李 兵，劉廣明*，蘇里坦，陳 誠，楊勁松

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基于磁感式大地電導(dǎo)率儀的土壤鹽分解譯模型①

李 兵1，劉廣明1*，蘇里坦2，陳 誠3，楊勁松1

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實驗室 (中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所)，烏魯木齊 830011；3黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封 475004)

以新疆伊犁地區(qū)鹽漬土為研究對象，通過分層采樣測定土壤鹽分含量，采用EM38和EM31兩種磁感式大地電導(dǎo)率儀測定土壤表觀電導(dǎo)率，分析不同土壤層次鹽分與土壤表觀電導(dǎo)率的相關(guān)性，應(yīng)用逐步回歸方法構(gòu)建土壤鹽分解譯模型，并進(jìn)行了模型精度驗證。研究表明：土壤鹽分含量與土壤表觀電導(dǎo)率之間呈顯著線性相關(guān)，構(gòu)建的土壤鹽分解譯模型具有良好的精度。本研究將為精確解譯伊犁地區(qū)土壤鹽漬化特征提供重要的方法支撐。

磁感式大地電導(dǎo)率儀；鹽分解譯模型；土壤鹽漬化；干旱地區(qū)

傳統(tǒng)的土壤鹽分測定方法比較費(fèi)時費(fèi)力，不利于大面積土壤鹽分的快速調(diào)查和測定[1-2]。磁感式大地電導(dǎo)率儀測量方法由于其無需電極插入、測量速度快、數(shù)據(jù)獲取量大，在土壤鹽漬化調(diào)查、監(jiān)測與評估研究中得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。磁感式大地電導(dǎo)率儀能在地表直接測量土壤表觀電導(dǎo)率，為非接觸直讀式，適用于大面積土壤鹽漬化的測定，較常規(guī)方法的調(diào)查速度快100倍以上[6]，能輕松快速地完成一般常規(guī)測定。大地電導(dǎo)率儀EM38可以進(jìn)行土壤質(zhì)地、鹽分狀況的調(diào)查，對復(fù)墾耕地質(zhì)量進(jìn)行定性評價，為水利工程和防護(hù)林體系建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)節(jié)水灌溉[1]。劉海霞和丁建麗[7]發(fā)現(xiàn)50 cm以內(nèi)水平模式對電導(dǎo)率值更敏感。李海濤等[8]發(fā)現(xiàn)在不同的深度上，EM38和傳統(tǒng)方法之間都存在很好的相關(guān)性。

新疆位于干旱半干旱地區(qū)，面積約為我國國土總面積的六分之一。該地區(qū)光照充足、降雨量小、蒸發(fā)量大，土壤鹽分表聚現(xiàn)象嚴(yán)重[7]，不利于植物生長。新疆耕地大部分處在沖積洪積扇扇緣及三角洲地帶，能夠開墾的后備耕地資源大都遠(yuǎn)離水源；這些地方地勢平緩，地下水徑流不暢，土壤極易積鹽，加上灌溉的不合理，極易造成地下水位的升高，土壤次生鹽漬化危害嚴(yán)重。伊犁河谷有“塞外江南”的美譽(yù)，降雨量較新疆其他地區(qū)要多，當(dāng)?shù)匾苑N植水稻為主；經(jīng)過反復(fù)淋洗，土壤鹽分含量較新疆其他地區(qū)低得多。盡管如此，土壤鹽分亦會制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。對伊犁地區(qū)土壤鹽分含量進(jìn)行精確解譯與評估，對于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，消減農(nóng)田土壤鹽分障礙具有重要的意義。本研究以伊犁地區(qū)農(nóng)田為研究對象，通過面域土壤鹽分調(diào)查，結(jié)合磁感式大地電導(dǎo)率儀測定土壤表觀電導(dǎo)率，獲得土壤鹽分與土壤表觀電導(dǎo)率的相關(guān)性，建立分層土壤鹽分解譯模型，為精確評估伊犁地區(qū)土壤鹽分含量提供可靠方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆伊犁地區(qū)察布查爾錫伯族自治縣納達(dá)齊牛錄鄉(xiāng)(43°17′ ~ 43°57′ N，80°31′ ~ 81°43′ E)，屬大陸性北溫帶溫和干旱氣候，熱量豐富，光照充足，四季分明，年均氣溫7.9 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫–43.2 ℃。年平均日照時數(shù)2 810.7 h，≥10℃的積溫3 389.1 ℃，無霜期161 d，年均降水206 mm。

