张掖市城市湿地土壤盐分、pH值和含水量的空间异质性分析

秦晓燕

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院,甘肃 张掖 734000)

张掖市城市湿地土壤盐分、pH值和含水量的空间异质性分析

秦晓燕

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院,甘肃 张掖 734000)

基于区域变量化理论,运用传统统计学和地质统计学方法,以张掖市城市湿地为研究区,定量分析湿地土壤盐分、pH值和含水量的空间异质性。结果表明:土壤盐分较高,呈一定的碱化趋势;盐分属于强变异程度,pH值属于弱变异程度,含水量属于中等变异程度;根据半方差函数理论模型分析,盐分受结构性因素较大影响表现为强空间相关性,pH值受随机性因素影响很大不具备空间相关性,含水量受结构性因素和随机性因素的共同影响表现为中等空间相关性。克里格插值图显示,土壤盐分和含水量的空间分布均呈现出一定的环状、对称状、斑块状格局;pH值的空间分布呈现出面状形态。

土壤盐分;pH;含水量;地质统计学;空间异质性;克里格插值;张掖市城市湿地;

1 引言

土壤作为历史自然体,受到气候、母质、生物、地形、成土时间等诸多因素的影响,具有复杂性和高度的空间变异性,不论在大尺度上还是在小尺度上,土壤的空间异质性均存在。那么土壤的空间变异性(spatial heterogeneity)即指在土壤质地相对均一的区域内,土壤的特性参数、土壤水分运动的某些经验参数以及土壤中的有关状态变量的数值,在同一时刻不同空间位置并不相等的性质[1]。自 20世纪 60年代国外学者提出研究空间异质性以来,到目前为止已经取得了长足的进展。研究的方法从 Fisher的经典统计分析过渡到Matheron提出的地质统计学分析方法,并已将理论研究成果应用于实际之中。90年代以后,国内学者也逐步认识到在地质、土壤、水科学等领域中研究空间变异性的实用性,在土壤空间变异性方面进行了诸多研究。但是,不同湿地类型,土壤肥力差异较大,即使在同一湿地内,土壤肥力也不均一,具有高度的空间异质性。本文的目的是为了揭示张掖市北郊城市湿地土壤盐分、pH值和含水量之间的空间变异特征,为湿地保护和国家湿地公园的开发提供某些科学依据。

2 研究区概况及研究方法

2.1 研究区概况

张掖市位于中国西部的甘肃省,地处河西走廊中段,辖甘州区、山丹县、民乐县、临泽县、高台县和肃南裕固族自治县,总面积 4.2万 km2,具有丰富的水土资源及充沛的光热资源。张掖城市湿地保护区位于城区北郊,黑河冲洪积扇前缘地带,总面积 51.39 km2,属于天然湿地与人工湿地并存的湿地,是我国候鸟迁徙西部路线的重要组成部分。本次研究区的范围:南起小满康宁村 -梁家墩清凉寺,北至山丹河南岸,西以柳河为界,东至大沙河,面积 260 km2。地势较为平坦,海拔 1440～1480m,地形整体由南东向北西方向倾斜。地理坐标为:东经 100°22′30″～ 100°33′45″,北纬 38°52′30″～ 39°04′00″。

该区域属大陆性干旱气候,昼夜温差大,日照时间长,降水稀少而集中,蒸发强烈,据张掖气象站 1951～2008年多年观测资料统计,张掖市多年平均气温 7.2℃,降雨量128.2mm,蒸发量 2 020.2 mm,无霜期 153天。湿地范围(图 1)内土壤质地较轻,主要类型为草甸土、潮土、溪淤土、草甸盐土、沼泽土。大部分为湖积堆积物、系黄褐色、灰绿色的淤泥质土,表层零星分布黄粘土或富含腐殖质的淤泥层。土壤中水分充足,好氧性微生物活动受阻,不利于有机物的矿化,影响成土的方向和进程,形成了以草甸土为主的自然土壤和以潮土为主的耕作土壤。自然植被主要有柽柳科植物、骆驼刺、芦苇等。种植作物主要有小麦、玉米等。

图1 张掖市北郊湿地范围及采样点分布图

2.2 研究方法与数据处理

2.21 样品采集

采样时间从 2009年 4月至 2009年 5月,以张掖幅等 13幅 1∶10 000的地形图为手图,采用 GPS定位技术进行定点取样,取样时兼顾代表性和均匀性,原则上每 1 Km取一个点,取 0～30 cm深度内的土壤.。依据当地土质、植被类型、地下水埋藏深度等因素,共取样点 13个,共同分析土壤盐分、pH值及含水率。

