克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)不同開墾年限土壤鹽分變化①

張壽雨，吳世新，賀 可，蒙 敏，田長彥

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克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)不同開墾年限土壤鹽分變化①

張壽雨1,2,3，吳世新1*，賀 可1,2，蒙 敏4，田長彥1

(1 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，南京 210013；4 克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)管委會，新疆克拉瑪依 834000)

利用1996年、2006年和2016年3次土壤采樣數(shù)據(jù)和遙感影像，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)和GIS、RS技術(shù)，分析了克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)不同開墾年限土壤鹽分的變化。結(jié)果表明：近20 a來研究區(qū)土壤鹽漬化總體上呈現(xiàn)出減輕的趨勢，但開墾后土壤鹽分南重北輕的總體格局未發(fā)生變化。研究區(qū)總體上按照從北到南的順序進行開發(fā)，隨著開墾年限的增加，土壤鹽分含量總體呈現(xiàn)下降的趨勢，但2006年之后開墾區(qū)域的鹽分變化較為復(fù)雜。研究區(qū)較早開墾的耕地本底條件較好，開墾前土壤鹽漬化較輕，開墾后鹽漬化減輕程度較大，農(nóng)業(yè)活動的改良效果較好；隨著開墾年限的減小，土壤本底條件逐漸變差，農(nóng)業(yè)改良的效果逐漸降低。經(jīng)過十多年農(nóng)業(yè)種植后，南部部分地區(qū)的土壤鹽分含量較高，影響作物生長，主要表現(xiàn)為歸一化植被指數(shù)(NDVI)出現(xiàn)斑塊狀低值區(qū)。

克拉瑪依；農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)；土壤鹽分；開墾年限

土壤鹽漬化是干旱半干旱區(qū)土地退化的重要表現(xiàn)，同時也是影響干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)安全的重要因素[1-2]。第二次新疆土壤普查數(shù)據(jù)表明，鹽漬化耕地面積約占耕地總面積的31.10%[3]；2005年遙感調(diào)查表明，新疆鹽漬化耕地面積占耕地總面積的32.07%[4-5]。新疆已經(jīng)成為中國重要的糧棉生產(chǎn)基地和國家糧食安全后備基地，土壤鹽漬化嚴重威脅著新疆的農(nóng)業(yè)安全[6-7]。土壤鹽漬化的研究主要集中在土壤鹽分空間分布和田間尺度水鹽運移規(guī)律方面[8-19]，對土地開墾種植后土壤鹽分的變化和分布規(guī)律的研究相對不足[20]?，F(xiàn)有研究中探討土壤鹽分與開墾年限的關(guān)系時，主要是通過同一時間下比較不同開墾年限的不同耕地地塊的鹽分[21-26]。這種橫向比較只能揭示不同耕地土壤鹽分的現(xiàn)狀，無法揭示同一耕地土壤鹽分的動態(tài)變化。

本文在研究克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)土壤鹽分與開墾年限的關(guān)系時，通過橫向和縱向的比較，既分析了不同區(qū)域土壤鹽分的現(xiàn)狀又分析了同一區(qū)域土壤鹽分的動態(tài)變化；對比克拉瑪依農(nóng)業(yè)區(qū)開墾前后土壤鹽分的變化特征，分析近20 a來該區(qū)域土壤鹽漬化的空間分布及時空變化，探討以該區(qū)域為典型代表的綠洲土壤鹽漬化變化規(guī)律，以期為綠洲農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文以呼克公路以西的克拉瑪依農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)為研究區(qū)域(圖1)。研究區(qū)地處準噶爾盆地的西北部邊緣古瑪納斯湖的湖積平原上，東面瀕臨古爾班通古特沙漠，北部為荒漠平原。研究區(qū)高程為268 ~ 288 m，坡度為0.26%；屬于典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候，干燥少雨，蒸發(fā)強烈，降水主要集中在冬夏兩季，平均年降水量108.9 mm，蒸發(fā)量3 008.9 mm。殘余沼澤土是克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)的主要土壤類型，在深度15 m 范圍內(nèi)的地層巖性以第四紀晚更新世-全新世的河湖相細砂、粉砂、粉土與黏土為主。自2001年全面實施農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)以來，研究區(qū)主要依靠水利工程輸水管網(wǎng)引用區(qū)域外的水源進行灌溉。大量區(qū)外水資源的輸入以及相對封閉的地形，使研究區(qū)輸入的水量無法向外排出，一直處于有灌無排的狀態(tài)[27-28]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)包括土壤采樣數(shù)據(jù)和遙感影像。

