萊州灣南岸表層土壤含鹽量與有機質空間分布的定量研究

劉文全，于洪軍，徐興永

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023）

土壤鹽漬化是導致地區土地荒漠化的一個主要原因（Amezketa，2006），它使得土壤質量下降，限制作物生長，抑制農業生產力，嚴重的情況下會導致耕地撩荒。萊州灣南岸系指萊州灣灣頂小清河口至虎頭崖岸段的濱海平原地區，岸線長145 km（豐愛平等，2006）。該地區賦存有大量的淺層地下鹵水，是我國土壤鹽漬化災害最嚴重的地區之一（畢延鳳等，2012）。由于地下水過量開采，咸淡水界面不斷向內陸推移，導致土壤鹽漬化加劇。同時，在經濟效益驅動下，土地利用方式發生較大改變，加劇了生態系統的退化，并誘發咸水入侵的擴展（張祖陸等，2007）。土壤鹽漬化災害已經成為制約萊州灣南岸地區社會、經濟和生態環境可持續發展的重要因素之一。

土壤鹽分空間變異性在一定程度上反映了土壤耕層內的鹽漬化程度和狀態。目前利用地統計學和GIS技術研究土壤性質空間變異已成為土壤科學研究的熱點之一（馬瑾等，2010；尹業彪等，2010；陳海生等，2010；劉紅梅等，2011）。土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，盡管土壤有機質的含量只占土壤總量的很小一部分，但它對土壤形成、土壤肥力、環境保護及農林業可持續發展等方面都有著極其重要作用的意義。有機質含量雖然少，但在土壤肥力上的作用卻很大，不僅具有協調土壤水分、養分和氣、熱的功能，對土壤結構耕性也有重要影響；同時它具有較穩定的空間分布特征，是維持耕地土壤生產力的重要因素，其變化狀況常被作為評價土壤質量狀況的一項重要指標（阿米娜·阿布力克木等，2010）。國內外學者針對農田尺度范圍進行了土壤含鹽量和有機質的定量研究，如Manpreet等（2012）研究了沙土和砂質壤土在不同含鹽量下對土壤有機質的影響，Peinemann等（2005）研究了南美大草原鹽漬化影響下土壤不同層位有機質的穩定性問題，阿米娜·阿布力克木等（2010）以格達良鄉為例分析了阿圖什市鹽漬化土壤中有機質現狀及有機質與鹽分之間的相關性。土壤鹽漬化問題是萊州灣南岸環境改善和可持續發展的戰略問題，鹽漬化監測結果表明，該區鹽漬化面積占總面積的44.4%，嚴重影響農業經濟持續發展和生態建設。本文以萊州灣南岸地區為研究對象，運用地統計分析和相關分析方法分析了區域鹽漬化土壤中有機質和鹽分的空間分布現狀及二者之間的相關性，旨在為萊州灣南岸地區土地利用和鹽漬化評估提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

本文的研究區位于萊州灣南岸濱海平原北部，地理位置介于 118°40′-119°50′E，36°50′-37°15′N之間，行政區劃涉及壽光、寒亭和昌邑3個縣級市。該區屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，降水量較少，海洋性特征并不明顯。光照充足，熱量豐富，雨熱同期，四季分明；全年平均氣溫一般在11.5℃～13℃，無霜期200～220天，大于等于10℃的積溫4 200℃左右；多年平均降雨量為670～800 mm，由北向南增加；年內降雨分布不均，雨量多集中在6月下旬至9月上旬，占全年的70%～80%；蒸發強烈，蒸散量大，全區干旱系數一般在3左右（劉文全等，2012）。研究區地勢平緩，土壤類型主要以潮土與鹽化潮土兩類為主。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點布設

根據研究區土質、土地利用類型等因素確定采樣點的位置，垂直于海岸線共布設14條斷面，每個斷面布設6-7個土壤剖面，對0-40 cm土層進行采樣，共計采集75個土壤樣品，具體斷面及采樣點布設參見圖1。各采樣點的相對坐標采用DGPS定位技術確定。于2010年10月進行現場調查和取樣，由于此時處于棉花收獲期，大氣降水引起的土中水鹽運動已經結束，耕層土壤鹽分及地下水性質較為穩定，地下水的消退主要靠天然蒸發，而蒸發量相對較小，處于水鹽均衡時期（姚榮江等，2007）。

圖1 研究區位置和土壤采樣點分布圖

1.2.2 樣品處理與分析

采集的土樣在實驗室自然風干，用木棍磨碎后，剔除植物殘根、侵入體和新生體等，過2mm孔徑的篩子后待用。用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測量土壤有機質的含量，樣品數據均為各個樣點土壤3次平行試驗分析數據的平均值。土壤全鹽含量采用重量法進行測量。具體測定方法參考《土壤農業化學分析方法》 （魯如坤，1999）。

