近50a開都河下游綠洲土壤鹽漬化動(dòng)態(tài)分析

賴寧，李新國，阿斯耶姆·圖爾迪，古麗克孜·吐拉克

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；3.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054）

1 引 言

土壤鹽漬化是干旱區(qū)土地退化的主要類型之一，是影響全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地資源可持續(xù)利用中的主要問題［1］。眾多國內(nèi)外專家和學(xué)者在土壤鹽漬化方面做了大量研究，Metternicht等利用Landsat TM遙感影像，成功地提取了土壤鹽漬化分布信息［2－3］。Somsak SUKCHAN和Yukiyo YAMAMOTO利用TM圖像和GIS相結(jié)合評價(jià)土壤鹽漬化程度，通過野外調(diào)查，對影像進(jìn)行監(jiān)督分類，分類精度達(dá)到了85.26%［4］。買買提·沙吾提等以ALOS遙感影像為數(shù)據(jù)源，在實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，采用決策樹分類方法對鹽漬地進(jìn)行信息提取，分析研究區(qū)域鹽漬地現(xiàn)狀及成因［5］。喬木等以1985年渭干河流域土壤普查數(shù)據(jù)、1998年Landsat TM影像和2008年CBERS影像為數(shù)據(jù)源，通過人機(jī)交互解譯方式獲取3個(gè)時(shí)期土壤鹽漬化分布狀況，并結(jié)合GIS對近20a區(qū)域土壤鹽漬化時(shí)空變化特征進(jìn)行分析［6］。

本文以開都河下游綠洲為研究區(qū)，在實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，以1958年新疆土壤類型圖與3個(gè)不同時(shí)期的遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用RS與GIS技術(shù)，分析近50a研究區(qū)鹽漬化土地的時(shí)空變化，為今后區(qū)域可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

2 研究區(qū)概況

開都河下游綠洲位于新疆焉耆盆地，行政區(qū)包括和靜縣、焉耆縣、和碩縣、博湖縣以及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)二師下轄6個(gè)團(tuán)場，地理位置為85°42′E～88°00′E，41°35′N～42°30′N，如圖1所示。開都河是博斯騰湖常年補(bǔ)給的最大河流，其下游（大山口水電站到博斯騰湖入湖口）長171km，海拔在1050m～1200m，地勢西北高，東南低。氣候類型屬于南北疆過渡的大陸荒漠性氣候，日照長，熱量充足，年均溫度8.0℃～8.6℃，≥10℃的積溫3414.4℃～3694.1℃，無霜期176d～200d；降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年平均降水量50.7mm～79.9mm，年蒸發(fā)量2000.5mm～2449.7mm［7］；土壤類型主要有灌耕土、草甸土、沼澤土、潮土、鹽土、棕漠土等［8］；區(qū)內(nèi)地下水資源較為豐富，地下水可開采量為9.05×108m3／a，地下水位多在2.0m 以下［9］。地下水在山前沖積—洪積平原為低礦化的重碳酸型，過渡到?jīng)_積平原的中上部為重碳酸—硫酸鹽型，湖濱地區(qū)則為硫酸鹽—氯化物型［10］。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

3 數(shù)據(jù)來源與處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究時(shí)間跨度為52a，選取1958年中國科學(xué)院土壤研究所繪制的新疆土壤類型圖，比例尺為1∶50萬，1973年研究區(qū)地形圖，比例尺為1∶20萬以及1973年4月Landsat MSS，1990年4月Landsat TM與2010年4月Landsat ETM＋遙感圖像為基本數(shù)據(jù)源。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.2.1 遙感影像波段合成與掩膜裁剪

對1973年MSS影像選取321波段組合，1990年TM和2010年ETM＋選取432波段組合。利用現(xiàn)有的研究區(qū)范圍矢量文件對波段合成后的影像進(jìn)行掩膜裁剪。

3.2.2 輻射校正與圖像增強(qiáng)

由于傳感器的靈敏度、太陽高度角、地表起伏以及大氣散射和吸收等差異造成衛(wèi)星影像的輻射誤差，使得圖像失真，影響影像的判讀和解譯，因此需要對影像進(jìn)行輻射校正［11］。

對輻射校正后的3個(gè)不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行直方圖匹配，提高圖像清晰度，突出特征紋理，便于進(jìn)行人機(jī)交互的影像解譯判讀。

