基于地統計學的田塊尺度鹽堿土特性研究

顧 鑫，楊 麗，任翠梅，高國金，孫連成，劉 冰，孫興榮，韓 墨

(黑龍江省農業科學院 大慶分院，黑龍江 大慶 163316)

基于地統計學的田塊尺度鹽堿土特性研究

顧 鑫，楊 麗，任翠梅，高國金，孫連成，劉 冰，孫興榮，韓 墨

(黑龍江省農業科學院 大慶分院，黑龍江 大慶 163316)

鹽堿土；土壤pH值；電導率；空間分異特征；地統計學

精確掌握鹽堿化土壤特性的空間分異情況，可為鹽堿地綜合利用、土壤資源可持續利用及生態環境保護提供更加科學的理論依據。為此，選取東北松嫩平原鹽堿化土壤為研究對象，應用網格法采集田塊尺度下鹽堿化土壤表層(0～20 cm)樣本，利用地統計學原理和GIS技術，研究了該田塊土壤的電導率、pH值、容重、孔隙度、含水量及飽和持水量的空間分異特征，結果表明：這些指標在統計上均服從正態分布，在空間上存在明顯的分異性；該田塊土壤整體發生輕度鹽堿化(土壤電導率為123.1～316.0 μs/cm，pH值為7.56～8.17)，與地面高處相比，低洼處的鹽堿化程度更強；土壤pH值和含水量的主導影響因素為結構性因素(氣候、母質、土壤類型等自然條件)，土壤電導率、容重、孔隙度、飽和持水量的主導影響因素為隨機性因素(施肥、灌溉、耕作措施等人為活動)。

土壤作為地球上最寶貴的一種自然資源，是經濟社會可持續發展的物質基礎，關系到人類的生存和發展。在干旱、半干旱地區，土地生產力普遍低下，土壤常常發生鹽堿化，這已成為全球性的農業生態環境問題。據聯合國教科文組織(UNESCO)和糧農組織(FAO)的不完全統計[1]，全球鹽堿化土地面積大約為9.55億hm2，約占全世界可耕作土地面積的10%。我國是世界上發生土壤鹽堿化較為嚴重的國家之一，在黃淮海平原、西北內陸地區、東北松嫩平原及東部濱海地區均有分布[2]，其中具有農業利用潛力的鹽堿化耕地將近1 330萬hm2，挖掘潛力相當大[3]。黑龍江省大慶地區位于東北松嫩平原腹地，其鹽堿化土地面積高達288萬hm2，占東北地區鹽堿地總面積的39.3%[4]，且新開墾土地的不斷增加和不合理的灌溉方式，使鹽堿化土地的數量仍在繼續增長。鹽堿化土壤改良難、利用難，其形成實質是一定時期一定空間范圍多因素作用下土體水鹽橫向與縱向遷移所致，土壤特性在空間分布上并非是均一不變的，同一時間不同地點存在著明顯的分異性[5]。為此，摸清鹽堿化土壤家底，精確掌握真實的土壤信息，對于鹽堿地治理與綜合利用具有重要的意義。本研究選取東北松嫩平原鹽堿化土壤為研究對象，利用地統計學原理并結合GIS技術對土壤特性的空間分異情況進行研究，從而判斷土壤各個特性的主導影響因素，以期為鹽堿地綜合利用、土壤資源可持續利用及生態環境保護提供更加科學的理論依據。

1 研究區概況

本研究在黑龍江省農業科學院大慶分院試驗基地進行。該基地位于北緯46°40′、東經125°14′，坐落于嫩江平原中部，地形為碟形凹地。屬中溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多大風，夏季高溫多雨水，秋季涼爽且短促，冬季嚴寒而漫長；多年平均氣溫3.3 ℃，最低氣溫出現在1月，為-37.2 ℃，最高氣溫出現在7月，為38.3 ℃；多年平均降水量為426 mm，多年平均水面蒸發量為972 mm，最大凍土深度2.14 m。土壤季節性地發生鹽堿化，土壤積鹽—脫鹽過程交替出現，土體中鹽分的遷移與地下水位關系密切。選取一典型田間地塊作為本研究的調查對象，田塊面積約5 hm2。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集方法

