莱州湾南岸表层土壤含盐量与有机质空间分布的定量研究

2014-08-14刘文全于洪军徐兴永

海洋通报 2014年3期

刘文全，于洪军，徐兴永

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061；2.国家海洋环境监测中心，辽宁大连 116023）

土壤盐渍化是导致地区土地荒漠化的一个主要原因（Amezketa，2006），它使得土壤质量下降，限制作物生长，抑制农业生产力，严重的情况下会导致耕地撩荒。莱州湾南岸系指莱州湾湾顶小清河口至虎头崖岸段的滨海平原地区，岸线长145 km（丰爱平等，2006）。该地区赋存有大量的浅层地下卤水，是我国土壤盐渍化灾害最严重的地区之一（毕延凤等，2012）。由于地下水过量开采，咸淡水界面不断向内陆推移，导致土壤盐渍化加剧。同时，在经济效益驱动下，土地利用方式发生较大改变，加剧了生态系统的退化，并诱发咸水入侵的扩展（张祖陆等，2007）。土壤盐渍化灾害已经成为制约莱州湾南岸地区社会、经济和生态环境可持续发展的重要因素之一。

土壤盐分空间变异性在一定程度上反映了土壤耕层内的盐渍化程度和状态。目前利用地统计学和GIS技术研究土壤性质空间变异已成为土壤科学研究的热点之一（马瑾等，2010；尹业彪等，2010；陈海生等，2010；刘红梅等，2011）。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分，但它对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要作用的意义。有机质含量虽然少，但在土壤肥力上的作用却很大，不仅具有协调土壤水分、养分和气、热的功能，对土壤结构耕性也有重要影响；同时它具有较稳定的空间分布特征，是维持耕地土壤生产力的重要因素，其变化状况常被作为评价土壤质量状况的一项重要指标（阿米娜·阿布力克木等，2010）。国内外学者针对农田尺度范围进行了土壤含盐量和有机质的定量研究，如Manpreet等（2012）研究了沙土和砂质壤土在不同含盐量下对土壤有机质的影响，Peinemann等（2005）研究了南美大草原盐渍化影响下土壤不同层位有机质的稳定性问题，阿米娜·阿布力克木等（2010）以格达良乡为例分析了阿图什市盐渍化土壤中有机质现状及有机质与盐分之间的相关性。土壤盐渍化问题是莱州湾南岸环境改善和可持续发展的战略问题，盐渍化监测结果表明，该区盐渍化面积占总面积的44.4%，严重影响农业经济持续发展和生态建设。本文以莱州湾南岸地区为研究对象，运用地统计分析和相关分析方法分析了区域盐渍化土壤中有机质和盐分的空间分布现状及二者之间的相关性，旨在为莱州湾南岸地区土地利用和盐渍化评估提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本文的研究区位于莱州湾南岸滨海平原北部，地理位置介于 118°40′-119°50′E，36°50′-37°15′N之间，行政区划涉及寿光、寒亭和昌邑3个县级市。该区属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，降水量较少，海洋性特征并不明显。光照充足，热量丰富，雨热同期，四季分明；全年平均气温一般在11.5℃～13℃，无霜期200～220天，大于等于10℃的积温4 200℃左右；多年平均降雨量为670～800 mm，由北向南增加；年内降雨分布不均，雨量多集中在6月下旬至9月上旬，占全年的70%～80%；蒸发强烈，蒸散量大，全区干旱系数一般在3左右（刘文全等，2012）。研究区地势平缓，土壤类型主要以潮土与盐化潮土两类为主。

1.2 研究方法

1.2.1 采样点布设

根据研究区土质、土地利用类型等因素确定采样点的位置，垂直于海岸线共布设14条断面，每个断面布设6-7个土壤剖面，对0-40 cm土层进行采样，共计采集75个土壤样品，具体断面及采样点布设参见图1。各采样点的相对坐标采用DGPS定位技术确定。于2010年10月进行现场调查和取样，由于此时处于棉花收获期，大气降水引起的土中水盐运动已经结束，耕层土壤盐分及地下水性质较为稳定，地下水的消退主要靠天然蒸发，而蒸发量相对较小，处于水盐均衡时期（姚荣江等，2007）。

