引黃灌區(qū)枸杞地土壤電導(dǎo)率空間格局及條件模擬

王幼奇，趙云鵬，張 興，白一茹

(1.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021； 2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價與環(huán)境調(diào)控重點實驗室，銀川 750021)

土壤電導(dǎo)率是土壤基本化學(xué)性質(zhì)的重要指示因子之一[1,2]，是研究土壤化學(xué)反應(yīng)及土壤養(yǎng)分有效性的重要參數(shù)，同時也是反映土壤鹽漬化程度、肥力質(zhì)量特征以及土壤污染的一個綜合性指標(biāo)[3-5]，因此其空間分布特征得到越來越多學(xué)者的重視[6]。李艷等[7]和李子忠等[8]運用半方差函數(shù)和克立格法分別對海涂和草甸土壤電導(dǎo)率的空間分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)克立格法能提高估測精度，節(jié)省采樣成本。尹輝等[9]運用地統(tǒng)計學(xué)空間插值模型和GIS技術(shù)對廣西果化巖溶區(qū)土壤電導(dǎo)率的空間異質(zhì)性進(jìn)行研究。白慧東等[10]和韓躍等[11]運用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，分別對濱海平原和黃河三角洲鹽堿地土壤電導(dǎo)率的空間變異進(jìn)行研究?？v觀國內(nèi)外學(xué)者對土壤電導(dǎo)率的研究，大部分是應(yīng)用克里格插值等空間插值模型進(jìn)行空間分布研究，但由于克里格插值模型的平滑效應(yīng)難以再現(xiàn)空間變量的波動性，導(dǎo)致某些劇烈變化區(qū)域(甚至異常區(qū))的信息缺失[6-11]，而條件模擬能很好再現(xiàn)空間變量的離散和波動性[12-14]，因此采用地統(tǒng)計條件模擬對土壤的空間分布研究必不可少。

中寧是枸杞發(fā)源地和正宗原產(chǎn)地，素有“中寧枸杞甲天下”的美譽，同時也是引黃灌溉的典型農(nóng)業(yè)區(qū)。由于氣候干旱和常年灌溉，土壤出現(xiàn)了鹽分表聚、肥力下降等現(xiàn)象[15,16]，研究土壤電導(dǎo)率的空間分布特征，對探索該區(qū)域土壤鹽漬化程度以及肥力質(zhì)量特征等具有重要的意義。因此本文運用地統(tǒng)計學(xué)方法對中寧枸杞地土壤電導(dǎo)率空間分布特征進(jìn)行研究，并對其進(jìn)行Kriging估值和條件模擬，旨在揭示土壤電導(dǎo)率的空間分異規(guī)律，為引黃灌區(qū)枸杞地土壤有效利用和農(nóng)田管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

取樣點選在寧夏回族自治區(qū)中寧縣“萬畝枸杞觀光示范園”(105° 37′46″～105° 38′ 27″ E，37° 29′ 51″～37° 30′ 09″ N)。海拔1 258～1 261 m，夏季酷熱，冬季寒冷，氣候干燥，為典型的溫帶大陸性氣候。年均溫9.5 ℃，年平均降水202 mm。按照100 m×100 m網(wǎng)格方式設(shè)計采樣點，分別采集土壤0～20、20～40和40～60 cm三層土樣，共采集土樣360個，取樣點分布詳見圖1。土樣經(jīng)風(fēng)干、研磨、剔除雜物后過20目篩孔以供電導(dǎo)率和pH測定。土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀(EC330)測定，pH值采用pH計(上海雷磁)測定。

圖1 研究區(qū)樣點分布圖Fig.1 Location of the sampling points

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0對土壤電導(dǎo)率進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計分析，半方差函數(shù)分析、普通Kiging和協(xié)同Kriging估值以及條件模擬均在GS+7.0軟件中完成[17]，電導(dǎo)率實測值、Kiging估值及其模擬值的空間分布圖均在ArcGIS 10.0軟件中繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤電導(dǎo)率描述性統(tǒng)計分析

表1給出了引黃灌區(qū)枸杞地土壤電導(dǎo)率的描述性統(tǒng)計值。通過平均值分析可知，隨深度的增加，電導(dǎo)率呈現(xiàn)先減后增趨勢。由變異系數(shù)可得，不同深度下土壤電導(dǎo)率均屬于中等變異性(0.1