3.2.3 影像重采樣與幾何校正

考慮MSS影像與TM和ETM＋影像空間分辨率的差異性，必然會(huì)導(dǎo)致影像在配準(zhǔn)時(shí)有較大誤差，影響后續(xù)的分類結(jié)果空間疊加分析。在ENVI軟件支持下，采用雙線內(nèi)插法對1973年MSS遙感影像進(jìn)行重采樣，重采樣后影像的空間分辨率為30m×30m。

以2010年ETM＋影像為基準(zhǔn)，對重采樣后的影像進(jìn)行幾何校正。經(jīng)過對配準(zhǔn)矩陣的誤差計(jì)算，影像的橫坐標(biāo)誤差為0.63像元，縱坐標(biāo)誤差為0.59像元，點(diǎn)誤差為0.62像元，其誤差在一個(gè)像元以內(nèi)，符合精度要求，校正后影像投影坐標(biāo)系為WGS＿84＿45N，中央經(jīng)度為87°E。

3.3 遙感影像解譯判讀

結(jié)合野外實(shí)地考察，在遙感影像上找到對應(yīng)位置，分析不同類型鹽漬化土地的影像特征，包括影像色調(diào)、紋理、形狀、分布位置及與周邊關(guān)系等建立解譯標(biāo)志。根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)土壤鹽漬化等級分級標(biāo)準(zhǔn)［12］，將研究區(qū)鹽漬地分為非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地和重度鹽漬地等4種鹽漬地類型。

表1 遙感影像信息解譯標(biāo)志

3.4 遙感影像分類

本文對1958年研究區(qū)土壤類型圖進(jìn)行矢量化，將研究區(qū)劃分為鹽漬化土地、非鹽漬化土地，裸地和水體4類。

采用光譜角分類法（SAM），根據(jù)解譯標(biāo)志對3期遙感影像進(jìn)行圖像分類，將研究區(qū)分為非鹽漬化土地、輕度鹽漬化土地、中度鹽漬化土地等7類。

3.5 分類精度驗(yàn)證

經(jīng)過聚類處理和分類重編碼處理后，采用分類混淆誤差矩陣對分類結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià)，3期影像的總體分類精度分別為0.88、0.90和0.89，Kappa系數(shù)分別為0.84、0.85和0.85，符合精度要求的分類結(jié)果。

表2 3個(gè)不同時(shí)期遙感影像總體分類精度和Kappa系數(shù)

圖2 四個(gè)不同時(shí)期鹽漬化土地分類圖

4 結(jié)果分析

4.1 鹽漬化面積變化與動(dòng)態(tài)度分析

鹽漬化動(dòng)態(tài)度（SSDI）是用于描述鹽漬化變化速率的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下［13］：

其中，Ua，Ub分別為研究區(qū)開始時(shí)刻a和結(jié)束時(shí)刻b的鹽漬化土地面積（km2），T為研究時(shí)段長（年），當(dāng)SSDI＞0時(shí)，表示面積減少，SSDI＜0時(shí)，表示面積增加。

從表3可知：①1958年～2010年，鹽漬地總面積呈減少趨勢。1958年鹽漬地面積最大，為1518.07km2，占研究區(qū)總面積的25.88%；2010年面積最小，為651.26km2，占研究區(qū)總面積的11.10%。②1973年～2010年呈先減少后增加趨勢。1973年重度鹽漬化土地面積為500.68km2，1973年～1990年面積減小256.31km2，1990年～2010年面積增加100.89 km2。③1973年～2010年呈減少趨勢。1973年中度鹽漬化土地面積為456.41km2，1973年～1990年面積減少313.28km2，1990年～2010年面積減少60.08km2。④1973年～2010年面積呈先增加后減小趨勢。1973年輕度鹽漬化土地面積為326.59km2，1973年～1990年面積增加79.41km2，1990年～2010年面積減少186.09km2。

表3 1958年～2010年各類型鹽漬化土地面積統(tǒng)計(jì)

表4 1958年～2010年鹽漬化動(dòng)態(tài)度SSDI分段統(tǒng)計(jì)

從整體來看，1958年～2010年，總鹽漬化土地SSDI值為1.09，表明近50a鹽漬化土地總面積以每年1.09%的速率減小。1973年～1990年SSDI值最大，為2.14，1990年～2010年SSDI值最小，為0.98。1973年～2010年，重度、中度和輕度鹽漬化土地SSDI值均為正，表明3種類型鹽漬化土地面積持續(xù)減小，其中中度鹽漬化土地面積減小速率最大，SSDI值為2.18，重度鹽漬化土地面積減小速率最小，SSDI值為0.83。