图1 研究区位置和土壤采样点分布图

1.2.2 样品处理与分析

采集的土样在实验室自然风干，用木棍磨碎后，剔除植物残根、侵入体和新生体等，过2mm孔径的筛子后待用。用K2Cr2O7-H2SO4氧化法测量土壤有机质的含量，样品数据均为各个样点土壤3次平行试验分析数据的平均值。土壤全盐含量采用重量法进行测量。具体测定方法参考《土壤农业化学分析方法》（鲁如坤，1999）。

1.2.3 数据处理

本研究对采样点土壤有机质和全盐含量数据的常规统计分析用SPSS 18.0软件进行，半方差分析通过地统计学软件GS+9.0完成，利用Arcgis 10.0软件进行克立格（Kriging）插值分析。

1.2.4 地统计学分析方法

地统计学方法是在传统统计学基础上发展起来的空间分析方法，此方法不仅能够有效提示属性变量在空间上的分布变异特征，而且能够有效解释空间格局对生态过程与功能的影响（张金池等，2008）。地统计学是以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究在空间分布上既有随机性又有结构性，或空间相关和依赖性的自然现象的科学（侯景儒，1993；王政权，1999）。

在地统计学中，变异函数是相距为h的区域变量Z（xi）和Z（xi+h）增量平方的数学期望，即区域化变量的方差。其理论模型公式为：

式中：r（h）为变异函数；h为步长，即样点空间间隔距离；N（h）为抽样间隔为h时的点对数；Z（xi）和Z（xi+h）分别是变量Z在空间位置xi和xi+h上的取值。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质与全盐含量的描述性统计分析

表1是土壤有机质和全盐含量的经典统计分析结果。由于变异函数的计算一般要求数据符合正态分布，否则可能存在比例效应（李哈滨等，1998），因此需要对原始数据进行K-S法正态检验（P<0.05，2-tailed）。土壤全盐含量的原始数据不符合标准正态分布，对其进行自然对数转换后再检验其正态性，结果表明：在95%的显著水平上经自然对数转换后的土壤全盐含量服从正态分布，满足进行地统计分析的平稳性条件。从二者的变幅来看，土壤全盐含量变幅较大，达到12.91 g·kg-1。根据王遵亲等（1993）土壤盐化分级标准（滨海地区），莱州湾南岸耕层土壤平均含盐量达到中度盐渍化程度，说明莱州湾南岸地区的土壤盐渍化问题比较严重，其主要影响因素是一是气候干旱，少雨，蒸发比较大；二是莱州湾南岸地区受海（咸）水入侵严重，盐分随水分上升至耕层。从偏度和峰度来看，二者符合近似正态分布。从变异系数看，有机质为44.78%介于10%和100%之间，具有中等变异强度；土壤全盐含量为113.57%大于100%，具有强变异性，说明耕层土壤全盐含量较有机质受外界因素（气候、海水入侵及土地利用等）影响更为强烈。

表1 土壤有机质和盐分的统计特征值（N=75）

2.2 空间趋势效应分析

图2为土壤有机质和全盐含量的空间分布趋势图，X-Z投影面上绿色曲线表示“东-西”向，Y-Z投影面上的蓝色曲线表示“南-北”向，X-Y投影面上的散点表示采样点的二维平面空间分布。对趋势效应的处理办法一般是在半方差/协方差函数建模时去掉趋势效应，而在克立格预测时再把趋势效应追加回来（姚荣江等，2007）。在本研究中，尽管有机质和全盐含量的偏、峰度检验结果均呈正态（或对数正态）分布，但都表现出明显的趋势效应（图2），显然本研究中不能简单的忽略趋势效应问题。

