基于主成分分析的土壤鹽漬化特征研究
——以甘肅景泰川電力提灌灌區為例

2018-08-29 12:01:28徐存東王榮榮高懿偉田俊姣

中國農村水利水電 2018年8期

關鍵詞：特征

徐存東，張銳，王榮榮，高懿偉，程昱，田俊姣，劉輝

(1.華北水利水電大學，水利學院，河南鄭州 450045；2.水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，河南鄭州 450046；3. 河南天池抽水蓄能有限公司，河南南陽 473000)

0 引言

我國西北等干旱半干旱區通過發展引水提灌工程以開發大量荒蕪的土地資源，然而，隨著工程不斷上水運行，誘發了大面積的土壤鹽漬化[1]。干旱灌區下墊面和水文地質結構的復雜性、土壤的空間變異性以及人類活動的不確定性致使土壤鹽漬化呈現空間異質性，當前，在我國西北等鹽漬化干旱灌區，由引黃灌溉造成的次生鹽漬化和土壤鹽漬化問題已成為該地區的主要生態環境問題[2]。開展我國西北等干旱灌區的土壤鹽漬化特征研究，具有重要的理論價值和現實意義。國內外學者針對土壤鹽分空間分異及鹽漬化特征做了大量研究。史曉霞等通過構建CA動態模型對土壤鹽漬化時空演變進行模擬[3]。范曉梅等采用灰色關聯度模型，分析了不同鹽漬化類型主導的環境要素，得出土壤中鹽分積累的過程是一系列作用于不同尺度上自然和人為因素相互疊加的結果[4]。史海濱等綜合運用描述性統計、表聚系數、地質統計學和聚類分析，系統地研究了節水改造前后河套灌區土壤剖面鹽分特征和空間分布規律[5]。R Aragüés等將灌區土壤鹽度與物理特征及灌溉管理建立聯系得出鹽漬化治理的有效方法[6]。KZ Jadoon等通過多組分電磁干擾聯合反演，定量估算了土壤鹽分的分布規律，且對土壤鹽分分布格局進行了初步的探索[7]。這些研究為土壤鹽漬化的形成機理及空間分異的揭示提供了有益指導。目前，雖有學者利用不同的方法分析了干旱區土壤全鹽量、電導率、鹽離子的關系[8-11]，但是在區域土壤鹽漬化所主導的特征因子等方面的研究尚顯不足。

本研究以景泰川電力提灌灌區(以下稱“景電灌區”)為研究區，應用主成分分析法對灌區內土壤鹽漬化特征進行研究，探明研究區內各鹽分離子與全鹽量之間的相關關系以及主導鹽漬化的特征因子。研究成果可為我國西北等干旱半干旱區的土地可持續利用提供理論依據，并對類似區域土壤鹽漬化治理和調控提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

景電灌區地處我國西北干旱荒漠區，地理區域為東經103°20′～104°04′，北緯37°26′～38°41′之間，是連接甘、寧、蒙三省的交界地帶，其特殊的地理位置和特定的自然環境，決定了該區域的水土環境問題直接關系到阻止沙漠南移和防止周邊土地的深度荒漠化等區域環境安全問題。灌區多年平均降雨量185.6mm，多年平均蒸發量2 365.92 mm，灌區總控制灌溉面積約6.51 萬hm2，耕地表層為100～150 cm的風成黃土，含鹽量較高，其下為紅色砂巖，在黃土與砂礫之間有一層厚約30～50 cm的紅銹色泥質膠結砂層，這層泥質膠結砂層結構較密，隔水性強，阻止了鹽分隨水下滲，導致土壤鹽分向表層聚集，造成大量耕地出現嚴重的次生鹽漬化問題[12]。干旱的氣候條件、低平封閉的地形、土壤母質含鹽量高和不合理的耕作、灌溉、施肥措施等是土壤鹽漬化形成的主要原因[13]。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Research area location map

1.2 土樣采集與分析

1.2.1 典型采樣點選取

本文采用GIS定位技術，以研究區土壤類型圖及灌區圖作為參考依據進行采集，在選取典型采樣點時，綜合考慮了土地利用類型、土壤、氣候條件、植被覆蓋類型以及土壤鹽漬化程度等因素。本實驗以景泰縣上沙窩鎮紅耀村作為典型采樣區，該區域內土地的覆蓋類型以及植被類型均較為齊全，為丘陵溝谷區，便于采集且代表性較強，選取的典型采樣點位置見圖2。

圖2 采樣點位置圖Fig.2 The sampling location map

1.2.2 土樣采集與分析

土壤樣品采集的時間為2016年10月10日至20日，該時間段土壤鹽分的變化相對穩定，基本不會受到灌水和凍融的影響，能夠代表整個采樣點耕地土壤鹽漬化狀況。

土樣采集首先要確定采樣點，采樣點的選取必須滿足土壤的理化性質能夠在整個采樣點范圍內具有一定代表性。本實驗采樣點主要布設在新開墾鹽堿荒地、輕度鹽漬化耕地、重度鹽漬化耕地以及棄耕后的鹽堿荒地，并采用分層隨機取樣的現場取樣方法，采樣時運用GPS對每個樣本點的位置進行定位，在每個樣本點范圍內分0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 6個土層進行采樣，每個土層采集5個樣本，將相同土層的土樣混合均勻后作為該樣本點的土樣。每個樣本點均有6個土樣，共采集土樣90個。