圖1 研究區(qū)示意圖

土壤采樣數(shù)據(jù)包括1996年、2006年和2016年3期，土壤采樣深度為0 ~ 30 cm，樣本點數(shù)目分別為469、184和149(圖2)。2006年采樣時間為4月3日至26日；2016年土壤采樣時間為2016年6月4日至20日。1996年和2006年的土壤采樣數(shù)據(jù)由克拉瑪依農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)管委會提供，2016年土壤采樣數(shù)據(jù)由本課題組完成。土樣測試項目包括土壤總鹽和Cl-、SO2– 4、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、CO2– 3、HCO– 3八大離子的含量。

圖2 土壤采樣點分布

遙感影像數(shù)據(jù)包括研究區(qū)1996—2016年的Landsat影像，軌道號為145028。本文利用Landsat TM、ETM+和OLI影像監(jiān)測植被長勢，提取研究區(qū)的開墾年限。為了達到研究目的，所用影像的獲取時間與研究區(qū)農(nóng)作物生長季盡可能一致，對研究區(qū)1996—2016年的遙感影像進行篩選后，獲得可用影像共82景。

2.2 研究方法

本文使用SPSS 23.0進行土壤樣本的描述性統(tǒng)計分析，對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換。采用地學(xué)統(tǒng)計軟件GS+9.0計算最優(yōu)理論變異函數(shù)模型，利用ArcGIS 10.2進克里金(Kriging)插值。對1996—2016年的遙感影像進行幾何校正、輻射定標和大氣校正等處理，然后使用最大值合成法(maximum value composite，MVC)求出年內(nèi)歸一化植被指數(shù)(NDVI)最大值，提取研究區(qū)耕地的開墾年限。將采樣點數(shù)據(jù)及其插值結(jié)果與開墾年限分布圖進行疊置分析，從點和面兩個角度研究開墾年限與土壤鹽分的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土壤鹽分特征

如表1所示，不同年份研究區(qū)內(nèi)部和外部、南部和北部土壤總鹽含量的均值和中值均存在一定差異?？v向比較，自1996年以來同一分區(qū)的均值不斷減小，表明開墾后研究區(qū)鹽漬化有所減輕。橫向比較，同一時間外部地區(qū)的均值大于內(nèi)部，南部均值大于北部，表明開墾前后南部和北部鹽漬化均存在差異。土壤鹽漬化有所減輕主要是由于農(nóng)業(yè)活動的改良作用，但不同區(qū)域有所差異。

表1 研究區(qū)不同區(qū)域鹽分特征(g/kg)

土壤鹽漬化空間分布圖(圖3)中的細線為克里金插值得出的等值線。1996年、2006年和2016年的土壤鹽漬化程度重的區(qū)域等值線較為密集，等值線密集區(qū)為土壤含鹽量變化劇烈的地區(qū)。3個年份南部的等值線均較為密集，表明南部地區(qū)土壤鹽漬化程度較重且變化較為劇烈。

研究區(qū)1996年、2006年和2016年土壤鹽漬化呈現(xiàn)出明顯的南北分異，總體上南部地區(qū)的鹽漬化重于北部地區(qū)。非鹽漬化和輕度鹽漬化土壤主要分布于研究區(qū)北部；而中度、重度鹽漬化土壤主要分布于研究區(qū)南部，呈東西走向條帶狀分布。開墾后非鹽漬化面積顯著增加，中度鹽漬化面積明顯下降，重度鹽漬化經(jīng)歷先南移后北移的過程。

3.2 不同開墾年限土壤鹽分特征

圖4為研究區(qū)開墾年份分布，研究區(qū)基本按照由北向南的順序開發(fā)，北部地區(qū)的開發(fā)歷史較悠久，開墾年限較長，區(qū)內(nèi)由北向南開墾年限呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。研究區(qū)內(nèi)不同區(qū)域耕地的開墾時間差異較大，區(qū)內(nèi)最早于2000年進行開墾種植，但面積較小，首次進行大規(guī)模種植是2001年，最后的未開墾區(qū)域于2014年完成開墾種植，至此研究區(qū)全部開墾完畢。不同時間開墾的耕地面積也存在較大差異，2001年、2002年、2004年和2006年開墾規(guī)模相對較大，開墾面積占研究區(qū)總面積的比重分別為32.10%、10.66%、29.27% 和11.41%。2006年之后開墾的規(guī)模較小，開墾面積占總面積的比重不足9%。