从图2可以看出，在“东-西”方向上有机质和全盐含量都呈明显的1阶趋势效应。从“南-北”方向来看，有机质呈1阶趋势效应，土壤全盐含量呈现明显的2阶趋势效应，呈倒“U”型的抛物线变化。这说明区受区内海水入侵、土地利用等因素的影响，有机质和土壤全盐含量在南北方向上呈现较大的变化。

图2 土壤有机质和盐分的趋势效应分析

2.3 空间变异特征分析

经典统计方法除了可以判别土壤有机质和全盐含量的分布类型外，统计均值、标准差、变异系数等仅在一定程度上反映研究区域样本总体及变异状况，不能定量地刻画二者的随机性和结构性、独立性和相关性，因此在进行有机质和全盐含量空间变异性研究时，利用地统计学方法进行进一步的分析与探讨（姚荣江等，2007）。本研究使用GS+9.0软件来进行半方差函数的计算，然后用交叉验证的方法来修正模型参数，结果见表2。半方差函数理论模型的选择主要考虑决定系数R2要大、残差RSS和块金值Co要小（王玉刚等，2007）。

表2 土壤有机质与盐分的半方差模型及其参数

从表2中可以看出，土壤有机质和全盐含量的半方差理论模型均符合球状模型。土壤有机质和全盐含量的块金值为正值，但二者数据均较小，说明存在由采样误差、短距离的变异、随机和固有变异引起的各种正基底效应，但基底效应不明显。块金值（C0）与基台值（C0+C）之比表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例；比值小于25%，说明系统具有强烈的空间相关性，比值在25%-75%之间，说明系统为中等空间相关性，比值大于75%，说明系统具有较弱的空间相关性（侯景儒等，1998）。从表2中可以看出二者的变异系数均小于25%，说明具有强的空间相关性，这主要是受自然因素（气候条件和海水入侵等）影响所致。土壤有机质和全盐含量变程相差不大，R2值较大，RSS较少，说明球状模型拟合较好。

2.4 空间分布特征

空间数据插值是进行数据外推的基本方法。利用ArcGIS 10空间分析模块中的普通克立格（Ordinary Kriging）对莱州湾南岸地区土壤耕层有机质和全盐含量进行最优插值，并绘制其空间分布图（图3）。Kriging插值方法就利用半方差函数与已知采样点的数据对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计。

图3 土壤有机质和全盐含量的空间分布图

Kriging插值结果平滑了土壤有机质和含盐量的数据，使得大值降低、小值增高，从而减少了土壤盐分含量的突然变化。从图3中可以看出，整个区域土壤有机质含量表现为南部高，沿海地区低；而土壤全盐含量则表现为离海越近数值越大，即图中颜色域从内陆到沿海逐渐变深，这充分体现了莱州湾南岸地区土壤盐分含量与海水入侵相关的一般特征。从有机质分布图可以看出，在昌邑与寒亭交界的地区有机质含量较大，而从土壤全盐含量来看该区盐渍化较重，说明有机质含量与含盐量在一定程度上具有相关性。利用Kriging内插法绘制的土壤有机质和全盐含量空间分布图，可准确和直观地了解整个地区有机质和盐分的空间分布状况，为莱州湾南岸地区区域规划、农业生产和生态环境维护提供了一定的理论基础和参考依据。

为了更加直观的体现土壤有机质和含盐量的分布特征，对二者进行了等级划分，从所占面积来反映该区有机质和盐分的分布情况。表3为全国养分分级标准，根据有机质的划分标准，对莱州湾南岸地区耕层土壤有机质进行了分级，从统计结果来看，占莱州湾南岸总面积32.42%的区域属于5级，而剩余部分则属于4级水平，说明该区有机质水平较低。根据王遵亲等（1993）土壤盐化分级标准（滨海地区），对土壤全盐含量进行分级，结果表明，无盐渍化区域占46.74%，轻度盐渍化区域占34.82%，中度盐渍化区域占18.44%，面积较少的沿海地区为重盐渍化和盐土区。从统计数据可以看出，莱州湾南岸盐渍化区域面积较大，盐渍化问题严重影响农业生产和生态环境安全。

