基于遙感的節(jié)水改造下河套灌區(qū)土壤鹽漬化演變分析

孫亞楠 李仙岳 史海濱 馬紅雨 王維剛 菅文浩

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.黃河流域內(nèi)蒙段水資源與水環(huán)境綜合治理自治區(qū)協(xié)同創(chuàng)新中心，呼和浩特 010018；3.呼和浩特市科兆豐水業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司， 呼和浩特 010010)

0 引言

土壤鹽漬化嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)并間接造成生態(tài)環(huán)境惡化，是威脅生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。我國北方地區(qū)由于干旱、降雨量少、蒸發(fā)大等原因，鹽漬化程度明顯高于濕潤(rùn)地區(qū)，如內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬化面積約占總耕地面積的63.8%，另外由于灌區(qū)排水系統(tǒng)不完善，每年從黃河引入的鹽分遠(yuǎn)大于排出灌區(qū)的鹽分[2]，鹽分在灌區(qū)內(nèi)積聚現(xiàn)象仍比較明顯。自1998年以來河套灌區(qū)實(shí)施了大規(guī)模續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，與此同時(shí)年均凈引水量由52億m3減少到47億m3[3]，使得灌區(qū)水循環(huán)和地下水埋深發(fā)生巨大變化，造成土壤鹽分重分布[4]。而鹽荒地作為耕地生育期 “旱排鹽”的重要區(qū)域[5]，隨著農(nóng)業(yè)大開發(fā)，其面積也逐漸在縮減[6]。這些過程均影響灌區(qū)土壤鹽分的時(shí)空重分布，而且農(nóng)業(yè)農(nóng)村部開展的“耕地質(zhì)量提升工程”，內(nèi)蒙古自治區(qū)進(jìn)行的“改鹽增草(飼)興牧工程”等均需要精確掌握灌區(qū)現(xiàn)有土壤鹽分的時(shí)空分布規(guī)律。因此在區(qū)域、空間和時(shí)間尺度上對(duì)灌區(qū)節(jié)水改造后土壤鹽漬化演變規(guī)律進(jìn)行分析，這對(duì)土壤鹽漬化的有效防治以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在河套灌區(qū)土壤鹽漬化的研究中，主要包括傳統(tǒng)的采樣方法[7-8]、遙感技術(shù)[9]的監(jiān)測(cè)方法，其中傳統(tǒng)的區(qū)域?qū)嵉夭蓸臃椒ǎM管精度高，但是耗時(shí)長(zhǎng)，成本高，取樣不連續(xù)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤鹽分大范圍、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)[10]，而遙感技術(shù)以其宏觀、動(dòng)態(tài)、信息豐富等特點(diǎn)，已成為了區(qū)域土壤鹽分監(jiān)測(cè)的重要手段[11]?；谶b感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域性土壤鹽分的定量監(jiān)測(cè)[12-13]。針對(duì)節(jié)水改造工程實(shí)施過程的土壤鹽漬化研究中，較多研究主要以傳統(tǒng)采樣方法或基于遙感技術(shù)對(duì)短時(shí)段節(jié)水改造工程土壤鹽漬化的演變進(jìn)行了研究[4，14-15]，而對(duì)于節(jié)水改造工程實(shí)施過程對(duì)區(qū)域性土壤鹽漬化空間重分布的影響以及演變機(jī)制問題研究較少。

本文對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用土地利用類型和不同季節(jié)的土壤鹽漬化遙感解譯模型，針對(duì)節(jié)水改造工程實(shí)施進(jìn)展情況，將2000—2021年劃分為4個(gè)時(shí)段，從土壤鹽分空間分布狀態(tài)、土壤鹽分指標(biāo)(總儲(chǔ)鹽量及單位儲(chǔ)鹽量)時(shí)間演變等方面分析不同節(jié)水改造時(shí)期土壤鹽漬化時(shí)空演變規(guī)律，并從點(diǎn)尺度和區(qū)域尺度綜合分析土壤鹽漬化對(duì)地下水的響應(yīng)，同時(shí)結(jié)合灌溉、排水等因素分析土壤鹽漬化的演變機(jī)制，為節(jié)水改造工程對(duì)土壤鹽漬化的影響研究及土壤鹽漬化防治提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以河套灌區(qū)永濟(jì)灌域?yàn)檠芯繀^(qū)域，邊界坐標(biāo)為107°13′～107°42′E，40°36′～41°13′N，南北長(zhǎng)60 km，東西寬40 km，總土地面積1.836×105hm2，現(xiàn)灌溉面積約1.122×105hm2，屬于典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候帶，干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，是典型的“無灌溉則無農(nóng)業(yè)”地區(qū)。年均降水量為145 mm，年均蒸發(fā)量為2 275 mm，當(dāng)?shù)赝寥利}漬化問題突出，其中約1/2耕地土壤有不同程度的鹽堿化，土壤中氯化鹽、硫酸鹽和鈉鹽含量較高，鹽分類型復(fù)雜，灌區(qū)的鹽漬化問題始終限制著灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[13]。