1.2 磁感式大地電導(dǎo)率儀的結(jié)構(gòu)與原理

磁感式大地電導(dǎo)儀為非接觸直讀式，能在地表直接測量土壤表觀電導(dǎo)率。其主要由信號發(fā)射(T)和信號接收(R)兩個端口組成，兩者之間相隔一定的距離，信號發(fā)射端子以具有特定頻率的交流電為動力，發(fā)射頻率為14.6 kHz。工作時，信號發(fā)射端子產(chǎn)生一個隨時間變化并且強(qiáng)度隨土層深度增加而逐漸減弱的原生磁場，該磁場強(qiáng)度隨時間發(fā)生變化，因此在大地中產(chǎn)生非常微弱的交流感應(yīng)電流，此電流又誘導(dǎo)出次生磁場。原生磁場信息和次生磁場信息被信號接收端子接收。

原生磁場和次生磁場均是兩端子間距、交流電頻率及大地電導(dǎo)率的復(fù)雜函數(shù)，且次生磁場與原生磁場強(qiáng)度的比值與大地電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，可表示為：

ECa= 4 (s/p) /02

式中：ECa為大地電導(dǎo)率(mS/m)；s、p分別為次級磁場和初級磁場；= 2π，為發(fā)射頻率(Hz)；為發(fā)射端子與接收端子之間距(m)；0為空間磁場傳導(dǎo)系數(shù)[6, 8-11]。

1.3 研究方法

EM38-MK2大地電導(dǎo)率儀包含2個接收線圈，當(dāng)線圈處于垂直偶極方向時，可測的有效深度范圍分別為0.75 m和1.5 m 以內(nèi)；當(dāng)線圈處于水平偶極平面時，可測有效深度則分別為0.75 m和0.375 m以內(nèi)[12]。本研究采用水平方向0.75 m和垂直方向1.5 m的數(shù)據(jù)[6]，分別用H38和V38表示。EM31-MK2大地電導(dǎo)率儀水平和垂直模式測量深度分別為3.0 m和6.0 m，用H31和V31表示。

將GPS與EM38-MK2和EM31-MK2連接，選取適當(dāng)?shù)奈恢猛瑫r記錄樣點(diǎn)的坐標(biāo)值、EM38和EM31，讀數(shù)前需校準(zhǔn)EM38。將EM38垂直放于地表，記錄其讀數(shù)；然后水平放置，記錄讀數(shù)。將EM31放置在沒有金屬的約1 m的架子上或人工(除去身上的金屬和電子物品)抱離地面1 m，分別讀取其垂直和水平方向的讀數(shù)并記錄。記錄完數(shù)據(jù)后，在原點(diǎn)用梅花狀五點(diǎn)采樣法分別采取0 ~ 30、30 ~ 60、60 ~ 100cm土層土樣，各層土樣混勻后選取適量樣品裝入采樣袋內(nèi)，帶回實驗室風(fēng)干過篩后備用。

1.4 測試項目及方法

帶回實驗室的土壤樣品測定pH、電導(dǎo)率和鹽分含量。利用SPSS19.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，在Excel中分析土壤鹽分含量與H38、V38、H31和V31之間的相關(guān)關(guān)系，然后利用SPSS19.0進(jìn)行逐步回歸。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分和表觀電導(dǎo)率的描述性統(tǒng)計

土壤表觀電導(dǎo)率是指由大地電導(dǎo)率儀直接測得的讀數(shù)，大地表觀電導(dǎo)率可以作為土壤鹽分的間接表征[3]。研究區(qū)域土壤質(zhì)地有壤土、粉壤土和砂壤土。0 ~ 30 cm土層土壤為弱堿性，pH平均值為7.67；30 ~ 60 cm土層和60 ~ 100 cm土層土壤pH分別為8.69和8.68。