1.3 主成分分析法

主成分分析是一種通過求解主成分，將原始指標重新組成一組新的互相無關的幾個綜合指標來代替原始指標，利用幾個較少的綜合指標反映原始指標的一種多元統計學方法。假設有n個樣本，每個樣本p個指標，記為X1，X2，…，Xp，主成分分析主要計算步驟如下：

(1)建立原始數據資料庫。

(2)將原始數據標準化，用Z-score法對數據進行標準變化。

(1)

(2)

(4)

式中：xij為第i個分區第j個指標的值；xj、Sj為第j個指標的樣本均值和樣本標準差。

(3)求相關系數矩陣。

R=(rjk)p×p(j,k=1,2,…,p)

(5)

式中：rjk為指標j和指標k的相關系數。

(4)求相關矩陣R特征值和特征向量，確定主成分。若特征值記為：λ1≥λ2≥…≥λm≥0，相應的單位特征向量為：

(6)

將標準化后的指標變量轉換為主成分：

Zi=α1iC1+α2iC1+…+αpiCp(i=1,2,…,p)

(7)

式中：Z1為第一主成分，Z2為第二個主成分，…，Zp為第p主成分。

2 結果與分析

2.1 TS垂直分布特征

研究區內各土層土壤中土壤TS及變異系數分布特征見圖3。

圖3 土壤TS及其在剖面中的分布特征Fig.3 Soil salt content and vertical variation in soil profile

由圖3知，0～100 cm土壤深度內各土層TS平均值均高于4.5 g/kg，表明研究區內各個土層均處于鹽化狀態。由圖中土壤TS的變化趨勢來看，研究區內0～40 cm土層中含鹽量隨著土壤深度的增加而呈現出降低趨勢，40～80 cm土層中含鹽量隨著土壤深度的增加而呈現出增加趨勢。從整個土壤剖面來看，土壤TS呈現出明顯的“S”型曲線分布。

變異系數是體現變量離散程度的重要指標[17]，在一定程度上能夠揭示出變量的空間分布特性。按照變異系數大小可以對土壤變異程度進行分級：當變異系數<10%時，土壤呈現出弱變異性；當變異系數在10%～100%之間時，土壤呈現出中等強度變異性；當變異系數>100%時，土壤呈現出強變異性。土壤剖面TS的變異系數均介于75%～150%之間，說明土壤各層含鹽量均具有很強的變異性。表明了灌區內鹽漬化耕地的土壤含鹽量極不均勻，具有較強的空間異質性[18]。0～10 cm和60～80 cm土層的變異系數要明顯高于其他土層，這一現象主要是由灌區內耕地制度以及土地利用方式存在的差異所導致。10～60 cm土層的變異系數值逐漸減小并趨于穩定。

2.2 土壤鹽離子垂直分布特征

(1)陽離子分布特征。研究區內各土層土壤中主要陽離子含量及其在剖面中的分布特征見圖4。

圖4 土壤中主要陽離子含量及其在剖面中的分布特征Fig.4 Major cations and vertical variation in soil profile

由圖4(a)知，在各土層中，Na+含量最高，在陽離子總量中所占比例介于37.98%～46.42%之間；Ca2+次之， Mg2+在陽離子總量中所占比例介于13.06%～23.22%之間；K+含量最低，僅占陽離子總量的8%左右。從陽離子在整個土壤剖面的分布趨勢來看，Na+、Mg2+、Ca2+含量在剖面中的分布態勢與TS的分布態勢基本一致，均呈出表層和底層高、中層低的趨勢。其中Na+、Ca2+含量最大值出現在60～80 cm土層，Mg2+含量最大值出現在80～100 cm土層，三種離子的最小值均出現在40～60 cm。另外，Na+、Ca2+含量的另一次峰值出現在0～10 cm土層，與TS一致，而Mg2+含量的另一次峰值出現在10～20 cm土層。K+含量在各土層間變化不大，在土壤垂直剖面上的分布趨勢較為穩定。

由圖4(b)知，Na+、Ca2+、Mg2+的變異系數均介于95.61%～211.94%之間，表現出中高強度的空間變異性。其中Na+的變異系數呈現上層和中層高、下層低的趨勢，最大值出現在0～10 cm土層，最小值出現在60～80 cm土層；Ca2+的變異系數沒有明顯的規律性，最大值出現在20～60 cm土層，最小值與Na+相同，均出現在60～80 cm土層；而Mg2+的變異系數呈現出表層和底層高、中層低的趨勢，最大值出現在0～10 cm土層，最小值出現在40～60 cm土層；K+各土層的變異系數變化不大，介于34.34%～43.51%之間，空間變異強度較小，呈現弱變異性。 (2)陰離子分布特征。研究區內各土層土壤中主要陰離子含量及其在剖面中的分布特征見圖5。

圖5 土壤剖面中主要陰離子含量及其在剖面中的分布特征Fig.5 Major anions and vertical variation in soil profile

2.3 土壤pH剖面分布

研究區內各土層土壤中pH平均值及其變異系數分布特征見圖6。

圖6 土壤pH及其在剖面中的分布特征Fig.6 Soil pH and vertical variation in soil profile

由圖6知，研究區內各土層土壤pH平均值均超過8.3，說明土壤鹽化特征比較明顯；從pH在整個土壤剖面中的分布趨勢可以看出，pH平均值呈現出由上至下逐層遞減的趨勢，但總體變化不大。研究區內整個土壤剖面pH的變異系數均不高，均介于2.12%～2.91%之間，說明灌區內土壤pH的空間變異性較小，分布較均勻。