基于主成分分析的土壤盐渍化特征研究
——以甘肃景泰川电力提灌灌区为例

2018-08-29 12:01徐存东王荣荣高懿伟田俊姣

中国农村水利水电 2018年8期

徐存东，张锐，王荣荣，高懿伟，程昱，田俊姣，刘辉

(1.华北水利水电大学，水利学院，河南郑州 450045；2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南郑州 450046；3. 河南天池抽水蓄能有限公司，河南南阳 473000)

0 引言

我国西北等干旱半干旱区通过发展引水提灌工程以开发大量荒芜的土地资源，然而，随着工程不断上水运行，诱发了大面积的土壤盐渍化[1]。干旱灌区下垫面和水文地质结构的复杂性、土壤的空间变异性以及人类活动的不确定性致使土壤盐渍化呈现空间异质性，当前，在我国西北等盐渍化干旱灌区，由引黄灌溉造成的次生盐渍化和土壤盐渍化问题已成为该地区的主要生态环境问题[2]。开展我国西北等干旱灌区的土壤盐渍化特征研究，具有重要的理论价值和现实意义。国内外学者针对土壤盐分空间分异及盐渍化特征做了大量研究。史晓霞等通过构建CA动态模型对土壤盐渍化时空演变进行模拟[3]。范晓梅等采用灰色关联度模型，分析了不同盐渍化类型主导的环境要素，得出土壤中盐分积累的过程是一系列作用于不同尺度上自然和人为因素相互叠加的结果[4]。史海滨等综合运用描述性统计、表聚系数、地质统计学和聚类分析，系统地研究了节水改造前后河套灌区土壤剖面盐分特征和空间分布规律[5]。R Aragüés等将灌区土壤盐度与物理特征及灌溉管理建立联系得出盐渍化治理的有效方法[6]。KZ Jadoon等通过多组分电磁干扰联合反演，定量估算了土壤盐分的分布规律，且对土壤盐分分布格局进行了初步的探索[7]。这些研究为土壤盐渍化的形成机理及空间分异的揭示提供了有益指导。目前，虽有学者利用不同的方法分析了干旱区土壤全盐量、电导率、盐离子的关系[8-11]，但是在区域土壤盐渍化所主导的特征因子等方面的研究尚显不足。

本研究以景泰川电力提灌灌区(以下称“景电灌区”)为研究区，应用主成分分析法对灌区内土壤盐渍化特征进行研究，探明研究区内各盐分离子与全盐量之间的相关关系以及主导盐渍化的特征因子。研究成果可为我国西北等干旱半干旱区的土地可持续利用提供理论依据，并对类似区域土壤盐渍化治理和调控提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

景电灌区地处我国西北干旱荒漠区，地理区域为东经103°20′～104°04′，北纬37°26′～38°41′之间，是连接甘、宁、蒙三省的交界地带，其特殊的地理位置和特定的自然环境，决定了该区域的水土环境问题直接关系到阻止沙漠南移和防止周边土地的深度荒漠化等区域环境安全问题。灌区多年平均降雨量185.6mm，多年平均蒸发量2 365.92 mm，灌区总控制灌溉面积约6.51 万hm2，耕地表层为100～150 cm的风成黄土，含盐量较高，其下为红色砂岩，在黄土与砂砾之间有一层厚约30～50 cm的红锈色泥质胶结砂层，这层泥质胶结砂层结构较密，隔水性强，阻止了盐分随水下渗，导致土壤盐分向表层聚集，造成大量耕地出现严重的次生盐渍化问题[12]。干旱的气候条件、低平封闭的地形、土壤母质含盐量高和不合理的耕作、灌溉、施肥措施等是土壤盐渍化形成的主要原因[13]。

图1 研究区位置图Fig.1 Research area location map

1.2 土样采集与分析

1.2.1 典型采样点选取

本文采用GIS定位技术，以研究区土壤类型图及灌区图作为参考依据进行采集，在选取典型采样点时，综合考虑了土地利用类型、土壤、气候条件、植被覆盖类型以及土壤盐渍化程度等因素。本实验以景泰县上沙窝镇红耀村作为典型采样区，该区域内土地的覆盖类型以及植被类型均较为齐全，为丘陵沟谷区，便于采集且代表性较强，选取的典型采样点位置见图2。

图2 采样点位置图Fig.2 The sampling location map

1.2.2 土样采集与分析

土壤样品采集的时间为2016年10月10日至20日，该时间段土壤盐分的变化相对稳定，基本不会受到灌水和冻融的影响，能够代表整个采样点耕地土壤盐渍化状况。

土样采集首先要确定采样点，采样点的选取必须满足土壤的理化性质能够在整个采样点范围内具有一定代表性。本实验采样点主要布设在新开垦盐碱荒地、轻度盐渍化耕地、重度盐渍化耕地以及弃耕后的盐碱荒地，并采用分层随机取样的现场取样方法，采样时运用GPS对每个样本点的位置进行定位，在每个样本点范围内分0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 6个土层进行采样，每个土层采集5个样本，将相同土层的土样混合均匀后作为该样本点的土样。每个样本点均有6个土样，共采集土样90个。

