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土壤盐分测定仪对干旱区土壤盐分空间异质性研究

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土壤盐分测定仪对干旱区土壤盐分空间异质性研究
摘要：为研究干旱区土壤盐分窄间异质性，指导农业生产实践，运用浙江托普仪器的TZS-EC—I型电导仪（土壤盐分测定仪）对研究区域进行移动式磁感调奁,获取表观电导率（ECa)。同时,通过27个校准点的采样和ECa测量，建立土壤盐分的电磁感应解译模型。干旱区土壤盐分质量分数与EM38、EM31水平模式读数(扔8、1—／31)显示出良好的相关性（尺=o．935)，可以利用ECa结合GIS和地统计学知识研究土壤盐分的空间分布.采用两种方法进行研究:一种是先利用解译模型获取磁感调查点的土壤盐分质量分数，然后进行地统计分析研究其空间分布；另一种是先利用地统计分析研究H38和／t31的空间分布,然后利用解译模型通过栅格运算计算盐分质量分数，精度检验显示前者预测值与实测值之间的相天性更好（R2，0．888>0．873)：标准差较低（std．0．414〈0．426）,具有更高的预测精度.研究结果表明,基于电磁感应研究干旱区土壤盐分窄问异质性是切实町行的，这对于土壤盐渍化的快速诊断，指导农业生产和促进精准农业的发展具有重要的意义。
关键词:电磁感应，表观电导率，空问异质性 ，电导仪（土壤盐分测定仪)
0引言
土壤盐渍化足制约农业生产重要障碍因素之一,中国盐渍土分布广泛,从湿润地区到极端干旱的荒漠地区，均有大量盐渍土的分布…,总面积约为3 600×104 hm2，占全国可利用土地面积的4．88%t2I.分析土壤盐分空间异质性有利丁二指导农业生产,电磁感应式大地电导率测量(EM)方法由于其无需电极插入、测量速度快,数据获取量大,在土壤盐渍化调查、监测与评估研究中得到了广泛应用12］。D．L．Corwin、S．M．Lesch等研究了电磁感应技术在土壤性质的空间异质性中的应用【3.5】，鞠茂森、杨劲松、刘广明等探索了移动式电磁感应系统在农业中的应用【6培】，李洪义，史舟等利用EM38预测土壤剖面土壤电导率【9】,姚荣江、张同娟、杨劲松等利用电磁感应技术对海涂区、河口区土壤盐分进行空间分析【lmlll。目前对于利用移动式电磁感应调查系统对干旱区尤其是极端干旱区进行土壤盐分空间异质性研究还不多见，本文通过建立土壤盐分的电磁感应解译模型,利用空间分析、地统计学等相关知识探讨两种不同思路在十壤盐分空间异质性研究中的应用，对比预测精度选取精度较高方法研究土壤盐分空间异质性，这对于指导当地农业生产，发展精准农业具有重要意义。本文为互联网收集,请勿用作商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途
1材料与方法
1．1研究区域概况
研究区域选在新疆南部典型干旱区巴音郭楞州,以巴音郭楞州西尼尔灌溉试验站（86。10’47．7”E,41。35’30．5”N)面积约200 hm2的农田为研究对象。巴州地处天山南麓，气候非常干旱，年降水量大多在100 lnlll以下，而蒸发量在2 500 mlTl左右,蒸降比值大约为40【l J,年平均气温8．2--—11．6℃,昼夜温差大，气温变化四季分明，属暖温带大陆性干旱气候，空气干燥,光照充足，高蒸降比使该地区极易产生土壤的盐渍化和次生盐渍化问题。
1．2研究方法
本研究利用电磁感应式电导仪（土壤盐分测定仪)TZS-EC-I对研究区域进行电磁感应调查,电导仪（土壤盐分测定仪)TZS—EC—I基于电磁感应原理，通过测量原生磁场和次生磁场之间的相对关系来测定大地表观电导率(／rG）Il引，电导仪（土壤盐分测定仪）TZS—EC-I是很多土壤性状的间接表征,如土壤质地、盐分质量分数、水分含量、阳离子交换最等.在盐渍化地区，大地表观电导率主要与土壤盐分质量分数有关，其贡献率不低于60％113l,而且相关性会随盐渍化程度增强而变大，所以,在干旱易盐区采用电磁感应技术测量土壤盐分是一种切实可行的方法。
电导仪（土壤盐分测定仪）TZS—EC—I有水平(胃)和垂直（矿）两种测量模式,不同模式下测量土体深度不同。一般来说，EM38水平模式测量深度可达0．75~1．0 m，而垂直模式测量深度相对较深，可达1．5～2．0“12l;EM31的水平和垂直模式测量深度分别约为3．0 m和6．0 m。当EM38和EM31与数据采集器、GPS连接构建移动式电磁感应调查系绀6。，就可以同时采集地理位置和大地表观电导率信息，进行大地表观电导率快速测量，经解译即可获得土壤盐分质量分数12J,从而有效提高盐渍化诊断的效率和精度.
电导仪(土壤盐分测定仪）简介
仪器名称：电导仪（土壤盐分测定仪）
电导仪（土壤盐分测定仪）（土壤原位盐分计、土壤原位盐份仪、土壤原位EC计、土壤EC计）可直接插入土壤速测并自动记录，大屏幕中文液晶显示数据,可将数据导入计算机。
仪器型号：TZS-EC-I