如表1所示，0 ~ 30 cm土層土壤鹽分含量有較大的極差，為13.051 g/kg，且平均值在3個層次土體中最高，表現(xiàn)一定的鹽分“表聚”現(xiàn)象。不同深度土壤表觀電導(dǎo)率不同，總體上隨著土壤深度的增加，土壤表觀電導(dǎo)率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢[13]。不同地域間土壤表觀電導(dǎo)率差異較大。測定位在1.5 m以內(nèi)的土體土壤表觀電導(dǎo)率平均值均小于1 dS/m，土壤鹽分含量較低；最大值與最小值之間的比值分別為69.11和51.00，差異明顯。

由表1可知，不同樣地之間土壤表觀電導(dǎo)率差異較大。隨著土體深度的增加，土壤表觀電導(dǎo)率在逐步增加，相對于平均值，離散程度也不斷增加；土壤鹽分在深層土體中差異較大，在表層土體中由于水分的淋洗，土壤鹽分含量較低，不同樣地之間鹽分比較趨于一致。

表1 土壤鹽分和表觀電導(dǎo)率的描述性統(tǒng)計分析

注：表中[0~30cm]表示0 ~ 30 cm土層土壤鹽分含量，包含0和30 cm；(30~60cm]表示30 ~ 60 cm土層土壤鹽分含量，包含60 cm但不包含30 cm；(60~100cm]表示60 ~ 100 cm土層土壤鹽分含量，包含100 cm但不包含60 cm。下同。

2.2 土壤鹽分與表觀電導(dǎo)率的相關(guān)性

不同土層土壤鹽分含量與土壤表觀電導(dǎo)率之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系。如表2所示，比較不同土層土壤鹽分含量與土壤表觀電導(dǎo)率之間的相關(guān)系數(shù)可知，0 ~ 30 cm土層和30 ~ 60 cm土層土壤鹽分含量與H38的相關(guān)性最高，分別為0.959 2和0.916 2；與V38的相關(guān)關(guān)系次之。60 ~ 100 cm土層由于深度原因與H31的相關(guān)性最好，達(dá)到0.885 0。不同土層土壤鹽分與土壤表觀電導(dǎo)率之間的相關(guān)系數(shù)高低可以作為土壤鹽分與土壤表觀電導(dǎo)率之間逐步回歸模型的參考依據(jù)。

不同測定位之間土壤表觀電導(dǎo)率存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.978。由不同測定位之間土壤表觀電導(dǎo)率的相關(guān)性可知，淺層土體土壤鹽分與表觀電導(dǎo)率之間的相關(guān)性小于深層土體，可能與表層土體的灌溉、播種和耕作等人為活動有關(guān)。

表2 不同土層土壤鹽分與土壤表觀電導(dǎo)率的Pearson相關(guān)系數(shù)

注：**表示在<0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，樣本容量為70。

2.3 電磁感應(yīng)式土壤鹽分解譯模型

2.3.1 單一測定模式下土壤鹽分解譯模型 土壤電導(dǎo)率與單一測定模式下土壤表觀電導(dǎo)率的關(guān)系模型為=a+b，其中為土壤鹽分含量(g/kg)，為不同測定模式下土壤表觀電導(dǎo)率，a、b為常數(shù)，為相關(guān)系數(shù)。由表3可知，各層土壤鹽分與大地電導(dǎo)率儀在各種測量模式下獲得的數(shù)據(jù)均存在很好的線性關(guān)系。0 ~ 30 cm土層土壤鹽分與EM38在水平模式下的相關(guān)性最高，30 ~ 60 cm和60 ~ 100 cm土層土壤鹽分與EM31在水平模式下相關(guān)性最好。H38、V38、H31、V31四種測定模式與不同土層土壤鹽分回歸模型的相關(guān)系數(shù)變化范圍分別為0.734 5 ~ 0.902 0，0.753 0 ~ 0.868 2，0.769 9 ~ 0.867 5和0.757 3 ~ 0.826 7，對各關(guān)系模型進(jìn)行相關(guān)性檢驗，結(jié)果表明差異在<0.01水平下均具有統(tǒng)計學(xué)意義，表明土壤鹽分與單一測定模式下土壤表觀電導(dǎo)率之間的回歸效果顯著。