由于黃河水量的減少，使得以引黃灌溉為主要灌溉方式的河套灌區(qū)開始開展以節(jié)水為目的續(xù)建配套及技術(shù)改造。其中永濟(jì)灌域2000—2005年開展了部分渠道的襯砌和建筑物的改建(重建)，在2000—2005年基礎(chǔ)上2005—2010年增加了渠道及排水溝的整治工程，2010—2015年進(jìn)行了大規(guī)模的渠道襯砌、整治、排水溝的整治以及建筑物的改建(重建)。因此，根據(jù)節(jié)水改造工程實(shí)施進(jìn)展情況，本文將2000—2021年節(jié)水改造工程劃分為4個(gè)時(shí)段，分別為2000—2005年(節(jié)水改造初期)、2005—2010年(節(jié)水改造中期)、2010—2015年(節(jié)水改造大規(guī)模實(shí)施期)和2015—2021年(節(jié)水改造后期)，各節(jié)水改造時(shí)段工程實(shí)施情況以及工程實(shí)施引起的環(huán)境指標(biāo)變化情況如表1所示。在節(jié)水改造工程實(shí)施的過程中，環(huán)境指標(biāo)發(fā)生了不同程度的變化，如各時(shí)段平均引水量總體呈減小趨勢(shì)。平均地下水埋深逐漸增加，其中2015—2021年相比2000—2005年增加16.83%，灌溉水利用系數(shù)也由2000年的0.381提高至2021年的0.490。

表1 不同節(jié)水改造時(shí)段工程實(shí)施特點(diǎn)Tab.1 Characteristics of project implementation in different water-saving reform periods

1.2 數(shù)據(jù)采集

土壤鹽分采樣選定為春灌前(2017年4月5—10日和2018年4月6—10日)和秋澆前(2017年9月27日—10月2日和2018年10月2—7日)進(jìn)行，這兩個(gè)時(shí)段能最大程度避免植被、灌溉等對(duì)表層土壤鹽分的影響。土地利用類型采樣時(shí)間為2019年4—9月，由于研究區(qū)小麥播種及收獲時(shí)間與其他作物差異較大，因此將耕地細(xì)分為小麥和耕地兩類，最終確定的土地利用類型分別為小麥、耕地、林地、草地、鹽荒地、水域和居民工礦用地7類。土壤鹽分和土地利用類型采樣點(diǎn)均利用ArcGIS軟件進(jìn)行網(wǎng)格均勻布設(shè)，實(shí)際采樣點(diǎn)則需根據(jù)道路、種植結(jié)構(gòu)、取樣的難易程度等進(jìn)行調(diào)整，最終土壤鹽分的有效采樣點(diǎn)為90個(gè)(圖1a)，采樣深度為0～100 cm，包括0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm共5層，測(cè)得各離子含量最終得到全鹽量。土地利用類型采樣點(diǎn)數(shù)共計(jì)370個(gè)，其中小麥、耕地、林地、草地、鹽荒地、水域和居民工礦用地采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為57、85、37、37、79、30、45個(gè)(圖1b)。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution maps of sampling points in study area

1.3 分析方法

1.3.1土地利用類型解譯模型

以Landsat時(shí)間序列影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法篩選波段、光譜指數(shù)和紋理特征3種特征變量的特征因子，并基于特征因子組成7種方案，包括單類別方案(波段、光譜指數(shù)、紋理特征)和組合類別方案(波段+光譜指數(shù)、波段+紋理特征、光譜指數(shù)+紋理特征、波段+光譜指數(shù)+紋理特征)，最后針對(duì)4—10月分別構(gòu)建不同方案的CART決策樹解譯模型。通過模型精度對(duì)比可知，8月基于Landsat數(shù)據(jù)的波段+光譜指數(shù)+紋理特征的CART決策樹模型解譯效果最好，其中波段的特征因子分別為Blue(藍(lán))、Red(紅)、NIR(近紅外)和SWIR2(中紅外)，光譜指數(shù)的特征因子分別為NDVI(歸一化植被指數(shù))、MNDWI(歸一化水體指數(shù))、EBSI(增強(qiáng)型裸土指數(shù))、BI(亮度指數(shù))和RVI(比率植被指數(shù))，紋理特征的特征因子分別為Mean(均值)、Var(方差)、Hom(同質(zhì)性)、Con(對(duì)比度)、Dis(非相似性)、Sm(二階矩)和Cor(相關(guān)性)，該模型的總體精度和Kappa系數(shù)分別為80.23%和0.74，耕地、林地、草地、鹽荒地、水域和居民工礦用地的制圖精度分別為96.83%、73.33%、70.00%、65.52%、100%和80.00%，用戶精度分別為76.62%、100%、82.35%、82.61%、100%和80.00%[16]。在各節(jié)水改造時(shí)期應(yīng)用模型并將解譯結(jié)果中水域及居民工礦用地剔除，僅保留耕地、林地、草地、鹽荒地作為研究區(qū)土壤鹽分反演的區(qū)域。