2.2.2 样品处理与分析

对所采集的土壤样品在实验室进行风干、研磨,通过1 mm筛选后用于测定 pH值和全盐量。土样均制备 5∶1的水土比进行抽滤浸提,按常规分析方法确定土壤各离子组成含量,计算出相应的土壤全盐量。浸提液 pH使用 pH电极进行测定。土壤含水量的测定采用烘干法[2]。(3)数据处理方法样本的描述性和相关性分析采用 SPSS10.0软件进行,用 Kolmogorov-Sm irnov(K-S)检验数据是否呈正态分布。半方差函数计算运用地质统计学软件 GS′for windows5.3进行处理,首先在 GS+软件中对不符合正态分布的数据源进行对数转换,其次进行半方差函数的计算、模拟、分析和检验。地质统计学涉及的半方差函数和半方差函数模型参照文献[3]。为了更直观地反映土壤盐分的空间分布状况,根据所得到的半方差函数模型,利用 Kriging最优内插法[4],绘制土壤盐分、pH值和含水量的分布特征图。

3 结果与分析

3.1 土壤盐分、pH值和含水量的描述性统计特征分析

按照经典统计学分析方法,不同深度下土壤盐分、pH值和含水量的统计特征值列于表 1。

表1 土壤盐分、pH值与含水量的统计特征值

表中显示,盐分的最大值与最小值之比为 30.06 g/kg,标准差为 10.484,均明显高于 pH值和含水量,表明盐分在水平方向的变异或离散程度远远高于 pH值和含水量。土壤盐分的平均值为 9.59 g/kg,总体属于重盐土类型(含盐量大于5.0 g/kg)[5],说明了土壤高度盐渍化是制约本区农业生产及影响植被生长的主要因素,其原因:一是本地属于干旱气候,蒸发强烈,降水稀少,且水位埋深较浅,导致盐分积于表层土壤中;二是受人为耕作活动、施肥不当的影响。与此同时由于近几年张掖地下水位的不断上升,致使土壤中含水量较多,平均值达 19.773%。从峰度和偏度两项指标可以看出,研究区各层土壤盐分、pH值和含水量峰度值和偏度值均大于零,呈右偏态,盐分的分布呈“尖顶峰”,pH值和含水量的分布呈“平顶峰”。

变异系数(CV)反映的是相对变异,即随机变量的离散程度。根据相关研究,CV≤0.1为弱变异性;0.1＜Cv＜1为中等变异性;CV≥1为强变异性[6]。研究区土壤 pH值属于弱变异性,含水量属于中等变异性,盐分属于强变异性,这与人为灌排、耕作方式不当有关,使得土壤盐分的变异系数较大。

土壤特性数据的正态分布性检验是使用地质统计学方法进行土壤特性空间分析的前提,由于半方差函数的计算一般要求数据符合正态或近似正态分布,否则可能会存在比例效应[7]。根据K-S检验概率值均大于 0.05,即各层土壤的盐分含量、pH值和含水量的原始数据均符合或近似正态分布。

3.2 土壤盐分、pH值和含水量的空间变异特征分析

根据半方差函数理论模型分析及参数计算,通过地质统计学软件得出参数结果见表 2和图 2。整体上来看,三个分析项的理论半方差函数和实验半方差函数的拟合程度较好,他们的决定系数在 0.455～0.774之间,说明理论模型较好的反映了他们的空间变异特征。

表2 土壤盐分、pH值与含水量的半方差函数理论模型及相关参数

图2 土壤盐分(a)、pH值(b)与含水量(c)的理论半方差函数图

土壤性质的空间相关性的程度可以通过块金值和基台值来衡量。在半方差函数模型中,块金值 C0是半差函数在原点处的数值,由实验误差和小于最小取样尺度上土地利用、灌溉、施肥、管理水平等随机因素共同引起的变异,较大的块金方差表明较小尺度上的某种过程不容忽视;结构方差C是由土壤母质、地形、地貌、气候等非人为的结构性因素引起的变异。基台值(C0+C)一般是半方差函数值随着样点间距的增加而增大,并在一定的间距(称为变程)升大到一个基本稳定的值,表示总的变异[8]。表中显示,各个分析项目的基台值均为正值,尤其是盐分的基台值较大,说明存在着由采样误差或最小距离内的变异(或随机)和固有变异引起的各种正基底效应。块金值与基台值之比表示空间变异性程度(由随机性因素引起的空间变异性占总变异的比例),该比值越高,说明由随机性因素引起的空间变异性程度较大,相反,则由结构性(空间自相关部分)因素引起的空间变异性程度较大,如果该比值接近或等于 1,则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异。按照区域化变量空间相关性程度的分级标准[8],当块金值/基台值(C0/(C0+C))小于 25%时,变量的空间相关性强烈;在 25%～75%之间,空间相关性中等;当该比值大于 75%,时空间相关性弱。从分析结果中可以看出,土壤的 pH值的 C0/(C0+C)值为 1,称为纯块金效应,具有恒定的变异性,不具备空间相关性,区域内样点的平均值就是最佳估计值;土壤的盐分表现为强烈的空间相关性,其空间变异性主要受结构性因素的影响;含水量属于中等空间相关性,其空间分布是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果。由此可见,结构性因素会导致土壤盐分和含水量的空间相关性增强,而随机性因素则导致它们的空间相关性减弱,向恒定变异性发展。

