秦曉燕

(甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,甘肅 張掖 734000)

張掖市城市濕地土壤鹽分、pH值和含水量的空間異質(zhì)性分析

秦曉燕

(甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,甘肅 張掖 734000)

基于區(qū)域變量化理論,運(yùn)用傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)和地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法,以張掖市城市濕地為研究區(qū),定量分析濕地土壤鹽分、pH值和含水量的空間異質(zhì)性。結(jié)果表明:土壤鹽分較高,呈一定的堿化趨勢;鹽分屬于強(qiáng)變異程度,pH值屬于弱變異程度,含水量屬于中等變異程度;根據(jù)半方差函數(shù)理論模型分析,鹽分受結(jié)構(gòu)性因素較大影響表現(xiàn)為強(qiáng)空間相關(guān)性,pH值受隨機(jī)性因素影響很大不具備空間相關(guān)性,含水量受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性?？死锔癫逯祱D顯示,土壤鹽分和含水量的空間分布均呈現(xiàn)出一定的環(huán)狀、對稱狀、斑塊狀格局;pH值的空間分布呈現(xiàn)出面狀形態(tài)。

土壤鹽分;pH;含水量;地質(zhì)統(tǒng)計學(xué);空間異質(zhì)性;克里格插值;張掖市城市濕地;

1 引言

土壤作為歷史自然體,受到氣候、母質(zhì)、生物、地形、成土?xí)r間等諸多因素的影響,具有復(fù)雜性和高度的空間變異性,不論在大尺度上還是在小尺度上,土壤的空間異質(zhì)性均存在。那么土壤的空間變異性(spatial heterogeneity)即指在土壤質(zhì)地相對均一的區(qū)域內(nèi),土壤的特性參數(shù)、土壤水分運(yùn)動的某些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)以及土壤中的有關(guān)狀態(tài)變量的數(shù)值,在同一時刻不同空間位置并不相等的性質(zhì)[1]。自 20世紀(jì) 60年代國外學(xué)者提出研究空間異質(zhì)性以來,到目前為止已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展。研究的方法從 Fisher的經(jīng)典統(tǒng)計分析過渡到Matheron提出的地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)分析方法,并已將理論研究成果應(yīng)用于實(shí)際之中。90年代以后,國內(nèi)學(xué)者也逐步認(rèn)識到在地質(zhì)、土壤、水科學(xué)等領(lǐng)域中研究空間變異性的實(shí)用性,在土壤空間變異性方面進(jìn)行了諸多研究。但是,不同濕地類型,土壤肥力差異較大,即使在同一濕地內(nèi),土壤肥力也不均一,具有高度的空間異質(zhì)性。本文的目的是為了揭示張掖市北郊城市濕地土壤鹽分、pH值和含水量之間的空間變異特征,為濕地保護(hù)和國家濕地公園的開發(fā)提供某些科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

張掖市位于中國西部的甘肅省,地處河西走廊中段,轄甘州區(qū)、山丹縣、民樂縣、臨澤縣、高臺縣和肅南裕固族自治縣,總面積 4.2萬 km2,具有豐富的水土資源及充沛的光熱資源。張掖城市濕地保護(hù)區(qū)位于城區(qū)北郊,黑河沖洪積扇前緣地帶,總面積 51.39 km2,屬于天然濕地與人工濕地并存的濕地,是我國候鳥遷徙西部路線的重要組成部分。本次研究區(qū)的范圍:南起小滿康寧村 -梁家墩清涼寺,北至山丹河南岸,西以柳河為界,東至大沙河,面積 260 km2。地勢較為平坦,海拔 1440～1480m,地形整體由南東向北西方向傾斜。地理坐標(biāo)為:東經(jīng) 100°22′30″～ 100°33′45″,北緯 38°52′30″～ 39°04′00″。

