新疆喀什噶爾河流域土壤鹽漬化分布特征及時(shí)空演化分析

申得有，李升，高遠(yuǎn)，葛燕燕

(新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

土地是重要的生產(chǎn)生活資源，受自然條件加上愈加頻繁的人類(lèi)活動(dòng)，土壤鹽漬化現(xiàn)象便隨之而來(lái)[1-3]。土壤鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)以及人類(lèi)生產(chǎn)生活，已經(jīng)成為各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的生態(tài)問(wèn)題之一[4-5]。尤其在中國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)，當(dāng)?shù)刂饕揽哭r(nóng)業(yè)發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)[6-7]，因此，亟需解決鹽漬化問(wèn)題，從而有利于提高當(dāng)?shù)厣a(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)鹽漬化問(wèn)題對(duì)世界各地產(chǎn)生的不利影響，受到了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-9]。賽佳美[10]在內(nèi)蒙古腰壩綠洲分析了近50年鹽漬化特征與灌溉水質(zhì)變化情況，闡明了灌溉水質(zhì)與當(dāng)?shù)赝寥利}漬化之間的緊密關(guān)系及其影響程度。李艷菊[11]以渭-庫(kù)綠洲帶為研究區(qū)，依據(jù)2006—2017年采集數(shù)據(jù)，分析區(qū)內(nèi)不同年份不同深度土層的鹽漬化時(shí)空變化特征定量分析了地形濕度指數(shù)、地下水溶解性總固體(total soluble solids，TDS)等影響因素對(duì)土壤鹽分的綜合作用。柳菲[12]在民勤綠洲通過(guò)野外調(diào)查及采樣和試驗(yàn)分析，明確了不同土地利用類(lèi)型條件下的水鹽特征，并分析了土壤鹽漬化成因。

紅色框內(nèi)為研究區(qū)圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of the study area

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察及收集到的資料表明，喀什噶爾河流域內(nèi)存在小麥、棉花、果樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物，土地利用率較高，加上干旱半干旱氣候下自然條件的影響，流域內(nèi)土壤鹽漬化現(xiàn)象十分突出[13-14]。在取樣測(cè)試和往期資料的幫助下，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、動(dòng)態(tài)度模型等方法，詳細(xì)分析研究區(qū)土壤鹽漬化的分布特征，并對(duì)區(qū)內(nèi)多年的鹽漬化情況進(jìn)行時(shí)空演化分析，旨在對(duì)喀什噶爾河流域的土壤鹽漬化治理和生態(tài)文明建設(shè)提供較為合理的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)喀什噶爾河流域位于新疆西南部喀什地區(qū)，屬典型干旱半干旱氣候，區(qū)內(nèi)降雨量小，蒸發(fā)量大其地理位置示意圖如圖1所示。喀什噶爾河流域地形坡度變化大，西高東低，三面環(huán)山，呈現(xiàn)開(kāi)口向東的“簸箕”狀地形[15-16]。流域中上游地下水位埋深多大于3 m，現(xiàn)均開(kāi)發(fā)為城鎮(zhèn)或農(nóng)業(yè)綠洲用地，地表被人工植被覆蓋，為流域主要農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)；下游河間地塊地勢(shì)低洼平坦，地下水位埋深淺，形成了部分沼澤濕地，土壤鹽漬化較嚴(yán)重[17]。本次研究區(qū)面積約為3.28×104km2。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤鹽漬化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

采用如表1[18]所示的土壤鹽化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，利用土壤檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)綜合考慮鹽漬化程度、農(nóng)作物類(lèi)型等因素，最終確定研究區(qū)土壤鹽漬化級(jí)別。

1.2.2 土地利用動(dòng)態(tài)度模型

土壤鹽漬化具有空間區(qū)位的固定性與獨(dú)特性的特點(diǎn)，因此為更加準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)研究區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程，就要對(duì)研究區(qū)的土壤鹽漬地變化進(jìn)行定位化定量化的空間分析[19]。利用單一土地利用動(dòng)態(tài)度可表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)，不同類(lèi)型鹽漬地變化速度的情況計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某一種鹽漬地的面積；T為研究時(shí)間間隔，當(dāng)設(shè)定T為年時(shí)，K為研究時(shí)段內(nèi)某種類(lèi)型鹽漬地的年變化率。

1.2.3 轉(zhuǎn)移矩陣

土壤鹽漬化演化規(guī)律分析還可以用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)移矩陣可以定量表明不同土鹽漬化土壤之間的轉(zhuǎn)化情況，還可以通過(guò)不同鹽漬化土壤之間的轉(zhuǎn)移速率，判斷流域內(nèi)土壤鹽漬化變化趨勢(shì)[20-21]，計(jì)算公式為

(2)

式(2)中:n為土地利用類(lèi)型；Sxy為研究區(qū)研究時(shí)段初期x類(lèi)鹽漬化土壤到研究末期轉(zhuǎn)為y類(lèi)鹽漬化土壤的面積，km2。

