIS和指示克立格方法,對地下水埋深以及與作物生長關(guān)系最為密切的0~40cm深度土壤鹽分這兩個重要指標(biāo)的空間變異性進(jìn)行了綜合分析與評價(jià)。旨在利用該方法在田間尺度農(nóng)田的土壤質(zhì)量評價(jià)中應(yīng)用的這個例子為科學(xué)管理與合理改良利用黃河三角洲地區(qū)鹽漬土地,研究該地區(qū)土壤鹽漬化的發(fā)生機(jī)理、預(yù)測與評估該地區(qū)土壤鹽漬化的發(fā)生發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。1試驗(yàn)材料和方法1.1潮土、鹽土、礦化度試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省墾利縣永安鎮(zhèn)“東義和村”與“東七村”為主體的研究區(qū)域(圖1),地處北溫帶大陸性季風(fēng)型氣候帶,東臨渤海,屬典型黃河下游三角洲地區(qū)。該區(qū)四季氣候變化明顯,降水主要集中在7~8月份,占全年降水量的70%,年均蒸降比為3.22。由于土壤直接發(fā)育于海相沉積物,再加上成陸過程中受海水的浸漬側(cè)滲作用,使得土壤含有較多的可溶性鹽類,濱海潮鹽土是該區(qū)最主要的鹽土類型。區(qū)內(nèi)地下水位普遍較高,多介于1.4~2.4m之間,平均礦化度為32.4g·L-1;由于當(dāng)?shù)厝狈π钏こ?雨季水量豐富但不能調(diào)蓄,非雨季淡水資源緊缺,這導(dǎo)致研究區(qū)地下水埋深及礦化度的季節(jié)性動態(tài)變化顯著,再加上該區(qū)內(nèi)地下水與土壤鹽分互為“源-庫”關(guān)系,由此也引起了土壤含鹽量呈現(xiàn)“積鹽-淋溶”的季節(jié)性動態(tài)變化。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1采樣點(diǎn)分布及相對坐標(biāo)的確定選取一塊面積約520hm2的連續(xù)地塊(東西間距約4.1km,南北間距約1.1~1.6km)作為研究區(qū)域,研究區(qū)域地勢相對平坦,其南部邊界為一條自西向東的灌溉渠,東南部位毗鄰大片的養(yǎng)殖魚塘。采樣地界于東經(jīng)118°47′~118°50′,北緯37°33′~37°34′之間,根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、植被類型等因素確定采樣點(diǎn)的位置與數(shù)量,共挖取127個剖面,其中棉花(玉米)地38個,鹽蒿地26個,光板地38個,其余均為雜草地,采樣點(diǎn)分布如圖1所示。由于研究區(qū)內(nèi)地下水埋深較淺,每個剖面都挖到地下水流出,同時對剖面0~40cm深度土壤樣品進(jìn)行采集,共計(jì)采集127個樣點(diǎn)的0~40cm深度土樣與地下水埋深數(shù)據(jù)。各采樣點(diǎn)的相對坐標(biāo)采用差分GPS定位技術(shù)確定。樣點(diǎn)采集分別于2004年10月中下旬及2005年9月下旬(均為旱季)分兩次進(jìn)行,正值棉鈴?fù)滦跗?一方面此時的地下水埋深對土壤次生鹽漬化的影響較大,地下水性質(zhì)受人為因素的影響也較小。另一方面9月中旬至來年3月地下水動態(tài)可視為相對穩(wěn)定期,這時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),而此時的蒸發(fā)量也是不大的。1.2.2土壤含鹽量的測量地下水埋深:每個剖面都挖到地下水流出,待其水位穩(wěn)定以后,用刻度尺測量其埋深。土壤含鹽量:采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干,磨碎、過2mm篩后備用。