银川平原土壤盐分空间分异及影响因子研究.pdf
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1、银川平原土壤盐分空间分异及影响因子研究张旭,贾科利*,魏慧敏,李小雨(宁夏大学地理科学与规划学院,宁夏银川750021)摘要:以银川平原为靶区,利用采样点实测盐分数据,选取 9 个与土壤盐分相关的影响因子,结合空间自相关分析和多尺度地理加权回归模型(MGWR),探究土壤盐分空间分布特征及其影响因子的作用尺度与空间分异.结果表明,银川平原土壤盐分 MoransI 指数为 0.314,表现为显著的正空间自相关性及空间集聚特征,总体呈现南低北高分布格局.MGWR 模型适用于银川平原土壤盐分影响因子研究.在作用尺度上,地下水埋深、扩展归一化植被指数和土壤含水率带宽为 165,作用尺度最大,其次为高程、
2、土壤 pH、坡度、地表温度和地下水矿化度,土地利用强度带宽为 43,作用尺度最小.在作用效果上,地下水矿化度、土壤 pH 正向作用于土壤盐分,土地利用强度、地下水埋深、扩展归一化植被指数和高程负向影响土壤盐分,地表温度主要为正向作用,占总样本的 92.7%,土壤含水率和坡度影响不显著.显著性影响因素中地下水矿化度回归系数均值为0.384,是影响土壤盐分的最主要因素,其次是土地利用强度、地下水埋深、扩展归一化植被指数、地表温度、高程,土壤 pH 回归系数均值为 0.063,影响最小.各因子对土壤盐分的影响具有不同程度的空间异质性.关键词:多尺度地理加权回归模型;空间分异;土壤盐分;银川平原中图分
3、类号:S156.4文献标志码:A文章编号:02587971(2023)04094912土壤盐渍化是地形、地貌、气候、水文、植被、和人为干扰等自然和社会经济因子综合作用形成的盐分持续表聚现象1-2,多发生于中国干旱、半干旱农业灌区和滨海盐浸地区3-4.盐渍土所含各盐基离子和氯化物致使土壤肥力降解和土壤活性退化乃至丧失,滋生一系列生态环境问题,导致区域作物减产,农业经济损失严重5.因此,探究土壤盐分空间分异及驱动因子影响,对于研判盐渍土开发利用和风险,优化国土空间,生态保护及修复具有重要意义和价值.土壤盐分作为土壤理化性质的重要组成部分,其空间异质性研究是土壤特性研究的一个重要内容.众多学者利用统
4、计学、地统计学和“3S”相结合的方法对土壤盐分空间分异进行探究,取得了很多成果.如 Panagopoulos 等6利用地统计学的方法结合 GIS 分析对地中海地区进行了土盐变异性及分布规律的研究,为地中海农业发展提供了科学依据.Inakwu 等7用统计回归法研究了土壤盐分空间分布并有效预测了采样区土壤盐分含量.依克丽曼阿布都米提等8应用地统计分析方法中的普通克里金插值完成半变异函数计算以及理论模型的拟合,分析了渭库绿洲土壤盐分空间分布特征.此外,作为一种空间要素,土壤盐分空间异质性是多种影响因子共同作用的结果,可通过不同的方法对其进行解释分析.沈浩等9用传统统计学和地统计学相结合的方法分析玛纳
5、斯河流域农田土壤水盐空间分布特征和影响因素.李艳菊等10利用灰色关联度的方法定量分析了样本点海拔、地形湿度指数(TWI)、地下水位、植被覆盖度(VFC)、地下水矿化度对土壤盐渍化的作用程度.袁玉芸等11选择多个盐分驱动因子,利用 GWR 模型对于田绿洲盐分空间分布格局进行了可视化表达.但事实上各因素对土壤盐分空间分布的影响具有一定的区域性,作用尺度也不尽相同,在目前土壤盐分研究中,影响因素尺度差异往往被忽视.2017 年Fothering-ham12提出多尺度地理加权回归模型(MGWR),收稿日期:2022-01-12;接受日期:2022-12-30;网络出版日期:2023-05-26基金项目