表3 單一測定模式下土壤鹽分與表觀電導(dǎo)率的關(guān)系模型

比較1 m土體內(nèi)土壤鹽分與土壤表觀電導(dǎo)率之間關(guān)系模型的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)：土壤鹽分與4種測定模式的相關(guān)系數(shù)均隨著土體深度的增加而逐漸減小；0 ~ 30 cm土層土壤鹽分與4種模式的相關(guān)系數(shù)隨著測定位的增加而不斷減小，30 ~ 60 cm土層呈現(xiàn)先降后升再降的趨勢，60 ~ 100 cm土層則表現(xiàn)出先升后降的變化規(guī)律。

2.3.2 復(fù)合模式下土壤鹽分解譯模型 鑒于土壤鹽分與不同測定模式下土壤表觀電導(dǎo)率之間的線性關(guān)系，以相關(guān)關(guān)系最高的方程為基準(zhǔn)模型，逐步增加其他測定模式下土壤表觀電導(dǎo)率作為自變量，以增加模型所包含的信息，提高解譯精度，建立復(fù)合模式下的逐步回歸模型如表4所示，其中a、b、c、d、e為常數(shù)，表示土壤鹽分含量(g/kg)，2為決定系數(shù)。

由表4可知，復(fù)合模式下土壤鹽分與表觀電導(dǎo)率之間的相關(guān)關(guān)系均高于單一模式，變化范圍為0.794 ~ 0.920，說明以多測定模式進(jìn)行土壤鹽分的解譯模型精度要高于單一模式。不同土體的回歸模型包含的變量種類和數(shù)量不同，解譯模型的相關(guān)系數(shù)隨著土體深度的增加而逐漸減小，說明表層土體解譯模型的精度要高于深層土體。

2.3.3 回歸模型的殘差分析 回歸模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差的直方圖表示模型精度的大小，其變化越接近正態(tài)分布，回歸模型越準(zhǔn)確；回歸模型標(biāo)準(zhǔn)化殘差的標(biāo)準(zhǔn)p-p圖表示樣本數(shù)據(jù)偏離標(biāo)準(zhǔn)值的程度。如圖1 ~ 圖3所示，不同土體復(fù)合模式下土壤鹽分逐步回歸方程殘差均服從正態(tài)分布，各個回歸模型能夠很好地用來表征土壤鹽分與磁感式大地電導(dǎo)率儀測定的土壤表觀電導(dǎo)率之間的關(guān)系；其中，0 ~ 30 cm土層回歸方程殘差最服從正態(tài)分布，表明其解譯模型精度最高。由回歸方程標(biāo)準(zhǔn)化殘差的標(biāo)準(zhǔn)p-p圖可知：樣本容量為60的各土層回歸模型中，數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)值周圍呈現(xiàn)規(guī)律性分布，沒有明顯偏離的情況，回歸方程比較準(zhǔn)確。

表4 復(fù)合模式下土壤鹽分與表觀電導(dǎo)率的關(guān)系模型

2.3.4 解譯模型的校驗 應(yīng)用另外10個不同于模型建立時使用的數(shù)據(jù)，對復(fù)合模式下土壤鹽分解譯模型(表4)進(jìn)行擬合度、顯著性檢驗，如表5所示。其中F表示值，2為決定系數(shù)，SE為標(biāo)準(zhǔn)誤。由決定系數(shù)可以得出，各模型擬合度均較高，不同土層模型擬合度不同，表層模型擬合度較高。對模型進(jìn)行檢驗可知值均較高，在＜0.01水平表現(xiàn)顯著，表明各模型的擬合效果均達(dá)到極顯著水平，即各關(guān)系模型的自變量與因變量之間確實存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

表5 回歸模型精度驗證

3 結(jié)論

1) 伊犁河谷土壤鹽分在水平方向上具有強(qiáng)烈的變異性，表觀電導(dǎo)率也有明顯的變異性，二者表現(xiàn)出一致性；在垂直方向上，土壤表觀電導(dǎo)率隨測定位的加深而不斷增加，土壤鹽分則有升有降，表現(xiàn)出一定的“分異性”。土壤鹽分含量與土壤表觀電導(dǎo)率呈顯著線性相關(guān)，在一定程度上可以用土壤表觀電導(dǎo)率表征土壤鹽分含量。