該區(qū)域?qū)俅箨懶愿珊禋夂?晝夜溫差大,日照時間長,降水稀少而集中,蒸發(fā)強(qiáng)烈,據(jù)張掖氣象站 1951～2008年多年觀測資料統(tǒng)計,張掖市多年平均氣溫 7.2℃,降雨量128.2mm,蒸發(fā)量 2 020.2 mm,無霜期 153天。濕地范圍(圖 1)內(nèi)土壤質(zhì)地較輕,主要類型為草甸土、潮土、溪淤土、草甸鹽土、沼澤土。大部分為湖積堆積物、系黃褐色、灰綠色的淤泥質(zhì)土,表層零星分布黃粘土或富含腐殖質(zhì)的淤泥層。土壤中水分充足,好氧性微生物活動受阻,不利于有機(jī)物的礦化,影響成土的方向和進(jìn)程,形成了以草甸土為主的自然土壤和以潮土為主的耕作土壤。自然植被主要有檉柳科植物、駱駝刺、蘆葦?shù)?。種植作物主要有小麥、玉米等。

圖1 張掖市北郊濕地范圍及采樣點(diǎn)分布圖

2.2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.21 樣品采集

采樣時間從 2009年 4月至 2009年 5月,以張掖幅等 13幅 1∶10 000的地形圖為手圖,采用 GPS定位技術(shù)進(jìn)行定點(diǎn)取樣,取樣時兼顧代表性和均勻性,原則上每 1 Km取一個點(diǎn),取 0～30 cm深度內(nèi)的土壤.。依據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、植被類型、地下水埋藏深度等因素,共取樣點(diǎn) 13個,共同分析土壤鹽分、pH值及含水率。

2.2.2 樣品處理與分析

對所采集的土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干、研磨,通過1 mm篩選后用于測定 pH值和全鹽量。土樣均制備 5∶1的水土比進(jìn)行抽濾浸提,按常規(guī)分析方法確定土壤各離子組成含量,計算出相應(yīng)的土壤全鹽量。浸提液 pH使用 pH電極進(jìn)行測定。土壤含水量的測定采用烘干法[2]。(3)數(shù)據(jù)處理方法樣本的描述性和相關(guān)性分析采用 SPSS10.0軟件進(jìn)行,用 Kolmogorov-Sm irnov(K-S)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否呈正態(tài)分布。半方差函數(shù)計算運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)軟件 GS′for windows5.3進(jìn)行處理,首先在 GS+軟件中對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)源進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換,其次進(jìn)行半方差函數(shù)的計算、模擬、分析和檢驗(yàn)。地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)涉及的半方差函數(shù)和半方差函數(shù)模型參照文獻(xiàn)[3]。為了更直觀地反映土壤鹽分的空間分布狀況,根據(jù)所得到的半方差函數(shù)模型,利用 Kriging最優(yōu)內(nèi)插法[4],繪制土壤鹽分、pH值和含水量的分布特征圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤鹽分、pH值和含水量的描述性統(tǒng)計特征分析

按照經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)分析方法,不同深度下土壤鹽分、pH值和含水量的統(tǒng)計特征值列于表 1。

表1 土壤鹽分、pH值與含水量的統(tǒng)計特征值

表中顯示,鹽分的最大值與最小值之比為 30.06 g/kg,標(biāo)準(zhǔn)差為 10.484,均明顯高于 pH值和含水量,表明鹽分在水平方向的變異或離散程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 pH值和含水量。土壤鹽分的平均值為 9.59 g/kg,總體屬于重鹽土類型(含鹽量大于5.0 g/kg)[5],說明了土壤高度鹽漬化是制約本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及影響植被生長的主要因素,其原因:一是本地屬于干旱氣候,蒸發(fā)強(qiáng)烈,降水稀少,且水位埋深較淺,導(dǎo)致鹽分積于表層土壤中;二是受人為耕作活動、施肥不當(dāng)?shù)挠绊?。與此同時由于近幾年張掖地下水位的不斷上升,致使土壤中含水量較多,平均值達(dá) 19.773%。從峰度和偏度兩項(xiàng)指標(biāo)可以看出,研究區(qū)各層土壤鹽分、pH值和含水量峰度值和偏度值均大于零,呈右偏態(tài),鹽分的分布呈“尖頂峰”,pH值和含水量的分布呈“平頂峰”。