6、:国家自然科学基金(42061047);宁夏回族自治区重点研发计划(2021BEG03002).作者简介:张旭(1994),男,河北人,硕士生,主要研究土壤遥感监测与分析.E-mail:.*通信作者:贾科利(1975),男,陕西人,博士,教授,主要研究 3S 与土地利用.E-mail:.云南大学学报(自然科学版),2023,45(4):949960JournalofYunnanUniversity:NaturalSciencesEditionDOI:10.7540/j.ynu.20210654允许每个因子具备特定带宽,建立更接近真实的空间过程模型,且各变量具有不同的空间平滑水平.近年来该模型被
7、应用于各领域,如沈体雁等13基于 MGWR 模型探索了北京二手房房价的驱动机制;周志凌等14基于 MGWR 模型研究了全国 297个地级市 PM2.5影响因素的空间异质性.由此可见,MGWR 模型在揭示多个自变量与单个因变量的响应关系和空间分异特征时具有较好普适性.本文以银川平原为例,通过全局 MoransI 指数探究区域空间自相关特征,在了解土壤盐分空间变异特征基础上筛选多种驱动因子,构建银川平原土壤盐渍化 MGWR 模型,揭示该区盐分空间分异的主要驱动因素,实现银川平原土壤盐分驱动因子探究和空间可视化表达,以期为该地区土地资源保护和盐渍化科学防治提供依据.1数据与方法1.1研究区概况银川平
8、原(图 1)地处宁夏北部(1054510656E,37463923N),横跨黄河两岸,由黄河冲击平原和贺兰山东麓洪击倾斜平原两部分组成,南起青铜峡峡谷,北止石嘴山麻黄沟,西倚贺兰山脚,东依鄂尔多斯高原15-16,南北长165km,东西宽 4260km,面积 7615km2,海拔11002200m,总体地势自西向东、由南向北微倾17.银川平原位于中温带干旱区,属温带大陆性半干旱气候,干旱少雨,日照充足,蒸发强烈18.年平均气温 89,多年平均降水量不足 200mm,且主要集中在夏季,平均蒸发量约 1800mm,蒸降比约为 101.土地利用以耕地为主,主要种植玉米、水稻和小麦等农作物.由于该区地势
9、低洼,地下水埋深较浅,降水少,蒸发强烈,土壤盐碱含量较高,是影响农业生产的“瓶颈”问题.1.2数据采集1.2.1 样本采集和指标测定土壤样本采集大体以 5km5km 间隔布设采样点(如图 1).于 2021年 3 月进行,采样时选取未翻整过的平坦地面.借助手持 GPS 记录样点地理坐标和高程,同时记录样点的对应编号、土地利用、植被长势等信息,采集 020cm 表层土壤进行密封,带回实验室,立即采用烘干称重法测定土壤含水率.然后剔除荒草和碎石块等杂质,自然风干后,经研磨、过 2mm 筛,配置土水质量比 15 的浸提液.使用 pH 计和电导仪测量样本 pH 值和电导率,利用电导率根据经验公式换算得
10、到土壤含盐量19.经对测定结果分析,剔除异常值,得到 166 个样本供试.根据样本含盐量及布雷迪等20分级方法,将土壤盐渍化程度分为 5 个等级,样本描述性统计分析如表 1 所示.可以看出,所采样本土壤呈碱性,但碱化程度差异不大,土壤 pH 变异系数小.不同盐渍化等级土壤盐分含量变异程度不同,盐土样本的地图的底图 审图号:宁 S(2022)第 001 号 下载自宁夏地理信息公共服务平台(https:/).底图未作修改.下同.图1银川平原的地理位置及边界Fig.1LocationandboundaryoftheYinchuanPlain950云南大学学报(自然科学版)http:/第45卷变异系数
11、近 60%,变异程度最大;非盐渍化样本次之,变异系数超过 40%;轻度盐渍化和中度盐渍化样本变异系数约为 20%;重度盐渍化样本变异系数最小.总样本土壤含盐量差异较大,变异系数为172.40%,属强变异性,表明样本数据离散程度大,具有普适性.1.2.2 遥感影像获取与处理研究使用的 Landsat8OLI 遥感影像数据来源于美国地质调查局官网(http:/glovis.usgs.gov/),影像行列号为129/33、129/34,云量较少,数据质量较好.每景影像包括陆地成像仪器的 9 个波段和热红外传感器 TIRS 的 2 个波段,主要参数见表 2.本研究主要使用影像的前 7 个波段进行研究.