為了將不同開墾年限的土壤鹽漬化情況進行橫向?qū)Ρ龋謩e將2006年、2016年土壤采樣點與開墾年限分布圖疊置，獲得各個采樣點的開墾年限，將相同開墾年限采樣點的土壤總鹽含量求均值，分析不同開墾年限采樣點土壤鹽漬化的變化特征。由于2006年土壤采樣時間為4月3日至26日，在耕種時間之前，因此此時研究區(qū)只有2000年至2005年開墾的耕地，2006年及之后開墾地的區(qū)域此時均為未開墾區(qū)域。

如圖5所示，截至2006年，研究區(qū)經(jīng)過0 ~ 6 a開墾后，不同開墾年限采樣點土壤總鹽含量的變化特征表現(xiàn)為：隨著開墾年限的增長，研究區(qū)土壤總鹽總體上呈現(xiàn)降低的趨勢。未開墾區(qū)域的采樣點總鹽含量最高，較早開墾區(qū)域的采樣點，其總鹽含量相對較低，2003年開墾種植區(qū)域的采樣點總鹽含量最低。2003年之后開墾的區(qū)域的土壤采樣點，其總鹽含量均大于3 g/kg，并且變化幅度較大；2003年之前開墾的區(qū)域的土壤采樣點，其總鹽含量均小于3 g/kg，且變化幅度較小。

圖3 1996—2016年土壤鹽漬化空間分布

圖4 研究區(qū)開墾時間分布

如圖6所示，截至2016年，研究區(qū)經(jīng)過3 ~ 17 a開墾后，不同開墾年限采樣點土壤總鹽含量的變化相對復(fù)雜，其變化特征總體上仍然表現(xiàn)為：研究區(qū)隨著開墾年限的增長，土壤總鹽總體上呈現(xiàn)降低的趨勢，但波動性較大。較晚開墾區(qū)域的采樣點總鹽含量相對較高，較早開墾區(qū)域的采樣點總鹽含量相對較低；2002年開墾種植區(qū)域的采樣點總鹽含量最低，2014年開墾種植區(qū)域的采樣點總鹽含量最高。2006年之后開墾的區(qū)域的土壤采樣點，其總鹽含量均大于3.5 g/kg，并且變化幅度較大，波動性較大；2006年之前開墾的區(qū)域的土壤采樣點，其總鹽含量隨著開墾年限的增加而下降，并且波動性相對較小。

圖5 2006年不同開墾年限土壤鹽分特征

圖6 研究區(qū)2016年不同開墾年限土壤鹽分特征

如圖7所示，將1996年、2006年和2016年3期采樣數(shù)據(jù)與研究區(qū)開墾年限分布圖進行疊置，將相同開墾年限采樣點的土壤總鹽含量求均值，分析不同開墾年限采樣點土壤鹽漬化的變化特征。盡管1996年和2006年采樣時，有些區(qū)域尚未開墾，但為了便于比較，本文也把采樣點對應(yīng)到具體的開墾年份上，對3次采樣點均按開墾年份求均值。

研究區(qū)2006年之前開墾的區(qū)域，相同開墾時間下，隨著開墾年限的增加，1996年、2006年和2016年土壤總鹽含量不斷下降。但不同開墾年限以及不同時間段的降幅有所差異，其中2000年開墾區(qū)域下降幅度最大，表明開墾前鹽漬化程度越輕的區(qū)域在開墾后改良效果越好。2006年及之后開墾的區(qū)域變化較為復(fù)雜。

圖7 研究區(qū)不同開墾年限土壤鹽分特征

2007年及之后開墾的區(qū)域，在相同開墾時間下，2006年土壤采樣的總鹽含量高于開墾前的1996年，變化較為復(fù)雜。可能是由于這些區(qū)域基本位于南部地區(qū)且在2006年采樣時尚未開墾，已開墾區(qū)域的鹽分在農(nóng)業(yè)灌溉的作用下淋溶流失進入土壤底層，隨地下水流動而集聚在此，使這里成為積鹽區(qū)域。

