開都河流域下游綠洲土壤鹽漬化影響因子分析

阿斯耶姆·圖爾迪，李新國，靳萬貴，梁 東

（1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊830054）

鹽漬化是各種營力使鹽分在土壤中或地表集聚的過程，是人類共同面臨的一個全球性環(huán)境問題［1－2］。土壤鹽漬化通常出現(xiàn)在氣候干旱、土壤蒸發(fā)強度大、地下水位高且含有較多的可溶性鹽類的地區(qū)。鹽漬化是干旱、半干旱地區(qū)土壤的一個普遍特征，是一定的氣候、地形、水文地質(zhì)等自然條件共同對水鹽運動產(chǎn)生影響的結(jié)果［3－4］。土壤鹽漬化主要分布于我國的西部干旱地區(qū)，是制約西部農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙，也是影響綠洲生態(tài)穩(wěn)定的重要因素。而新疆是典型的干旱區(qū)，土壤鹽漬化非常嚴重。近10a來，新疆水土開發(fā)和綠洲灌區(qū)建設(shè)取得了一定的進步，但是干旱的氣候、水資源不足和人類活動等條件使得土壤鹽漬化改良受到一定局限［5］。何祺勝等［6］對渭干河－庫車河三角洲綠洲鹽漬化成因進行了分析，認為干旱荒漠氣候、含鹽母巖和母質(zhì)、活躍的地表水和地下水的補給是鹽漬土形成的動力，人文活動是形成灌區(qū)次生鹽漬化的重要條件；龔新梅［7］將傳統(tǒng)的野外定位調(diào)查數(shù)據(jù)和同時期TM遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，以阜康三工河流域為研究區(qū)域，進行土壤鹽漬化的遙感分級，分析了該區(qū)域的土壤鹽漬化的格局分布和動態(tài)變化的影響因子；宋長春等［8］在探討潛水埋深、礦化度、組成、徑流條件等對內(nèi)陸鹽漬化土壤形成的影響基礎(chǔ)上，分析了潛水向上遷移速率與水位的關(guān)系，提出了潛水埋深及礦化度與土壤鹽漬化程度的定量指標(biāo)。姚榮江等［9］采用通徑分析方法研究了黃河下游三角洲鹽漬區(qū)表層土壤（0—10cm）積鹽的影響因子及其強度的主次關(guān)系。塔西甫拉提等［10］研究干旱區(qū)地帶的兩個鹽漬化典型區(qū)域——阿克蘇地區(qū)的庫車縣、新和縣與沙雅縣以及和田地區(qū)的于田縣為研究區(qū)進行了實證分析，通過研究發(fā)現(xiàn)，兩個同處于塔里木盆地周邊地區(qū)，由于水文、氣候、地形、人類活動等因素差異的存在，導(dǎo)致了鹽漬化情況的差異。張同娟等［11］對長江河口地區(qū)土壤鹽漬化影響因子做了土壤鹽分影響因子分析。以B.A.薩烏緬為代表的學(xué)者認為對于干旱地帶的大多數(shù)灌區(qū)來說，土壤次生鹽漬化的形成和發(fā)展是由于不合理的灌溉，用水不當(dāng)，抬高了地下水位，加之強烈的蒸發(fā)引起了土壤鹽漬化［12］。Barrow等［13］在研究地下水與鹽漬化過程的關(guān)系時，表明當(dāng)?shù)叵滤簧仙降乇硪韵?.5～2.5m范圍時，水分的蒸發(fā)蒸騰量加大，導(dǎo)致鹽分的上行累積。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，已有多位學(xué)者對新疆的土壤鹽漬化特點、類型劃分、預(yù)報、成因及治理模式進行過大量的試驗研究和調(diào)查［14－20］。由于土壤鹽漬化發(fā)生的復(fù)雜性，現(xiàn)階段土壤鹽漬化成因研究主要偏重于自然因素的研究［21］。然而，對土壤鹽漬化的自然和人文因素共同作用仍缺乏足夠的研究。

分析區(qū)域土壤鹽漬化發(fā)生的自然條件和主導(dǎo)的環(huán)境要素是理解土壤鹽漬化過程的基礎(chǔ)，對于更好地預(yù)防和治理土壤鹽漬化具有十分重要的作用［22－23］。研究各種因素影響下土壤鹽漬化發(fā)生和演變的規(guī)律，認識土壤鹽漬化過程和各種因素的相互關(guān)系，是防治土壤鹽漬化的基本環(huán)節(jié)。我國地域遼闊，自然條件復(fù)雜，只有查明不同條件下土壤鹽漬化的原因，進行針對性的治理，才能達到有效防治土壤鹽漬化的目的，同時也減少經(jīng)濟支出［24］。雖然，國內(nèi)許多學(xué)者較為詳細地介紹和研究了鹽漬化的形成和發(fā)展，但是由于各地的自然條件，如氣候、地形地貌、水文地質(zhì)、成土母質(zhì)和社會經(jīng)濟等的明顯差異，對鹽漬化土壤的形成、發(fā)展和改良利用途徑產(chǎn)生不同的影響。因此，通過采用空間分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析法，對研究區(qū)土壤鹽漬化影響因子進行研究，可以掌握影響因子對于鹽漬化程度和變化的影響，為制定綜合治理鹽漬化措施與合理利用土地提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