12、1.2.3 指标选取与数据获取依据银川平原土壤盐渍化形成条件、参考前人研究成果11,21-26及数据可获取性,选取土壤属性、地形、植被等与土壤盐分密切相关的驱动因子(表 3).其中土壤盐分、土壤 pH、土壤含水率数据通过室内实测获取,高程数据通过野外实测获取,地下水数据为银川平原地下水静态水位监测数据.地表温度利用 ENVI表1银川平原采样点描述性统计Tab.1DescriptivestatisticsofsamplingpointsinYinchuanPlain盐渍化等级盐质量比w/(gkg1)样本数量pH含盐量/(gkg1)平均值最大值最小值变异系数/%平均值最大值最小值变异系数/%非盐渍
13、化0w1758.549.058.102.300.510.980.1041.18轻度盐渍化1w2328.419.367.964.411.521.951.0619.08中度盐渍化2w4208.138.547.822.092.823.672.0019.86重度盐渍化4w1.96,在 0.05表4影响因子多重共线性检验Tab.4Multicollinearityinspectionofinfluencingfactors项目DEMSlopDepthSalinitypHSMCLSTENDVIUSEVIF1.4921.0701.5621.6261.1091.3162.1101.8961.433容差0.67
14、00.9350.6400.6110.9010.7600.4740.5280.693952云南大学学报(自然科学版)http:/第45卷水平下高度显著.且观测值大多分布在 1、3 象限,在空间上呈集聚态势.由图 3 可知,银川平原土壤盐分总体呈现差异性分布,表现为北部高高集聚,南部低低集聚,中部不显著的格局.图3土壤盐分 LISA 集聚图Fig.3LISAconcentrationmapofsoilsalinity为更加直观地揭示银川平原土壤盐分空间分布格局,利用普通克里金法在 ArcGIS 中进行插值,得到银川平原土壤盐分空间分布图.如图 4 所示,银川平原土壤盐分整体表现为南低北高的分布格局
15、,其中轻度盐渍化土壤分布最广,中度盐渍化土壤与盐土主要分布在平原北部的惠农区、大武口、平罗县等地区.2.2模型指标分析以土壤盐分为因变量,地下水埋深(Depth)、地下水矿化度(Salinity)、扩展归一化植被指数(ENDVI)等因子为自变量分别建立最小二乘线性回归模型(OLS)、经典地理加权回归模型(GWR)和多尺度地理加权回归模型(MGWR).通过 AICc、R2和 RSS 判定模型的优劣性.由表 5 可知,MGWR 模型的 R最大,说明MGWR 模型拟合效果更好.MGWR 模型与 OLS和 GWR 模型相比,AICc 值分别减小了 65.780 和15.732,表明模型得到明显改善.从
16、 RSS 值看,MGWR 模型的 RSS 值较 OLS 和 GWR 模型都小,表明该模型得到了更精确的回归结果.因此,MGWR 模型为本研究的最优模型.变量带宽是衡量因子作用尺度的重要指标,可以反映出各因子对土壤盐分作用尺度的差异.带宽越小表明该因子作用效果空间异质性越大,越大则异质性越小.由表 5 可知,GWR 模型的带宽为 110,占总样本数的 66.3%,只能反映出各个因子的平均作用尺度,而 MGWR 模型各因子带宽存在一定差异,直接反映出不同因子差异化的作用尺度.土地利用强度带宽为 43,作用尺度最小,具有较大空间异质性;其次为地下水矿化度和地表温度;坡度的作用尺度为 89,约为总样本
17、数的一半,对土壤盐分的作用效果在半个银川平原范围内基本一致;土壤 pH、高程带宽分别为 125、143,作用尺度较大,图2土壤盐分 MoransI散点图Fig.2MoransIscatterplotofsoilsalinity图4银川平原土壤盐分空间分布图Fig.4SpatialdistributionofYinchuanplainsoilsalinity第45卷张旭等:银川平原土壤盐分空间分异及影响因子研究953空间异质性较小;地下水埋深、扩展归一化植被指数和土壤含水率的作用尺度均为 165,基本上为总样本数,属于全局尺度,作用效果空间异质性最弱.各影响因子回归系数结果如表 6 所示.高程、
18、地下水埋深、扩展归一化植被指数、土地利用强度与土壤盐分呈负相关,地下水矿化度、土壤 pH、土壤含水率正向作用于土壤盐分,坡度、地表温度整体与土壤盐分呈正相关,但回归系数最小值均小于 0,表明在局部地区坡度与地表温度负向作用于土壤盐分.所有因子中,地下水矿化度回归系数均值为 0.384,且最大值可达 0.945,与土壤盐分的相关性最强,其次是土地利用强度、地下水埋深、扩展归一化植被指数、地表温度、高程、土壤 pH,土壤含水率和坡度回归系数均值分别为 0.037 和0.012,影响最小.2.3土壤盐分影响因子的空间异质性分析经过MGWR 模型拟合之后所得的常数项反映了除确定自变量外,不同位置(即区
