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      基于地形分區(qū)IDW 的復(fù)墾排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分空間分布

      2020-08-19 06:52:50趙艷玲趙彬程劉慧芳
      煤田地質(zhì)與勘探 2020年4期
      關(guān)鍵詞:插值法排土場(chǎng)克里

      趙艷玲,趙彬程,王 鑫,肖 武,劉慧芳

      (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083;2.浙江大學(xué) 公共管理學(xué)院,浙江 杭州 310058;3.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100083)

      露天礦的開(kāi)采過(guò)程中,表土層的剝離堆存和回填不可避免地產(chǎn)生土壤養(yǎng)分流失,導(dǎo)致復(fù)墾土壤貧瘠,植被恢復(fù)緩慢,使復(fù)墾區(qū)難以及時(shí)覆蓋植被,加重土壤侵蝕和退化,生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)難以建立。王金滿等[1]通過(guò)對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)的研究認(rèn)為,土壤養(yǎng)分對(duì)植物生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用;肖禮等[2]通過(guò)對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)土壤與植被間關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分對(duì)于植被恢復(fù)有著重要意義;為準(zhǔn)確掌握土壤養(yǎng)分的空間分布,王黨朝等[3]利用傳統(tǒng)克里金插值法對(duì)勝利露天礦進(jìn)行空間插值,發(fā)現(xiàn)排土場(chǎng)邊坡與平臺(tái)土壤的物理性質(zhì)具有明顯的空間差異;郭凌俐等[4]根據(jù)傳統(tǒng)克里金插值法對(duì)排土場(chǎng)土壤進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)克里金插值法能直觀揭示復(fù)墾區(qū)不同層次土壤顆粒的空間分布特征;王子良[5]通過(guò)對(duì)銅陵礦區(qū)土壤元素的插值,發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)情況下,IDW插值方法具有良好穩(wěn)定的插值效果。但由于研究區(qū)不同,無(wú)法對(duì)插值方法做出明確的優(yōu)劣性判斷,同時(shí),對(duì)于地形復(fù)雜、人類活動(dòng)干擾較多且變化強(qiáng)烈的地區(qū)(如排土場(chǎng)),一些學(xué)者認(rèn)為全局插值方式并不能直觀有效地對(duì)區(qū)域信息進(jìn)行預(yù)測(cè),而應(yīng)將研究區(qū)域通過(guò)特征變量進(jìn)行分區(qū),并對(duì)其分別插值,此種方式能夠提高空間預(yù)測(cè)的精度。胡剛等[6]通過(guò)分區(qū)插值方法,發(fā)現(xiàn)不同地形使用不同的插值方法可以有效提高預(yù)測(cè)精度;U.Mishra 等[7]以印第安納州為研究區(qū),將剖面深度作為輔助變量和傳統(tǒng)克里金插值結(jié)合使用,有效預(yù)測(cè)了表層土壤有機(jī)碳的含量。

      排土場(chǎng)是由人工堆積而成,地形復(fù)雜,且邊坡和平臺(tái)的過(guò)渡較自然地形更為明顯。基于以往研究,本文提出在礦區(qū)排土場(chǎng)中結(jié)合地形將其分為邊坡與平臺(tái)2 類地形,采用分區(qū)反距離權(quán)重法對(duì)排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分進(jìn)行插值,同時(shí)與傳統(tǒng)克里金插值法和反距離權(quán)重法進(jìn)行比較。通過(guò)對(duì)3 種插值方式預(yù)測(cè)精度的比較,選出最適宜的估算模型,作為排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分含量預(yù)測(cè)的方法,為排土場(chǎng)土壤評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)概況

      研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市北郊,地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°30′~116°26′,北緯 43°57′~44°14′。研究區(qū)屬半干旱草原氣候,年溫差較大,1 月平均氣溫-18.8℃,7 月平均氣溫21.2℃,年平均氣溫2.6℃。受季風(fēng)影響,降雨多集中在夏季。年平均降水量294.74 mm,年平均蒸發(fā)量1 794.64 mm。由于研究區(qū)降雨少蒸發(fā)強(qiáng),導(dǎo)致植被多為耐旱性植物且植被覆蓋率低。隨著礦區(qū)不斷開(kāi)發(fā),煤炭大量開(kāi)采,礦區(qū)植被受到人為破壞,生態(tài)環(huán)境不斷惡化,因此,需進(jìn)行土地復(fù)墾與植被重建。勝利煤田一號(hào)露天礦北排土場(chǎng)于2006 年開(kāi)始治理,治理時(shí)間為3 a,治理面積107 萬(wàn)m2,排土場(chǎng)高度為60 m,共分為4 個(gè)平臺(tái)(平臺(tái)1—平臺(tái)4),3 個(gè)邊坡(邊坡1—邊坡3),綠化面積為101 萬(wàn)m2,其中坡面35.5 萬(wàn)m2、平臺(tái)面積為65.5 萬(wàn)m2。研究區(qū)位置及地形如圖1 所示。