1.3.2土壤鹽漬化反演模型

以野外實(shí)測(cè)(Analytical Spectral Devices公司的FieldSpec 4 Hi-Res型地物光譜儀)高光譜數(shù)據(jù)和星載多光譜影像(Landsat)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，提取波段/波長(zhǎng)反射率并構(gòu)建光譜指數(shù)，對(duì)其進(jìn)行基礎(chǔ)變換(原始、倒數(shù)、對(duì)數(shù)、根式)以及基礎(chǔ)變換的導(dǎo)數(shù)變換(一階、二階導(dǎo)數(shù))。通過多元逐步回歸的方法篩選出各變換下與土壤鹽分顯著相關(guān)的特征光譜指數(shù)，并基于特征光譜指數(shù)構(gòu)建春、秋兩季土壤鹽分的實(shí)測(cè)高光譜反演模型與多光譜反演模型。在參與建模的同一特征光譜指數(shù)下，實(shí)現(xiàn)高光譜模型和多光譜模型融合，使得融合后的模型能顯著提高多光譜數(shù)據(jù)源的精度。結(jié)果表明高-多光譜融合反演模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集決定系數(shù)R2平均值分別為0.651和0.635，相比多光譜模型分別提高36.19%和35.64%，均方根誤差(RMSE)平均值分別為2.44 g/kg和2.49 g/kg，相比多光譜模型分別降低34.28%和41.72%，表明利用實(shí)測(cè)高光譜與多光譜數(shù)據(jù)的融合技術(shù)對(duì)提高多光譜鹽分的反演精度是可行且有效的[13]。剖面鹽分反演可通過構(gòu)建0～20 cm土層與剖面的關(guān)系從而間接構(gòu)建剖面土壤鹽分與光譜之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽漬化時(shí)空演變特征

2.1.1剖面土壤鹽分反演模型構(gòu)建

對(duì)野外實(shí)際取樣的0～100 cm土層土壤含鹽量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析(表2)，耕地、鹽荒地中同一土層春季、秋季的土壤鹽分區(qū)間相差不大。鹽荒地各土層的平均含鹽量分別在21.39～26.77 g/kg、10.44～11.36 g/kg、7.12～8.33 g/kg、5.91～6.31 g/kg 和8.76～8.82 g/kg之間，各土層的含鹽量均遠(yuǎn)大于耕地，分別是耕地土壤含鹽量的6.97、4.59、4.27、3.55、4.12倍。而耕地和鹽荒地的各土層含鹽量的排序一致，由大到小均依次為 0～20 cm、20～40 cm、80～100 cm、40～60 cm、60～80 cm。變異系數(shù)均為0～20 cm最大。

將各土層的含鹽量與0～20 cm土層含鹽量進(jìn)行相關(guān)性分析，得到各土層含鹽量與0～20 cm含鹽量的擬合曲線(圖2)。多項(xiàng)式擬合效果最好，其中20～40 cm土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量相關(guān)性最好，耕地中二者擬合曲線的R2和RMSE分別為0.722 3和1.13 g/kg，鹽荒地為0.610 2和6.77 g/kg。 其余土層則隨著土層深度的增加與0～20 cm土層含鹽量的擬合效果逐漸降低，分析原因可能是研究區(qū)蒸降比較大，導(dǎo)致土壤鹽分表聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，空間分布差異較大，從而使得剖面土壤含鹽量與0～20 cm土層含鹽量難以建立可靠的擬合關(guān)系所致。在土壤剖面含鹽量的反演模型構(gòu)建過程中，僅20～40 cm土層含鹽量與0～20 cm的相關(guān)性較好，能夠進(jìn)行反演模型構(gòu)建。

表2 耕地和鹽荒地土壤含鹽量描述性統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Descriptive statistical analysis of soil salinity in different soil layers of different land types

圖2 各土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量的相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of soil salinity in each soil layer with 0～20 cm salinity

2.1.2基于遙感的土壤鹽分空間分布

選擇每個(gè)時(shí)段的節(jié)點(diǎn)年份進(jìn)行土地利用類型和土壤鹽漬化的遙感解譯，即2000、2005、2010、2015、2021年。對(duì)各節(jié)水改造時(shí)期的土地利用類型的面積(表3)和空間分布情況(圖3)進(jìn)行分析，耕地占研究區(qū)總面積的48.19%～74.39%，自2000年起總體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，其中2000—2005年變化幅度較小且有減小的趨勢(shì)，分析是由于節(jié)水改造工程的實(shí)施使得引黃水量減少，部分耕地因此得不到充分灌溉，在一定程度上限制了耕地的發(fā)展，并使得質(zhì)量較差的耕地棄荒。而2005—2010年耕地面積增幅較大，為39.54%，原因是在不斷的水量空間分>配的調(diào)整下，研究區(qū)耕地的水量進(jìn)行了重新合理分配，使得耕地進(jìn)一步擴(kuò)張。2010—2021年耕地面積仍呈增加的趨勢(shì)，但幅度較小且逐漸趨于穩(wěn)定。鹽荒地占研究區(qū)總面積的4.26%～12.35%，主要集中于研究區(qū)的北部、中部區(qū)域，總體上呈逐漸減小的趨勢(shì)，且隨著節(jié)水改造的進(jìn)行，鹽荒地主要集中于研究區(qū)的中東部，其中2000—2005年面積有小幅度的增加，增幅為1.64%，分析是由于部分的耕地棄荒使得鹽荒地面積有所增加。草地面積總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。居民工礦用地面積呈逐漸增加的趨勢(shì)，主要集中在臨河市區(qū)范圍內(nèi)且擴(kuò)張較為顯著。