2) 不同土層土壤鹽分含量與磁感式大地電導(dǎo)率儀的測定深度有一定的關(guān)系，表現(xiàn)在0 ~ 30 cm和30 ~ 60 cm土層土壤鹽分含量與M38(較淺的測定位)測定的土壤表觀電導(dǎo)率呈現(xiàn)更為顯著的線性相關(guān)，60 ~ 100 cm土層土壤鹽分含量則與EM31測定的土壤表觀電導(dǎo)率相關(guān)性更強(qiáng)。

3) 本研究構(gòu)建的基于磁感式大地電導(dǎo)率儀的伊犁地區(qū)分層土壤鹽分解譯模型具有良好的精度，能夠用于該地區(qū)土壤鹽漬化精確評估。

[1] 趙軍偉, 蔣平安, 盛建東, 等. EM38電磁發(fā)生儀測定結(jié)果的影響因素分析[J]. 干旱區(qū)地理, 2005, 28(3): 362–366

[2] 楊勁松, 姚榮江. 基于磁感式土壤表觀電導(dǎo)率空間變異性的插值方法比較[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2007, 23(9): 50–57

[3] 李曉明, 楊勁松, 劉梅先, 等. 基于電磁感應(yīng)的典型干旱區(qū)土壤鹽分空間異質(zhì)性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010, 26(12):97–101

[4] 姚榮江, 楊勁松. 基于電磁感應(yīng)儀的黃河三角洲地區(qū)土壤鹽分時空變異特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008, 24(3): 107–113

[5] 李洪義, 史舟, 吳次芳, 等. 基于EM38 的濱海鹽土剖面電導(dǎo)率原位測定[J]. 土壤學(xué)報, 2013, 50(6):1231–1235

[6] 劉廣明, 楊勁松, 鞠茂森, 等. 電磁感應(yīng)土地測量技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 土壤, 2003, (1):27–29

[7] 劉海霞, 丁建麗. 基于EM38和遙感影像的土壤表觀電導(dǎo)率建模研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2012, 26(11): 122–126

[8] 李海濤, 李小梅, Philip B, 等. 電磁感應(yīng)方法在土壤鹽漬化評價中的應(yīng)用研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2006(1): 95–98

[9] 姚榮江, 楊勁松, 劉廣明. EM38在黃河三角洲地區(qū)土壤鹽漬化快速檢測中的應(yīng)用研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2008, 26(1): 67–73

[10] 夏英輝, 熊黑鋼. EM38在土壤鹽分分帶中的運(yùn)用研究[J]. 干旱區(qū)研究, 2013, 30(4):628–633

[11] 呂真真, 楊勁松, 劉廣明. 基于EM38－MK2的濱海土壤電導(dǎo)率精確解譯模型[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報, 2014, 32 (10): 894–900

[12] 孫運(yùn)朋, 張振華, 陳小兵, 等．大地電導(dǎo)率儀EM38—MK2數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用拓展研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2013, 32(4): 135–137

[13] 吳亞坤, 楊勁松, 李曉明. 基于光譜指數(shù)與EM38的土壤鹽分空間變異性研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2009, 29(4): 1023–1027

Interpretation Model of Soil Salinity Based on Electrical Conductivity Meter of Electromagnetic Induction

LI Bing1, LIU Guangming1, Sulitan2, CHEN Cheng3, YANG Jinsong1

(1State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 3 Yellow River Conservancy Institute, Kaifeng, Henan 475004, China)

Taking salinized soil as research object in Ili City of Xinjiang Uygur Autonomous Region, soil salinities were measured in different layers and soil electrical conductivity were recorded by EM38 and EM31. The correlation between soil salinities and apparent soil electrical conductivities in different layers were analyzed and interpretation models of soil salinity were established. The results showed that significant liner correlation existed between soil salinities and apparent soil electrical conductivities in different layers, which indicate the high accuracy of the established models. This study can provide an important support in accurately interpreting the characteristic of soil salinity in Ili.

Electromagnetic induction meter; Interpretation model; Soil salinization; Arid region

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.022

159.2

A

新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃項目(201531116)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFC0501402)和河南省科技計劃項目(152102110097)資助。

(gmliu@issas.ac.cn)

李兵(1987—)，男，河南澠池人，碩士，主要研究方向為土壤改良與作物栽培。E-mail：libing3130@126.com