      1.2 樣品采集與測(cè)定

      圖1 研究區(qū)位置及地形分區(qū)Fig.1 Study area location and terrain division

      2017 年6 月,對(duì)勝利一號(hào)露天礦北排土場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查及土壤采樣,采樣點(diǎn)分布如圖1 所示。利用網(wǎng)格法布設(shè)采樣點(diǎn),并考慮北排土場(chǎng)的地形因素,增加邊坡采樣點(diǎn),共獲得117 個(gè)土壤樣品,舍棄17個(gè)不合格樣品,最終采用100 個(gè)樣品。所有樣品均來(lái)自0~10 cm 的表土層,利用環(huán)刀采集土樣后放入鋁盒,裝入自封袋,采樣同時(shí)記錄樣點(diǎn)編號(hào)、取樣坐標(biāo)等信息。帶回實(shí)驗(yàn)室后,測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、有效磷、速效鉀含量等。

      土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量通過(guò)在加熱條件下,用一定量的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤中的有機(jī)碳,并使用油浴鍋分析獲得;速效氮含量使用半微量凱氏定氮法獲得;有效磷含量使用Olsen 法測(cè)定;速效鉀含量通過(guò)乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[8-10]。

      1.3 插值方法

      1.3.1 傳統(tǒng)克里金插值法

      克里金空間插值法是基于變異函數(shù)模型在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的空間插值方法[11-13]。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中用以研究土壤空間變異性的關(guān)鍵函數(shù)之一,能夠定量反映土壤性質(zhì)在不同距離上觀察值之間的變化。在一維條件下,區(qū)域化變量Z(x)在x軸方向上的變異函數(shù),被定義為區(qū)域變量Z(x)在點(diǎn)x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半,表示為y(h),計(jì)算公式如下:

      根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及半方差函數(shù),計(jì)算獲取變量的線性加權(quán)組合,以此對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行無(wú)偏的最佳估計(jì)。本研究區(qū)為排土場(chǎng),根據(jù)各個(gè)采樣點(diǎn)獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并利用傳統(tǒng)克里金插值法進(jìn)行插值,在結(jié)合半方差函數(shù)y(h)的基礎(chǔ)上,使用若干實(shí)測(cè)點(diǎn)Z(xi)來(lái)推求出未知點(diǎn)的Z0(x0),通過(guò)采用線性加權(quán)法表達(dá)未測(cè)點(diǎn)x0的預(yù)測(cè)值,具體見(jiàn)式(2):

      式中:y(h)為半方差函數(shù);h為樣本間距;N(h)表示間距為矢量h的所有觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù);Z(xi)、Z(xi+h)為Z(x)在xi和(xi+h)位置上的實(shí)測(cè)值;Z0(x0)為未知點(diǎn)處x0的線性、無(wú)偏、最優(yōu)估計(jì)值;n為實(shí)測(cè)值個(gè)數(shù);Wi為各實(shí)測(cè)點(diǎn)權(quán)重。

      1.3.2 反距離權(quán)重插值法(IDW)

      IDW 即使用若干個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)Z(xi,yi)來(lái)推求未知點(diǎn)Z0(x0,y0)的一種方法,一般來(lái)說(shuō),首先要計(jì)算出預(yù)測(cè)點(diǎn)周圍每個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的權(quán)重,然后根據(jù)線性加權(quán)法計(jì)算出Z0的預(yù)測(cè)值[14],具體見(jiàn)式(3)、式(4):

      式中:di為預(yù)測(cè)點(diǎn)周圍各實(shí)測(cè)點(diǎn)到預(yù)測(cè)點(diǎn)之間的距離。

      1.3.3 分區(qū)反距離權(quán)重插值法(PIDW)

      結(jié)合排土場(chǎng)的地形特征,將排土場(chǎng)分為7 個(gè)子區(qū),利用反距離權(quán)重法在每個(gè)分區(qū)分別進(jìn)行插值,獲取各個(gè)分區(qū)的空間分布圖,并整合為整個(gè)研究區(qū)的空間分布預(yù)測(cè)圖。

      1.3.4 模型驗(yàn)證方案

      為檢驗(yàn)插值方法預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分空間分布的效果,以平均誤差ME、相對(duì)誤差RE、均方根誤差RMSE、平均絕對(duì)誤差MAE 以及R2這5 個(gè)指標(biāo)來(lái)比較不同插值方法的插值精度。多種誤差指標(biāo)的綜合使用能更好地反映預(yù)測(cè)值誤差的實(shí)際情況[15-16]。