表3 2000—2021年土地利用類型面積Tab.3 Proportion of each land use types from 2000 to 2021 hm2

圖3 土地利用類型時(shí)空分布圖Fig.3 Spatial and temporal distributions of land use types

根據(jù)土壤鹽漬化等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[17-18]，獲得研究區(qū)土壤各等級(jí)鹽漬化的空間分布圖(圖4，圖中從左至右依次為2000、2005、2010、2015、2021年)，在節(jié)水改造各個(gè)時(shí)期中，土壤鹽漬化等級(jí)最高的區(qū)域均位于研究區(qū)的中東部，即鹽荒地中，這與野外實(shí)際取樣結(jié)論一致。隨著節(jié)水改造工程的實(shí)施，研究區(qū)中鹽漬化程度“南低北高”的空間分布狀態(tài)逐漸明顯，分析原因主要與地下徑流及地形條件有關(guān)，研究區(qū)南部地勢(shì)高于北部，地下徑流由南至北排泄，且土壤質(zhì)地由南至北逐漸變細(xì)，從而導(dǎo)致排水不暢，加劇了鹽分向北部的積聚[13]。另外，由于研究區(qū)近年來發(fā)展了一定面積的井渠灌，導(dǎo)致南部地下水埋深增加，這對(duì)南部表層鹽分的積聚起到削弱的作用[12]。

圖4 0～40 cm土壤鹽漬化時(shí)空分布圖Fig.4 Spatial and temporal distributions of soil salinization in 0～40 cm

對(duì)不同時(shí)期、不同土層深度的各等級(jí)鹽漬化面積所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)，2000年0～20 cm春秋兩季土壤鹽漬化均以輕度和中度為主，二者平均占比分別為36.49%和34.48%，且秋季土壤鹽漬化程度小于春季。2005—2010年時(shí)，春秋兩季0～40 cm土層土壤鹽漬化程度增加，主要表現(xiàn)為重度鹽化土(主要鹽漬化等級(jí))所占比例增加，其中春季0～20 cm和20～40 cm相比2000年重度鹽化土比例分別平均增加106.98%和806.38%，秋季0～20 cm和20～40 cm相比2000年重度鹽化土比例平均增加44.26%和190.60%。2010—2015年土壤鹽漬化程度逐漸減輕，主要鹽漬化等級(jí)向等級(jí)小的方向轉(zhuǎn)移，2015—2021年，土壤鹽漬化程度減輕程度較為明顯，其中春季0～20 cm土壤雖然仍以中度和重度鹽化土為主，但二者所占比例呈降低趨勢(shì)，相比2005—2010年平均下降了9.15%，春季20～40 cm、秋季0～20 cm和20～40 cm土層則均以輕度和中度鹽化土為主，輕度和中度鹽化土所占比例之和相比2005—2010年分別平均增加15.02%、-2.62%和6.26%。

2.1.3土壤鹽分時(shí)空演變

以土壤鹽漬化的空間分布圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件統(tǒng)計(jì)耕地、林地、草地和鹽荒地中各斑塊的面積以及對(duì)應(yīng)的平均含鹽量，計(jì)算不同節(jié)水改造時(shí)期不同土層的總儲(chǔ)鹽量和單位儲(chǔ)鹽量指標(biāo)，從而量化土壤鹽分的積累情況，計(jì)算公式為[4,19-20]

(1)

(2)

其中

Si=10-3QirhhAi

(3)

式中h——土層厚度，m

rh——土層厚度h的土壤容重，kg/m3

表4 不同時(shí)期0～40 cm土壤鹽漬化面積所占比例Tab.4 Proportion of soil salinization in different periods in 0～40 cm %

n——斑塊總數(shù)，個(gè)