功能特点:
l 1、体积小巧美观便于携带，轻触式按键，大屏幕点阵式液晶显示,全中文菜单操作。
l 2、一键式切换，可以手动记录,也可脱离电脑随时设置采样间隔，自动记录并存储数据。
l 3、 手动模式：工作方式为按一次存一次，既可以记录当时按下去的时间及各种环境参数，也可以随时在自动模式与手动模式之间切换,可随时停止，可以将数据连接到计算机，软件会自动生成曲线图形，可打印。
l 4、自动模式：先设定好间隔时间，仪器可按照设定好的间隔时间自动记录数据。可以将数据连接到计算机，软件会自动生成曲线图形，可打印.
l5、 可连接电脑，进行数据上传,处理，备份。
l6、交直流两用，即可拿到野外随时随地采集数据，也可长时间放置记录地点进行采集。
l7、数据保存功能强大，最大可储存120000条数据。
l8、断电后已保存在主机里的数据不丢失
l9、 计算机软件具有强大的数据处理功能(统计、分析、显示、查询)，可把采集数据形成曲线图，直观显示。也可对采集的数据存储为EXCEL电子表格文件，方便用户保存和处理数据，或绘制棒图、饼图、打印等，软件永久免费升级
l10、 探头具有一致性，不同参数探头插口可互换,不影响精度.
l11、仪器具有32通道同步检测容量，可在容量范围内，探头数量不限。
l12、可按需要自行组合参数，每个传感器的采样间隔时间可单独设定。

技术参数：
l 1、大屏幕中文液晶显示，传感器可直接埋入土壤中
l 2、测量范围：0.00～19。99ms/cm
l 3、温度范围:-5～50℃；工作环境温度:—5～50℃
l 4、测量精度:EC±2℅满刻度；温度±0.5℃
l 5分辨率：0。01ms/cm
l 6、温度补偿：0～50℃
l 7、电源：5号5节电池,电源适配器