3.3 不同分區(qū)土壤鹽漬化特征

如圖8所示，依據(jù)不同區(qū)域開墾年限的長短，將研究區(qū)開墾時間合并為2000—2002年、2003—2005年和2006—2014年3個時間段，依據(jù)3個時段開墾主體區(qū)域的分布以及下文表達的方便，將研究區(qū)3個時段開墾的區(qū)域分別稱為北區(qū)、中區(qū)和南區(qū)3個子區(qū)域。北區(qū)的主體部分于2000—2002年間首次進行種植，主要位于北部地區(qū)，耕地的開墾年限最長；中區(qū)的主體部分于2003—2005年間首次進行種植，主要位于中部和東部地區(qū)；南區(qū)的主體部分于2006—2014年間首次進行種植，主要位于南部地區(qū)。北區(qū)、中區(qū)和南區(qū)的面積比重分別為46.13%、33.79% 和20.28%，從北區(qū)至南區(qū)面積逐漸減小。

依據(jù)研究區(qū)耕地的開墾時間確定其開墾年限，1996年土壤采樣時，研究區(qū)處于尚未開墾狀態(tài)。截至2006年土壤采樣時，北區(qū)的開墾年限為4 ~ 6 a；中區(qū)的開墾年限為1 ~ 3 a；南區(qū)為尚未開墾區(qū)域。截至2016年土壤采樣時，北區(qū)的開墾年限為15 ~ 17 a，中區(qū)的開墾年限為12 ~ 14 a，南區(qū)的開墾年限為3 ~ 11 a。

圖8 研究區(qū)內(nèi)不同子區(qū)分布圖

表2 ~ 表4為不同子區(qū)域土壤鹽漬化的面積特征，研究區(qū)開墾前后土壤鹽漬化均以北區(qū)最輕，中區(qū)次之，南區(qū)最重，表明研究區(qū)內(nèi)土壤本底條件存在差異，總體上優(yōu)先開墾本底條件較好的土地，之后開墾本底條件較差的土地。隨著研究區(qū)開墾年限的增加，不同子區(qū)域的鹽漬化總體上均呈現(xiàn)出逐漸減輕的趨勢，但不同子區(qū)域的變化程度不盡相同，北區(qū)鹽漬化減輕程度最大，中區(qū)次之，南區(qū)最小，表明開墾前鹽漬化程度越輕的區(qū)域在開墾后改良效果越好。

土壤鹽漬化在時間和空間上變化十分復(fù)雜，不同區(qū)域不同類型鹽漬化在不同開墾年限的面積變化不盡相同。南區(qū)在2006年與1996年雖然都處于尚未開墾狀態(tài)，但是這兩年的鹽漬化具有一定差異。與1996年相比，2006年南區(qū)非鹽漬化、輕度和重度鹽漬化面積增加，中度鹽漬化面積減少。這可能是由于2006年該區(qū)域雖然尚未開墾，但是研究區(qū)整體的開墾情況與1996年相比已經(jīng)發(fā)生巨大變化，南區(qū)受到區(qū)內(nèi)開墾區(qū)域的影響所導(dǎo)致。

表2 研究區(qū)內(nèi)不同子區(qū)鹽漬化面積特征(%)

3.4 研究區(qū)土壤鹽分與NDVI

如圖9所示，2016年研究區(qū)南部NDVI出現(xiàn)斑塊狀低值區(qū)，表明這些區(qū)域的作物長勢較差，可能是由于土壤鹽漬化較重所導(dǎo)致。通過對不同閾值進行比較后發(fā)現(xiàn)低值區(qū)基本為DNVI_MVC＜0.5的區(qū)域。使用ArcGIS提取低值區(qū)。將NDVI_MVC低值區(qū)和2016年土壤采樣點進行疊置分析，提取分布在NDVI_MVC低值區(qū)的2016年土壤采樣點，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的土壤采樣點的總鹽含量普遍較高，總鹽含量在8.00 ~ 22. 60 g/kg，均值為12.41 g/kg，遠遠大于2016年研究區(qū)內(nèi)部和南部地區(qū)的均值。

研究區(qū)2016年NDVI_MVC低值區(qū)土壤采樣點的總鹽含量較高，在一定程度上表明，土壤鹽漬化已經(jīng)對農(nóng)作物生長造成影響。這些區(qū)域可能是由于較重的土壤鹽漬化導(dǎo)致農(nóng)作物無法正常生長，從而造成農(nóng)作物長勢較差、農(nóng)田產(chǎn)量較低以及由此引發(fā)的棄耕。這些區(qū)域的鹽漬化可能是由于土壤本底條件造成的，也可能是由于農(nóng)業(yè)灌溉引起的“鹽隨水走”所導(dǎo)致。應(yīng)該重點對這些區(qū)域的農(nóng)田進行修復(fù)，通過控制灌溉量、改善灌溉方式和排鹽等措施治理鹽漬化。