表3 全国土壤养分分级标准

2.5 有机质与盐分之间的相关性分析

土壤有机质、盐分是土壤基本性质，本文分析莱州湾南岸地区土壤有机质与盐分之间的相关性。利用SPSS进行了二者的相关性分析，相关系数为-0.269（P<0.05），呈显著负相关，这一点从二者的空间分布中也可以得到印证。随着盐分含量的增大，有机质含量逐渐降低。

3 结论

（1）研究区耕层土壤有机质均值较低，而全盐含量的均值较高；有机质服从正态分布，全盐含量符合对数正态分布；有机质变异系数属于中等变异强度，全盐含量属于强变异强度。

（2）在“东-西”方向上有机质和全盐含量都呈明显的1阶趋势效应；从“南-北”方向来看，有机质呈1阶趋势效应，土壤全盐含量呈现明显的2阶趋势效应；二者的空间结构特征均较好地符合球状模型分布；受自然因素作用，有机质和全盐含量具有强空间相关性；R2值较大，RSS较少，说明球状模型预测二者的空间分布具有较好的准确性。

（3）耕层土壤有机质和全盐含量的空间分布均呈明显的条带状格局。有机质表现出离海岸线距离越近（远）含量越小（大）的规律；全盐含量与耕层土壤有机质分布正好相反，表现为离海岸线距离越近（远）盐分越高（低）的规律；海水入侵、土地利用及人为的耕作措施是形成该空间格局的重要因素。

（4）从二者的相关性分析得出，耕层土壤有机质和全盐含量具有显著的负相关。由于本文只是在10月份进行了一次取样，对于不同时期不同季节二者之间的关系有待于进一步研究。

Amezketa E,2006.An integratedmethodology for assessing soil salinization,a pro-condition for land desertification.Journal of Arid Environments,67：594-606.

Manpreet SM,Petra M,David JC,etal,2012.Salinity and sodicity affect soil respiration and dissolved organicmatter dynamics differentially in soilsvarying in texture.Soil Biology&Biochemistry,45:8-13.

Peinemann N,GuggenbergerG,ZechW,2005.Soilor ganicmatter and its lignin componentin surface horizons of salt-affected soilsof the Argentinian Pampa.Catena,60:113-128.

阿米娜·阿布力克木,迪丽努尔·阿吉,玉素甫江·买买提,2010.阿图什市盐渍化土壤中有机质现状及有机质与盐分之间的相关性分析.信阳师范学院学报,23(4):550-552,557.

毕延凤,于洪军,徐兴永,等,2012.莱州湾南岸平原地下水化学特征研究.海洋通报,31(3):241-247.

陈海生,刘大双,刘国顺,2010.河南襄城植烟区土壤中量元素含量的空间异质性.土壤通报,41（3）：582-589.

丰爱平,夏东兴,谷东起,2006.莱州湾南岸海岸侵蚀过程与原因研究.海洋科学进展,24(1):83-90.

侯景儒,郭光裕,1993.矿床统计预测及地质统计学的理论与应用.北京:冶金工业出版社.

侯景儒,黄竟先,1998.实用地质统计学.北京:地质出版社.

李哈滨,王政权,王庆成,1998.空间异质性定量研究理论与方法.应用生态学报,9(6):651-657.

刘红梅,卫智军,杨静,等,2011.不同放牧制度对荒漠草原表层土壤氮素空间异质性的影响.中国草地学报,33(2):51-56.

刘文全,于洪军,徐兴永,等,2012.莱州湾南岸浅层地下水特征的空间变异性研究.海洋通报,32(1):31-36.

鲁如坤.土壤农业化学分析方法,1999.北京：中国农业科技出版社.

马瑾,邱兴华,周永章,等,2010.湛江市土壤有机氯农药残留状况及空间分布特征.地理学报,65(1):103-112.

王玉刚,肖笃宁,李彦,2007.流域尺度绿洲土壤盐分的空间异质性.生态学报,27(12):5262-5270.