Ai——第i個(gè)斑塊面積，m2

Qi——第i個(gè)斑塊平均含鹽量，g/kg

Si——第i個(gè)斑塊儲(chǔ)鹽量，萬t

S——該層土壤總儲(chǔ)鹽量，萬t

Su——該層土壤單位儲(chǔ)鹽量，kg/m2

2.1.3.1總儲(chǔ)鹽量

計(jì)算各土地利用類型(耕地、林地、草地和鹽荒地)中不同節(jié)水改造時(shí)期、不同土層深度的總儲(chǔ)鹽量(圖5)，0～20 cm土壤中春、秋兩季的總儲(chǔ)鹽量分別在1.244×106～1.489×106t和1.113×106～1.396×106t之間，平均總儲(chǔ)鹽量分別為1.350×106t和1.201×106t，平均值為1.276×106t。而20～40 cm不同時(shí)期土壤中，春、秋兩季的平均總儲(chǔ)鹽量相比0～20 cm分別減少18.73%和21.11%。0～20 cm和20～40 cm秋季土壤的總儲(chǔ)鹽量相比春季平均減少11.00%和13.60%。

圖5 節(jié)水改造各時(shí)期不同土層的總儲(chǔ)鹽量Fig.5 Total salt storage of different soil layers in different periods of water-saving transformation

隨著節(jié)水改造工程的進(jìn)行，研究區(qū)春、秋兩季0～40 cm土層儲(chǔ)鹽量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，2010年達(dá)到最大值，其中0～20 cm春、秋兩季總儲(chǔ)鹽量分別為1.489×106t和1.396×106t(圖5a)，20～40 cm春、秋兩季總儲(chǔ)鹽量相比0～20 cm分別降低16.56%和22.98%。至2021年，春、秋兩季平均總儲(chǔ)鹽量仍大于2000年，0～20 cm和20～40 cm分別增加5.74%和19.21%。綜上研究結(jié)果表明，隨著節(jié)水改造的進(jìn)行，研究區(qū)春、秋兩季0～40 cm 各土層深度的總儲(chǔ)鹽量均呈先增加后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在2010年，但隨著節(jié)水改造工程的實(shí)施，土壤總儲(chǔ)鹽量不斷地減少，但總體仍高于2000年總體水平。

以耕地和鹽荒地這兩種土壤鹽分差異較大的土地利用類型為例進(jìn)行總儲(chǔ)鹽量分析(圖6)，不同時(shí)期耕地0～20 cm土層中，春、秋兩季的總儲(chǔ)鹽量分別在6.52×105～1.080×106t和5.62×105～1.036×106t之間，平均值分別為8.95×105t和7.96×105t，20～40 cm土層中，春、秋兩季的平均總儲(chǔ)鹽量相比0～20 cm土層分別減少16.91%和21.81%。不同時(shí)期鹽荒地0～20 cm土層中，總儲(chǔ)鹽量分別在9.22×104t～1.884×105t和8.65×104～1.840×105t之間，平均值分別為1.287×105t和1.213×105t，二者相差不大，20～40 cm土層中，春、秋兩季的平均總儲(chǔ)鹽量相比0～20 cm土層分別減少27.25%和32.30%，與耕地情況對(duì)比可知，鹽荒地中20～40 cm的總儲(chǔ)鹽量與0～20 cm的總儲(chǔ)鹽量差值大于耕地情況，分析是由于鹽荒地中鹽分的表聚情況較為嚴(yán)重，表面形成大量的鹽分結(jié)皮，且沒有灌溉水的淋洗，從而導(dǎo)致0～20 cm與20～40 cm 土壤的儲(chǔ)鹽量有較大的差異。

圖6 耕地、鹽荒地不同土層深度的總儲(chǔ)鹽量Fig.6 Total salt storage at different soil depths of agricultural land and wasteland

耕地中不同土層的總儲(chǔ)鹽量呈先增后減的變化趨勢(shì)(圖6a)，2010年為峰值，分析原因可能為節(jié)水改造初期，由于引水量的減少，原有耕地灌水量縮減，加之由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展等原因，2005—2010年耕地面積擴(kuò)張幅度較大，使得單位面積所灌水量進(jìn)一步縮減，從而導(dǎo)致0～40 cm的土壤儲(chǔ)鹽向下層淋洗不充分，體現(xiàn)為2000—2010年耕地土壤儲(chǔ)鹽量增加，而隨著節(jié)水改造工程的不斷實(shí)施，灌水量在空間的分配逐漸趨于合理，表層土壤鹽分相比前一時(shí)期向下層的淋洗量增加，體現(xiàn)為2010—2021年耕地土壤儲(chǔ)鹽量減少。鹽荒地0～20 cm土層在節(jié)水改造過程中呈減小的趨勢(shì)(圖6b)，尤其是2005—2010年，原因可能為隨著節(jié)水改造工程的進(jìn)行，引黃水量減少且渠系水利用系數(shù)提高，灌溉水向地下水補(bǔ)給量減少，導(dǎo)致地下水埋深逐漸增加，地下水中鹽分對(duì)鹽荒地表層土壤的補(bǔ)給量逐漸減少，另外，由于鹽荒地常年不進(jìn)行灌溉，耕地的土壤鹽分在水力梯度下向鹽荒地移動(dòng)，但相比節(jié)水改造前，耕地灌水量減少，會(huì)導(dǎo)致同等條件下耕地鹽分向鹽荒地運(yùn)移量隨之減少，在上述條件的綜合作用下導(dǎo)致鹽荒地0～20 cm儲(chǔ)鹽量逐漸減少。鹽荒地20～40 cm土層儲(chǔ)鹽量在2000—2005年出現(xiàn)小幅度增加，原因可能為該時(shí)期地下水埋深減小幅度較小，20～40 cm土層鹽分仍受到地下水中鹽分的影響。

