滨海盐土三维土体电导率空间变异模拟

滨海盐土三维土体电导率空间变异模拟

土壤是具有三维性的自然空间。人们不仅关心二维平面信息，还关心垂直方向上的第三方信息。然而，目前土壤属性空间变异的研究主要集中在水平方向上。即使是以土壤属性三维变异特性描述为目的的研究,也仅仅局限于用一系列水平层来描述土壤不同深度土层的属性变化,没有考虑上下层之间的相互影响。土壤盐分作为滨海盐土区农业生产的一个重要限制性因子,影响着土壤质量和作物产量,严重时导致农用土壤的荒弃。1m深度范围内,滨海盐土的盐分含量随降雨、蒸发、微地形等因素变化明显。因此,研究滨海盐土三维土体盐分的空间变异规律对于海涂土壤改良、滨海盐土区农业的精确管理具有重要意义。通常三维空间的原始数据均是离散的,插值是间接获取相关信息的常用手段之一。目前,常用的三维空间插值方法大都由二维插值方法扩展而来,主要有逆距离权重法、克立格插值法等。但是这些研究主要应用在地质采矿中,而在土壤科学中应用还很少。国际上,在土壤养分、液化势三维空间变异等方面有所报道,但同类研究极其有限。本研究采用EM38大地电导率仪和线性预测模型来获取剖面土壤表征电导率(SoilApparentElectricalConductivity,ECa),并以此为数据源,利用三维普通克立格方法进行三维土体电导率空间变异预测和模拟,为地统计学在土壤科学领域(土壤环境污染、土壤溶质运动等)的研究提供了新的方法。1材料和方法1.1采样点定位和采样时间研究区位于浙江省上虞市西北地区、杭州湾南岸的海涂实验农场。以近似格网采样法在每个格网点1m的圆周范围内采集有代表性的成熟水稻植株3丛,共采集192个水稻产量样品,并用DGPS对采样点进行定位。水稻样品经自然风干后测量其平均穗重作为该网格点的水稻产量,采样时间是2006年10月20日。EM38在地表0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.75、0.9、1.0、1.2、1.5m等11个不同高度同时采集水平、垂直模式下的ECa,共采集了56个样点,采样时间为2006年12月20日。研究区及采样点的空间分布模式见图1。1.2空间特征参数的计算三维普通克立格插值法是在给定一个随机过程的实测值的条件下,得到该过程的无偏最优估计。它是一种局部估值的加权平均,通过半方差函数确定各实测点的权重。三维插值意味着首先必须在三维空间上进行采样,进而分析三维方向上的半方差。在本征平稳假设条件下,下列变异函数成立:λ(h3)=12N(h3)∑N(h3)i=1[Z(x1)−Z(x1+h3)]2λ(h3)=12Ν(h3)∑Ν(h3)i=1[Ζ(x1)-Ζ(x1+h3)]2(1)式中,h3表示点对之间的三维空间距离,γ(h3)为所有空间相距h3的点对的平均方差,N(h3)是在空间上具有相同间隔h3的离散点对数目,Z(xi)和Z(xi+h3)分别为点xi和与xi相距h3的点的观测值。在本研究中,首先单独分析水平、垂直方向的半方差,然后组合这两个方向上的半方差为3D半方差模型。如果变异函数分析的结果表明该属性的空间相关性存在,则可以利用三维普通克立格进行插值。其公式为:Z∗(x0)=∑ni=1λiZ(xi)Ζ*(x0)=∑ni=1λiΖ(xi)(2)式中,Z*(x0)为待估点x0处的估计值,Z(xi)为实测值,λi为根据半方差分配给每个实测值的权重且∑λi=1。n为参与x0点估值的实测值的数目。1.3交叉检验restitution此外,采用二维普通克立格法分别对10个土层的电导率进行预测,将112个样点的二维普通克立格预测结果和三维普通克立格预测结果分别进行交叉检验分析。交叉检验(Cross-validation)用来评价以上两种方法的预测精度。均方根误差(RMSE)、预测值与实测值的相关系数(r)用来表征预测的精度。均方根误差越小、相关系数越大则预测的精度越高。