1973年～1990年，中度鹽漬化土地面積減小速率最大，SSDI值為4.02，是重度鹽漬化土地的1.45倍；輕度鹽漬化土地面積呈增加趨勢，SSDI值為－1.47。

1990年～2010年，輕度鹽漬化土地面積減小速率最大，SSDI值為2.29，重度鹽漬化土地呈增加趨勢，SSDI值為－1.56。

4.2 鹽漬化土地轉(zhuǎn)換特征分析

通過表4和表5分析可知：①裸地是3種類型鹽漬地的主要轉(zhuǎn)入部分，3類鹽漬地之間相互轉(zhuǎn)化。1973年～1990年，中度鹽漬化土地轉(zhuǎn)化為重度鹽漬化土地的面積為63.60km2，59.13km2的重度鹽漬化土地向中度鹽漬化土地轉(zhuǎn)化，119.74km2的重度鹽漬化土地、113.82km2的中度鹽漬化土地向輕度鹽漬化土地轉(zhuǎn)化，裸地向鹽漬地轉(zhuǎn)化的面積為158.14km2；1990年～2010年，58.88km2的輕度鹽漬化土地、63.6km2的中度鹽漬化土地向重度鹽漬化土地轉(zhuǎn)移，14.70km2的重度鹽漬化土地、13.96 km2的輕度鹽漬化土地和48.11km2的裸地向中度鹽漬化土地轉(zhuǎn)化，19.69km2的重度鹽漬化土地、11.97km2的中度鹽漬化土地和向輕度鹽漬化土地轉(zhuǎn)移，290.67km2的裸地向鹽漬地轉(zhuǎn)移；②3類鹽漬化土地均存在向非鹽漬化土地和裸地轉(zhuǎn)移。1973年～1990年，148.72km2的重度鹽漬化土地、206.9 km2的中度鹽漬化土地非鹽化土地、208.14km2的輕度鹽漬化土地向裸地轉(zhuǎn)移。1990年～2010年，36.45km2的重度鹽漬化土地、51.25km2的中度鹽漬化土地、90.66km2的輕度鹽漬化土地向非鹽化土地轉(zhuǎn)移；49.46km2的重度鹽漬化土地、38.29km2的中度鹽漬化土地、178.05km2的輕度鹽漬化土地向裸地轉(zhuǎn)移。

表5 1973年～1990年鹽漬地轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

表6 1990年～2010年鹽漬地轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

5 影響因素與相關(guān)分析

土壤鹽漬化是地質(zhì)、水文和特定氣候等自然因素及人為因素綜合作用的產(chǎn)物［14］。其中，自然因素是土壤鹽漬化形成與變化的內(nèi)因，人文因素是土壤鹽漬化特別是綠洲次生鹽漬化的最具有活力的驅(qū)動(dòng)因素之一［15］。

5.1 自然因素

5.1.1 地質(zhì)與地貌因素是形成土壤鹽漬化的重要因素。

研究區(qū)屬于天山南麓前山帶，地貌從山地到平原。在由中生代—新生代構(gòu)造組成的前山帶，廣泛分布著白堊紀(jì)到第三紀(jì)紅色巖鹽含鹽地層，據(jù)新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘探與開發(fā)局鉆井資料顯示，地表0.60m內(nèi)土壤易溶鹽平均為2.00g／kg；2m～4m 為3.00g／kg；4m～l0m 土層2.50g／kg；10m～15m 土層仍可達(dá)到1.50g／kg［16］。

研究區(qū)四周為山地，海拔較高，且封閉，中間低洼，地勢較為平緩，含鹽地層經(jīng)長期風(fēng)化剝蝕，再經(jīng)流水不斷搬運(yùn)到平原，鹽分向低洼處富集，土壤處于積鹽狀態(tài)。由于水資源的強(qiáng)度開發(fā)，河水大量引入灌區(qū)，造成河流縮短，使鹽分主要向灌區(qū)內(nèi)潛伏，增大了內(nèi)部鹽漬化的潛在威脅［7］。開都河河間地不同地貌區(qū)域土壤積鹽情況，如表7示。

表7 開都河河間地土壤積鹽情況［17］

5.1.2 地下水因素是土壤鹽漬化形成和演變的重要因素

由圖3可知，研究區(qū)西部和東北部，地下水位埋深大于3m～10m，礦化度小于1g／L，地下徑流暢通，不利于鹽分的滯留，很難被帶至地表；在中部平原灌區(qū)，地下水位埋深2m～3m，礦化度1g／L～10g／L，地下水徑流緩慢，潛水除向下游排泄外，絕大部分消耗于蒸發(fā)，土壤處于積鹽狀態(tài)，發(fā)育著中度鹽漬化土或鹽土；在研究區(qū)下游區(qū)，地下水位埋深小于2m，礦化度3g／L～10g／L，地下水徑流滯緩，部分地區(qū)近乎停滯，潛水排泄不暢，主要消耗于蒸發(fā)，鹽分上移積累，形成大面積的鹽土及鹽殼［18］。