表1 引黃灌區(qū)枸杞地土壤電導(dǎo)率描述性統(tǒng)計值Tab.1 Descriptive statistics for soil electrical conductivity of Lycium Barbarum in the Yellow River Irrigated Area

2.2 土壤電導(dǎo)率半方差分析

為了更好地反映土壤電導(dǎo)率的空間分布特征，利用半方差函數(shù)模型對土壤電導(dǎo)率進(jìn)行擬合分析。由于相同深度下土壤電導(dǎo)率與pH值存在極顯著的相關(guān)性(P<0.05)，因此分析了同層電導(dǎo)率的半方差函數(shù)及其與pH值的協(xié)半方差函數(shù)。由表2得，不同深度下土壤電導(dǎo)率均符合高斯模型，0～20 cm土壤電導(dǎo)率和pH值符合線性模型，20～40和40～60 cm土壤電導(dǎo)率和pH值符合球狀模型。同時表2也給出了土壤電導(dǎo)率及其與pH值的空間相關(guān)性，土壤表層(0～20 cm)電導(dǎo)率及其與pH值的塊金系數(shù)均在25%～75%之間，屬于中等空間相關(guān)性，其空間分布特征是隨機性因素(人為過程)和結(jié)構(gòu)性因素的共同作用的結(jié)果。其余深度下電導(dǎo)率及其與pH值的塊金系數(shù)均小于25%，呈現(xiàn)強烈的空間相關(guān)性，主要受氣候、地形和土壤質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素的影響。由表2知，土壤電導(dǎo)率與pH值的塊金系數(shù)隨深度的增加而減小，即隨深度增加，土壤電導(dǎo)率受隨機因素影響逐漸變小，結(jié)構(gòu)性因素增強。從變程可得，電導(dǎo)率的變程在土壤表層出現(xiàn)最大值，其空間連續(xù)性范圍較大。

2.3 土壤電導(dǎo)率的Kriging估值

為了更好的研究土壤電導(dǎo)率的空間分布特征，本文運用普通Kriging法(OK)和與pH值協(xié)同Kriging法(CKOM)對土壤電導(dǎo)率的空間分布進(jìn)行估值，土壤電導(dǎo)率與兩種Kriging估值結(jié)果統(tǒng)計值見表3。

表2 引黃灌區(qū)枸杞地土壤電導(dǎo)率及其與pH值半方差函數(shù)理論模型及參數(shù)Tab.2 Semivariogram model and corresponding parameters for soil electrical conductivity and electrical conductivity of pH value of Lycium Barbarum in the Yellow River Irrigated Area

注：G為高斯模型；L為線性模型；S為球狀模型。

表3 普通Kriging法和協(xié)同Kriging法估值結(jié)果與土壤電導(dǎo)率實測值的比較Tab.3 Comparison of measured electrical conductivity and estimated values by ordinary Kriging (OK)and crossed Kriging(CKOM)

由表3可知，CKOM對引黃灌區(qū)土壤表層電導(dǎo)率的估值范圍以及均值與實測值最接近，且具有最小的偏度和最低的峰度系數(shù)，其估值范圍以及均值較好的反映土壤表層電導(dǎo)率的空間分布狀況，OK估值范圍在 139.78 ～374.05 μS/cm之間，其范圍遠(yuǎn)小于實測值，同時其偏度與峰度系數(shù)較大，因此OK對引黃灌區(qū)土壤表層電導(dǎo)率空間分布狀況反映較差。但在20～40以及40～60 cm土層中，OK對土壤電導(dǎo)率的估值范圍與實測值最為接近，且偏度和峰度系數(shù)較小，其估值范圍較好的反映土壤電導(dǎo)率的空間分布狀況，相比OK，CKOM對土壤電導(dǎo)率的估值范圍與實測值相差較大，且偏度與峰度系數(shù)偏大，因此CKOM對20～40和40～60 cm土壤電導(dǎo)率的空間分布狀況反映較差。