于2016年4月中旬采用網格法對研究區典型田間地塊土壤進行采樣。采樣時將該地塊等間距打成40 m×40 m大小的網格，然后在網格內按梅花形采集5鉆土壤(采樣深度為0～20 cm)組成代表該點的混合樣本，并利用GPS定位儀精確記錄采樣點的地理位置信息。共采集樣本26個。

2.2 土壤特性測定方法[6]

土壤pH值測定采用電位法(1∶2.5土水比，IS139實驗室pH計)；土壤電導率(Electrical Conductivity，EC)值測定采用電導率儀(型號DDS-307)；土壤含水量測定采用經典鋁盒烘干法；土壤容重及飽和持水量測定采用經典環刀法。

2.3 地統計學理論

地統計學理論是地質礦產部門在探礦和采礦時采用的一種先進空間分異分析方法，可用于土壤特性空間分異研究的定量分析[7]。該方法主要是利用原始數據和半方差函數的結構性，對未知樣點的區域化變量進行無偏估值，理論基礎是變差圖理論和區域變量理論。地統計學理論在研究土壤特性空間變異中取得了相當大的成功，并得到了廣泛應用[8]。在地統計學方法中，半方差函數是用于研究土壤特性空間分異結構的一個關鍵函數，該函數的形式[9]為

(1)

式中：γ(h)為半方差函數，它等于所有以給定間距h相隔的樣點的觀測值之差平方的數學期望；N(h)為以h為間距分隔的所有觀測樣點的成對數目，當樣點總數為n時，N(h)=n-1；Z(xi)、Z(xi+h)為以h為間距的兩個實測值。

通常，半方差函數反映了不同間距觀測值之間的變化，γ(h)值隨著樣點間距h的增加而增大，當間距h升到最大時，γ(h)值趨于穩定。

實際上，土壤的性質在空間上是連續變化的，所以土壤性質的半方差函數應該是連續函數。但是，樣品半方差圖卻是由一批間斷點組成的，可以用直線或曲線將這些點連接起來，用于擬合的曲線方程就稱為半方差函數的理論模型。地統計學中有多種半方差函數理論模型，其中應用最廣的理論模型是有基臺值的球狀模型，該模型能用于各種沉積礦物、土壤和水的空間變異性研究。球狀模型[10]為

(2)

式中：C0為間距為0時的半方差，稱為塊金常數，表示由實驗誤差和小于最小取樣尺度引起的隨機變異；C0+C為半方差函數隨著間距遞增到一定程度后出現的穩定值，稱為基臺值，表示系統內的總變異；C為基臺值與塊金常數的差值；a為半方差達到基臺值時的樣本間距，稱為變程。

Kriging空間插值分析是地統計學方法中最常見的空間局部內插法[11]，它是以變異函數理論和結構分析為基礎，根據有限區域內的若干已知樣點數據，對未知樣點值進行的一種線性無偏最優估計。對于任意待估點，其估計值是通過n個該待估點影響范圍內的有效樣點值的線性組合得到，是建立在半變異函數理論分析基礎上的加權平均估計，公式為

(3)

式中：Z(x)為待估點的估計值；Z(xi)為待估點影響范圍內的某個有效樣點值；λi為權重系數，Σλi=1。

2.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2007進行數據整理，利用SPSS 19.0和ArcGIS 9.3進行地統計分析及土壤特性空間分異圖繪制。

3 結果與分析

3.1 土壤特性的統計特征分析

研究區土壤各指標的統計特征見表1。土壤電導率能夠影響土壤養分及污染物的轉化和有效性，反映了在一定條件下土壤鹽分的實際狀況，與土壤鹽分呈現正相關，因此常用電導率來估測土壤的含鹽量[12]。由表1可知，該田塊土壤電導率在123.1～316.0 μs/cm之間，平均值為192.58 μs/cm，表明該田塊土壤整體上發生輕度鹽化；該田塊土壤pH值在7.56～8.17之間，平均值為7.92，表明該田塊土壤整體呈輕度堿化；該田塊土壤容重和孔隙度的平均值分別為1.20 g/cm3和54.83%，表明土壤熟化程度較高；土壤含水量和飽和持水量平均值分別為14.13%和37.70%，體現了土壤的保水、持水能力較強。從變異系數CV來看，該田塊土壤pH值、容重、孔隙度屬于弱變異(CV≤10%)，土壤電導率、含水量、飽和持水量屬于中等變異(10%