1.3 主成分分析法

主成分分析是一种通过求解主成分，将原始指标重新组成一组新的互相无关的几个综合指标来代替原始指标，利用几个较少的综合指标反映原始指标的一种多元统计学方法。假设有n个样本，每个样本p个指标，记为X1，X2，…，Xp，主成分分析主要计算步骤如下：

(1)建立原始数据资料库。

(2)将原始数据标准化，用Z-score法对数据进行标准变化。

(1)

(2)

(4)

式中：xij为第i个分区第j个指标的值；xj、Sj为第j个指标的样本均值和样本标准差。

(3)求相关系数矩阵。

R=(rjk)p×p(j,k=1,2,…,p)

(5)

式中：rjk为指标j和指标k的相关系数。

(4)求相关矩阵R特征值和特征向量，确定主成分。若特征值记为：λ1≥λ2≥…≥λm≥0，相应的单位特征向量为：

(6)

将标准化后的指标变量转换为主成分：

Zi=α1iC1+α2iC1+…+αpiCp(i=1,2,…,p)

(7)

式中：Z1为第一主成分，Z2为第二个主成分，…，Zp为第p主成分。

2 结果与分析

2.1 TS垂直分布特征

研究区内各土层土壤中土壤TS及变异系数分布特征见图3。

图3 土壤TS及其在剖面中的分布特征Fig.3 Soil salt content and vertical variation in soil profile

由图3知，0～100 cm土壤深度内各土层TS平均值均高于4.5 g/kg，表明研究区内各个土层均处于盐化状态。由图中土壤TS的变化趋势来看，研究区内0～40 cm土层中含盐量随着土壤深度的增加而呈现出降低趋势，40～80 cm土层中含盐量随着土壤深度的增加而呈现出增加趋势。从整个土壤剖面来看，土壤TS呈现出明显的“S”型曲线分布。

变异系数是体现变量离散程度的重要指标[17]，在一定程度上能够揭示出变量的空间分布特性。按照变异系数大小可以对土壤变异程度进行分级：当变异系数<10%时，土壤呈现出弱变异性；当变异系数在10%～100%之间时，土壤呈现出中等强度变异性；当变异系数>100%时，土壤呈现出强变异性。土壤剖面TS的变异系数均介于75%～150%之间，说明土壤各层含盐量均具有很强的变异性。表明了灌区内盐渍化耕地的土壤含盐量极不均匀，具有较强的空间异质性[18]。0～10 cm和60～80 cm土层的变异系数要明显高于其他土层，这一现象主要是由灌区内耕地制度以及土地利用方式存在的差异所导致。10～60 cm土层的变异系数值逐渐减小并趋于稳定。

2.2 土壤盐离子垂直分布特征

(1)阳离子分布特征。研究区内各土层土壤中主要阳离子含量及其在剖面中的分布特征见图4。

图4 土壤中主要阳离子含量及其在剖面中的分布特征Fig.4 Major cations and vertical variation in soil profile

由图4(a)知，在各土层中，Na+含量最高，在阳离子总量中所占比例介于37.98%～46.42%之间；Ca2+次之， Mg2+在阳离子总量中所占比例介于13.06%～23.22%之间；K+含量最低，仅占阳离子总量的8%左右。从阳离子在整个土壤剖面的分布趋势来看，Na+、Mg2+、Ca2+含量在剖面中的分布态势与TS的分布态势基本一致，均呈出表层和底层高、中层低的趋势。其中Na+、Ca2+含量最大值出现在60～80 cm土层，Mg2+含量最大值出现在80～100 cm土层，三种离子的最小值均出现在40～60 cm。另外，Na+、Ca2+含量的另一次峰值出现在0～10 cm土层，与TS一致，而Mg2+含量的另一次峰值出现在10～20 cm土层。K+含量在各土层间变化不大，在土壤垂直剖面上的分布趋势较为稳定。

由图4(b)知，Na+、Ca2+、Mg2+的变异系数均介于95.61%～211.94%之间，表现出中高强度的空间变异性。其中Na+的变异系数呈现上层和中层高、下层低的趋势，最大值出现在0～10 cm土层，最小值出现在60～80 cm土层；Ca2+的变异系数没有明显的规律性，最大值出现在20～60 cm土层，最小值与Na+相同，均出现在60～80 cm土层；而Mg2+的变异系数呈现出表层和底层高、中层低的趋势，最大值出现在0～10 cm土层，最小值出现在40～60 cm土层；K+各土层的变异系数变化不大，介于34.34%～43.51%之间，空间变异强度较小，呈现弱变异性。 (2)阴离子分布特征。研究区内各土层土壤中主要阴离子含量及其在剖面中的分布特征见图5。

图5 土壤剖面中主要阴离子含量及其在剖面中的分布特征Fig.5 Major anions and vertical variation in soil profile

2.3 土壤pH剖面分布

研究区内各土层土壤中pH平均值及其变异系数分布特征见图6。

图6 土壤pH及其在剖面中的分布特征Fig.6 Soil pH and vertical variation in soil profile

由图6知，研究区内各土层土壤pH平均值均超过8.3，说明土壤盐化特征比较明显；从pH在整个土壤剖面中的分布趋势可以看出，pH平均值呈现出由上至下逐层递减的趋势，但总体变化不大。研究区内整个土壤剖面pH的变异系数均不高，均介于2.12%～2.91%之间，说明灌区内土壤pH的空间变异性较小，分布较均匀。