開都河下游灌區(qū)位于新疆焉耆盆地，行政區(qū)域上包括和靜縣、焉耆縣、博湖縣及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)二師22團、23團、24團、25團、27團和223團，地理位置為85°42′—88°00′E，41°35′—42°30′N。開都河是唯一能常年補給博斯騰湖的最大一條河流，其下游段（大山口水電站到博斯騰湖入湖口），河流長度為171km。下游灌區(qū)的地面海拔高度一般為1 050～1 200m，地勢西北高東南低。研究區(qū)屬南北疆過渡的大陸荒漠性氣候，氣候特征表現(xiàn)為熱量充足，日照時數(shù)長，降水稀少，蒸發(fā)強烈，年平均氣溫8.0～8.6℃，≥10℃的積溫3 414.4～3 694.1℃，無霜期176～200d；年平均降水量50.7～79.9mm，蒸發(fā)量為2 000.5～2 449.7mm；土壤類型主要有棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕潮土、鹽土、風(fēng)沙土等；區(qū)內(nèi)地下水資源較為豐富，地下水可開采量為9.05億m3／a，地下水位多為1.0～2.0m［25］。地下水化學(xué)特征具有較強的地帶性分異規(guī)律，山前沖積—洪積平原為低礦化的重碳酸型水，過渡到?jīng)_積平原的中上部為重碳酸—硫酸鹽型，濱湖地區(qū)則為硫酸鹽—氯化物型；在河流水網(wǎng)密集的區(qū)域，潛水受地表水的淡化作用明顯，地下水化學(xué)組成復(fù)雜［26］。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

以遙感影像（2010年9月）、2010年水系分布圖及2010年9月土壤鹽分數(shù)據(jù)（按0—10cm，10—30 cm和30—50cm層取荒地，鹽漬地、耕地和林地4種土地利用類型，63個采樣點，共189個樣品）為數(shù)據(jù)源，通過ArcGIS 9.2來獲取空間因子，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)采用灰色關(guān)聯(lián)度法對研究區(qū)土壤鹽漬化影響因子的影響力大小進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響因子選取依據(jù)

土壤鹽漬化的發(fā)生與發(fā)展與諸多因素有關(guān)，其中地下水特征、氣候條件等自然條件是重要影響因子［27］。地形是影響土壤鹽漬化的重要因子，地形能造成所謂的“干排鹽”。土壤鹽漬化與地下水位、地下水含鹽量關(guān)系密切，地下水埋藏愈淺，蒸發(fā)愈強烈，土壤積鹽愈快，地下水含鹽量越高，土壤積鹽愈重。是干旱區(qū)土壤鹽漬化分異的基礎(chǔ)［28］，因此選高程、地下水埋深和地下水礦化度作為自然影響因子。

水體是發(fā)生土壤鹽漬化的重要基礎(chǔ)，也是保持干旱區(qū)生態(tài)平衡的重要因子，因此最近湖岸距離是影響土壤鹽漬化時空演變影響因素的人為因素；最近灌水渠距離、最近排水渠距離代表人類土地管理因子的元素，也是影響土壤鹽漬化時空演變影響因素的人為因素；通過排水渠和灌水渠線劃圖和遙感分類圖疊加，可知離灌水渠和排水渠越近，土壤鹽漬化程度一般越??；因此選取最近湖岸距離、最近灌水渠距離、最近排水渠距離作為人文影響因子。

3.2 空間因子提取方法

利用地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間分析功能，得到土壤鹽漬化影響因子空間分析所需的各種空間變量。各類因子均在ArcGIS 9.0支持下提取。其中，距離湖岸、灌渠和排渠的遠近等人文因素，根據(jù)ALOS影像（2010年9月）提取湖岸線、參考研究區(qū)已有的水系分布圖中提取灌水渠和排水渠圖層，在ArcGIS 9.2的spatial analyst模塊中按照點與線之間的最短距離來生成；地下水埋深和地下水礦化度采用克里格空間插值法來獲??；采樣點的高程根據(jù)GoodyGIS和ArcGIS空間分析來提取。