所有的土樣均制備1∶5土水比浸提液,采用常規(guī)分析法測定8大鹽分離子的含量,各鹽分離子含量之和即為相應(yīng)的土壤含鹽量。2結(jié)果與分析2.1地下水埋深與土壤鹽分的分布特征地下水埋深與土壤鹽分的統(tǒng)計(jì)特征值如表1所示。0~40cm土壤鹽分平均值達(dá)9.67g·kg-1,總體上屬于重度鹽化土類型(含鹽量4.0~10.0g·kg-1),說明土壤高度鹽漬化。按一般對變異系數(shù)值C.V.的評估,當(dāng)C.V.≤10%時,為弱變異性,10%<C.V.≤100%為中等變異性,地下水埋深與土壤鹽分的變異系數(shù)分別為31.87%和62.35%,地下水埋深的變異性要明顯小于土壤鹽分,但都屬于中等變異強(qiáng)度。由圖2所顯示的頻數(shù)分布圖看出,地下水埋深與土壤鹽分的分布具有明顯的差異性。地下水埋深的偏度值較高,達(dá)-0.887,呈現(xiàn)出向右偏倚的分布特征,但在左側(cè)的低值仍表現(xiàn)出高頻數(shù)分布;土壤鹽分的偏度值為0.696,其分布明顯向左偏倚,且右側(cè)由于特異值存在出現(xiàn)長尾現(xiàn)象。單樣本Kolmogorov-Smirnov正態(tài)檢驗(yàn)和對數(shù)正態(tài)檢驗(yàn)(P<0.05,2-tailed)表明,地下水埋深并不服從正態(tài)與對數(shù)正態(tài)分布,土壤鹽分則符合近似的對數(shù)正態(tài)分布。通過Cochran純隨機(jī)采樣理論公式計(jì)算合理采樣數(shù)量,在95%置信水平10%相對誤差條件下,地下水埋深與土壤鹽分的合理采樣數(shù)目分別為40和153。由表1可以看出,土壤鹽分的樣點(diǎn)密度并不滿足當(dāng)前條件下的合理采樣數(shù)量要求,但已滿足90%置信水平10%相對誤差條件下的合理采樣數(shù)量(N=107)。2.2克立格估計(jì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)特征(表1和圖2)表明,地下水埋深呈非正態(tài)分布與土壤鹽分呈對數(shù)正態(tài)分布,而且存在特異值,兩者都會影響變異函數(shù)的穩(wěn)健性,進(jìn)而影響克立格估計(jì)結(jié)果;此外,盡管各種克立格方法能給出某個變量的空間分布圖,但有時人們更感興趣的不是某一點(diǎn)處地下水埋深或土壤鹽分的具體值,而是大于(或小于)某一閾值,或處于某一范圍內(nèi)的該變量在空間上的分布概率。指示克立格法不僅能削弱偏態(tài)分布和特異值對變異函數(shù)及估計(jì)結(jié)果的影響,而且能有效地估計(jì)區(qū)域化變量的分布概率,成為解決這類問題的有力工具。2.2.1地下水埋深與土壤鹽分條件概率的空間異質(zhì)性及條件自相關(guān)性分析對地下水埋深與土壤鹽分分別進(jìn)行單元指示克立格分析,其計(jì)算的關(guān)鍵是選擇閾值,本研究選擇1.80m和6.0g·kg-1作為地下水埋深和土壤鹽分的閾值。對于地下水埋深,置小于1.80m為1,否則為0;對于土壤鹽分,置大于6.0g·kg-1為1,否則為0。選取1.80m和6.0g·kg-1分別作為地下水埋深和土壤鹽分閾值的原因是多方面的:一方面,綜合考慮黃河下游三角洲地區(qū)獨(dú)特的水文水資源、地形地貌、土壤母質(zhì)等條件導(dǎo)致該區(qū)土壤水鹽運(yùn)動極其活躍,再加上采樣期正值旱季,使得研究區(qū)土壤與地下水之間鹽分交換較為頻繁,極易引起土壤鹽漬化與次生鹽漬化;另一方面,綜合考慮研究區(qū)土壤鹽漬化程度重,且當(dāng)?shù)胤N植制度和主要作物類型以棉花的一年單熟制為主,少部分是棉花-冬小麥的一年兩熟制。