張掖市城市濕地土壤鹽分、pH值和含水量的空間異質性分析

秦曉燕

(甘肅省地礦局水文地質工程地質勘察院,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性分析

秦曉燕

(甘肅省地礦局水文地質工程地質勘察院,甘肅 張掖 734000)

基于區域變量化理論,運用傳統統計學和地質統計學方法,以張掖市城市濕地為研究區,定量分析濕地土壤鹽分、pH值和含水量的空間異質性。結果表明:土壤鹽分較高,呈一定的堿化趨勢;鹽分屬于強變異程度,pH值屬于弱變異程度,含水量屬于中等變異程度;根據半方差函數理論模型分析,鹽分受結構性因素較大影響表現為強空間相關性,pH值受隨機性因素影響很大不具備空間相關性,含水量受結構性因素和隨機性因素的共同影響表現為中等空間相關性?？死锔癫逯祱D顯示,土壤鹽分和含水量的空間分布均呈現出一定的環狀、對稱狀、斑塊狀格局;pH值的空間分布呈現出面狀形態。

土壤鹽分;pH;含水量;地質統計學;空間異質性;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、生物、地形、成土時間等諸多因素的影響,具有復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,土壤的空間異質性均存在。那么土壤的空間變異性(spatial heterogeneity)即指在土壤質地相對均一的區域內,土壤的特性參數、土壤水分運動的某些經驗參數以及土壤中的有關狀態變量的數值,在同一時刻不同空間位置并不相等的性質[1]。自 20世紀 60年代國外學者提出研究空間異質性以來,到目前為止已經取得了長足的進展。研究的方法從 Fisher的經典統計分析過渡到Matheron提出的地質統計學分析方法,并已將理論研究成果應用于實際之中。90年代以后,國內學者也逐步認識到在地質、土壤、水科學等領域中研究空間變異性的實用性,在土壤空間變異性方面進行了諸多研究。但是,不同濕地類型,土壤肥力差異較大,即使在同一濕地內,土壤肥力也不均一,具有高度的空間異質性。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,為濕地保護和國家濕地公園的開發提供某些科學依據。

2 研究區概況及研究方法

2.1 研究區概況

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、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。張掖城市濕地保護區位于城區北郊,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。地理坐標為:東經 100°22′30″～ 100°33′45″,北緯 38°52′30″～ 39°04′00″。

該區域屬大陸性干旱氣候,晝夜溫差大,日照時間長,降水稀少而集中,蒸發強烈,據張掖氣象站 1951～2008年多年觀測資料統計,張掖市多年平均氣溫 7.2℃,降雨量128.2mm,蒸發量 2 020.2 mm,無霜期 153天。濕地范圍(圖 1)內土壤質地較輕,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、灰綠色的淤泥質土,表層零星分布黃粘土或富含腐殖質的淤泥層。土壤中水分充足,好氧性微生物活動受阻,不利于有機物的礦化,影響成土的方向和進程,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、蘆葦等。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分布圖

2.2 研究方法與數據處理

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定位技術進行定點取樣,取樣時兼顧代表性和均勻性,原則上每 1 Km取一個點,取 0～30 cm深度內的土壤.。依據當地土質、植被類型、地下水埋藏深度等因素,共取樣點 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驗室進行風干、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的水土比進行抽濾浸提,按常規分析方法確定土壤各離子組成含量,計算出相應的土壤全鹽量。浸提液 pH使用 pH電極進行測定。土壤含水量的測定采用烘干法[2]。(3)數據處理方法樣本的描述性和相關性分析采用 SPSS10.0軟件進行,用 Kolmogorov-Sm irnov(K-S)檢驗數據是否呈正態分布。半方差函數計算運用地質統計學軟件 GS′for windows5.3進行處理,首先在 GS+軟件中對不符合正態分布的數據源進行對數轉換,其次進行半方差函數的計算、模擬、分析和檢驗。地質統計學涉及的半方差函數和半方差函數模型參照文獻[3]。為了更直觀地反映土壤鹽分的空間分布狀況,根據所得到的半方差函數模型,利用 Kriging最優內插法[4],繪制土壤鹽分、pH值和含水量的分布特征圖。

3 結果與分析

3.1 土壤鹽分、pH值和含水量的描述性統計特征分析

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

表1 土壤鹽分、pH值與含水量的統計特征值

表中顯示,鹽分的最大值與最小值之比為 30.06 g/kg,標準差為 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遠高于 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農業生產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,蒸發強烈,降水稀少,且水位埋深較淺,導致鹽分積于表層土壤中;二是受人為耕作活動、施肥不當的影響。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 19.773%。從峰度和偏度兩項指標可以看出,研究區各層土壤鹽分、pH值和含水量峰度值和偏度值均大于零,呈右偏態,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(CV)反映的是相對變異,即隨機變量的離散程度。根據相關研究,CV≤0.1為弱變異性;0.1＜Cv＜1為中等變異性;CV≥1為強變異性[6]。研究區土壤 pH值屬于弱變異性,含水量屬于中等變異性,鹽分屬于強變異性,這與人為灌排、耕作方式不當有關,使得土壤鹽分的變異系數較大。

土壤特性數據的正態分布性檢驗是使用地質統計學方法進行土壤特性空間分析的前提,由于半方差函數的計算一般要求數據符合正態或近似正態分布,否則可能會存在比例效應[7]。根據K-S檢驗概率值均大于 0.05,即各層土壤的鹽分含量、pH值和含水量的原始數據均符合或近似正態分布。

