基于时空变异性的海涂围垦区棉田分区管理研究

基于时空变异性的海涂围垦区棉田分区管理研究

浙江省丰富的海洋资源。这些海涂资源的开发和恢复可以很好地缓解该省人口和耕地之间的矛盾。过去30年来,在浙江省共有40万hm2的滩涂被围垦为农业和城镇用地。在本研究区浙江省上虞市,已经围垦了大约1.7万hm2的海涂区,并使其成为该市重要的粮、棉、果和水产养殖区。由于特殊的母质和成因,以及围垦措施和种植利用的不同,围垦区土壤特性尤其是盐分发生了较大的变异性,从而引起作物种植类型以及产量的变异。因此,精确的土壤盐分的时空变异分析,并据此所进行的分区管理研究,对当地有关部门和农户进行科学合理的农业生产布局和结构调整具有重要意义。本研究利用地统计学方法,在ArcInfo平台上对海涂围垦区盐碱地土壤盐分的时空变异性进行研究的基础上,产生一个综合的管理分区图,并利用棉花产量数据来验证和评价所生成的管理分区的适用性以及海涂围垦区进行盐分精确管理的可能性。1土壤盐分含量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。该地属于亚热带区域,自然植被为常绿阔叶林,年平均温度16.5℃,年均降水量为1300mm。土壤主要来自于海洋和河流沉积物,土壤质地以轻壤土或砂壤土为主。土壤类型是粗松咸砂土,剖面发育不明显,同一剖面上下层质地较为均匀。近年来该区已被连续垦种。由于围垦措施和种植利用的不同,反映土壤盐分含量的指标,土壤电导率的变异相当显著。本研究的地块为一围垦于1996年的棉田,面积为10.5hm2。2ecb与ec15的相关性运用网格采样法(间距为20～80m),通过一个便携式电导率测定计,在表土(0～20cm)共测得122个土壤体积电导率(bulkelectricalconductivity,简称ECb)数据。在每个网格点1m的圆周范围内共采集样品5个,取其平均值作为该网格点的ECb值。差分GPS被用来进行样点定位。采样日期分别为2003年12月30日,2004年4月29日,2004年9月5日。在每次采样时,在一定的点位上同时采集部分土壤样品,经自然风干后,制成水土比为5∶1的浸提液,在室内利用传统电导率测定仪对其进行EC1∶5的测定,并与对应点位上野外得到的ECb进行比较。同时于2004年秋,在相应的土壤采样网格点共测得122个棉花产量数据(籽棉产量)。3个采样时期上野外测得的土壤ECb与室内测得的EC1∶5之间具有很好的相关性,相关系数都达到88%以上。经过分析,得到了ECb与EC1∶5之间的一个平均的回归方程:y=0.798x+18.3。这里y表示EC1∶5读数,x表示ECb读数。3学习方法3.1空间特征提取地统计学是以区域化变量为核心和理论基础,以变异函数为基本工具,研究那些在空间上具有随机性和相关性的自然现象的科学。半方差函数用来描述区域化变量的空间相关特征。克立格法用来对未采样点的区域化变量进行无偏最优估值。本研究采用ArcInfo平台对3个采样时期上的电导率数据进行常规统计和地统计分析,采用普通克立格法对未采样点进行插值并制图。3.2ecb稳定性评估海涂围垦区土壤盐分的空间趋势可用空间趋势图表示。空间趋势图通过计算每个样点3次采样时期上ECb的平均值(见公式1),并经克立格内插得到,它表示了田间稳定的高盐区和低盐区。式中:ECbit——表示第i个样点在第t个采样日期上所测得的ECb;n——采样次数,本研究中n=3。海涂围垦区土壤盐分时间变异性用时间稳定性图表示。时间稳定性图通过计算3次采样得到的ECb的变异系数,并经克立格法内插得到。该方法最初由Blackmore提出,并应用于粮食作物产量的时间稳定性评估。变异系数公式:CVi=(n×Σi=1nEC2bit−(Σi=1nECbit)2)/(n×(n−1))√(Σt=1nECbit/n)CVi=(n×Σi=1nECbit2-(Σi=1nECbit)2)/(n×(n-1))(Σt=1nECbit/n)(2)利用ArcGIS软件的叠加分析功能将空间趋势图和时间稳定性图进行叠置,得到一个包含了时空变异信息的新的图层。由EC1∶5和ECb之间关系式以及研究区土壤全盐含量与EC1∶5之间的经验关系式,可以得到研究区土壤全盐含量。根据鲍士旦对滨海盐土的分级,得到如表1所示的分级指标1。指标2是将变异系数CVi与30%相比,CVi大于30%认为盐分的变异是不稳定的,小于30%则认为是稳定的。将这两个指标进行组合,可以将研究区划分为非盐化区(NS),中等盐化和稳定区(MSS),中等盐化和不稳定区(MSU),重度盐化和稳定区(SSS),重度盐化和不稳定区(SSU)5个管理级别,并制图输出。4结果与分析4.1适当增加了作物生长和管理措施不均匀的作物调3个不同采样时期上土壤盐分的统计特征值见表2。可以看出,3个时期上盐分的平均值没有较大差异,但变异系数都较高,都达到了55%以上。