2.1.3.2單位儲(chǔ)鹽量

圖7 不同土層深度的單位儲(chǔ)鹽量Fig.7 Unit salt storage at different soil depths

計(jì)算不同時(shí)期、不同土層深度單位儲(chǔ)鹽量(圖7)，0～20 cm土層中，春、秋兩季的單位儲(chǔ)鹽量分別在0.806～0.973 kg/m2和0.702～0.888 kg/m2之間，平均值分別為0.870 kg/m2和0.777 kg/m2，20～40 cm單位儲(chǔ)鹽量相比0～20 cm土層分別降低21.49%和30.76%。隨著節(jié)水改造工程的進(jìn)行，土壤的單位儲(chǔ)鹽量呈先增加后減小的趨勢(shì)，不同節(jié)水改造時(shí)期0～40 cm土層的春季單位儲(chǔ)鹽量平均值分別為0.696、0.765、0.861、0.804、0.757 kg/m2，秋季分別為0.629、0.683、0.787、0.684、0.626 kg/m2。

以耕地和鹽荒地為例進(jìn)行單位儲(chǔ)鹽量的分析(圖8)，不同時(shí)期、不同土層深度的耕地單位儲(chǔ)鹽量平均值為0.653 kg/m2，鹽荒地則為0.895 kg/m2，鹽荒地的單位儲(chǔ)鹽量在各時(shí)期均大于耕地，0～20 cm土層中，春、秋季鹽荒地的單位儲(chǔ)鹽量分別是耕地的1.43、1.52倍，20～40 cm土層中，分別是耕地的1.25、1.23倍，即相比20～40 cm土壤，0～20 cm土層耕地和鹽荒地的單位儲(chǔ)鹽量相差幅度更大。

圖8 耕地、鹽荒地不同土層深度的單位儲(chǔ)鹽量Fig.8 Unit salt storage at different soil depths of agricultural land and wasteland

在節(jié)水改造工程實(shí)施過程中，耕地和鹽荒地的單位儲(chǔ)鹽量在2000—2010年呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中，0～20 cm土層中，耕地、鹽荒地單位儲(chǔ)鹽量平均增幅分別為26.14%和8.44%(圖8)，20～40 cm土層中，耕地、鹽荒地單位儲(chǔ)鹽量平均增幅分別為25.08%和24.46%。2010—2021年單位儲(chǔ)鹽量逐漸減小，其中，0～20 cm土層中，耕地、鹽荒地單位儲(chǔ)鹽量平均降幅分別為12.92%和13.91%，20～40 cm 土層中，耕地、鹽荒地單位儲(chǔ)鹽量平均降幅分別為17.82%和18.20%。

2.2 土壤鹽漬化對(duì)地下水的響應(yīng)

2.2.1點(diǎn)尺度

根據(jù)地下水點(diǎn)位對(duì)相應(yīng)的春、秋兩季0～20 cm的含鹽量反演值進(jìn)行提取，并分析鹽分與地下水的點(diǎn)尺度響應(yīng)關(guān)系(圖9)，不同時(shí)期土壤鹽漬化均隨著地下水埋深的增加而減少，滿足對(duì)數(shù)關(guān)系，春季、秋季0～20 cm土壤含鹽量與地下水埋深的對(duì)數(shù)擬合關(guān)系中R2分別為0.744和0.672，均達(dá)到0.05顯著相關(guān)水平，其中秋季的土壤含鹽量與地下水埋深的擬合效果差于春季，R2降低9.68%，分析是秋季土壤因灌溉或種植作物所致。

圖9 地下水埋深與0～20 cm土層含鹽量的關(guān)系Fig.9 Relationship between groundwater depth and soil salinity of 0～20 cm