表1 表層(0～20 cm)土壤特性統計特征

土壤電導率、pH值、容重、孔隙度、含水量及飽和持水量的偏度系數接近于0，峰度系數接近于3(表1)，經K-S檢驗(表2)，各個指標的檢驗P值均大于0.05，表明數據均呈近正態分布，滿足半方差函數分析使用的要求[14]。

表2 表層(0～20 cm)土壤特性K-S檢驗

3.2 土壤特性的半方差函數分析

經半方差函數分析，獲得研究區土壤各指標的半方差參數，見表3。土壤各指標特性基臺值(C0+C)在0.151～1.419之間，表現為具有明顯的空間結構。該研究區土壤各指標特性的變程在1.671～3.807 m之間。塊基比C0/(C0+C)的大小反映了系統變量的空間相關性，其比值越小空間相關性就越強，同時該比值的大小也能反映出引起空間變異的主導影響因素，比值較高說明是由隨機因素引起的空間變異占主要部分，比值較低說明是由空間結構因素引起的變異占主要部分[15]。由表3可以看出，該田塊土壤pH值和含水量的空間相關性較強，C0/(C0+C)<0.25，土壤pH值和含水量受結構性因素(氣候、母質、土壤類型等自然條件)影響強烈；土壤電導率、容重、孔隙度、飽和持水量的空間相關性較弱，C0/(C0+C)>0.75，受隨機性因素(施肥、耕作措施等人為活動)影響強烈。

表3 表層(0～20 cm)土壤特性半方差參數

3.3 土壤特性的空間插值分析

根據半方差函數分析結果，運用Kriging插值方法對實際采樣點數據進行空間最優內插，精確獲得該研究區土壤各個特性的空間分異情況， 見圖1。從圖1可以看出，土壤電導率在田塊中心處較低(123.1～137.6 μs/cm)，逐漸向四周擴增變大，西部最大(270.1～316.0 μs/cm)，而從田塊實際微地形上來看，該地塊中心處比周圍要高一些，這說明低洼處更容易聚集鹽分，發生鹽化；土壤pH值在7.56～8.17之間，說明土壤發生弱堿化，堿化較重處發生在田塊西南處；土壤容重和孔隙度也表現出明顯的空間分異性，容重大小在1.00～1.50 g/cm3之間，由東北向西南逐漸遞減，孔隙度則恰好相反，由東北向西南逐漸遞增，大小在43.4%～62.3%之間，表明該田塊土壤熟化程度由東北向西南逐漸增加；飽和持水量和土壤含水量在空間上也表現出明顯的分異性，飽和持水量在26.7%～53.0%之間，整體上由西北向東南逐漸遞減，含水量在7.3%～22.0%之間，與飽和持水量保持基本一致的空間變化規律，但最低土壤含水量發生在田塊地面較高處，總體上，田塊西北土壤水分比東南充沛，蓄水保水能力較強。土壤特性的空間分異不僅與自然條件有關，同時也受人為因素(施肥、灌水、耕作等)的強烈影響。由表3數據可知，該田塊土壤pH值和含水量受自然因素影響強烈，其他土壤指標受人為因素影響強烈。為此，采取合理的農田管理措施，平整土地，填平局部低洼處，能夠降低土壤的鹽堿危害，使其地力有所提高。

4 結 論

通過利用地統計學原理和GIS技術對田塊尺度下土壤電導率、pH值、容重、孔隙度、含水量及飽和持水量等特性進行分析，摸清楚了土壤空間特性的準確信息，得出以下結論：土壤各個特性在統計上均服從正態分布，在空間上存在明顯的分異性；該田塊土壤整體發生輕度鹽堿化(土壤電導率為123.1～316.0 μs/cm，pH值為7.56～8.17)，與地面高處相比，低洼處的鹽堿性更強；土壤pH值和含水量的主導影響因素為結構性因素(氣候、母質、土壤類型等自然條件)，土壤電導率、容重、孔隙度、飽和持水量的主導影響因素為隨機性因素(施肥、灌溉、耕作措施等人為活動)。

圖1 表層(0～20 cm)土壤特性空間分異情況

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(責任編輯 徐素霞)

S155.2

A

1000-0941(2017)07-0048-04

顧鑫(1988—)，男，黑龍江訥河市人，碩士，主要從事土壤改良與土壤生態方面的研究工作。

2016-08-14