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滨海盐土三维土体电导率空间变异及可视化研究

李洪义  
【摘要】: 土地盐碱化是在自然、人为因素综合作用下盐碱成分在土壤中超量富集而形成的土地退化。土地盐碱化引起土壤理化性状的改变,削弱和破坏了土地生物生产力,其严重后果是破坏了生态平衡,改变了自然环境,导致大面积土地资源的丧失,直接威胁生态、经济和社会的可持续发展。土壤盐碱化和次生盐碱化问题在世界范围内广泛存在,据联合国教科文组织(UNESCO)和粮农组织(FAO)不完全统计,全世界盐碱地面积为9.54亿hm~2。土壤盐碱化和次生盐碱化问题,已经成为世界灌溉农业可持续发展的资源制约因素。我国各类盐碱地面积总计达9913.3万hm~2,西北、华北、东北西部和滨海地区都有分布,改造治理及合理开发利用这些资源,是中国农业可持续发展的重要途径之一,也对改善生态环境,推动区域经济、社会和生态可持续发展具有特别重要意义。在日益注重效率与效益的今天,土壤资源利用领域迫切需要高新技术的引进,利用实用、具有较高精度的田间土壤盐分测量技术快速测定土壤盐分,采取现代化的空间信息技术和手段,对盐碱土壤利用进行科学合理的精确管理。 自70年代国际学术界提出研究空间变异性以来,土壤的空间变异特性一直是人们共同关注的一个研究热点。土壤是一个三维自然空间实体,各方向上很短的距离内土壤属性变异也非常大,但是目前土壤空间变异特性研究主要集中在水平方向上。即使是以土壤属性三维变异特性描述为研究目的,也仅仅局限于用一系列水平层来描述土壤不同深度土层的属性变化,没有考虑上下层之间的相互影响。有研究表明,埋深3m内的含盐地下水都能通过毛管作用上升到地表积盐。盐碱地普遍存在盐碱重,返盐强烈,盐分垂直变化明显等问题,造成土壤产出率低且不稳,农业经济效益不高。因此,研究盐碱土壤盐分的空间变异,特别是三维土体盐分的空间变异不仅具有理论价值,丰富三维空间变异插值理论和方法;而且具有一定的应用价值,定量化的信息正是精确农业开展、实施不可或缺的基础资料和理论依据。 三维可视化表达是生动地传递真实三维信息的一种重要方式,相比传统的数据表达技术,三维可视化表达能够更加清楚的反映复杂数据集的一个总体概况,有助于鉴定和分析数据可能的结构和模式。因此采用该技术能更加准确地表示和描述这种复杂的三维空间上的土壤属性空间变异情况,同时三维可视化也是3D GIS的重要组成部分,是许多地学家和计算机专家一直探索的课题。 三维离散分布的空间数据是进行土壤属性三维特性变异研究的基础。而传统的侵入式剖面电导率采集方法费时、费力、费用高且不能重现。因此,急需一种非入侵式的廉价而且便捷的剖面采样技术,通过EM38(Geonics Limited,Mississauga,Ont.,Canad)非接触的方式获取土壤剖面电导率被认为是当前最有潜力的方法,但该方法在国内的应用研究还较少。 因此,本研究选择位于浙江省上虞市西北地区、杭州湾南岸的海涂实验农场作为研究区,沿着电导率三维离散数据的获取到三维空间变异研究这条主线:首先采用EM38获取剖面土壤电导率,作为后续三维空间变异研究的数据源;然后开展三维空间变异、三维空间随机模拟的不确定性分析和作物种植风险评价等研究工作;最后,将新开发的功能模块集成到自主的农业资源地理信息系统软件中。本研究具体研究成果概述如下: (1)基于EM38的土壤剖面电导率预测研究 经校验发现,地表空气温度、剖面土壤温度、剖面土壤水分含量等因子对EM38测量土壤表征电导率(Apparent Soil Electrical Conductivity,ECa)的影响非常小。本研究区,认为土壤盐分是影响ECa测量的主导因子。在土壤剖面上,EM38水平模式表征电导率(记为EC_h)和垂直模式表征电导率(记为EC_v)、EC1:5电导率、ECb(Bulk ElectricalConductivity)电导率之间具有较好的相关性,建立的经验模型能较好的预测土壤剖面电导率。但是在同一研究区,经验模型推广时还是需要进行进一步校正,因此非常有必要引进更加通用的剖面电导率预测方法。利用EM38在地表不同高度测量的ECa,再采用线性、非线性响应模型结合Tikhonov正则化反演土壤剖面电导率,这种基于电磁物理学原理的方法能较好的解决上述问题,更具推广性。研究结果表明,线性模型和非线性模型的平均预测误差分别为38.44%和24.26%,非线性模型的精度相对更高。 (2)滨海盐土三维土体电导率空间变异及可视化研究 利用EM38在地表不同高度获取的表征电导率,采用预测精度更高的EM38电导率非线性响应模型结合Tikhonov正则化方法反演土体0~1.1m深度范围10个土层深度的电导率作为三维空间变异研究的数据源。