在研究区域，随机选取27个校准点，采集0～10 cm表层土壤样品，并同时测定电导仪(土壤盐分测定仪）TZS—EC-I不同模式下大地表观电导率。土壤样品带回实验室自然风干,在实验室测定其盐分质量分数1141。建立土壤样品盐分质量分数和大地表观电导率回归方程,用于移动式电磁感应调查的盐分解译。移动式电磁感应调查虽然能获取人量的数据,但毕竟是各个调查点的属性反应，而并非对研究区域的面卜整体反应，为了预测未知点的盐分含量,需要引入地统计学的相关知识，对研究区域的盐分含量进行空间分析.本研究基于大地表观电导率对七壤盐分进行解译，一方面可以先利用大地表观电导率解译土壤盐分质量分数，然后应用地统计学知识研究土壤盐分空间异质性；另一方面也可以对不同表观电导率进行空间异质性研究,然后利用解译模型通过栅格运算获取盐分空间异质性分布。本文对两种方法分别加以探讨应用，在研究区域随机采集了24个点的表层样品并测定盐分质量分数用于2种方法的比较及精度检验。
2结果与分析
2．1 土壤盐分质量分数的电磁感应解译模型在研究区域，随机均匀布设27个校准点，采集0～10 cm表层土壤样品，测定EM38和EM3l不同模式下大地表观电导率,并同时测定表层土壤温度。实验窒测定土壤样晶盐分质量分数（rs)，分析样品盐分质量分数与表观电导率及土壤温度的相关性,用逐步回归法进行回归分析，建立土壤盐分质量分数的电磁感应解译模型.以EM38和EM31水平与垂直模式表观电导率及土壤温度为自变量，建立土壤盐分质量分数解译模型.
Ts=2．030+0．076x日38—0．006xV38-0．037×H31+0．024xV31—0．140xT （尺=0．957，n=27)
式中,西为O~10 cm表层土壤盐分质量分数，g／kg：／-／38、I'38为EM38水平模式、垂直模式下大地表观电导率，mS／m；／—／3l、乃l为EM31水平模式、垂直模式下大地表观电导率，mS／m:T为O~10 cm土壤温度，℃。
以EM38和EM31水平、垂直模式表观电导率为自变量，建立土壤盐分质量分数解译模型乃=一l·210+0．036H38+0．006V38+0．004矿31(2)(R=0．936,n=27)
以EM38和EM3l水平模式表观电导率及土壤温度为自变量，建立土壤盐分质量分数解译模型乃2 O·92l+O·056月38+7．30e一5月3l+O·0997’(3）俾=0．944,n=27)
以EM38和EM31水平模式表观电导率为自变量，
建立土壤盐分质量分数解译模型乃=一1．325+O·037Ⅳ38+O·007日3l
（4)R=0．935,n=27)
对比不同解译模型，发现以EM38和EM31水平、垂直模式表观电导率及土壤温度为自变晕建立的解译方程相关系数最高,但由于构建移动式电磁感应调查系统时，EM38、EM3l每次测量只能获得垂直或水平模式下的一个代表剖面电导率特征的土壤表观电导率数据pJ。以EM38和EM3 l水平模式表观电导率为自变量建立的解译方程相关系数虽然不及以EM38和EM3l水平垂直模式表观电导率及土壤温度为自变鼍建立的解译方程,但仍具有良好的相关性,相关系数高达0．935，垂:茂模式下测定深度比水平模式深,而研究中所采集土壤样品为表层土壤，所以可以用EM38和EM31水平模式表观电导率来解译表层士壤盐分质量分数。
2．2土壤表观电导率空间异质性研究
构建移动式电磁感应调查系统,对研究区域进行磁感调查，测定EM38和EM31水平模式大地表观电导率并同时获取地理位置牮标，共采集数据约2万组（图1)，为进行地统计分析提供了充足的数据支持。

经K．S检验发现，H38和H3l经对数转换后呈正态分布,适用于地统计学空间分析，拟合半变异函数（表1）。H38以指数模型为最佳拟合模型，块金效应为20．3%，具有强空间自相关性，说明其空间异质性主要有结构性内在因子(如地形、母质、土壤等)决定；／—／3l以球状模型为最佳拟合模型,块金效应为33．0%，具有中等空间自相关性，说明空间异质性主要有结构性内在因子和随机性外在因子(如耕作、施肥等)共同决定【l 5‘16】。在Arcgis9．2的地统计模块中，分别应用已拟合好的半变异函数进行空间预测生成空间分布图（图2）。可以看出,H38和／—／31数值较高的区域分布位置相近,空间分布具有良好的一致性，H38和H3l数据相关性良好。

