干旱区土壤盐分空间分布预测方法研究

干旱区土壤盐分空间分布预测方法研究

中国盐渍土总面积约为3.3.107hm2，占全国利用土地总面积的4.88%。这是中国的一个重要而强制性的土壤资源。盐渍土在我国从湿润地区到极端干旱荒漠区均有大量分布,尤其在干旱和半干旱区,土壤盐渍化严重制约了农业发展。为提高盐渍土资源的利用潜力和效率,需要加强土壤盐渍化监测,研究盐渍土的空间分布,这也已成为合理利用盐渍土资源、促进农业发展的重要基础。目前,传统的采样方法由于费时费力,难以为土壤盐渍化的快速监测提供足量的信息。电磁感应式大地电导率测量(EM)方法是基于电磁感应原理,通过测定大地表观电导率来快速反映土壤信息,目前已应用于土壤质地、盐分和水分等性质的快速测定,尤其在盐渍化地区,土壤盐分含量是大地电导率的主要贡献因子,而且其贡献率会因盐渍化程度增强而变大,所以在盐渍化地区采用电磁感应技术进行土壤盐渍化的快速监测是一种有效的方法,在土壤盐渍化的快速调查与监测中得到了广泛的应用。1一般区域条件和方法的研究1.1不同地区的蒸发量和蒸压问题研究区选取南疆典型干旱区———巴音郭楞蒙古自治州西尼尔镇,研究区域地处天山南麓,年均气温为8.2~11.6℃,空气干燥,光照充足,属暖温带大陆性干旱气候。年平均降水量多低于100mm,而蒸发量约2500mm,,高蒸降比使该地区土壤极易产生盐渍化和次生盐渍化问题。研究区域地块规整,有利于机械化作业,也为移动式磁感调查创造了条件,本研究选取约170hm2的农田作为电磁感应调查区域。1.2测量数据处理本研究选用EM38和EM31两种型号的电磁感应式大地电导率仪,均有水平(H)和垂直(V)两种不同测量模式:通常情况下,EM38水平模式测量深度为0.75~1.0m,而垂直模式测量深度可达1.5~2.0m;EM31在水平和垂直模式下测量深度约为3.0m和6.0m。将EM38和EM31与数据采集器、GPS连接构建移动式磁感调查系统,即可同时采集大地表观电导率和地理位置信息,实现大地表观电导率快速测量,从而可以有效提高盐渍化监测的效率,本研究调查点如图1所示。为建立土壤盐分电磁感应解译模型,在移动式磁感调查区域布设27个校准点,利用EM38和EM31测定不同模式下大地表观电导率(H38、V38、H31和V31),并采集0~10cm土层的样品,土壤样品带回实验室自然风干,利用烘干法测定样品盐分含量,然后利用逐步回归分析方法建立解译模型。另外在调查区域布设精度检验样点26个,用于空间分析精度检验。本文研究中数据统计分析应用SPSS软件;半方差函数拟合采用GS+软件;土壤盐分空间异质性在ArcGIS9.2中完成,分别采用克里格插值、条件模拟、径向基函数法以及栅格运算方法对土壤盐分空间分布进行预测。2结果与分析2.1土壤盐分与表观电导率的关系为将电磁感应调查获取的表观电导率信息解译成土壤盐分信息,首先研究土壤样品的全盐含量与表观电导率的相关性,采用逐步回归分析法建立土壤盐分的电磁感应解译模型。以H38和H31为自变量式中,Ts为测定样品的全盐含量,gkg-1;H38为EM38水平模式读数,mSm-1;V38为EM38垂直模式读数,mSm-1;H31为EM31水平模式读数,mSm-1;V31为EM31垂直模式读数,mSm-1。研究发现,土壤盐分含量与表观电导率具有很好的相关性,以H38、V38和H31、V31为自变量的解译模型,式(1),相关系数高达0.937。由于构建移动式磁感调查系统时,EM38和EM31只能选用一种固定测定模式,考虑到EM38和EM31水平及垂直模式感应深度,故在移动调查时均设定为水平模式,研究发现以H38和H31为自变量与盐分含量仍具有显著相关性,式(2),由此可以解译移动式磁感调查点位的盐分信息,为土壤盐分空间异质性研究提供数据基础。