對賦值后的地下水埋深與土壤鹽分進(jìn)行指示半變異函數(shù)分析,地下水埋深與土壤鹽分的指示半方差分別符合球狀模型和高斯模型,結(jié)果如圖3所示。圖3中,塊金值C0通常表示由實(shí)驗(yàn)誤差和小于實(shí)驗(yàn)取樣尺度引起的變異;基臺值C通常表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異;塊金值/基臺值表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例,它反映了土壤屬性的空間依賴性,常被用作研究變量空間相關(guān)的分類依據(jù)[11、12]。分維數(shù)D為步長與半方差的雙對數(shù)直線回歸斜率,通過變量D值之間的比較,可以確定空間異質(zhì)性(分形特征)的程度。地下水埋深與土壤鹽分的塊金值/基臺值分別為44.0%和59.7%,均體現(xiàn)為中等的空間自相關(guān)性。這說明在當(dāng)前閾值條件下,地下水埋深與土壤鹽分條件概率的空間分布是由結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、地形、土壤類型等)和隨機(jī)性因素(如灌溉、耕作措施等各種人為活動)共同作用的結(jié)果。地下水埋深與土壤鹽分條件概率的分維數(shù)分別為1.882和1.920,表明在當(dāng)前閾值條件下,土壤鹽分條件概率的空間異質(zhì)性程度高于地下水埋深,且分維數(shù)與塊金值/基臺值變化表現(xiàn)出一致性,其原因在于隨機(jī)性因素強(qiáng),結(jié)構(gòu)性差,結(jié)構(gòu)性差則分布復(fù)雜,從而分維數(shù)高;相反隨機(jī)性弱,結(jié)構(gòu)性好,分布簡單,從而分維數(shù)低。圖4顯示了地下水埋深(小于1.80m)和土壤鹽分(大于6.0g·kg-1)的概率分布圖。整體上看,研究區(qū)的地下水埋深小于1.80m的概率東部高于西部、南部高于北部,土壤鹽分大于6.0g·kg-1的概率亦表現(xiàn)出同樣的規(guī)律,地下水埋深與土壤鹽分的條件概率在空間分布上存在著相似性,這從空間尺度上說明了地下水埋深與土壤積鹽之間的關(guān)聯(lián)性。地下水埋深與土壤鹽分條件概率分布是多方面因素共同作用的結(jié)果。首先,由于研究區(qū)東臨渤海,東部受海水的浸漬側(cè)滲作用較西部強(qiáng)烈,表現(xiàn)為地下水埋深由東向西逐漸增加,而礦化度逐漸降低,這也是導(dǎo)致土壤鹽分由東向西逐漸降低的直接因素。其次,研究區(qū)具有西高東低、北高南低的地形特點(diǎn),且局部微地形起伏較大,在一定程度上影響著地下水埋深和土壤鹽分的空間分布特征,這是地下水埋深與土壤鹽分該空間分布格局形成的重要因素。再次,研究區(qū)東南部位毗鄰大片人工開挖的養(yǎng)殖魚塘,魚塘中大量的地下水入滲到該區(qū)域,抬高了地下水位,在旱季持續(xù)地表蒸發(fā)作用下地下水返鹽強(qiáng)烈,即地下水中的可溶性鹽類借助毛細(xì)管作用上升并積聚于表土,導(dǎo)致該區(qū)域絕大部分為裸露的鹽斑地。此外,研究區(qū)西部土壤鹽分相對較低,土地利用強(qiáng)度較大,而在土壤鹽分較高的東部,由于土地改良利用難度大,基本處于未利用狀態(tài),因此,耕作、灌溉、施肥等人為農(nóng)業(yè)活動對地下水埋深與土壤鹽分的空間格局也有不容忽視的影響。2.2.2研究區(qū)地下水土中鹽分的單元概率分布由于黃河三角洲地區(qū)土壤水鹽運(yùn)動非?；钴S,僅對土壤鹽漬化(土壤鹽分)單一變量進(jìn)行考察是不全面的,還要綜合考慮潛在鹽漬化狀況(主要指標(biāo)為地下水埋深),為此,需要同時對地下水埋深和土壤鹽分這兩個指標(biāo)的分布進(jìn)行考察。