基于GIS的莱州湾南岸土壤盐渍化特征分析研究

陈广泉，刘文全，于洪军，陈沈良，徐兴永，赵娜，3，曹建荣，3

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.中国科学院 烟台海岸带研究所，山东 烟台 264003）

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145km［1］。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。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，植被发生逆向演替。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［2］。盐渍化是制约莱州湾南岸地区农业生产发展的关键因子之一，因地制宜地合理开发和利用大面积分布的盐渍土对实现该区土地资源的可持续利用具有重要意义，而对土壤盐渍化特征及其空间变异的定量研究是实现盐渍土地科学管理及合理利用的必要前提。

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［3－9］。地统计学已经被证明是分析土壤特性空间分布特征及其变异规律的最为有效的方法之一［10］。由于地统计学通常要求均匀取样，这给大区域范围的地统计学研究带来一定的困难，以往有关土壤特性的地统计学研究只局限于相对小的空间尺度［11］。近年来，众多国内外研究者利用地统计分析方法和GIS技术对长距离范围内土壤盐渍化特征及盐分空间变异进行了研究，取得较好的研究成果。Miyamoto等［12］研究了德克萨斯州西部和新墨西哥州南部微咸水灌溉下土壤盐渍化的空间变异性。Gallardo等［13］运用地统计学方法研究了西班牙加里西亚地区灌木丛林和牧草地两种植被种群土壤中16种元素的空间分布状况。王玉刚等［14］运用遥感、GIS和地统计学相结合的方法研究了三工河流域绿洲表层土壤盐分含量的空间异质特征。杨帆等［15］运用经典统计学和地统计学相结合的方法研究了松嫩平原西部地区盐碱化指标土壤电导率（EC）、盐分含量（SC）、pH和SAR的空间变异特征，绘了4种指标的空间分布图。杨红梅等［16］应用地统计学方法对塔里木河下游表层土壤盐分的空间异质性特征及影响因素进行了分析。高婷婷等［17］基于GIS和地统计学方法研究了渭干河一库车河流域三角洲绿洲盐渍化土壤特征（土壤含盐量）的空间变异性，研究结果表明：渭一库绿洲土壤含盐量的空间变异性为中等变异，且随土壤深度增加而减弱。以往的研究多是针对内陆平原地区为主，对滨海地区流域尺度上土壤含盐量的空间异质性研究相对较少。本研究通过野外调查和室内分析，将地统计学与GIS技术相结合，定量研究了莱州湾南岸地区土壤盐渍化特征及空间变异性，为该地区土壤盐渍化的改良和利用提供一定的理论基础，为流域生态环境安全管理提供一定的科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于莱州湾南岸滨海平原北部，沿海岸近平行分布的东西长约120km，南北宽度40余km的带状区域。地理位置介于36°50′～37°15′N，118°40′～119°50′E之间，行政区划涉及寿光、寒亭、昌邑、平度和莱州5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200～220d，≥10℃的积温4 200℃左右；多年平均降雨量为670～800mm，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1.2左右。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 采样布置

为了查明莱州湾南岸地区土壤盐分空间分布特征，根据研究区的土质、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，具体断面及采样点布设参见图1。各剖面均对0～10cm，10～20cm，20～40cm，40～60cm，60～80cm和80～100cm土层进行分层采样，共计采集504个土壤样品。各采样点的相对坐标采用差分GPS定位技术确定。现场调查和取样在2010－10进行，处于棉花收获期，此时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，而此时的蒸发量相对较小，处于水盐均衡时期。

图1 研究范围及采样点布设Fig.1 Location of the study area and the sampling stations

1.2.2 样品处理与分析

采集的土样在实验室自然风干、磨碎、过20目筛，准确称取10g土样加50mL去CO2蒸馏水置于离心管中，用振荡器振荡3min后以4 500～5 000r·min－1转速离心，离心后得到上清液，测量其电导率和离子含量，计算出相应的土壤全盐含量。采用YSI公司的YSI EC300测定土壤溶液电导率值；HCO3－、CO32－用双指示剂滴定法测定；Cl－用AgNO3滴定法测定；SO42－用EDTA间接滴定法测定；Ca2＋、Mg2＋用EDTA络合滴定法测定；K＋，Na＋用火焰光度法测定。具体测定方法参考《土壤农业化学分析方法》［18］。

1.2.3 数据处理

本研究对采样点土壤总盐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软件进行克里格（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［19］。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［20－21］。

在地统计学中，半方差函数是相距为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［21］

式中，γ（h）为半方差函数；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 土壤含盐量的描述性统计分析