      Shanghai-Kunming high-speed rail XU Sheng LI Jia-yu ZHANG Hui-gang et al.(35)

      2 結(jié)果分析

      2.1 土壤養(yǎng)分指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析

      研究區(qū)土壤養(yǎng)分的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)變異系數(shù)(CV)等級(jí)劃分,CV<10%屬于弱變異性,若10%≤CV≤100%則為中等變異,當(dāng)CV>100%是強(qiáng)變異性。表1 顯示,速效氮、有效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)均大于10%卻小于100%。由此,4 種養(yǎng)分元素都屬于中等變異程度。

      描述性統(tǒng)計(jì)分析僅能表示各種土壤養(yǎng)分含量的特征,不能反映整個(gè)研究區(qū)各土壤養(yǎng)分的空間分布情況及邊坡與平臺(tái)之間的空間分布差異。因此,需繪制土壤養(yǎng)分空間分布圖。

      表1 土壤養(yǎng)分基本信息Table 1 Basic information of soil nutrients

      2.2 不同插值方法的結(jié)果

      在進(jìn)行克里金插值時(shí),要求插值數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。本文對(duì)不符合正態(tài)分布的4 種養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行K-S 檢驗(yàn),結(jié)果顯示,有效磷、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)4 種養(yǎng)分均符合正態(tài)分布。

      本次選取反距離權(quán)重法與傳統(tǒng)克里金插值法進(jìn)行插值,同時(shí)由于邊坡與平臺(tái)土壤養(yǎng)分含量差異較大,再選取反距離權(quán)重法進(jìn)行分區(qū)插值,共3 種空間插值方法。通過(guò)ME、MAE、RMSE、RE、R2共5 個(gè)指標(biāo)的驗(yàn)證結(jié)果,得出最適合研究區(qū)的插值方法。表2 為3 種插值方法交叉驗(yàn)證結(jié)果。

      據(jù)表2 可知,4 種養(yǎng)分的空間分布插值結(jié)果中,插值效果最好的方法均為分區(qū)反距離權(quán)重法。對(duì)有效磷和有機(jī)質(zhì)而言,反距離權(quán)重法次之,傳統(tǒng)克里金插值法精度最差。對(duì)速效氮而言,傳統(tǒng)克里金插值法次之,反距離權(quán)重法精度最差。對(duì)速效鉀而言,各種指標(biāo)均為3 種方法的最小值。

      根據(jù)圖2 顯示,4 種土壤養(yǎng)分元素采用分區(qū)反距離權(quán)重法插值的R2最高,其中速效氮與速效鉀的R2提升較為明顯,達(dá)到0.30 以上。相較來(lái)說(shuō),反距離權(quán)重法對(duì)土壤養(yǎng)分的R2整體上也要優(yōu)于傳統(tǒng)克里金插值法。以土壤N 為例,分區(qū)反距離權(quán)重法得到的研究區(qū)土壤速效氮含量為8.09~63.73 mg/kg,傳統(tǒng)克里金方法得到的含量為11.22~55.62 mg/kg,而反距離權(quán)重法得到的含量為11.12~63.68 mg/kg;相較于反距離權(quán)重法和傳統(tǒng)克里金插值法,分區(qū)反距離權(quán)重法對(duì)土壤N 含量的預(yù)測(cè)范圍更加準(zhǔn)確,對(duì)土壤N 的預(yù)測(cè)范圍與實(shí)測(cè)值相差不大,能較好地預(yù)計(jì)土壤養(yǎng)分的極值點(diǎn)(較大值和較小值),反距離權(quán)重法次之,傳統(tǒng)克里金插值結(jié)果最差,其他土壤元素(P、K 和有機(jī)質(zhì))也有相同的結(jié)果。這是因?yàn)榭死锝鸩逯祵?duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果有平滑效果,使其對(duì)極值點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果較差,但較小值對(duì)于排土場(chǎng)而言屬于土壤貧瘠區(qū),不利于植被的恢復(fù),應(yīng)當(dāng)受到重視。綜合比較不同空間插值方法的交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示,針對(duì)本研究區(qū),分區(qū)反距離權(quán)重法插值的精度相對(duì)較高。

      表2 不同插值法交叉驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Cross-validation results for different interpolation methods

      圖2 不同插值法驗(yàn)證點(diǎn)散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plots of verification points for different interpolation methods

      3 討論

      圖3 北排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil nutrients in the north dump