變異系數(shù)(CV)反映的是相對變異,即隨機(jī)變量的離散程度。根據(jù)相關(guān)研究,CV≤0.1為弱變異性;0.1＜Cv＜1為中等變異性;CV≥1為強(qiáng)變異性[6]。研究區(qū)土壤 pH值屬于弱變異性,含水量屬于中等變異性,鹽分屬于強(qiáng)變異性,這與人為灌排、耕作方式不當(dāng)有關(guān),使得土壤鹽分的變異系數(shù)較大。

土壤特性數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性檢驗(yàn)是使用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行土壤特性空間分析的前提,由于半方差函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)或近似正態(tài)分布,否則可能會存在比例效應(yīng)[7]。根據(jù)K-S檢驗(yàn)概率值均大于 0.05,即各層土壤的鹽分含量、pH值和含水量的原始數(shù)據(jù)均符合或近似正態(tài)分布。

3.2 土壤鹽分、pH值和含水量的空間變異特征分析

根據(jù)半方差函數(shù)理論模型分析及參數(shù)計算,通過地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)軟件得出參數(shù)結(jié)果見表 2和圖 2。整體上來看,三個分析項(xiàng)的理論半方差函數(shù)和實(shí)驗(yàn)半方差函數(shù)的擬合程度較好,他們的決定系數(shù)在 0.455～0.774之間,說明理論模型較好的反映了他們的空間變異特征。

表2 土壤鹽分、pH值與含水量的半方差函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

圖2 土壤鹽分(a)、pH值(b)與含水量(c)的理論半方差函數(shù)圖

土壤性質(zhì)的空間相關(guān)性的程度可以通過塊金值和基臺值來衡量。在半方差函數(shù)模型中,塊金值 C0是半差函數(shù)在原點(diǎn)處的數(shù)值,由實(shí)驗(yàn)誤差和小于最小取樣尺度上土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機(jī)因素共同引起的變異,較大的塊金方差表明較小尺度上的某種過程不容忽視;結(jié)構(gòu)方差C是由土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候等非人為的結(jié)構(gòu)性因素引起的變異?；_值(C0+C)一般是半方差函數(shù)值隨著樣點(diǎn)間距的增加而增大,并在一定的間距(稱為變程)升大到一個基本穩(wěn)定的值,表示總的變異[8]。表中顯示,各個分析項(xiàng)目的基臺值均為正值,尤其是鹽分的基臺值較大,說明存在著由采樣誤差或最小距離內(nèi)的變異(或隨機(jī))和固有變異引起的各種正基底效應(yīng)。塊金值與基臺值之比表示空間變異性程度(由隨機(jī)性因素引起的空間變異性占總變異的比例),該比值越高,說明由隨機(jī)性因素引起的空間變異性程度較大,相反,則由結(jié)構(gòu)性(空間自相關(guān)部分)因素引起的空間變異性程度較大,如果該比值接近或等于 1,則說明該變量在整個尺度上具有恒定的變異。按照區(qū)域化變量空間相關(guān)性程度的分級標(biāo)準(zhǔn)[8],當(dāng)塊金值/基臺值(C0/(C0+C))小于 25%時,變量的空間相關(guān)性強(qiáng)烈;在 25%～75%之間,空間相關(guān)性中等;當(dāng)該比值大于 75%,時空間相關(guān)性弱。從分析結(jié)果中可以看出,土壤的 pH值的 C0/(C0+C)值為 1,稱為純塊金效應(yīng),具有恒定的變異性,不具備空間相關(guān)性,區(qū)域內(nèi)樣點(diǎn)的平均值就是最佳估計值;土壤的鹽分表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間相關(guān)性,其空間變異性主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響;含水量屬于中等空間相關(guān)性,其空間分布是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。由此可見,結(jié)構(gòu)性因素會導(dǎo)致土壤鹽分和含水量的空間相關(guān)性增強(qiáng),而隨機(jī)性因素則導(dǎo)致它們的空間相關(guān)性減弱,向恒定變異性發(fā)展。