圖3 2010年4月地下水礦化度和地下水位埋深空間插值圖

5.1.3 大陸荒漠性氣候是土壤鹽漬化形成的重要條件

根據(jù)焉耆、和靜、和碩、博湖4個(gè)縣氣象臺(tái)站近50a實(shí)測資料的統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)域年均溫為8.76℃，年均溫度升高0.04℃，氣溫呈上升趨勢；區(qū)域內(nèi)年均降水量度為77.01mm，年均蒸發(fā)量為2008.72mm，是年均降水量的26倍。在溫度和蒸降比較高的情況下，土壤及地下水中的可溶性鹽離子會(huì)隨著土壤毛細(xì)管作用不斷上升至土壤表層，土壤處于積鹽狀態(tài)。

5.2 人文因素

5.2.1 人口數(shù)量的增長影響著區(qū)域土壤鹽漬化的演變

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1949年區(qū)域人口僅為7.86×104，到2010年區(qū)域人口達(dá)47.52×104，是1949年的6.05倍，人口自然增長速率達(dá)20.73%，人口增長迅速。人口數(shù)量迅速的增長給綠洲資源的開發(fā)帶來強(qiáng)勁的人力資源，同時(shí)也增加了綠洲水資源和土地資源的承載壓力。綠洲大規(guī)模的土地資源開發(fā)，大面積的荒地和鹽漬地被開墾，鹽漬化地經(jīng)大水漫灌、洗鹽，排至排堿渠或其邊緣，使得局部地域鹽漬化程度加重。

5.2.2 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)影響著區(qū)域土壤鹽漬化的演變

農(nóng)業(yè)在開都河下游綠洲的國民經(jīng)濟(jì)中占很大比重，占地區(qū)生產(chǎn)總值的40.79%。根據(jù)相關(guān)資料和實(shí)地調(diào)查，自1989年，新疆維吾爾自治區(qū)實(shí)行“一黑一白”的發(fā)展戰(zhàn)略［19］，研究區(qū)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，由于棉花、辣椒等經(jīng)濟(jì)作物價(jià)格上漲，提高了農(nóng)民生產(chǎn)積極性，隨即開始了大面積墾荒以擴(kuò)大耕地來提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量。然而綠洲發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的過程中，重灌輕排、大水漫灌，造成灌排失調(diào)。要使土壤穩(wěn)定脫鹽，灌排比例應(yīng)該2∶1～4∶1［17］，而研究區(qū)的灌排比例高達(dá)10∶1～20∶1，造成水鹽平衡失調(diào)，導(dǎo)致土壤積鹽。同時(shí)過度的農(nóng)業(yè)用水也引起地下水位的抬高，超過臨界深度，影響灌區(qū)周圍和灌區(qū)內(nèi)部一些荒地或夾荒地的地下水位上升，成為干排荒地，導(dǎo)致這些土壤積鹽，發(fā)生土壤鹽漬化［20］。

5.3 相關(guān)分析

選取研究區(qū)1958年、1973年、1990年和2010年的年均溫度、年蒸發(fā)量、年降水量、人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值為自變量，以研究區(qū)鹽漬化土地面積為因變量，分析自變量與因變量的相關(guān)性，以明確該區(qū)域鹽漬化發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)，有助于鹽漬化評價(jià)及防治工作開展。

5.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于所選因子的單位與數(shù)量級的差異，需要對因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使所有因子對結(jié)果的作用力同趨化［21］，本文選取Z－Score法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，數(shù)學(xué)計(jì)算公式如下：

其中，P為新數(shù)據(jù)，S為原始數(shù)據(jù)，ˉS為原始數(shù)據(jù)均值，D為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。

5.3.2 相關(guān)性分析

將經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的年均溫度、年均溫度、年蒸發(fā)量、年降水量，人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值分別于鹽漬化土地總面積和3種類型鹽漬化土地面積進(jìn)行相關(guān)分析。

從表8可知，年蒸發(fā)量、年降水量，人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值均與鹽漬化土地呈負(fù)相關(guān)。其中，年均溫度與鹽漬化土地的相關(guān)系數(shù)值最大，為－0.98，其次為人口總數(shù)，為－0.95，年蒸發(fā)量最小，為－0.28。其多元線性回歸方程為：