圖1 2010年地下水埋深、地下水礦化度空間插值分布

根據(jù)以上分析，共提取6種鹽漬化影響因子，即最近湖岸距離（X1）、最近灌渠距離（X2）、最近排渠距離（X3）、高程（X4），地下水埋深（X5）和地下水礦化度（X6），土樣深度含鹽量（X0）分別為0—10cm，10—30cm，30—50cm的土壤含鹽量。其中X2，X3為最近灌溉水渠距離、最近排水渠距離代表人類土地管理因子的元素，也是影響土壤鹽漬化時空演變的影響因素之一的人為因素。

通過野外調(diào)研的采樣點和空間插值分布圖的疊加（圖1）可知，地下水埋深越淺，毛細作用越強烈，采樣點土壤含鹽量越高；地下水礦化度越大，土壤含鹽量越高。通過采樣點和排灌區(qū)矢量化圖疊加，離灌水區(qū)、排水渠越近，土壤含鹽量越低。表明灌溉作為人為因子，降低土壤中的鹽分含量，控制土壤鹽漬化的作用。

3.3 空間影響因子的關(guān)聯(lián)度計算

在現(xiàn)有研究成果和實地調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行土地鹽漬化時空演變中各類影響因子的選取。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對6種影響因子在研究區(qū)土壤鹽漬化時空演變的影響力進行定量分析。

（1）原始數(shù)據(jù)變換。評價指標(biāo)無量綱化，即由于系統(tǒng)中各因素的量綱（或單位）不一定相同，對原始數(shù)據(jù)需要消除量綱（或單位），轉(zhuǎn)換為可比較的數(shù)據(jù)序列［29－30］。由于各子序列對母序列的作用不一，對于正向指標(biāo)：yi＝xi／x0，逆向指標(biāo)：yi＝1－xi／x0，其中，xi為子序列的實際值，x0為子序列的最大值。本文采用的是均值化變換：先分別求出轉(zhuǎn)換后的各個序列的平均值，再用平均值去除對應(yīng)序列中的各個原始數(shù)據(jù)，所得到的新的數(shù)據(jù)列，即為均值化序列。

（2）計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。經(jīng)數(shù)據(jù)變換的母數(shù)列記為X0，子數(shù)列記為Xi，則母序列X0與子序列Xi的關(guān)聯(lián)系數(shù)可由下式計算：

式中：k＝1，2，3，…，N；i＝1，2，…，5；ξi（k）——數(shù)據(jù)序列xi與x0在位置k處（即某時刻發(fā)生變化或未發(fā)生變化的位置）的關(guān)聯(lián)系數(shù)。這里的minimink│x0（k）－xi（k）│為數(shù)據(jù)序列某個xi與x0全部5XN個絕對差中的最小值，用小中取小的方法得到。類似地，maximaxk│x0（k）－xi（k）│為數(shù)據(jù)序列某個xi與x0全部7XN個絕對差中的最大值，用大中取大的方法得到。ρ為分辨系數(shù)（ρ∈［0，1］），用來制約 maximaxk│x0（k）－xi（k）│的值，以免過大而失真，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，這里取ρ值為0.5［20］。

（3）關(guān)聯(lián)度計算。關(guān)聯(lián)度的分析實質(zhì)上是對時間序列數(shù)據(jù)進行幾何關(guān)系比較，兩序列的關(guān)聯(lián)度以兩個比較序列各個時期的關(guān)聯(lián)系數(shù)之平均值計算。

式中：Ri——子序列i與目序列0的關(guān)聯(lián)度；N——比較序列的長度（即數(shù)據(jù)個數(shù)）。

3.4 關(guān)聯(lián)度排序

將6種影響因子對土壤含鹽量的關(guān)聯(lián)度進行排序，得出各因子在不同土壤層下的關(guān)聯(lián)序（表1）。

表1 影響因子的關(guān)聯(lián)度

從表1可知，0—10cm層各因子在不同土壤層下的關(guān)聯(lián)序：地下水埋深＞最近排水渠距離＞高程＞最近灌溉水渠距離＞最近湖岸距離＞地下水礦化度；10—30cm層各因子在不同土壤層下的關(guān)聯(lián)序：地下水埋深＞最近湖岸距離＞最近排水渠距離 ＞高程＞最近灌溉水渠距離＞地下水礦化度；30—50cm層各因子在不同土壤層下的關(guān)聯(lián)序：最近灌水渠距離＞地下水埋深＞最近排水渠距離＞地下水礦化度＞最近湖岸距離＞高程。

3.5 關(guān)聯(lián)度分析

在灰色關(guān)聯(lián)分析中，因子的重要性以關(guān)聯(lián)度表示，關(guān)聯(lián)度越大，則表示因子越重。從圖2的關(guān)聯(lián)度排序中可知，6種影響因子對土壤含鹽量的關(guān)聯(lián)度隨土層深度的不同有明顯的變化。