1.2.3 數據處理

本研究對采樣點土壤有機質和全鹽含量數據的常規統計分析用SPSS 18.0軟件進行，半方差分析通過地統計學軟件GS+9.0完成，利用Arcgis 10.0軟件進行克立格（Kriging）插值分析。

1.2.4 地統計學分析方法

地統計學方法是在傳統統計學基礎上發展起來的空間分析方法，此方法不僅能夠有效提示屬性變量在空間上的分布變異特征，而且能夠有效解釋空間格局對生態過程與功能的影響（張金池等，2008）。地統計學是以區域化變量理論為基礎，以變異函數為主要工具，研究在空間分布上既有隨機性又有結構性，或空間相關和依賴性的自然現象的科學（侯景儒，1993；王政權，1999）。

在地統計學中，變異函數是相距為h的區域變量Z（xi）和Z（xi+h）增量平方的數學期望，即區域化變量的方差。其理論模型公式為：

式中：r（h）為變異函數；h為步長，即樣點空間間隔距離；N（h）為抽樣間隔為h時的點對數；Z（xi）和Z（xi+h）分別是變量Z在空間位置xi和xi+h上的取值。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質與全鹽含量的描述性統計分析

表1是土壤有機質和全鹽含量的經典統計分析結果。由于變異函數的計算一般要求數據符合正態分布，否則可能存在比例效應（李哈濱等，1998），因此需要對原始數據進行K-S法正態檢驗（P<0.05，2-tailed）。土壤全鹽含量的原始數據不符合標準正態分布，對其進行自然對數轉換后再檢驗其正態性，結果表明：在95%的顯著水平上經自然對數轉換后的土壤全鹽含量服從正態分布，滿足進行地統計分析的平穩性條件。從二者的變幅來看，土壤全鹽含量變幅較大，達到12.91 g·kg-1。根據王遵親等（1993）土壤鹽化分級標準（濱海地區），萊州灣南岸耕層土壤平均含鹽量達到中度鹽漬化程度，說明萊州灣南岸地區的土壤鹽漬化問題比較嚴重，其主要影響因素是一是氣候干旱，少雨，蒸發比較大；二是萊州灣南岸地區受海（咸）水入侵嚴重，鹽分隨水分上升至耕層。從偏度和峰度來看，二者符合近似正態分布。從變異系數看，有機質為44.78%介于10%和100%之間，具有中等變異強度；土壤全鹽含量為113.57%大于100%，具有強變異性，說明耕層土壤全鹽含量較有機質受外界因素（氣候、海水入侵及土地利用等）影響更為強烈。

表1 土壤有機質和鹽分的統計特征值（N=75）

2.2 空間趨勢效應分析

圖2為土壤有機質和全鹽含量的空間分布趨勢圖，X-Z投影面上綠色曲線表示“東-西”向，Y-Z投影面上的藍色曲線表示“南-北”向，X-Y投影面上的散點表示采樣點的二維平面空間分布。對趨勢效應的處理辦法一般是在半方差/協方差函數建模時去掉趨勢效應，而在克立格預測時再把趨勢效應追加回來（姚榮江等，2007）。在本研究中，盡管有機質和全鹽含量的偏、峰度檢驗結果均呈正態（或對數正態）分布，但都表現出明顯的趨勢效應（圖2），顯然本研究中不能簡單的忽略趨勢效應問題。

從圖2可以看出，在“東-西”方向上有機質和全鹽含量都呈明顯的1階趨勢效應。從“南-北”方向來看，有機質呈1階趨勢效應，土壤全鹽含量呈現明顯的2階趨勢效應，呈倒“U”型的拋物線變化。這說明區受區內海水入侵、土地利用等因素的影響，有機質和土壤全鹽含量在南北方向上呈現較大的變化。

圖2 土壤有機質和鹽分的趨勢效應分析

2.3 空間變異特征分析

經典統計方法除了可以判別土壤有機質和全鹽含量的分布類型外，統計均值、標準差、變異系數等僅在一定程度上反映研究區域樣本總體及變異狀況，不能定量地刻畫二者的隨機性和結構性、獨立性和相關性，因此在進行有機質和全鹽含量空間變異性研究時，利用地統計學方法進行進一步的分析與探討（姚榮江等，2007）。本研究使用GS+9.0軟件來進行半方差函數的計算，然后用交叉驗證的方法來修正模型參數，結果見表2。半方差函數理論模型的選擇主要考慮決定系數R2要大、殘差RSS和塊金值Co要?。ㄍ跤駝偟?，2007）。

