1989—2019 年寧夏銀北灌區(qū)土壤鹽漬化時空變化分析

吳 霞，王長軍，樊麗琴，李 磊，張永宏

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002）

土壤鹽漬化（Soil salinization）是指土壤底層或地下水的鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后使鹽分積累在表層土壤中的過程，也稱鹽堿化［1］。中國干旱、半干旱地區(qū)土壤鹽漬化問題非常突出，是土地退化的主要方式之一，也是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一［2］。20 世紀(jì)40 年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對土壤鹽漬化的成因、分布、危害以及治理措施等的研究從未中斷，隨著經(jīng)濟(jì)社會、科技水平的發(fā)展，研究方法也不斷改進(jìn)和提升，形成了較系統(tǒng)的理論［3-5］。在土地鹽漬化時空變化方面，遙感和GIS 等成為土地鹽漬化模擬與預(yù)測的主要研究手段［6-9］。目前，對于銀北地區(qū)鹽堿地數(shù)據(jù)的掌握基本來源于全國土地調(diào)查，較早的一次是20 世紀(jì)80 年代利用傳統(tǒng)土壤普查方法獲取，耗時耗力，且存在標(biāo)準(zhǔn)不一致問題，最近的一次是在2015 年完成的，全面引入了遙感技術(shù)，具有高效、綜合等特點［10-12］。但考慮到地下水的年變化、季變化會導(dǎo)致土壤鹽分在土壤中的重新分配，且鹽堿化是一種動態(tài)現(xiàn)象和過程，時間的變遷會導(dǎo)致鹽堿地的時空分布和鹽堿程度發(fā)生變化，因此，有必要利用遙感技術(shù)對區(qū)域內(nèi)鹽堿地分布及演變特征進(jìn)行分析，為鹽堿地改良利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏銀北地區(qū)包括石嘴山市大武口區(qū)、惠農(nóng)區(qū)、平羅縣以及銀川市賀蘭縣。該區(qū)域位于銀川平原北部，引黃灌區(qū)下游，地勢低平，地下水位高，排水不暢，是寧夏土壤鹽堿化較為嚴(yán)重的地區(qū)。每年冬季開始至3 月，地下水大量蒸發(fā)，土壤鹽分隨地下水上升到地表，累積在表層土壤，形成所謂的積鹽作用，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)土壤呈現(xiàn)大面積灰白色，從4 月開始，隨農(nóng)田灌溉和雨水的增加，表層土壤中鹽分又被帶到地下，導(dǎo)致鹽堿土壤呈現(xiàn)暗黑顏色。鹽堿化會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力嚴(yán)重衰退，及時準(zhǔn)確掌握區(qū)域內(nèi)鹽堿地的空間分布、鹽堿程度是治理改良鹽堿地并防止其進(jìn)一步惡化的前提。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

地物的光譜特征可直接反映土壤鹽漬化信息，鹽霜、鹽殼、鹽皮會使地表反射率升高，鹽漬化程度與反射率大體呈正相關(guān)，利用這一特征可以提取鹽漬化信息。綜合考慮研究區(qū)實際情況、遙感影像空間分辨率、數(shù)據(jù)獲取難易等因素，本研究選取Landsat TM/ETM 衛(wèi)星1989 年、1999 年、2009 年和2019 年春季遙感影像，空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn）。

下載Landsat 衛(wèi)星影像后，在ENVI 環(huán)境下對遙感圖像進(jìn)行大氣校正、影像裁剪、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。除TM 影像的7 個多光譜波段外，利用反射率和輻射亮度提取了植被指數(shù)、水體指數(shù)、建筑指數(shù)和和量溫指數(shù)4 個特征共同參與分類，再利用Layer stacking 波段合成功能合并成具有11 個波段的文件，最終形成可供分類的4 期研究區(qū)遙感影像圖。

2.2 土壤鹽漬化分類方法

鹽漬化土壤分類是利用規(guī)則對遙感影像進(jìn)行分類，這種規(guī)則可來源于專家經(jīng)驗、歸納統(tǒng)計等，其合理性在很大程度上決定了分類精度。本研究在野外調(diào)查銀北地區(qū)地形地貌、土地利用現(xiàn)狀以及土壤鹽漬化實際情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人對鹽漬化土壤遙感分類的研究成果，通過人機(jī)交互目視解譯，將銀北地區(qū)劃分為非鹽堿地、輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地、水體、建設(shè)用地和其他共7 種地物類別。在ENVI 中采用決策樹分類器對遙感影像進(jìn)行初步分類，再對初步分類結(jié)果進(jìn)行聚類、過濾、合并重組、重編碼等分類后處理，最終得到銀北地區(qū)1989 年、1999 年、2009 年和2019 年4 期土壤鹽漬化分類結(jié)果。

2.3 土壤鹽漬化時空演變分析方法

鹽漬化土壤的輕重程度、面積、分布、相互轉(zhuǎn)化等是研究的重點，本研究主要應(yīng)用面積統(tǒng)計分析、動態(tài)度分析、轉(zhuǎn)移矩陣分析等方法對研究區(qū)土壤鹽漬化演變規(guī)律進(jìn)行分析。

1）動態(tài)度。動態(tài)度可表征某一時期內(nèi)地物的變化速度，公式為：

式中，K 為某地物動態(tài)度，Ua和Ub分別對應(yīng)開始年份和結(jié)束年份某地物的面積，T 為研究時間段。

2）轉(zhuǎn)移矩陣。利用轉(zhuǎn)移矩陣可描述各類地物面積變化情況，其數(shù)學(xué)式為：

式中，轉(zhuǎn)移矩陣是n×n 的矩陣；n 為鹽漬化土地利用類型分類數(shù)；Sij表示從類別i 轉(zhuǎn)化為類別j 的面積，i 和j 相同時表示未變化的部分。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤鹽漬化的時空演變分析