圖2 不同土層下的因子關(guān)聯(lián)度

由圖2可知，0—10cm層各個影響因子的關(guān)聯(lián)度都達到了最高值，最近湖岸距離、最近灌水渠距離、最近排水渠距離、高程、地下水埋深和地下水礦化度在0—10cm層的關(guān)聯(lián)度較大，關(guān)聯(lián)系數(shù)均高于0.654 2，并排在關(guān)聯(lián)序的前列，關(guān)聯(lián)度大于10—30 cm和30—50cm。0—10cm土壤層是土壤鹽漬化最容易發(fā)生變化的土層，該土壤層下的關(guān)聯(lián)序反映了研究區(qū)土壤鹽漬化對各個影響因子的敏感程度。說明各個影響因子主要在0—10cm土層上對土壤鹽漬化變化產(chǎn)生最大影響，對研究區(qū)土壤鹽漬化演變起主導(dǎo)作用。其中，地下水埋深和最近排水渠距離影響上層土壤含鹽量最為顯著，是影響研究區(qū)土壤含鹽量最為活躍、最直接影響土壤鹽漬化的自然和人文因子。地下水埋深越淺，離排灌渠越近，土壤含鹽量越高，越容易發(fā)生土壤鹽漬化。這表明0—10cm層受人類活動干擾，農(nóng)田的排水灌溉系統(tǒng)對降低土壤含鹽量起到了一定作用，離排灌渠的距離越近，土壤改善的效果越顯著。

各個影響因子的關(guān)聯(lián)度在每一土層下相差不大，說明各個影響因子對土壤鹽漬化變化的影響力相差小，各個影響因子共同作用于研究區(qū)的土地鹽漬化過程，研究區(qū)土地鹽漬化的治理困難較大，需要綜合考慮各個影響因子的作用。

10—30cm和30—50cm層各個因子與土壤含鹽量的關(guān)聯(lián)度不同，與0—10cm層，10—30cm層地下水埋深和最近湖岸距離關(guān)聯(lián)度最大，30—50cm層最近灌水區(qū)距離和地下水埋深關(guān)聯(lián)度最大。10—30 cm地下水埋深和最近湖岸距離為關(guān)鍵因子而30—50cm層最近灌水渠距離和地下水埋深為關(guān)鍵因子。相對于表層土壤來說，排灌系統(tǒng)對降低深層土壤含鹽量的效果略有下降，這主要是因為區(qū)域地下水普遍埋藏較淺，毛細作用強烈，深層土壤更易受地下水化學(xué)性質(zhì)的影響。分析結(jié)果表明，地下水埋深、最近灌水渠距離、最近排水渠距離是控制土壤次生鹽漬化的關(guān)鍵因素。因此，發(fā)展有效的排水灌溉系統(tǒng)、保證灌溉水質(zhì)是治理區(qū)域下層土壤次生鹽漬化有效的途徑。

總上所述，研究區(qū)近期土壤鹽漬化變化是人為因素與自然因素共同作用的結(jié)果，其中某些因素又是現(xiàn)階段可以控制的因素，尤其是人為因素。根據(jù)對多個影響因子的綜合分析，研究區(qū)在土地鹽漬化防治中重要的是要科學(xué)合理地控制人類活動，制定土地開發(fā)的合理規(guī)模，防止不合理的土地開發(fā)引起土壤鹽漬化加重的現(xiàn)象。首要考慮要加強地下水埋深的動態(tài)監(jiān)測，保持合理的地下水埋深，其次，要確定合理的灌排比例和灌排措施，防止灌排不當(dāng)引起的土壤次生鹽漬化現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)論

開都河流域下游綠洲土壤鹽漬化變化是人為因素與自然因素共同作用的結(jié)果。不同土層土壤鹽漬化影響因子不同。土壤鹽漬化影響因子對土壤含鹽量的關(guān)聯(lián)度排序0—10cm層為地下水埋深＞最近排水渠距離＞高程＞最近灌溉水渠距離＞最近湖岸距離＞地下水礦化度，最高關(guān)聯(lián)度值為0.750 0；10—30 cm層為地下水埋深＞最近湖岸距離＞最近排水渠距離＞高程＞最近灌溉水渠距離＞地下水礦化度，最大關(guān)聯(lián)度值為0.586 7；30—50cm層為最近灌水渠距離＞地下水埋深＞最近排水渠距離＞地下水礦化度＞最近湖岸距離＞高程，最大關(guān)聯(lián)度值為0.624 0。地下水埋深是影響土壤鹽分含鹽量最為活躍、最為直接的因素。最近灌水渠距離、最近湖岸距離和最近排水渠距離是影響研究區(qū)土壤鹽漬化演變的次要因子。

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