2结果分析2.1深度和土壤盐分分布预测利用EM38电导率线性响应模型结合Tikhonov正则化方法反演56个剖面在0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.675、0.825、0.95、1.10m这10个深度的土壤电导率值(图2)。预测结果分析如表1所示。从表1可知,整个土壤剖面的电导率最大值为410.6mSm-1,最小值为25.33mSm-1;从单个土层电导率来看,最大值、平均值随着深度的增加而增加。从图1可直观地看出,研究区的东南部分电导率明显大于北部地区;土体剖面上下层电导率空间变化相对较大,底层的电导率明显大于上层土壤,说明随着深度的增加土壤盐分越来越高。最后,在每个剖面中,随机选择2个点作为交叉检验样点,其他8个样点进行三维空间预测插值。2.2模型参数及半方差通过联合水平、垂直半方差模型,构建一个包含一个块金效应模型和三个球状模型的三维各向同性半方差套合模型。第一套合结构表示一个非常小的3D全向性块金效应模型,块金值C0;第二、三、四套合结构均为3D各向同性模型,包括全向性基台值C1和水平、垂直方向变程a。表2提供了各模型的参数。由于垂直变程0.75m相对水平变程87.7m较小,根据套合模型进行三维半方差可视化时不能较好地表达垂直变程对三维半方差的影响,故将垂直变程放大100倍,与水平变程相当。图3中角度a、b分别表示待预测点与实测点之间的连线与X轴和XY水平平面的夹角。由于半方差函数结构不存在各向异性,因此角度a的变化对半方差值没有影响。图3为半方差值随角度b变化的三维半方差图,其中0°、180°、360°表示水平方向,90°、270°表示垂直方向。从图3可以看出,由于不考虑各向异性,和二维各向同性半方差模型一样,模型具有对称性。2.3土壤压变化特征采用三维克立格方法进行土壤电导率空间插值,由于垂直方向土层深度的变化范围较小,为了获得更佳的可视化效果,垂直方向扩大50倍(图4)。图4a为研究区三维土体1.1m深度范围内土壤电导率的空间变异图。电导率越高,土壤盐分越高。从图4a表层土壤电导率等值线可以看出,研究区的北部区域电导率相对较小,而东南部角落的土壤盐分较高。这是由于东面田块靠近成片的养殖鱼塘,而鱼塘内的水为淡盐水,通过地下水渗透到田块的土壤底层,然后随着水分的蒸发盐分向上层土壤运移而盐分升高。从图4a的正侧面可以看出,土壤电导率随着土壤深度的增加而变大,剖面上土壤电导率变异表现出较好的连续性。由于三维空间的特殊性,一张静态的三维空间变异图还不足以直观地将整个研究区的电导率三维空间变异情况均表示出来。图4b、图4c和图4d分别为研究区三维土体1.1m深度范围内电导率分别大于100、200、300mSm-1的土壤电导率三维空间分布情况。从这四张系列图,可以清楚看到随着土壤电导率值的增加,大于相应阈值的土壤分布范围越来越小。在垂直剖面上,南部区域的盐分明显大于北部区域;随着土层深度的增加,盐分越来越高,且东南部明显大于西北部区域。显然,土壤剖面特性的三维空间插值预测和制图技术,使土壤特性在三维空间上的变化趋势表达的更清晰直观,为科学合理地制定农田改良或种植计划提供决策依据。经交叉检验分析,二维、三维克立格方法的预测均方根误差(RMSE)分别为41.29、27.49mSm-1,三维克立格法较二维克立格法RMSE降低了33.42%。预测值和实测值之间的相关系数(r)由二维克立格法的0.858提高至三维克立格法的0.902,提高了5.13%。显然,三维克立格方法的预测精度高于二维克立格法,其原因在于三维克立格预测插值时考虑了上下层采样点之间的空间相关性。3与二维克立格法预测精度比较1)研究结果表明,通过构建一个包含一个块金效应模型和三个球状模型的三维各向同性半方差套合模型能较好地描述电导率在三维空间上的空间相关性。2)三维普通克立格法进行剖面电导率插值预测,其预测精度优于目前常用的二维普通克立格法的结果。三维克立格法较二维克立格法RMSE降低了33.42%,预测值和实测值之间的相关系数(r)提高了5.13%。其原因在