多元指示克立格是(單元)指示克立格的簡單外延,其目的是將多個研究指標(biāo)(即變量)整合為一個指標(biāo),以便于分析和估值。多元指示克立格分析具體計(jì)算步驟如下:(1)分別為每個指標(biāo)選擇各自的閾值,本研究中地下水埋深與土壤鹽分的閾值仍然取1.80m和6.0g·kg-1;(2)為每個指標(biāo)建立指示函數(shù)并進(jìn)行指示變換,即將地下水埋深小于1.80m與土壤鹽分大于6.0g·kg-1的指示值都置為1,否則為0;(3)將多個指標(biāo)合并為一個綜合指標(biāo),當(dāng)某采樣點(diǎn)上m(m≤n,n表示變量數(shù))個指示變換值如果都為1,則綜合指標(biāo)為1,否則綜合指標(biāo)為0;本研究m=n=2,即采樣點(diǎn)上地下水埋深與土壤鹽分均滿足小于1.80m和大于6.0g·kg-1這兩個條件時,綜合指標(biāo)為1,否則為0;(4)計(jì)算綜合指標(biāo)的指示半變異函數(shù)(圖5);(5)進(jìn)行普通克立格插值,得到綜合指標(biāo)的概率分布圖(圖6)。圖6反映了研究區(qū)地下水埋深(小于1.80m)和土壤鹽分(大于6.0g·kg-1)的綜合概率分布,可以看出,地下水埋深小于1.80m以及土壤鹽分大于6.0g·kg-1的高概率區(qū)域占研究區(qū)面積比例較大,土壤鹽漬化與次生鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)總體較高。研究區(qū)綜合概率分布呈現(xiàn)出東部高于西部、南部高于北部的規(guī)律性,即土壤鹽漬化與次生鹽漬化的發(fā)生概率東部高于西部,南部高于北部,其總體趨勢與圖4中地下水埋深及土壤鹽分的單元概率分布較為接近,這也說明研究區(qū)土壤鹽漬化與次生鹽漬化并非是完全相互獨(dú)立的過程,而是存在著空間上的關(guān)聯(lián)性。從空間分布來看,研究區(qū)土壤鹽漬化與次生鹽漬化的高概率區(qū)主要位于東部,且呈現(xiàn)連片分布。考慮到研究區(qū)東部土壤鹽漬化程度高、次生鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)大以及分布集中、而且地勢較低,其改良利用宜采用以水利工程措施為主、農(nóng)業(yè)生物措施為輔的綜合治理方案。研究區(qū)西部土壤鹽漬化與次生鹽漬化概率較低,但由于該區(qū)域土地利用強(qiáng)度高,耕作、施肥、灌溉等人為農(nóng)業(yè)活動較為頻繁,因此應(yīng)加強(qiáng)田間管理,對出現(xiàn)的土壤鹽漬化宜采用農(nóng)業(yè)、生物調(diào)控措施,同時,還應(yīng)完善田間排水設(shè)施,以防止人為農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致土壤次生鹽漬化。此外,研究區(qū)土壤鹽漬化與次生鹽漬化概率分布圖還可為當(dāng)季種植作物種類的選擇提供依據(jù),如在鹽漬化與次生鹽漬化低概率區(qū)可種植耐鹽性較差的經(jīng)濟(jì)作物如胡蘿卜、馬鈴薯等,而在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)易種植耐鹽性較好的糧食作物如大麥、冬小麥、高粱等。區(qū)域土壤資源利用風(fēng)險(xiǎn)性定量評價(jià)指標(biāo)不僅有地下水性質(zhì)和土壤鹽分,還包括各種養(yǎng)分含量、容重、孔隙度等理化性質(zhì),且各個指標(biāo)之間可以相關(guān)(如本文的地下水埋深和土壤鹽分)也可以相互獨(dú)立,可以是水土資