首先按照一定的水平和垂直搜索规则,分别单独分析电导率水平、垂直方向的半方差,然后联合这两个方向上的半方差组成三维半方差套合模型来描述土壤电导率的空间相关性结构。研究表明,在本研究中水平方向和垂直方向电导率空间相关性结构的半方差函数模型都不存在各向异性,因此建立一个各向同性六参数特例模型来描述研究区土壤电导率三维空间变异结构。通过联合水平、垂直半方差模型,构建包含一个各向同性块金效应模型和三个球状模型的三维各向同性半方差套合模型能较好的描述土壤电导率空间变异结构。采用三维普通克立格方法进行三维土体电导率空间插值,实现了电导率在三维空间上的连续表达。通过比较预测结果的均方根误差、平均标准误差、预测值和实测值之间的相关系数发现,三维克立格法相比二维克立格法的预测精度有较大提高。利用VRML语言构建三维土体电导率虚拟现实模型,实现三维土体电导率的可视化表达,有利于更好的分析土壤电导率的空间分布特征和变化趋势。最后,将研究结果进行网络发布。 (3)三维土体电导率空间分布的不确定性分析及作物种植风险评价 为了对研究区土壤管理决策予以指导和适种作物类型给予建议,以非线性模型预测的剖面电导率作为数据源。①采用序贯高斯模拟方法模拟不同深度土层土壤电导率的空间分布情况。结果表明,克立格法具有一定的“平滑”效应,减少了数据的变异性,而序贯高斯模拟结果突出了原始数据分布的波动性。序贯高斯模拟在符合一定的概率分布和“尊重”原始实测数据的同时,保持特定的空间相关结构,且相比克立格方法预测精度有所提高。通过不同土层电导率叠加这种不考虑上下层电导率相互影响的方法也能较好的表达三维空间上土壤电导率的空间变异情况;但局部还是出现明显跳跃。②将ECe为400mS/m做为重度盐化和极度盐化的分界点,对10个土层各层评价点超过该阈值的概率分别进行1000次模拟,叠加生成三维概率分布图。高概率和低概率地区可以很明确的给出评价结果,对于概率值接近0.5的过渡带,其评价结论具有很大的不确定性,宜采用概率分布的形式来为决策者提供更多的信息。通过分析相对误差,认为1000次序贯指示模拟的概率分布结果是可靠的。③根据水稻和棉花的耐盐性电导率阈值,采用析取克立格法给出10个土层盐分大于这些作物的耐盐阈值的概率,叠加生成三维概率分布图,对其进行作物种植风险性评价。深层电导率数据及其超过阈值的概率可以为制定更准确的种植规划提供重要参考。 (4)农业资源地理信息系统功能模块扩展 首先对软件的开发目标、原则和功能等进行了分析,确立了以GIS基础平台为核心,相互独立的土壤采样、地统计、随机模拟、管理分区等可扩展模块共同组成农业资源地理信息系统。根据系统总体架构,本研究重新整合农业资源地理信息系统(ARGIS V1.0,软件登记号2006SR16131)的采样设计模块到土壤采样模块。运用系统的方法和软件工程的基本思想,采用面向对象的设计方法,选用开发效率高的Visual C++作为开发语言,进一步扩展基于EM38和GPS的土壤电导率采样子模块和随机模拟模块。最后运用该系统的土壤采样模块对滨海盐土土壤电导率进行采集,并进行空间变异的随机模拟和超过一定阈值的不确定性分析的初步应用研究。新增加模块后,使得ARGIS功能更加强大,可为精确农业田间管理的科学性、合理性以及智能化提供服务,同时也为相关程序的开发提供了参考。 本项研究基本完成研究内容,达到了预期的研究目标,在以下三方面取得了新进展: (1)在围垦区滨海盐土研究中,引进EM38电导率线性、非线性模型获取三维土体上离散分布的电导率数据,进行土壤电导率的三维空间变异研究,利用VRML构建三维土体电导率虚拟现实模型,并将研究结果进行网络发布。本研究开展的土壤电导率三维空间分布预测、模拟和网络发布不但极大的推进了当前土壤空间变异方法论的研究,而且为土壤研究成果的推广应用提供了新的途径。 (2)在围垦区滨海盐土研究中,分别将序贯高斯模拟、序贯指示模拟方法应用到不同深度土层土壤电导率空间分布的随机模拟和不确定性分析中,生成超过一定阈值的三维概率分布图;根据作物的耐盐性阈值,采用析取克立格方法进行作物种植高风险评价,提供三维概率分布图。研究三维空间随机模拟的不确定性和作物种植风险评价,是对当前以表土为研究对象的二维不确定性分析、作物种植风险评价工作的一个重要补充和发展,可以更加准确的辅助指导实际的土壤管理和决策方案的制定。 (3)Windows平台下,利用面向对象的C++开发语言和系统集成技术,集成扩展了具有自主知识产权的农业资源地理信息系统软件平台ARGIS V1.0。该平台不但具有通用的GIS管理平台,而且具有地统计、管理分区和采样设计等专业功能模块。本研究新增加基于EM38和GPS的土壤电导率采样模块和随机模拟模块后,使得软件功能更加强大,可为精确农业田间管理的科学性、合理性以及智能化提供服务。


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