2.2.2區(qū)域尺度

利用區(qū)域尺度對(duì)各等級(jí)鹽漬化程度土壤所處的地下水埋深區(qū)間進(jìn)行研究，可降低由于點(diǎn)尺度采樣點(diǎn)的數(shù)量和位置的主觀因素對(duì)結(jié)果的影響，區(qū)域尺度的研究主要根據(jù)不同時(shí)期不同等級(jí)鹽漬化空間分布圖與地下水埋深空間分布圖，對(duì)單位面積斑塊范圍內(nèi)的輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深進(jìn)行計(jì)算，并繪制其概率密度曲線(圖10)，當(dāng)某一鹽漬化等級(jí)的地下水埋深在[μ-2σ,μ+2σ](μ表示地下水埋深的平均值，σ表示地下水埋深的標(biāo)準(zhǔn)差)之內(nèi)時(shí)，則表明該地下水埋深區(qū)間內(nèi)發(fā)生該等級(jí)鹽漬化的面積占該等級(jí)鹽漬化總面積的95%，即表明絕大多數(shù)數(shù)據(jù)均在此范圍內(nèi)，所以本文將[μ-2σ,μ+2σ]作為各等級(jí)鹽漬化的地下水埋深區(qū)間。結(jié)果表明，不同節(jié)水改造時(shí)期的土壤同一等級(jí)鹽漬化下地下水埋深平均值的標(biāo)準(zhǔn)差均較小，如輕度鹽化土中，多年春季、秋季的地下水埋深平均值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.037 m和0.069 m，說明平均地下水埋深反映整體地下水?dāng)?shù)據(jù)可靠。不同節(jié)水改造時(shí)期中，低等級(jí)鹽漬化的地下水概率密度曲線位于埋深較大的位置，如節(jié)水改造過程中春季、秋季輕度鹽化土的地下水埋深區(qū)間分別為1.803～2.965 m和1.619～2.728 m，隨著鹽漬化等級(jí)的增加，地下水埋深概率密度曲線逐漸向埋深小的區(qū)域移動(dòng)，如春季中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深的區(qū)間分別為1.837～2.667 m、1.606～2.591 m、1.260～2.284 m，秋季中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深的區(qū)間分別為1.395～2.569 m、1.238～2.356 m、0.984～2.256 m，即地下水埋深越小，發(fā)生高等級(jí)鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)越大，地下水埋深與土壤鹽漬化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。春、秋兩季輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值分別為2.351、2.144、1.953、1.752 m，同等級(jí)鹽漬化下，秋季地下水埋深小于春季，其中輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值相比春季分別小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。

圖10 研究區(qū)不同等級(jí)鹽漬化的地下水埋深概率分布Fig.10 Probability distributions of groundwater depth of different levels of salinization in study area

3 討論

土壤剖面鹽分的反演研究中，現(xiàn)研究方法主要包括傳統(tǒng)采樣方法[21]、電磁感應(yīng)技術(shù)[22]和遙感估測(cè)方法[23]。如丁建麗等[24]基于遙感特征空間理論，構(gòu)建了Landsat-TM數(shù)據(jù)的指數(shù)模型，得到了區(qū)域土壤鹽分的空間變化特征。王瑾杰等[25]基于GF-1數(shù)據(jù)計(jì)算了植被指數(shù)、土壤指數(shù)等多種指標(biāo)，構(gòu)建了0～100 cm的土壤剖面電導(dǎo)率線性回歸模型，模擬效果較好。然而現(xiàn)有研究均將區(qū)域作為整體或僅對(duì)單一地類進(jìn)行區(qū)域土壤剖面鹽分的建模，當(dāng)將研究區(qū)作為整體時(shí)，以河套灌區(qū)為例，耕地和鹽荒地的土壤鹽分區(qū)間存在較大的差異，如鹽荒地0～20 cm的土壤鹽分含量是耕地的4倍甚至更多[26]，且耕地、鹽荒地土壤表聚程度具有顯著差異，從而導(dǎo)致剖面土壤與表層土壤的相關(guān)關(guān)系不同，所以在構(gòu)建剖面鹽分的線性模型時(shí)將對(duì)模型的模擬精度產(chǎn)生直接的影響。本文針對(duì)耕地和鹽荒地這兩種土壤鹽分具有顯著差異的地類進(jìn)行剖面土壤與表層土壤的相關(guān)性分析，能夠在一定程度上提高模型的精度，但深度大于40 cm的土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量的相關(guān)性較差，今后需綜合考慮研究區(qū)的地形因子、地下水等多重指標(biāo)，從而構(gòu)建精度更高、土層深度更大的剖面鹽分反演模型，為土壤剖面鹽分的遙感定量監(jiān)測(cè)提供幫助。