2.2经典统计分析结果由于磁感调查过程中各种因素的影响,测定数据中难免存在非真实值,即离群值。离群值的存在会造成变量连续表面的中断,影响变量的分布特征。本研究采用域法识别离群值,取样本均值三倍标准差范围内为正常测定值,范围以外的用最小或最大值代替。对研究区域进行移动式磁感调查,共获取22642组表观电导率信息,经典统计分析结果如下,表1。由经典统计分析结果可以看出,H38具有比H31较高的变异系数,其变异程度比较大,二者均呈现中等强度变异。地统计分析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,参照H38和H31偏度峰度系数及K-S检验结果,H38和H31均不符合正态分布,需经对数转换。利用解译模型,式(2),获取磁感调查点盐分含量信息。经典统计分析结果显示,移动式磁感调查点土壤盐分的最小值为0.013gkg-1,最大值为33.461gkg-1,平均值为2.636gkg-1;偏度为2.930,峰度为16.706,K-S检验结果表明,解译的盐分含量数据经对数转换后符合正态分布。2.3模拟结果与分析2.3.2条件模拟法条件模拟是地统计学中继克里格插值后发展起来的新技术,它克服了克里格方法的平滑效应,不仅保持了与实际数据具有相同的数学期望和方差,还保证了在各个已知点的模拟值等于该点的实测值。条件模拟中网格的划分对于建模是非常重要的,对于连续性较好的空间变量可以适当划分较大的网格;对于离散的变量,网格划分应尽可能的小。本研究考虑到移动式磁感调查过程中各个调查点之间的间距,选择3m格网密度划分进行模拟。条件模拟仍以半方差函数为运算模型,并且要求各个已知点的模拟值等于该点的实测值,利用半方差函数式(3)进行模拟。一般来说模拟次数大于50次后,模拟结果变化不大,渐渐趋于稳定,为保证运算精度,本研究设定500次模拟。由模拟结果(图2b)可以看出,土壤盐分分布与前文研究具有良好的一致性,而且盐分梯度划分也比较明显。2.3.3径向基函数法与克里格插值和条件模拟方法不同,径向基函数法(RadialBasisFunction)是一种确定性插值方法,是以平滑度为基础由已知采样点来创建表面,可以把比样点高或低的未知点的值预测出来,是人工神经网络方法中的一种。本研究选取规则样条函数对盐分分布进行预测,由结果可以看出,图2c,土壤盐分梯度划分也比较明显,盐分分布与前文研究具有良好的一致性。2.3.4栅格运算法拟合表观电导率空间变异半方差函数,表2,H38拟合半方差函数为指数模型,H31拟合半方差函数为球状模型。块金效应结果表明,H38具有强空间自相关性,H31具有中空间自相关性;分维数D0反应随机变异大小,分维数越小,由随机因素引起的异质性越小,空间自相关性越强,比较H38和H31分维数,H38比H31空间自相关性强。拟合半变异函数决定系数(r2)分别为0.937和0.941,具有高拟合精度。块金效应和分维数比较均反映出H38具有比H31更高的空间自相关性。在ArcGIS9.2的地统计模块,应用拟合好的最优半变异函数(表2)对研究区域进行克里格插值,研究其空间分布[17~19],结果如图3。利用已获取H31和H38的空间分布图和利用前文研究的土壤盐分电磁感应解译模型,在ArcGIS9.2中通过栅格运算(RasterCalculator)即可获取土壤盐分的空间分布,图2d。