研究區(qū)4 期鹽漬化耕地面積統(tǒng)計結(jié)果見表1，同時計算不同時期不同鹽漬化耕地面積的動態(tài)度，如表2 所示。結(jié)果表明，1989—2019 年銀北地區(qū)鹽漬化耕地總面積總體呈增加趨勢。重度鹽漬化耕地面積在1989—1999 年略有下降，1999—2009 年增幅較大，2009—2019 年呈下降趨勢；中度、輕度鹽漬化耕地呈明顯增加趨勢，2019 年較1989 年增加68.72%；非鹽漬化耕地面積呈先下降再增加的趨勢。

銀北地區(qū)4 期遙感影像土壤鹽漬化分類結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，1989 年中度、重度鹽漬化耕地分布集中程度較大，主要分布在研究區(qū)中部，1989—2009 年逐步萎縮，至2019 年研究區(qū)中部已經(jīng)無明顯的集中分布，而主要分布于灌區(qū)邊緣新開墾耕地。從空間演變來看，銀北地區(qū)鹽漬化耕地從集中分布逐步演變?yōu)樗槠植?，其中中度、重度鹽漬化耕地的分布和演變過程尤為明顯。

表1 不同時期銀北地區(qū)鹽漬化耕地面積及占比

表2 不同時期銀北地區(qū)鹽漬化耕地動態(tài)度 （單位：%）

圖1 不同時期銀北地區(qū)鹽漬化耕地分布

3.2 土壤鹽漬化轉(zhuǎn)移矩陣分析

為了深入分析研究區(qū)土壤鹽漬化的演變規(guī)律以及不同程度鹽漬化耕地之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，采用轉(zhuǎn)移矩陣模型，在ArcGIS 軟件中將1989 年、1999 年、2009 年和2019 年的鹽漬化分類圖進(jìn)行疊加和統(tǒng)計，獲 得1989—1999 年、1999—2009 年、2009—2019 年土壤鹽漬化轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)，具體見表3、表4和表5。

表3 1989—1999 年銀北地區(qū)鹽漬化耕地轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

表4 1999—2009 年銀北地區(qū)鹽漬化耕地轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

表5 2009—2019 年銀北地區(qū)鹽漬化耕地轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

通過分析可知，1989—2019 年銀北地區(qū)土壤鹽漬化類型之間轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，非鹽漬化耕地與輕度、中度鹽漬化耕地之間轉(zhuǎn)移面積較大，其他利用類型與重度鹽漬化耕地之間轉(zhuǎn)移面積較大。1989—1999年，368.47 km2的非鹽漬化耕地分別轉(zhuǎn)化為不同程度的鹽漬化耕地，而僅有134.83 km2的鹽漬化耕地轉(zhuǎn)化為非鹽漬化耕地，主要以中度、輕度鹽漬化耕地的轉(zhuǎn)入為主，重度鹽漬化耕地則轉(zhuǎn)出較多，說明改良鹽漬化土壤取得一定效果，但是由于灌溉排水等影響，耕地鹽漬化范圍有所擴(kuò)大。1999—2009 年，依然以鹽漬化耕地的轉(zhuǎn)入為主，但是轉(zhuǎn)化速率明顯降低，其中173.65 km2其他利用類型轉(zhuǎn)化為重度鹽漬化耕地，導(dǎo)致重度鹽漬化耕地面積大幅增加，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的非鹽漬化、輕度鹽漬化耕地較多，說明城鎮(zhèn)化建設(shè)占用優(yōu)良耕地較多，新開墾荒地則鹽漬化程度較重。2009—2019 年，依然以鹽漬化和非鹽漬化耕地之間的轉(zhuǎn)化為主，鹽漬化耕地轉(zhuǎn)入258.48 km2，轉(zhuǎn)出476.75 km2，土壤鹽漬化程度得到一定改良和控制，同時有556.79 km2其他利用類型的土壤轉(zhuǎn)化為非鹽漬化或不同鹽漬化程度的耕地，說明耕地的開墾進(jìn)一步加大。

4 結(jié)論

1）1989—2019 年銀北地區(qū)鹽漬化耕地總面積總體呈增加趨勢，其中中度鹽漬化耕地增加了75.87%，是增加較多的鹽漬化耕地類型，重度鹽漬化耕地略有增加，分類中非鹽漬化耕地僅減少5.04%，其他類型減少18.49%，其他荒地的開墾是鹽漬化耕地增加的主要來源。

2）1989—2019 年鹽漬化耕地的分布從集中分布逐步演變?yōu)樗槠植肌?989—2009 年鹽漬化耕地分布集中程度較大，主要分布在研究區(qū)中部；2019 年呈碎片化分布，中度、重度鹽漬化耕地主要分布于灌區(qū)邊緣新開墾耕地。

3）1989—2019 年不同類型鹽漬化耕地之間轉(zhuǎn)移復(fù)雜，1989—1999 年、1999—2009 年鹽漬化耕地以轉(zhuǎn)入為主，2009—2019 年鹽漬化耕地以轉(zhuǎn)出為主，3 期轉(zhuǎn)化矩陣中，其他類型均以轉(zhuǎn)出為主，轉(zhuǎn)化為非鹽漬化或不同程度鹽漬化耕地的面積分別為365.46、414.65、556.79 km2，耕地的開墾力度呈加大趨勢。