按经典统计方法，不同层次土壤盐分的统计特征值列于表1。由表1可以看出，研究区不同层次土壤含盐量普遍较高，根据王遵亲等［22］土壤盐化分级标准（滨海地区），0～10cm，10～20cm，20～40cm和40～60 cm土壤盐分的均值分别为1.69g／kg，1.68g／kg，1.74g／kg和1.89g／kg，属于轻度盐化；60～80cm和80～100cm的均值分别为2.17g／kg和2.25g／kg，属于中度盐化。土壤盐分含量随土壤深度的增加而逐渐变大，分析原因：取样时间是在秋季，降雨过程基本结束，棉花处于收获期，经过雨季的冲刷，土壤中的盐分分布具有较强的底聚性。从偏度系数和峰度系数两项指标可看出，研究区各层土壤含盐量正偏差数值较大，均呈右偏；六层土壤均为“尖顶峰”。变异系数CV反映的是相对变异，即随机变量的离散程度。根据变异系数对土壤盐分变异性进行分类，当CV＜10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异性，CV＞100%为强变异性［23］。从表1可以看出除表层和底层土壤盐分的变异系数属于强变异性外，其余4层均属于中等变异性，但变异性均比较高，接近于强变异性。研究区各层土壤含盐量具有较强的空间变异性，其原因主要在于研究区不同的土壤质地、微地貌、土地利用及灌溉方式等多因素综合作用的结果。对各层土壤含盐量数据采用Kolmogorov－Smirnov（K－S）正态分布检验概率进行检验［24］，各层土壤含盐量的原始数据均不符合标准正态分布（表1），对不服从正态分布的数据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含盐量均服从正态分布，满足进行地统计分析的平稳性条件。

表1 研究区不同层次土壤盐分统计特征值Table 1 Statistical character values of soil salinity in different soil layers in the study area

2.2 土壤含盐量的空间变异特征分析

经典统计方法除了可以判别土壤含盐量的分布类型外，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，不能定量地刻画土壤含盐量的随机性和结构性、独立性和相关性。因此在进行土壤盐分空间变异性研究时，利用地统计学方法进行进一步的分析与探讨。土壤特性数据的正态分布性检验是使用地统计学Kriging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，否则可能存在比例效应［21］。通过对研究区土壤各层含盐量数据进行对数转化后符合近似的正态分布，满足地统计学分析的要求。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［14］。

表2 土壤含盐量半方差函数模型参数Table 2 Parameters for the soil salinity semi－variogram model

表2中，各土层的相关系数R2均较大，说明理论模型能很好的反应土壤含盐量的结构特征。Co是块金值，Co＋C是基台值，它们是半方差图的2个重要参数。基台值的大小可反映变量变化幅度或系统的总变异程度，块金值大小可反映区域化变量随机性大小，即由实验误差和小于采样尺度上的因素引起的变异，Co是结构方差，它是反映由空间自相关部分或区域因素引起的变异，因而，块金值与基台值之比Co／（Co＋C）表示由随机因素引起的空间变异占系统总变异（包括随机因素引起的变异和区域因素引起的变异）的比例，可反映变量的空间相关程度。一般认为，比值＜25%，说明变量具有强烈的空间相关性；比值在25%～75%变量具有中等的空间相关性；＞75%时，则说明变量空间相关性弱。表2中，0～60cm的土层具有中等空间相关性，60～100cm的土层则具有很强的空间相关性。这种现象与研究区得实际情况相符，土壤盐渍化主要由地形、土壤母质和人类对土地的利用方式、灌溉等决定，随着深度的加大，土壤盐分受地形、地势和地下水等自然因素影响越大，而耕层土壤盐分受土地利用、灌溉等人为因素影响较大。

2.3 土壤含盐量的空间分布特征分析

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含盐量进行最优插值，并绘制其空间分布图（图2）。Kriging插值方法就利用变异函数与原始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2 不同土层土壤含盐量空间分布图Fig.2 The spatial distributions of soil salinity in different soil layers

Kriging插值结果平滑了土壤含盐量的数据，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2中可以看出，整个区域不同土层土壤含盐量的中高值区所占面积均较大，即图中颜色中等和深色区域所占面积较大，这充分体现了莱州湾南岸地区土壤盐份含量较高的一般特征。在水平方向上，土壤含盐量分布不均匀，但总体分布趋势呈现从海边到内陆逐渐减小；央子镇即羊口盐场附近含盐量较高；东部胶莱河附近土壤含盐量较低，其原因主要是受胶莱河水下渗和地下水灌溉影响，导致土壤积盐较轻。在垂直方向上，表层土壤含盐量明显高于其它层，由于采样季节为秋季，雨季已经结束，在持续的强烈地表蒸发作用下，深层土壤的可溶性盐类借助毛细管作用上升积聚于土壤表层，使得土壤表层含盐量明显高于其它部位。

利用Kriging内插法绘制的土壤含盐量空间分布图，可准确和直观地了解整个地区各层土壤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。

3 结 论

对莱州湾南岸地区土壤含盐量的进行Kriging插值分析，结论如下：

1）从不同土层土壤盐分的描述性统计值来看，土壤含盐量服从近似正态分布。受研究区不同的土壤质地、微地貌、土地利用及灌溉方式等多因素综合作用影响，土壤含盐量的变异系数除表层和底层属强变异性外，其它均属中等变异强度。

2）整个研究区土壤含盐量较高，盐渍土所占面积较大；土壤含盐量的理论模型除10～20cm和80～100 cm土层分布符合球状模型外，其它各层均符合指数模型。因此，在区域尺度上应通过合理的排灌比维持该地区的水盐平衡，保持耕层土壤盐分浓度在大田作物的耐性范围内，不盲目开垦荒地，防止盐渍化趋势扩大。

3）研究区不同土层土壤盐份含量具有明显的空间变异性，除60～80cm和80～100cm土层土壤含盐量具有强空间相关外性，其它各层均具有中等空间相关性。

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