根據(jù)本文研究結(jié)果可知，節(jié)水改造工程實(shí)施的過程中，2000—2010年土壤鹽漬化程度呈增加趨勢(shì)，2010—2021年土壤鹽漬化呈減輕趨勢(shì)。原因?yàn)楣?jié)水改造初期，研究區(qū)的渠系引水量相對(duì)較大，且灌溉水利用效率還處于較低的水平，一方面，通過渠系滲漏對(duì)地下水的補(bǔ)給量較大，使得地下水埋深變淺；另一方面，由于河套灌區(qū)獨(dú)特的灌溉方式，使得大量的灌溉水入滲到地下水中，進(jìn)一步抬高了地下水位。大量鹽分通過灌溉水進(jìn)入到地下水中，使得地下水礦化度逐漸增大，同時(shí)由于研究區(qū)排水不暢等問題，灌區(qū)鹽分存儲(chǔ)在地下水中，而地下水礦化度與土壤中的鹽分存在顯著的交互作用，在研究區(qū)土壤與作物強(qiáng)烈的蒸發(fā)蒸騰作用下，地下水中的鹽分隨毛管水上升到土壤表面，導(dǎo)致土壤表層鹽分加劇。此外，在2005—2010年研究區(qū)耕地面積出現(xiàn)大幅度擴(kuò)張，2010年相比2005年耕地面積增加39.54%，使得耕地單位面積的灌水量減少，致使積聚在表層的土壤鹽分向下層淋洗的強(qiáng)度減弱。綜上分析，原積聚在表層的土壤鹽分無法向下層淋洗且又有新的鹽分積聚，使得研究區(qū)在2000—2010年期間土壤鹽漬化程度加劇。而隨著節(jié)水改造工程的不斷推進(jìn)，研究區(qū)的引水量減少，且由于渠道襯砌等節(jié)水改造措施使得灌溉水利用效率提高，從而導(dǎo)致地下水的補(bǔ)給量也隨之減少，地下水埋深逐漸增加，潛水蒸發(fā)量呈逐年下降的趨勢(shì)[27]，且下降幅度逐年增加，隨著潛水蒸發(fā)量的減少，地下水中的鹽分向上運(yùn)移作用減弱，地下水?dāng)y帶上升至土壤表層的鹽分也隨之減少。

淺層地下水的波動(dòng)是土壤表層鹽分累積的關(guān)鍵過程[28-29]，有研究表明地下水埋深與土壤鹽分存在一定的相關(guān)性[30]，如張江輝[31]、管孝艷等[32]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分隨地下水埋深的增加逐漸減小，影響較為顯著，二者滿足指數(shù)關(guān)系。針對(duì)河套灌區(qū)的研究中，黃權(quán)中等[12]發(fā)現(xiàn)4月土壤鹽分與地下水埋深滿足對(duì)數(shù)關(guān)系。竇旭等[33]研究發(fā)現(xiàn)耕地、鹽荒地土壤鹽分與地下水的關(guān)系分別滿足指數(shù)關(guān)系和線性關(guān)系。本文采用點(diǎn)尺度和區(qū)域尺度多種方式更加全面地研究了鹽漬化土壤對(duì)地下水的響應(yīng)，為適宜地下水埋深的研究提供了依據(jù)，結(jié)果表明0～20 cm土壤鹽分與地下水埋深呈對(duì)數(shù)關(guān)系，春、秋兩季輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值分別為2.351、2.144、1.953、1.752 m，秋季地下水埋深平均值相比春季分別小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)鹽荒地中各土層的土壤含鹽量均大于耕地，為耕地的3.55～6.97倍，耕地、鹽荒地剖面各土層僅20～40 cm土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量相關(guān)性滿足要求，耕地中二者擬合曲線的R2和RMSE分別為0.722 3和1.13 g/kg，鹽荒地為0.610 2和6.77 g/kg。這表明僅20～40 cm土壤含鹽量能夠通過構(gòu)建與0～20 cm土層含鹽量的關(guān)系從而構(gòu)建與光譜的關(guān)系。

(2)隨著節(jié)水改造工程的實(shí)施，土壤鹽漬化程度南低北高的空間分布狀態(tài)逐漸明顯，鹽漬化等級(jí)最高的區(qū)域均為鹽荒地，2005—2010年土壤鹽漬化程度增加，主要表現(xiàn)為0～40 cm春季、秋季的重度鹽化土(主要鹽漬化等級(jí))所占比例相比2000年分別平均增加106.98%～806.38%和44.26%～190.60%，2010—2015年土壤鹽漬化程度逐漸減輕，主要鹽漬化等級(jí)向等級(jí)小的方向轉(zhuǎn)移，2015—2021年，土壤鹽漬化程度減輕程度較為明顯，主要表現(xiàn)為春季0～20 cm中度、重度鹽化土所占比例之和(主要鹽漬化等級(jí))相比2005—2010年平均下降9.15%，春季20～40 cm、秋季0～20 cm和20～40 cm土層輕度、中度鹽化土所占比例之和(主要鹽漬化等級(jí))相比2005—2010年分別增加15.02%、-2.62%和6.26%。

(3)隨著節(jié)水改造工程的進(jìn)行，春、秋兩季0～40 cm土層儲(chǔ)鹽量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，2010年達(dá)到最大值，其中0～20 cm春、秋兩季總儲(chǔ)鹽量分別為1.489×106t和1.396×106t，20～40 cm 春、秋兩季總儲(chǔ)鹽量相比0～20 cm分別降低16.56%和22.98%。至2021年，春、秋兩季平均總儲(chǔ)鹽量仍大于2000年，0～20 cm和20～40 cm分別增加5.74%和19.21%。

(4)不同時(shí)期土壤含鹽量與地下水埋深滿足對(duì)數(shù)關(guān)系，春季、秋季土壤含鹽量與地下水埋深的R2分別為0.744和0.672。春、秋兩季輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值分別為2.351、2.144、1.953、1.752 m，輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的秋季地下水埋深平均值相比春季分別小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。