2.4 土壤電導(dǎo)率的條件模擬

為了更好的研究土壤電導(dǎo)率的空間分布特征，本文運用ArcGIS 10.0分別繪制出土壤電導(dǎo)率實測值、OK、CKOM及條件模擬10次、100次和1000次的空間分布圖(見圖2～圖4)。由圖2～圖4可知，土壤電導(dǎo)率在0～20 cm呈現(xiàn)由西南到東北逐漸遞減的趨勢，并在局部地區(qū)出現(xiàn)較大值。這與坡度走向相反，由于灌溉水量是定額的，地勢較低的區(qū)域水量匯集較多，水分蒸發(fā)后，土壤含鹽量較高，即土壤電導(dǎo)率值高；在局部地區(qū)出現(xiàn)較大值，這可能與局部地區(qū)枸杞植株密集程度以及土壤管理模式有較大關(guān)系[18]。在20～40和40～60 cm深度下，除局部地區(qū)外，土壤電導(dǎo)率空間分布的密集程度和走向都非常相似，均呈現(xiàn)三個較大值，并向四周逐漸遞減。其主要受氣候、地形和土壤質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素的影響。同時通過對比空間分布圖，發(fā)現(xiàn)條件模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的空間分布在密集程度和走向非常相似，并且在同一采樣點上，條件模擬結(jié)果與實際測量值相近，這與Kriging估值結(jié)果存在一定差異。雖然Kriging估值與實際測量值空間分布趨勢相近，但在局部區(qū)域存在較大差異，主要原因Kriging估值具有“平滑效應(yīng)”，不適合估計和預(yù)測某些劇烈變化的空間屬性，即Kriging估值會使土壤電導(dǎo)率空間分布變得平滑，峰值區(qū)分布更加集中。條件模擬更強調(diào)概率模型的作用，是將采樣點的模擬值條件轉(zhuǎn)化到實測值，能更好顯示土壤電導(dǎo)率空間分布離散和波動性。圖2～圖4還表明，隨著模擬次數(shù)的增加，條件模擬對整個模擬區(qū)域土壤電導(dǎo)率分布的描述更為詳細(xì)。

土壤電導(dǎo)率實測值、OK、CKOM、不同次數(shù)條件模擬結(jié)果的統(tǒng)計值見圖5，由圖5可知，不同土壤深度下，兩種Kriging的估值范圍以及不同次數(shù)條件模擬范圍均小于電導(dǎo)率實測值；兩種Kriging估值的均值均略高于實測值，土壤表層(0～20 cm)不同次數(shù)條件模擬結(jié)果與電導(dǎo)率實測值相近，其余土壤深度下，不同次數(shù)條件模擬結(jié)果均低于電導(dǎo)率實測值，且隨模擬次數(shù)增加，模擬范圍及均值漸趨穩(wěn)定。

2.5 Kriging估值、條件模擬結(jié)果和實測值的空間分布特征

為了更好的分析Kriging估值和條件模擬結(jié)果對土壤電導(dǎo)率空間分布的反映，本文比較了Kriging估值和條件模擬結(jié)果的空間分布特征。

圖2 土壤(0～20 cm)電導(dǎo)率實測值、普通 Kriging 估值、與pH值協(xié)同 Kriging 估值及條件模擬結(jié)果的空間分布Fig.2 Spatial distribution of measured electrical conductivity(0～20 cm), ordinary Kriging estimated electrical conductivity (OK),crossed Kriging estimated electrical conductivity of pH value (CKOM) and conditional simulated values

圖3 土壤(20～40 cm)電導(dǎo)率實測值、普通 Kriging 估值、與pH值協(xié)同 Kriging 估值及條件模擬結(jié)果的空間分布Fig.3 Spatial distribution of measured electrical conductivity(20～40 cm), ordinary Kriging estimated electrical conductivity (OK),crossed Kriging estimated electrical conductivity of pH value (CKOM) and conditional simulated values

圖4 土壤(40～60 cm)電導(dǎo)率、普通 Kriging 估值、與pH值協(xié)同 Kriging 估值及條件模擬結(jié)果的空間分布Fig.4 Spatial distribution of measured electrical conductivity(40～60 cm), ordinary Kriging estimated electrical conductivity (OK),crossed Kriging estimated electrical conductivity of pH value (CKOM) and conditional simulated values