      據(jù)圖3 可知,排土場(chǎng)的速效氮含量整體呈現(xiàn)出由北至南逐漸減少的規(guī)律;而有效磷含量均偏低,僅中心地區(qū)含量有所提升;整體來(lái)看排土場(chǎng)的速效鉀含量偏低,但東北地區(qū)含量處于水平值之上;土壤有機(jī)質(zhì)整體含量偏高,中心地區(qū)含量相對(duì)偏低。平臺(tái)與邊坡的養(yǎng)分分布空間差異較大,但這種空間差異并沒(méi)有表現(xiàn)出規(guī)律性[17]。這是由于排土場(chǎng)的土壤是由人為堆積而成,與自然土壤的分布規(guī)律不同,表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。文獻(xiàn)[18]研究發(fā)現(xiàn)邊坡區(qū)域?qū)λ鞯谋3肿饔帽绕脚_(tái)差,且水土流失、土壤受侵蝕狀況與坡度成正比,使邊坡土壤養(yǎng)分低于平臺(tái)。但本研究并無(wú)此類結(jié)論,這可能是由于研究區(qū)排土場(chǎng)復(fù)墾年限較短,且降水較少,多以風(fēng)蝕為主,致使邊坡平臺(tái)之間養(yǎng)分分布并無(wú)規(guī)律。

      分區(qū)反距離權(quán)重插值方法基于排土場(chǎng)的地形在常規(guī)反距離插值方法上進(jìn)行了改進(jìn),但是在每個(gè)分區(qū)上的反距離插值方法仍需遵循“地理學(xué)第一定律”[19],否則插值效果不會(huì)得到改進(jìn),因此,分區(qū)反距離權(quán)重法仍然具有一定的局限性。交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示,速效氮和速效鉀的分區(qū)反距離權(quán)重插值結(jié)果明顯好于反距離權(quán)重法和傳統(tǒng)克里金插值法,但有效磷的插值結(jié)果顯示3 種插值方法沒(méi)有明顯差異,此結(jié)果表明,有效磷在分區(qū)后,插值點(diǎn)仍然是空間不平穩(wěn)的,因此,不適應(yīng)本文采取的所有插值方法。

      本次基于地形分區(qū),使插值點(diǎn)在相同地形條件下進(jìn)行插值,屬于局部插值方法,這一插值方法同時(shí)也被應(yīng)用于類似的研究中?;诰植坎逯邓枷?,徐占軍等[11]根據(jù)積水狀態(tài)對(duì)采煤沉陷區(qū)土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行分區(qū)克里金插值并與傳統(tǒng)克里金插值進(jìn)行比較,得出分區(qū)克里金模擬更能反映土壤有機(jī)碳的空間遞變特點(diǎn),有利于分析不同因素對(duì)土壤有機(jī)碳空間分布的影響。吳子豪等[20]利用3 種結(jié)合土地利用的克里金插值模型對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)中位數(shù)中心化克里金法結(jié)合土地利用類型可生成精度更高的土壤有機(jī)碳密度空間分布圖。

      4 結(jié)論

      a.排土場(chǎng)的速效氮含量整體呈現(xiàn)出由北至南逐漸減少的規(guī)律;有效磷含量均偏低,僅中心地區(qū)含量有所提升;排土場(chǎng)的速效鉀含量偏低,東北部含量偏高;土壤有機(jī)質(zhì)整體含量偏高,中心地區(qū)含量相對(duì)偏低。

      b.根據(jù)分區(qū)反距離權(quán)重法得到排土場(chǎng)土壤速效氮含量為 8.09~63.73 mg/kg,速效鉀含量為37.19~488.26 mg/kg,有效磷含量為0.89~6.76 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量為2.08~21.3 g/kg,與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更接近,分區(qū)反距離權(quán)重法對(duì)養(yǎng)分含量的預(yù)測(cè)范圍較為精確,對(duì)極值預(yù)測(cè)精度較高。

      c.平臺(tái)與邊坡的土壤養(yǎng)分空間差異較大,表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性,但并無(wú)明顯規(guī)律。由于排土場(chǎng)土壤由人為堆積而成,與自然土壤分布規(guī)律不同,且研究區(qū)排土場(chǎng)復(fù)墾年限較短,降雨較少,土壤侵蝕多以風(fēng)蝕為主,致使邊坡平臺(tái)間養(yǎng)分分布并無(wú)規(guī)律。

      d.從預(yù)測(cè)精度上來(lái)看,北排土場(chǎng)最優(yōu)插值方法為分區(qū)反距離權(quán)重法。這是由于研究區(qū)地形復(fù)雜,坡度起伏較大且土壤分布受人為影響導(dǎo)致土壤中養(yǎng)分含量分布復(fù)雜,結(jié)合基于地形的分區(qū)反距離權(quán)重法插值,可以有效消除不同地形采樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分含量對(duì)空間插值預(yù)測(cè)精度的影響,從而提高土壤養(yǎng)分含量的預(yù)測(cè)精度。

      請(qǐng)聽(tīng)作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息,歡迎與作者進(jìn)行交流

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