該方程通過置信區(qū)間為95%的F值檢驗(yàn)。

表8 鹽漬化土地相關(guān)性分析

從表9可知，年蒸發(fā)量、年降水量，人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值均與輕度鹽漬化土地面積呈負(fù)相關(guān)。其中，年蒸發(fā)量與鹽漬化土地的相關(guān)系數(shù)值最大，為－0.96；其次，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值年降水量最小，為－0.33。運(yùn)用多元線性回歸分析建立輕度鹽漬化土地的回歸方程：

該方程通過置信區(qū)間為95%的F值檢驗(yàn)。

表9 輕度鹽漬化土地相關(guān)性分析

從表10可知，年蒸發(fā)量、年降水量，人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值均與中度鹽漬化土地面積呈負(fù)相關(guān)。其中，年降水量與鹽漬化土地的相關(guān)系數(shù)值最大，為－1.00；其次為年均溫度，年降水量最小，為－0.51。運(yùn)用多元線性回歸分析建立輕度鹽漬化土地的回歸方程：

通過置信區(qū)間為95%的F值檢驗(yàn)。

表10 中度鹽漬化土地相關(guān)性分析

從表11知，年蒸發(fā)量、年降水量，人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值均與重度鹽漬化土地面積呈負(fù)相關(guān)。其中，年降水量與鹽漬化土地的相關(guān)系數(shù)值最大，為－0.82；其次為年均溫度，年蒸發(fā)量最小，為－0.03。運(yùn)用多元線性回歸分析建立輕度鹽漬化土地的回歸方程：

通過置信區(qū)間為95%的F值檢驗(yàn)。

表11 重度鹽漬化土地相關(guān)性分析

研究區(qū)鹽漬化土地總面積和輕度鹽漬化土地面積隨人口總數(shù)的增長而減少，隨年降水量的增加而增加，中度和重度鹽漬化土地面積隨人口總數(shù)的增長而增加，隨年降水量的增加而減小。

6 結(jié)論與討論

（1）近50a研究區(qū)鹽漬化土地面積呈現(xiàn)減少趨勢：1958年面積為1518.07km2，2010年面積為651.26km2，鹽漬化土地面積減少866.81km2，鹽漬化動(dòng)態(tài)度SSDI值為1.09，中度鹽漬化土地面積減小速率最大，SSDI值為2.18，重度鹽漬化土地最小，SSDI值為0.87。

（2）1973年～2010年，3種不同類型鹽漬化土地之間相互轉(zhuǎn)化：重度鹽漬化土地轉(zhuǎn)化程度最高，占其轉(zhuǎn)移量的43.47%，輕度鹽漬化土地最小，為14.83%；3類鹽漬化土地均存在向非鹽漬化土地和裸地轉(zhuǎn)移，輕度鹽漬化土地轉(zhuǎn)移程度最高，占其轉(zhuǎn)移量的80.59%，重度鹽漬化土地最小，為55.03%；非鹽化土地和裸地也向鹽漬化土地轉(zhuǎn)移，裸地是鹽漬化土地轉(zhuǎn)入的主要部分，占其轉(zhuǎn)移量的31.08%。

（3）研究區(qū)的年均溫度、年蒸發(fā)量、年降水量、人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值與鹽漬化土地面積均呈負(fù)相關(guān)，其中年均溫度與鹽漬化土地的相關(guān)系數(shù)值最大，其值為0.98；年蒸發(fā)量與鹽漬化土地的相關(guān)系數(shù)值最小，其值為－0.28。

土壤鹽漬化是自然因素和人文因素共同作用的產(chǎn)物，自然因素是內(nèi)因，人文因素是外因，也是目前最活躍的因素，本文以年均溫度、年蒸發(fā)量、年降水量、人口總數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值為自變量，以鹽漬化土地面積為因變量進(jìn)行相關(guān)分析，得出研究區(qū)鹽漬化土地總面積和輕度鹽漬化土地面積隨人口總數(shù)的增長而減少，隨年降水量的增加而增加，中度和重度鹽漬化土地面積隨人口總數(shù)的增長而增加，隨年降水量的增加而減小。為了深入地對區(qū)域鹽漬化影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，應(yīng)收集不同類型的數(shù)據(jù)資料，以揭示該區(qū)域鹽漬化發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，進(jìn)而有助于相關(guān)鹽漬化評價(jià)及防治工作開展。

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