圖5 土壤電導(dǎo)率實測值、普通 Kriging 估值、與pH值的協(xié)同 Kriging 估值及條件模擬結(jié)果的統(tǒng)計特征Fig.5 Statistical characteristics of measured electrical conductivity, ordinary Kriging estimated values(OK), pH value crossed Kriging estimated values(CKOM) and conditional simulated values

表4 Kriging估值、條件模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)特征Tab.4 Spatial structure characteristics of Kriging estimated values, conditional simulated values and measured values

由表4可知，不同深度下土壤電導(dǎo)率的普通Kriging的基臺值最小，協(xié)同Kriging次之，其主要原因是Kriging估值有較明顯的“平滑效應(yīng)”，協(xié)同Kriging估值考慮了土壤pH值的影響。不同深度下土壤電導(dǎo)率的普通Kriging和協(xié)同Kriging估值結(jié)果的塊金系數(shù)均較小，說明對Kriging估值對影響電導(dǎo)率空間分布的隨機因素反映不足。除40～60 cm深度下，兩種Kriging估值的電導(dǎo)率變程均小于實測值。條件模擬在一定程度上能反映環(huán)境因素對土壤電導(dǎo)率空間分布的影響，在土壤表層，隨模擬次數(shù)的增加，塊金系數(shù)逐漸降低，變程漸趨于實測值。在20～40和40～60 cm深度下，隨模擬次數(shù)的增加，塊金系數(shù)逐漸降低，變程明顯高于實測值，其測定結(jié)果較Kriging估值差。其主要原因有兩個，一是序貫高斯條件模擬的Kriging算法以及高斯特性在一定程度上會造成模擬誤差。即序貫高斯條件模擬多個模擬結(jié)果形成的Kriging算法與實際測量值的Kriging算法存在一定差異，同時條件模擬結(jié)果有高斯分布特性，如果測量數(shù)據(jù)不符合高斯分布時，會先將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯變換，再進(jìn)行模擬，最后進(jìn)行逆高斯變換，在變換過程中往往會放大或縮小模擬過程中所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。另一個方面是土壤表層其空間分布特征受隨機性因素(人為過程)和結(jié)構(gòu)性因素的共同影響，其空間分布特征較復(fù)雜，條件模擬能很好展現(xiàn)其離散性和波動性，而在20～40以及40～60 cm深度下土壤主要受結(jié)構(gòu)性因素(氣候、地形和土壤質(zhì)地等)的影響，其空間變異較小，更適合Kriging估值，使用條件模擬反而會造成模擬誤差，導(dǎo)致研究失真。

3 結(jié) 語

(1)引黃灌區(qū)枸杞地土壤在0～60 cm深度下電導(dǎo)率均屬于中等變異性。土壤表層(0～20 cm)電導(dǎo)率屬中等空間相關(guān)性，其空間分布特征受坡度、植株密集程度以及土壤管理模式等因素的影響。20～40和40～60 cm深度下土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為強烈的空間相關(guān)性，其主要受氣候、地形和土壤質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素的影響。

(2)通過對比普通Kriging法(OK)與pH值協(xié)同Kriging法(CKOM)對土壤電導(dǎo)率的空間分布研究，發(fā)現(xiàn)CKOM對土壤表層電導(dǎo)率的估值與實測值相近，能較好地反映表層電導(dǎo)率的空間分布狀況，OK估值能較好地反映20～40和40～60 cm土層電導(dǎo)率的空間分布狀況。但兩種Kriging法的估值范圍均小于實測數(shù)據(jù)，均值略高于實測數(shù)據(jù)。

(3)序貫高斯條件模擬對土壤表層電導(dǎo)率模擬結(jié)果的空間分布特征與實測數(shù)據(jù)相近，模擬結(jié)果范圍、均值以及變程均與電導(dǎo)率實測值相近，能很好地顯示土壤電導(dǎo)率的空間分布離散和波動性。而對20～40以及40～60 cm深度下土壤電導(dǎo)率模擬結(jié)果與實測值存在一定差異，模擬結(jié)果范圍和均值低于實測數(shù)據(jù)，變程大于實測數(shù)據(jù)，其誤差來源于序貫高斯模擬過程中獨特的Kriging算法及高斯特性。

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