由于栅格运算要求H38和H31的空间分布图为栅格形式,所以在计算前,将其输出为栅格图,根据移动式磁感调查相邻采集数据的间距一般在1~2m,输出栅格图过程中采用1.5×1.5m像元大小。2.4实测值对比分析2.4.1交互检验根据各种插值方法的原理,一般来说径向基函数(RBF)方法以及条件模拟法其最小值应该不高于已知点最小值,其最大值应该不低于已知点最大值;而克里格插值方法以及栅格运算方法由于克里格插值的平滑效应,其最小值可能高于已知点的最小值,而其最大值要低于已知点的最大值。由表3可以看出,径向基函数法和克里格插值法极值相同,其最小值均等于已知调查点最小值,而最大值略低于已知调查点的最大值,对于克里格插值方法来说,这是由于平滑效应所致,而对于径向基函数方法来说,表面看来这种现象是有悖于常理的,实则不然,这主要是由于调查过程中同时采集地理信息和表观电导率信息,由于GPS精度等原因往往会出现同样的地理位置下采集多组数据,在进行经典统计分析过程中未考虑地理信息的差异,但在进行地统计的过程中,同一坐标下出现多个属性值时,我们采取了取平均值的方法,导致有的极值就会被平均化,并未参与进行地统计分析,参与分析的实际是其平均值。条件模拟极值可以看出,其最小值明显低于克里格插值结果,而最大值也略高于克里格插值的最大值,可以看出条件模拟,客服了克里格插值的平滑效应。栅格运算由于表观电导率进行克里格插值的平滑效应,以及表观电导率空间分布图的栅格化等都削弱了其空间预测的精度。由表3预测误差均方根(RMS)也可以看出,栅格运算其预测误差均方根最大,精度不高,基于径向基函数栅格运算预测误差均方根次之,克里格插值和条件模拟相对较低。2.4.2实测点检验为比较不同预测方法的精度,在研究区域随机布设检验点共计26个,采集0~10cm层土壤样品,在不同预测方法下的空间分布图上提取检验样点点位处的预测值,研究检验样点的预测值和样品实测值的相关性,可以看出四种方法实测值与预测值之间均具有良好相关性,但以克里格插值和条件模拟方法决定系数更高,预测值与实测值更接近(斜率k更接近于1,截距b更接近于0),对土壤盐分空间分布的预测精度相对较高。克里格插值法:3土壤盐分的空间分布研究结果表明,研究区域土壤存在严重的盐渍化障碍,需要加强盐渍化的监测和诊断,以提高盐渍土的利用潜力。在盐渍化地区,大地表观电导率H38和H31与盐分含量具有显著相关性(r=0.935),土壤盐分含量是大地电导率的重要贡献因子,大地表观电导率是土壤盐分含量的良好表征,利用基于电磁感应技术进行土壤盐分的快速诊断是一种有效的方法。利用交互检验和实测样点检验两种方法对比不同方法的预测精度,结果表明,克里格插值和条件模拟具有良好的预测精度,但克里格插值具有明显的平滑效应。克立格插值适合于预测变化平缓的空间属性,更强调局部的平滑内插;而条件模拟适合于定量描述空间属性的非均质性和不确定性,它更强调概率模型的作用和结果的整体概率特征。综合分析得出,在对典型干旱区进行土壤盐分空间分布预测,选用条件模拟和克里格插值具有较高的精度。对土壤盐渍化空间分布进行预测,对于合理利用盐渍土资源,促进盐渍土的可持续利用具有重要意义。以H38、V38和H31、V31为自变量空间插值预测方法分为确定性插值和地统计插值两大类:确定性插值以研究区域内部的相似性,或以平滑度为基础根据已知采样点来创建表面;地统计插值方法利用的则是已知样点的统计特性,来量化已知点间的空间自相关性,以及采样点在预测区域内的空间分布情况。本研究分别选用了地统计插值中的克里格插值和条件模拟方法以及确定性插值中的径向基函数法,另外本文还采用了经克里格插值的表观电导率空间分布图进行栅格运算的方法对