分维是复杂形体不规则性的量度,反映了复杂形体占有空间的有效性。分维数 D表示变异函数曲线的曲率大小。从分析计算和分维图(图 3)中可以观察出,随机性因素强,结构性因素差,空间分布复杂时,分维数值较高;相反,当随机性因素差,结构性因素强,空间分布简单时,分维数值较低。因此,分维数与空间自相关指标一样,能够较好地描述变量空间分布的规律性与随机性的强弱。

图3 土壤盐分(a)、pH值(b)与含水量(c)的分维分析图

3.3 土壤盐分、pH值和含水量的 Kriging空间插值分析

克里格插值(K riging)是以变异函数理论和结构分析为基础,在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法。其适用范围为区域化变量存在空间相关性,即如果变异函数和结构分析的结果表明区域化变量存在空间相关性,则可以利用克里格方法进行内插或外推;否则,不可以用。它的实质就是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点,对未知样点进行线性无偏、最优估计。也就是说,克里格方法是根据未知样点有限邻域内的若干已知样本点数据,在考虑了样本点的形状、大小和空间方位,与未知样点的相互空间位置关系,以及变异函数提供的结构信息之后,对未知样点进行的一种线性无偏最优估计[9]。

根据得出的土壤盐分、pH值和含水量的半方差函数理论模型,运用 GS软件进行 Kriging空间插值,并绘制出空间分布图(图 4)。

图4 土壤盐分(a)、pH值(b)含水量(c)的空间分布图

图中整体显示,土壤盐分和含水量的空间分布均呈现出一定的环状、对称状与斑块状格局,而 pH值分布图(b)呈现出面状格局(一种颜色),是因为前面已经分析出本次取样点所测试的 pH值,具有恒定的变异性,区域内样点的平均值就是最佳估计值。从图 4(a)来看,研究区土壤盐分大致呈现出东部高于西部,南北对称等量分布的情况。图中盐分最高值分布于市污水处理厂周围,以污水厂为圆心向外逐圈递减,而且该范围内空间变异性最大,这是因为土壤盐分的分布与地下水矿化度、微地形及气候条件等因素密切相关的。由于研究区内该地段微地形起伏较大,水位埋深浅,在旱季持续的地表蒸发作用下,深层土壤以及地下水中的可溶性盐类依仗包气带毛细水上升作用积聚于表层土壤中,形成高盐分区。从实地调查中也可以看到该地段地表盐壳、盐霜现象严重。区内市火车站 -三闸镇以东、新河以西及城区北部阿薛泉沟一带盐分含量很低。

从图 4(c)中可以看出,研究区属于地下水水位埋深小于3 m区么,中部的土壤含水量高于周围,整体空间变异平缓,这是由于近几年张掖市地下水位不断上升的结果。土壤含水量最高值位于研究区中部,呈对称出现,正处于地下水水位埋深小于 1 m区,多泉沟和耕地,最低值位于市种子加工厂向西 100m的沙枣林地中。

4 结论

(1)就经典统计学方法分析结果表明:研究区土壤盐分、pH值与含水量的取样数据均符合正态分布;土壤盐分属重盐土,呈一定的碱化趋势;由于地下水位上升,土壤中的含水量较大;按变异系数分类,土壤 pH值属于弱变异性,含水量属于中等变异性,盐分属于强变异性,因人为灌排、耕作和施肥方式不当,使得土壤盐分的变异系数较大。

(2)根据半方差函数理论模型进行空间变异分析,表明土壤盐分、pH值与含水量在一定范围内具有空间异质性特征:土壤盐分符合球状模型分布,其块金值/基台值小于25%,表现为强空间相关性,空间变异性受结构性因素(土壤母质、地形、地貌、气候等非人为)的影响较大,分维数在三者中最低;pH值符合线性模型分布,其块金值/基台值等于1(大于 75%),表现为恒定的空间变异性,受随机性因素(实验误差、取样尺度等)的影响很大,这种情况下只有增大样本间隔,才能反映出样本间的空间相关性,分维数在三者中最高;含水量符合高斯模型分布,其块金值/基台值处于 25%～75%之间,表现为中等空间相关性,空间分布受结构性因素和随机性因素的共同影响。

(3)通过 Kriging空间插值分析,土壤盐分和含水量的空间分布均呈现出一定的环状、对称状、斑块状格局;pH值的空间分布呈现出面状形态,因其块金值/基台值等于 1,区域内样点的平均值就是最佳估计值,导致整个研究区土壤 pH值的空间分布相同,变化趋势一致。综上所述,利用地质统计学方法可以准确、直观地了解研究区土壤盐分、pH值与含水量的空间分布格局,并能分析其变化的成因和发展趋势,希望能对更好地建设、规划张掖国家城市湿地,改良盐渍化土壤并合理利用等方面起到帮助作用。

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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

甘肃省地矿局水工环科学基金资助(SGH-2009)

秦晓燕(1982-),女,山西阳高人,助理工程师,主要从事水文与水资源勘察工作。