这种较高程度的变异性主要由不均匀的作物生长和管理措施的不同引起。另外,利用K-S检验法检验了盐分的分布类型,发现3个采样时期上盐分都呈正态分布,这为开展进一步的结构分析提供了前提。4.2研究区土壤盐分的空间分布ECb的空间变异性呈现出了一种各向同性的行为,它们都具有较好的空间连续性且都能用球状模型来拟合(见表3)。3个耕作时期上盐分的半方差值呈现出相似的变化趋势。变程和块金系数与基台值的比值在3个时期上都没有较大的改变,表明盐分变异的空间结构在时间上保持了相对稳定。块金系数主要来自于小于抽样间距上的变异性或抽样误差。块金系数和基台值的比值可以作为划分土壤特性空间相关性的一个指标,3个时期上的块金系数和基台值比值都小于25%,表明了盐分具有强烈的空间自相关性,这种强烈的空间相关性通常跟内部因素如土壤母质和其他成土因素有关。空间自相关距离在120.4～164.2m之间变动,表明本采样间距(20～80m)对量化该研究区的盐分变异是足够的。Hajrasuliha等的研究表明80m采样网格上土壤盐分的空间相关距离达到了800m。Agrawal等发现表土盐分的空间自相关性变程在46～119m之间变化,主要依赖于采样的格网间距大小。Miyamoto等发现所研究的土壤盐分没有空间结构,主要因为采集的样本太少或采样间距对所研究的区域不合适。这些结果进一步证明采样间距和盐分的内在变异性影响盐分的结构方差和空间自相关性距离。采用克立格内插法对未采样点的ECb含量进行预测,得到3个时期盐分的空间分布图(图1)。可以看出,3个时期上的盐分具有相似的分布模式,都是东部区域盐分含量高而西部和北部区域低。这是因为研究田块的东部有大片鱼塘,大量的地下水入渗到田块东部区,使之受地下水返盐影响强烈,导致其表土盐分升高。此外,由于该海涂区土壤类型为粗松咸砂土,质地疏松,土壤毛管活动十分强烈。据有关测定,其暴晒法的毛管上升高度可达2.5～3.0m,即埋深3m的含盐地下水都能通过毛管作用上升到地表积盐。这种性质形成了土壤“脱盐快,返盐也快”的特点,在外因的作用下,如气候连续干旱无雨的条件下,就会导致返盐。即盐分在土壤剖面中随上升水流升到地面,水分蒸发,盐分积聚在表层土壤。西部和北部区较低的含盐量主要由土壤管理措施引起。计算出每个点的平均ECb,并经克立格内插法,得到盐分分布的空间趋势图(图2)。从图中可以得知研究区总体的高盐区和低盐区,以及受盐分影响的程度以采取的相应脱盐措施。还可以根据每种作物的耐盐水平,使农户清楚了解研究区的适种作物。事实上,棉花是本研究区种植的主要农作物,这主要是因为棉花具有较高的耐盐上限。据有关测定,棉花生长的耐盐上限高达770mS/m。如果其他一些耐盐性低的作物要在本研究区种植,则必须采取一定的措施来降低盐分含量,否则就难以获得较高的生产和经济效益。4.3重度盐化情况对作物生长和盐化过程的影响计算每个采样点ECb在时间上的变异系数,并由克立格内插法得到研究区盐分分布的时间稳定性图(见图3),从而可以帮助了解盐分随时间的变化趋势,理解在不同条件下这种时间上的异质性对作物的影响。有趣的是,可以发现重度盐化的东部区显示了盐分变异在时间上的相对稳定,变异系数小于30%,而盐分含量较低的西部区域却呈现了时间上的不稳定性。这种情况的发生是一种特例还是普遍现象有待于进一步分析和调查。4.4田间分区的确定图4(左)是结合了时间变异性和空间变异性而制作的管理分区图。该图显示了4个不同的潜在管理子区,分别是中等盐化且稳定区(MSS),中等盐化且不稳定区(MSU),重度盐化且稳定区(SSS),重度盐化且不稳定区(SSU)。为了验证所划分的管理子区,棉花产量数据也经克立格插值从而得到棉花产量的分布图,并与管理分区图比较,来检查这些不同管理区上实际的作物生产水平(图4,右)。可以看出,棉花产量与管理分区图吻合地很好。总的来说,MSS区具有最高的棉花生产能力,MSU区次之,而SSS和SSU区的棉花产量最低。该结果也表明棉花产量更多地受到盐分的空间变异性而非时间变异性的影响。F检验用来对不同分区内的平均ECb,CVi及实测的棉花产量数据进行均值比较和检验(表4)。结果显示不同管理分区内的平均ECb,CVi及实测的棉花产量数据的均值在95%的置信区间内具有显著差异。因此,基于海涂围垦区土壤盐分的时空变异性来定义田间管理分区是可行的。通过研究田间土壤盐分、作物产量等在时间和空间上的变异性,制作反映土壤盐分分布和作物产量变异的图件,据此定义精确的管理分区并对之实施不同管理措施,可以为研究区进行定点和精确的田间管理提供手段,为海涂围垦区实施精确农业提供前提和基础。5空变异特性与土壤样品的处理利用空间管理工具来定义田间精确管理分区已成为精确农业近年来的研究热点。本研究在GIS支持下,利用地统计学工具并结合传统统计方法量化了海涂围垦区土壤盐分的时空变异性,并根据时空变异特性定义了4个异质性管理子区,对具有相似变异性的区域实行特定的田间管理。研究表明海