3.2 土壤鹽分、pH值和含水量的空間變異特征分析

根據半方差函數理論模型分析及參數計算,通過地質統計學軟件得出參數結果見表 2和圖 2。整體上來看,三個分析項的理論半方差函數和實驗半方差函數的擬合程度較好,他們的決定系數在 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理論模型及相關參數

圖2 土壤鹽分(a)、pH值(b)與含水量(c)的理論半方差函數圖

土壤性質的空間相關性的程度可以通過塊金值和基臺值來衡量。在半方差函數模型中,塊金值 C0是半差函數在原點處的數值,由實驗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;結構方差C是由土壤母質、地形、地貌、氣候等非人為的結構性因素引起的變異?；_值(C0+C)一般是半方差函數值隨著樣點間距的增加而增大,并在一定的間距(稱為變程)升大到一個基本穩定的值,表示總的變異[8]。表中顯示,各個分析項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的變異(或隨機)和固有變異引起的各種正基底效應。塊金值與基臺值之比表示空間變異性程度(由隨機性因素引起的空間變異性占總變異的比例),該比值越高,說明由隨機性因素引起的空間變異性程度較大,相反,則由結構性(空間自相關部分)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。按照區域化變量空間相關性程度的分級標準[8],當塊金值/基臺值(C0/(C0+C))小于 25%時,變量的空間相關性強烈;在 25%～75%之間,空間相關性中等;當該比值大于 75%,時空間相關性弱。從分析結果中可以看出,土壤的 pH值的 C0/(C0+C)值為 1,稱為純塊金效應,具有恒定的變異性,不具備空間相關性,區域內樣點的平均值就是最佳估計值;土壤的鹽分表現為強烈的空間相關性,其空間變異性主要受結構性因素的影響;含水量屬于中等空間相關性,其空間分布是由結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。由此可見,結構性因素會導致土壤鹽分和含水量的空間相關性增強,而隨機性因素則導致它們的空間相關性減弱,向恒定變異性發展。

分維是復雜形體不規則性的量度,反映了復雜形體占有空間的有效性。分維數 D表示變異函數曲線的曲率大小。從分析計算和分維圖(圖 3)中可以觀察出,隨機性因素強,結構性因素差,空間分布復雜時,分維數值較高;相反,當隨機性因素差,結構性因素強,空間分布簡單時,分維數值較低。因此,分維數與空間自相關指標一樣,能夠較好地描述變量空間分布的規律性與隨機性的強弱。

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)是以變異函數理論和結構分析為基礎,在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法。其適用范圍為區域化變量存在空間相關性,即如果變異函數和結構分析的結果表明區域化變量存在空間相關性,則可以利用克里格方法進行內插或外推;否則,不可以用。它的實質就是利用區域化變量的原始數據和變異函數的結構特點,對未知樣點進行線性無偏、最優估計。也就是說,克里格方法是根據未知樣點有限鄰域內的若干已知樣本點數據,在考慮了樣本點的形狀、大小和空間方位,與未知樣點的相互空間位置關系,以及變異函數提供的結構信息之后,對未知樣點進行的一種線性無偏最優估計[9]。

根據得出的土壤鹽分、pH值和含水量的半方差函數理論模型,運用 GS軟件進行 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出一定的環狀、對稱狀與斑塊狀格局,而 pH值分布圖(b)呈現出面狀格局(一種顏色),是因為前面已經分析出本次取樣點所測試的 pH值,具有恒定的變異性,區域內樣點的平均值就是最佳估計值。從圖 4(a)來看,研究區土壤鹽分大致呈現出東部高于西部,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,而且該范圍內空間變異性最大,這是因為土壤鹽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的。由于研究區內該地段微地形起伏較大,水位埋深淺,在旱季持續的地表蒸發作用下,深層土壤以及地下水中的可溶性鹽類依仗包氣帶毛細水上升作用積聚于表層土壤中,形成高鹽分區。從實地調查中也可以看到該地段地表鹽殼、鹽霜現象嚴重。區內市火車站 -三閘鎮以東、新河以西及城區北部阿薛泉溝一帶鹽分含量很低。

從圖 4(c)中可以看出,研究區屬于地下水水位埋深小于3 m區么,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果。土壤含水量最高值位于研究區中部,呈對稱出現,正處于地下水水位埋深小于 1 m區,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 結論

(1)就經典統計學方法分析結果表明:研究區土壤鹽分、pH值與含水量的取樣數據均符合正態分布;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,鹽分屬于強變異性,因人為灌排、耕作和施肥方式不當,使得土壤鹽分的變異系數較大。

(2)根據半方差函數理論模型進行空間變異分析,表明土壤鹽分、pH值與含水量在一定范圍內具有空間異質性特征:土壤鹽分符合球狀模型分布,其塊金值/基臺值小于25%,表現為強空間相關性,空間變異性受結構性因素(土壤母質、地形、地貌、氣候等非人為)的影響較大,分維數在三者中最低;pH值符合線性模型分布,其塊金值/基臺值等于1(大于 75%),表現為恒定的空間變異性,受隨機性因素(實驗誤差、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性,分維數在三者中最高;含水量符合高斯模型分布,其塊金值/基臺值處于 25%～75%之間,表現為中等空間相關性,空間分布受結構性因素和隨機性因素的共同影響。

(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出一定的環狀、對稱狀、斑塊狀格局;pH值的空間分布呈現出面狀形態,因其塊金值/基臺值等于 1,區域內樣點的平均值就是最佳估計值,導致整個研究區土壤 pH值的空間分布相同,變化趨勢一致。綜上所述,利用地質統計學方法可以準確、直觀地了解研究區土壤鹽分、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展趨勢,希望能對更好地建設、規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科學基金資助(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。