19、位因素)对土壤盐分作用效果,因此常数项可在一定程度上反映出未包含在模型中的距离沟渠距离、距离道路距离等区位因素对土壤盐分的影响.如图 5(a)所示,回归系数值整体小于 0,与土壤盐分全域呈现负相关效应.系数值与显著性整体上呈现明显的由南向北逐渐递增的阶梯状分布,高值主要出现在惠农区、大武口区和平罗县地区,表明平原北部地区对区位因素更加敏感.由图 5(b)可知高程对土壤盐分的影响也呈阶梯状分布,表现为平原东北部负相关效应显著且强烈.南部负相关效应较弱且不显著,但整体空间异质性较低.地形起伏导致地下地表径流随地势由高向低运动,进而调控水盐运动,导致土壤水盐在低处汇集32,银川平原整体地势由西南向东
20、北微倾.因此,高程对北部低海拔地区土壤盐分的影响高于南部高海拔地区.坡度对土壤盐分的影响无明显分异规律,整体回归系数 P 值均大于 0.187,未通过显著性检验 图 5(c),对土壤盐分作用不显著.银川平原地势整体南部高于北部地区,但局部相对平坦坡度较小,对土壤盐分几乎没有影响.地下水埋深与土壤盐分整体呈显著负相关,作用强度由南到北递增(图 5d),但系数取值在0.1630.143,作用效果空间差异性较小.地下水埋深越浅,越有利于土壤中的盐分跟随水分上升到地表从而导致地表土壤盐分含量增加,当地下水埋深到一定程度后其对土壤积盐作用逐渐变小33.银川平原北部地势平坦,绝大部分区域地下水埋深在 04
21、m,对土壤盐分含量的影响相对较大;南部地区地下水埋深较北部深,最深可超过 50m,对土壤盐分含量的影响相对较小.地下水矿化度是土壤盐分最主要的影响因素,如图 5(e)所示,回归系数值在 0.0890.945 之间,不同区域其作用效果存在较大的异质性.其中显著表5不同模型拟合结果比较Tab.5Comparisonoffittingresultsofdifferentmodels模型指标OLSGWRMGWRR0.7640.8690.893AICc255.290205.242189.510RSS39.21821.80517.694带宽110130(Intercept)143(DEM)89(Slop)
22、165(Depth)53(Salinity)125(pH)165(SMC)64(LST)165(ENDVI)43(USE)表6MGWR 模型回归系数统计描述Tab.6StatisticaldescriptionofMGWRcoefficient项目平均值标准差最小值中位数最大值Intercept0.1410.0740.2490.1100.062DEM0.0820.0570.1610.0730.013Slop0.0120.0310.0650.0110.077Depth0.1480.0060.1630.1450.143Salinity0.3840.2880.0890.2550.945pH0.063
23、0.0420.0050.0690.117SMC0.0370.0030.0320.0360.043LST0.0860.1020.0440.0440.346ENDVI0.1270.0090.1440.1260.114USE0.1950.0980.3720.2010.030954云南大学学报(自然科学版)http:/第45卷性高值主要集中在平原北部的惠农区、大武口和平罗县等地,低值主要出现在平原中部以及南部的青铜峡和灵武市等地,系数显著性也相对较低.地下水矿化度越高越容易导致盐分的形成与积累34.受地形背景控制,矿化物随地表、地下径流运动导致银川平原北部地下水矿化度含量升高,正相关效应显著.受局部地
24、形、人类活动、土壤理化性质等影响,青铜峡、永宁县周边区域地下水矿化度对土壤盐分作用程度略高于周围地区.土壤 pH 对土壤盐分的影响与高程对土壤盐分的影响空间分布特征相似,作用效果与回归系数显著性由南向北递增 图 5(f),空间异质性较弱.第45卷张旭等:银川平原土壤盐分空间分异及影响因子研究955土壤碱化与盐化是两个不同的概念,并不是所有碱性土壤中都有较高的盐分,真正与碱化土壤中盐分密切相关的是成土过程1.因此,土壤 pH 与土壤盐分虽表现为全域正相关,但相关程度较低,对土壤盐分的影响较弱.由图 5(g)可知,土壤含水率对土壤盐分的影响呈现中部强南北弱的格局.虽然在统计上与土壤盐分呈正相关,但
25、回归系数整体未通过显著性检验,对土壤盐分影响不显著.在返盐时期,土壤中水分携带盐分向土壤表层运动,土壤含水率越高则携带的土壤盐分越多.采样时期银川平原土壤刚刚解冻,各处情况不同,土壤含水率受随机性因素干扰大,对土壤盐分影响效果不显著.地表温度对土壤盐分主要为正向作用,占总样本的 92.7%,空间异质性较为明显,影响效果在空间上仍具有由南向北递增的阶梯状结构.温度是盐分随水分上升到地表的动力33,地表温度越高水分蒸发越强烈,水分中溶解的盐分随着水分的蒸发持续上升并积聚在土壤表层,造成土壤盐分含量升高.由图 5(h)可知,地表温度与土壤盐分在惠农区、平罗县表现出较强的正向相关性,而在兴庆区和贺兰东
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