表2 土壤有機質與鹽分的半方差模型及其參數

從表2中可以看出，土壤有機質和全鹽含量的半方差理論模型均符合球狀模型。土壤有機質和全鹽含量的塊金值為正值，但二者數據均較小，說明存在由采樣誤差、短距離的變異、隨機和固有變異引起的各種正基底效應，但基底效應不明顯。塊金值（C0）與基臺值（C0+C）之比表示隨機部分引起的空間異質性占系統總變異的比例；比值小于25%，說明系統具有強烈的空間相關性，比值在25%-75%之間，說明系統為中等空間相關性，比值大于75%，說明系統具有較弱的空間相關性（侯景儒等，1998）。從表2中可以看出二者的變異系數均小于25%，說明具有強的空間相關性，這主要是受自然因素（氣候條件和海水入侵等）影響所致。土壤有機質和全鹽含量變程相差不大，R2值較大，RSS較少，說明球狀模型擬合較好。

2.4 空間分布特征

空間數據插值是進行數據外推的基本方法。利用ArcGIS 10空間分析模塊中的普通克立格（Ordinary Kriging）對萊州灣南岸地區土壤耕層有機質和全鹽含量進行最優插值，并繪制其空間分布圖（圖3）。Kriging插值方法就利用半方差函數與已知采樣點的數據對未采樣點的區域化變量的取值進行線性無偏最優估計。

圖3 土壤有機質和全鹽含量的空間分布圖

Kriging插值結果平滑了土壤有機質和含鹽量的數據，使得大值降低、小值增高，從而減少了土壤鹽分含量的突然變化。從圖3中可以看出，整個區域土壤有機質含量表現為南部高，沿海地區低；而土壤全鹽含量則表現為離海越近數值越大，即圖中顏色域從內陸到沿海逐漸變深，這充分體現了萊州灣南岸地區土壤鹽分含量與海水入侵相關的一般特征。從有機質分布圖可以看出，在昌邑與寒亭交界的地區有機質含量較大，而從土壤全鹽含量來看該區鹽漬化較重，說明有機質含量與含鹽量在一定程度上具有相關性。利用Kriging內插法繪制的土壤有機質和全鹽含量空間分布圖，可準確和直觀地了解整個地區有機質和鹽分的空間分布狀況，為萊州灣南岸地區區域規劃、農業生產和生態環境維護提供了一定的理論基礎和參考依據。

為了更加直觀的體現土壤有機質和含鹽量的分布特征，對二者進行了等級劃分，從所占面積來反映該區有機質和鹽分的分布情況。表3為全國養分分級標準，根據有機質的劃分標準，對萊州灣南岸地區耕層土壤有機質進行了分級，從統計結果來看，占萊州灣南岸總面積32.42%的區域屬于5級，而剩余部分則屬于4級水平，說明該區有機質水平較低。根據王遵親等（1993）土壤鹽化分級標準（濱海地區），對土壤全鹽含量進行分級，結果表明，無鹽漬化區域占46.74%，輕度鹽漬化區域占34.82%，中度鹽漬化區域占18.44%，面積較少的沿海地區為重鹽漬化和鹽土區。從統計數據可以看出，萊州灣南岸鹽漬化區域面積較大，鹽漬化問題嚴重影響農業生產和生態環境安全。

表3 全國土壤養分分級標準

2.5 有機質與鹽分之間的相關性分析

土壤有機質、鹽分是土壤基本性質，本文分析萊州灣南岸地區土壤有機質與鹽分之間的相關性。利用SPSS進行了二者的相關性分析，相關系數為-0.269（P<0.05），呈顯著負相關，這一點從二者的空間分布中也可以得到印證。隨著鹽分含量的增大，有機質含量逐漸降低。

3 結論

（1）研究區耕層土壤有機質均值較低，而全鹽含量的均值較高；有機質服從正態分布，全鹽含量符合對數正態分布；有機質變異系數屬于中等變異強度，全鹽含量屬于強變異強度。

（2）在“東-西”方向上有機質和全鹽含量都呈明顯的1階趨勢效應；從“南-北”方向來看，有機質呈1階趨勢效應，土壤全鹽含量呈現明顯的2階趨勢效應；二者的空間結構特征均較好地符合球狀模型分布；受自然因素作用，有機質和全鹽含量具有強空間相關性；R2值較大，RSS較少，說明球狀模型預測二者的空間分布具有較好的準確性。

（3）耕層土壤有機質和全鹽含量的空間分布均呈明顯的條帶狀格局。有機質表現出離海岸線距離越近（遠）含量越?。ù螅┑囊幝?；全鹽含量與耕層土壤有機質分布正好相反，表現為離海岸線距離越近（遠）鹽分越高（低）的規律；海水入侵、土地利用及人為的耕作措施是形成該空間格局的重要因素。

（4）從二者的相關性分析得出，耕層土壤有機質和全鹽含量具有顯著的負相關。由于本文只是在10月份進行了一次取樣，對于不同時期不同季節二者之間的關系有待于進一步研究。

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