圖9 研究區(qū)2016年NDVI分布

4 結(jié)論

1)隨著開墾年限的增加，研究區(qū)土壤總鹽含量總體呈現(xiàn)下降的趨勢。2006年土壤采樣時，經(jīng)過0 ~ 6 a開墾后，土壤總鹽含量隨著開墾年限的增加而減小，波動性較小。2016年土壤采樣時，經(jīng)過3 ~ 17 a開墾后，土壤總鹽含量變化較為復(fù)雜。開墾年限大于11 a的區(qū)域，其總鹽含量隨著開墾年限變化的波動性較小。開墾年限小于11 a的區(qū)域土壤總鹽含量較高，且波動性較大，在2006年處于未開墾狀態(tài)，主要位于研究區(qū)西南部，表明該區(qū)域鹽漬化程度較重且變化較為復(fù)雜。

2)研究區(qū)土壤鹽漬化的本底條件在空間分布上具有一定差異，并且這種差異在開墾后不同時間始終存在。開墾種植使得研究區(qū)鹽漬化程度有所下降，同時也使得不同子區(qū)域之間的鹽漬化差異有所減小。研究區(qū)較早開墾的耕地本底條件較好，開墾前土壤鹽漬化較輕，開墾后土壤鹽漬化減輕程度較大，農(nóng)業(yè)活動的改良效果較好；隨著開墾年限的減小，土壤本底條件逐漸變差，農(nóng)業(yè)改良的效果逐漸降低。

3)研究區(qū)自2001年開墾種植以來，土壤鹽漬化有所減輕但并未徹底消除，輕度、中度和重度鹽漬化依舊保持一定的面積，局部地區(qū)鹽漬化有所加重，說明部分地區(qū)仍然存在著較重的土壤鹽漬化問題。隨著開墾年限的增加，區(qū)內(nèi)地下水位不斷抬升，表明研究區(qū)除調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度外，還需要采取一定的工程措施進行土壤鹽漬化的治理。

4)研究區(qū)自2001年全面開墾種植，至2016年土壤采樣時，研究區(qū)最大開墾年限僅為17 a，研究區(qū)鹽漬化總體呈現(xiàn)下降的趨勢。對于內(nèi)陸干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)土地開墾后土壤鹽漬化的變化，有待于長時間序列的觀測與研究。

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Variation of Soil Salinity in Karamay Agricultural Development Area in Different Reclamation Years

ZHANG Shouyu1, 2,3, WU Shixin1*, HE Ke1, 2, MENG Min4, TIAN Changyan1

(1 Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS, Urumqi 830011, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Provincial Geomatic Center of Jiangsu, Nanjing 210013, China; 4 Karamay Agricultural Development Zone Management Committee, Karamay, Xinjiang 834000, China)

Based on soil sampling data and remote sensing images in 1996, 2006 and 2016, the changes of soil salinity in Karamay agricultural development area with different reclamation years were analyzed by using statistic method and GIS and RS techniques. The results showed that: 1) In the past 20 years, soil salinization in the study area showed a general ecreasing trend, and the ‘severe-south and slight-north’ overall pattern of soil salinity did not change in the reclaimed land. 2) The study area was developed from north to south, and soil salt content decreased with the reclamation year, but salinity change in reclaimed area became more complicated since 2006. 3) In the study area, the reclamation conditions are better, soil salinization was lighter before reclamation, and reclamation reduced soil salinition which indicated an imporving effect of agricultural activities. Soil background conditions and the improving effect of agricultural activities became better with the increase of reclamation year. 4) Even after 10 years more of agricultural cultivation, some patchs with low NDVI in the south, soil salt contents were still high which hindered the crop growth.

Karamay; Agricultural development area; Soil salinity; Reclamation years

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.019

S156.4

A

國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(2017FY101004)資助。

(wushixin@ms.xjb.ac.cn)

張壽雨(1992—)，男，安徽滁州人，碩士研究生，主要從事資源環(huán)境遙感應(yīng)用研究。E-mail：haozhshy@163.com