分維是復(fù)雜形體不規(guī)則性的量度,反映了復(fù)雜形體占有空間的有效性。分維數(shù) D表示變異函數(shù)曲線的曲率大小。從分析計算和分維圖(圖 3)中可以觀察出,隨機(jī)性因素強(qiáng),結(jié)構(gòu)性因素差,空間分布復(fù)雜時,分維數(shù)值較高;相反,當(dāng)隨機(jī)性因素差,結(jié)構(gòu)性因素強(qiáng),空間分布簡單時,分維數(shù)值較低。因此,分維數(shù)與空間自相關(guān)指標(biāo)一樣,能夠較好地描述變量空間分布的規(guī)律性與隨機(jī)性的強(qiáng)弱。

圖3 土壤鹽分(a)、pH值(b)與含水量(c)的分維分析圖

3.3 土壤鹽分、pH值和含水量的 Kriging空間插值分析

克里格插值(K riging)是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ),在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的一種方法。其適用范圍為區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性,即如果變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性,則可以利用克里格方法進(jìn)行內(nèi)插或外推;否則,不可以用。它的實(shí)質(zhì)就是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對未知樣點(diǎn)進(jìn)行線性無偏、最優(yōu)估計。也就是說,克里格方法是根據(jù)未知樣點(diǎn)有限鄰域內(nèi)的若干已知樣本點(diǎn)數(shù)據(jù),在考慮了樣本點(diǎn)的形狀、大小和空間方位,與未知樣點(diǎn)的相互空間位置關(guān)系,以及變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息之后,對未知樣點(diǎn)進(jìn)行的一種線性無偏最優(yōu)估計[9]。

根據(jù)得出的土壤鹽分、pH值和含水量的半方差函數(shù)理論模型,運(yùn)用 GS軟件進(jìn)行 Kriging空間插值,并繪制出空間分布圖(圖 4)。

圖4 土壤鹽分(a)、pH值(b)含水量(c)的空間分布圖

圖中整體顯示,土壤鹽分和含水量的空間分布均呈現(xiàn)出一定的環(huán)狀、對稱狀與斑塊狀格局,而 pH值分布圖(b)呈現(xiàn)出面狀格局(一種顏色),是因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)分析出本次取樣點(diǎn)所測試的 pH值,具有恒定的變異性,區(qū)域內(nèi)樣點(diǎn)的平均值就是最佳估計值。從圖 4(a)來看,研究區(qū)土壤鹽分大致呈現(xiàn)出東部高于西部,南北對稱等量分布的情況。圖中鹽分最高值分布于市污水處理廠周圍,以污水廠為圓心向外逐圈遞減,而且該范圍內(nèi)空間變異性最大,這是因?yàn)橥寥利}分的分布與地下水礦化度、微地形及氣候條件等因素密切相關(guān)的。由于研究區(qū)內(nèi)該地段微地形起伏較大,水位埋深淺,在旱季持續(xù)的地表蒸發(fā)作用下,深層土壤以及地下水中的可溶性鹽類依仗包氣帶毛細(xì)水上升作用積聚于表層土壤中,形成高鹽分區(qū)。從實(shí)地調(diào)查中也可以看到該地段地表鹽殼、鹽霜現(xiàn)象嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)市火車站 -三閘鎮(zhèn)以東、新河以西及城區(qū)北部阿薛泉溝一帶鹽分含量很低。

從圖 4(c)中可以看出,研究區(qū)屬于地下水水位埋深小于3 m區(qū)么,中部的土壤含水量高于周圍,整體空間變異平緩,這是由于近幾年張掖市地下水位不斷上升的結(jié)果。土壤含水量最高值位于研究區(qū)中部,呈對稱出現(xiàn),正處于地下水水位埋深小于 1 m區(qū),多泉溝和耕地,最低值位于市種子加工廠向西 100m的沙棗林地中。