2．3土壤盐分空间异质性研究
根据已建立的解译模型，以H38和／t31作为自变量探讨利用2种不同方法研究土壤盐分空间异质性：一种是根据r十壤盐分的电磁感应解译模型(式(4）)，以仍l和H38为自变量解译所有磁感式调查点的土壤盐分，并拟合最优半变异函数(见表1)，然后应用地统计学相关知识研究土壤盐分的空间异质性(图3a)；另一种是先研究H3l和H38的空间异质性,获取其空间分布图，根据电磁感应解译模型（式（4）)进行栅格运算(RasterCalculator)，对土壤盐分的空间异质性进行研究(图3b)。

2．4精度检验
由图3a、b可以看出，2种方法计算出的土壤盐分空间分布具有良好的一致性,但存在一定的不同。在研究区域随机均匀布设24个检验样点，采集表层土壤样品,实验测定其盐分质量分数，同时分别提取24个检验样点在两种不同方法获取的土壤盐分空间分布图中的土壤盐分值，对比分析两种方法的预测精度。
利用解译出的土壤盐分质量分数进行地统计分析研究区域盐分空间异质性的方法，检验样点实测土壤盐分质量分数(y)与预测盐分质量分数(z）之间具有如下关系
Y=1．072x一0．084（R2=0．888，订=24,std．=0．414) （5)
利用区域表观电导率空间分布经栅格运算计算土壤盐分空间异质性的方法，样点实测土壤盐分质量分数（y)与预测盐分质量分数（x)之间具有如下关系J，=1．035x一0．007（R2=0．873，n=24，star．=0．426) （6)
对比两种方法，前一方法预测的土壤盐分空间分布的精度相对较高：实际值与预测值之间相关性优于后者（决定系数癣：0．888>0．873）,而且其标准差也比后者小(o．414<0．426）。究其原因，作者认为主要由以下几方面：前者经过一次回归运算和一次地统计分析，而后者经过两次地统计分析和一次根据回归方程进行的栅格运算,增加运算次数，无意间增加了误差的累积,从而导致后者精度不及前者；从拟合的半变异函数来看,大地表观电导率拟合的半变异函数精度不及解译出的土壤盐分含量拟合的半变异函数(0．921<0．940〈0．949)，而且大地表观电导率的空间自相关性比解译出土壤盐分含量空间自相关性弱(块金效应较大)；利用栅格运算之前需对空间分布图进行栅格化，栅格化会使原数据产生一定程度的变化，这也是造成后者精度不及前者的一个重要原因.
3结论与讨论
基于电磁感应测定的大地表观电导率与土壤盐分质量分数之间具有良好的相关性（月=o．935）.大地表观电导率町以作为十壤盐分的间接表征，建立土壤盐分的电磁感应解译模型精度良好.本文探讨了由大地表观电导率研究区域土壤盐分空间分布的两种方法，发现由大地表观电导率解译成土壤盐分然后分析空间分布的方法实测值与预测值之间的相关性更好（R2：0．888〉0．873）；标准差较低（O．414〈0．426),精度相对较高。其拟合半变异函数及空间自相关性皆优于第二种方法，而且没有增加栅格化过程及运算次数，这在以后的研究中是值得借鉴的。
在西北干旱易盐区,盐分表聚现象严重，大地表观电导率主要与土壤盐分有关,而且其相关性会随盐渍化程度增强而变大，所以在干旱易盐区采用电磁感应技术测量土壤盐分是一种切实可行的方法,尤其是对于解译表层土壤盐分质量分数效果更好。对于其他深度土层，土壤盐分的电磁感应解译模型可由同样方法获得，在此不再赘述.
磁感式大地电导率测定由于其无需电极插入、测量速度快，数据获取量大在研究干旱区土壤盐分空间异质性中具有广泛应用前景.在电磁感应调查基础上结合地统计学等空间分析相关知识可以对调查区域土壤盐分空间分布进行预测研究，并具有较高的预测精度，这对指导当地农业生产实践，促进精准农业发展具有重要意义。
［参考文献]
【1】 王遵亲，祝寿全，俞仁培,等．中国盐渍土【M】．北京：科学出版社，1993:400—515．
[2】 杨劲松．中国盐渍土研究的发展历程与展望叨．土壤学报，2008，45(5)-837—-845．

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