4 結(jié)論

(1)就經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法分析結(jié)果表明:研究區(qū)土壤鹽分、pH值與含水量的取樣數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布;土壤鹽分屬重鹽土,呈一定的堿化趨勢;由于地下水位上升,土壤中的含水量較大;按變異系數(shù)分類,土壤 pH值屬于弱變異性,含水量屬于中等變異性,鹽分屬于強(qiáng)變異性,因人為灌排、耕作和施肥方式不當(dāng),使得土壤鹽分的變異系數(shù)較大。

(2)根據(jù)半方差函數(shù)理論模型進(jìn)行空間變異分析,表明土壤鹽分、pH值與含水量在一定范圍內(nèi)具有空間異質(zhì)性特征:土壤鹽分符合球狀模型分布,其塊金值/基臺值小于25%,表現(xiàn)為強(qiáng)空間相關(guān)性,空間變異性受結(jié)構(gòu)性因素(土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候等非人為)的影響較大,分維數(shù)在三者中最低;pH值符合線性模型分布,其塊金值/基臺值等于1(大于 75%),表現(xiàn)為恒定的空間變異性,受隨機(jī)性因素(實(shí)驗(yàn)誤差、取樣尺度等)的影響很大,這種情況下只有增大樣本間隔,才能反映出樣本間的空間相關(guān)性,分維數(shù)在三者中最高;含水量符合高斯模型分布,其塊金值/基臺值處于 25%～75%之間,表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性,空間分布受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響。

(3)通過 Kriging空間插值分析,土壤鹽分和含水量的空間分布均呈現(xiàn)出一定的環(huán)狀、對稱狀、斑塊狀格局;pH值的空間分布呈現(xiàn)出面狀形態(tài),因其塊金值/基臺值等于 1,區(qū)域內(nèi)樣點(diǎn)的平均值就是最佳估計值,導(dǎo)致整個研究區(qū)土壤 pH值的空間分布相同,變化趨勢一致。綜上所述,利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法可以準(zhǔn)確、直觀地了解研究區(qū)土壤鹽分、pH值與含水量的空間分布格局,并能分析其變化的成因和發(fā)展趨勢,希望能對更好地建設(shè)、規(guī)劃張掖國家城市濕地,改良鹽漬化土壤并合理利用等方面起到幫助作用。

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Zhangye City Wetland Soil Salinity,PH value and the Spatial Heterogeneity of Water Content

QIN Xiao-yan

(Geology Investigation Academy of Hydrogeology Engineering in Gansu Province Zhangye734000,Gansu)

Theory based on regional variab les,the use of traditional statistics and geostatistics to Zhangye City wetland study area,quantitative analysis o fwetland soil salinity,PH value and the spatia l heterogeneity of water content.The results showed that:the higher the soil salinity,showing a certain degree of alkaline trend;salinity variation is strong,PH value of the variation isweak,moderate degreeof variation in moisture content;theoreticalmodel based on sem i-variogram analysis of the larger saltaffec ted by structural factors affect the performance for strong spatial correlation,PH value is in fluenced by random factors do nothave the spatial correlation o fwater affected by structural factors and the combined effectof random factors exhibited moderate spatial correlation.Kriging interpolationmap shows soil salinity and water content are shown the spatial distribution of a certain ring,symmetrical,patchy pattern;PH va lue of the spatial distribution of presents to come forward like morphology.

Soil salinity;PH,Water-contained quantity;geology statistics;Spatial heterogeneity;Kirging interpolation map;wetland in Zhangye city

P641.6

A

1004-1184(2011)01-0008-04

2010-07-06

甘肅省地礦局水工環(huán)科學(xué)基金資助(SGH-2009)

秦曉燕(1982-),女,山西陽高人,助理工程師,主要從事水文與水資源勘察工作。