1.2.4 重心遷移

通過(guò)計(jì)算鹽漬化土壤重心的變化來(lái)分析區(qū)域不同土壤鹽漬化等級(jí)變化和人類(lèi)活動(dòng)的空間特點(diǎn)[22-23]。計(jì)算不同類(lèi)型鹽漬化土壤重心的公式如式(3)、式(4)所示，并通過(guò)分析不同類(lèi)型鹽漬化土壤重心移動(dòng)的方向和幅度來(lái)把握研究區(qū)不同類(lèi)型鹽漬化土壤變化趨勢(shì)。

(3)

(4)

式中：Xt、Yt分別為第t年某種鹽漬化土壤類(lèi)型重心的坐標(biāo)；n為第t年該鹽漬地類(lèi)型的斑塊數(shù)；Cti為第t年該鹽漬化土壤類(lèi)型第i個(gè)斑塊的面積；Xti、Yti分別為第t年該鹽漬化土壤類(lèi)型第i個(gè)斑塊的幾何中心坐標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽漬化分布特征

以取樣送檢的土壤易溶鹽數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合土壤鹽化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS插值得到如圖2所示的研究區(qū)2019年(現(xiàn)狀年)土壤鹽漬化分布。

從圖2可以看出，研究區(qū)內(nèi)輕度鹽漬化(土壤含鹽量<2 g/kg)區(qū)域一部分以烏恰縣南部-阿克陶縣西部-英吉沙縣呈條帶狀展布，一部分位于岳普湖縣東部、伽師縣南部，面積約為1.15×104km2；中度鹽漬化(2～4 g/kg)區(qū)域位于疏附縣、阿克陶縣東部，岳普湖縣西部以及伽師縣北部，面積約為0.98×104km2；重度鹽漬化(4～10 g/kg)區(qū)域大致分布在喀什噶爾河下游，一部分位于伽師縣東部、巴楚縣周?chē)徊糠衷谟⒓持胁砍蕳l帶狀展布，面積約為0.54×104km2；鹽土(極重度鹽漬化，>10 g/kg)區(qū)域以巴楚縣北部-阿瓦提縣呈近東-西向條帶狀展布，面積約為0.61×104km2。

圖2 研究區(qū)2019年土壤鹽漬化分布Fig.2 Distribution of soil salinization in the study area in 2019

2.2 土壤鹽漬化時(shí)空演化分析

2.2.1 時(shí)間演化分析

(1)不同類(lèi)型鹽漬化土壤面積變化?，F(xiàn)狀年鹽漬化土壤分布使用2.1節(jié)分析結(jié)果，通過(guò)收集到的往年土壤鹽漬化資料用ArcGIS軟件繪出1970年、2000年、2010年、2017年土壤鹽漬化分布，如圖3～圖6所示，不同年份不同類(lèi)型土壤鹽漬化面積比例統(tǒng)計(jì)如表2所示。結(jié)合不同年份的土壤鹽漬化分布(圖3～圖6)分析鹽漬化土壤面積變化情況。

圖3 研究區(qū)1970年土壤鹽漬化分布Fig.3 Distribution of soil salinization in the study area in 1970

圖4 研究區(qū)2000年土壤鹽漬化分布Fig.4 Distribution of soil salinization in the study area in 2000

圖5 研究區(qū)2010年土壤鹽漬化分布Fig.5 Distribution of soil salinization in the study area in 2010

圖6 研究區(qū)2017年土壤鹽漬化分布Fig.6 Distribution of soil salinization in the study area in 2017

根據(jù)圖2～圖6所示的5張不同年份土壤鹽漬化分布以及表2所示的不同年份不同類(lèi)型土壤鹽漬化面積及比例，分析總結(jié)得出如下結(jié)論。

表2 不同年份不同類(lèi)型土壤鹽漬化面積比例統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of salinization area proportion of different types of soil in different years

(1)從各類(lèi)型土壤鹽漬化面積的總體動(dòng)態(tài)變化來(lái)看：在整個(gè)研究期內(nèi)，輕度鹽漬化面積呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)；中度鹽漬地面積則呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢(shì)；重度鹽漬化面積在1970—2010年呈上升趨勢(shì)，在2010—2019年則呈下降趨勢(shì)；極重度鹽漬地面積在1970—2000年增加較多，在2000—2019年一直呈減少趨勢(shì)。表明流域內(nèi)土壤鹽漬化情況經(jīng)歷了前期加重，之后逐漸優(yōu)化的過(guò)程。

(2)從各類(lèi)土壤鹽漬化在總面積中的所占比重來(lái)看，1970年輕度鹽漬化所占比重最大，極重度鹽漬化占比次之，中度、重度鹽漬地所占比重相等且最少，所占比重分別為63%、19%、9%和9%；在2000年，各類(lèi)鹽漬地所占比重發(fā)生了明顯的變化，所占比重的大小依次為極重度鹽漬地>輕度鹽漬地>重度鹽漬地>中度鹽漬地；在2010年和2017年類(lèi)鹽漬地所占比重差異變化不大，輕度鹽漬地均占主要比重。在2019年，輕度鹽漬地和中度鹽漬地面積占比最大，所占面積之和占總面積達(dá)65%，重度和極重度鹽漬地面積均占比不大，分別為16%和19%。

(3)不同類(lèi)型鹽漬化土壤演化速度。單一動(dòng)態(tài)度的正負(fù)表示該類(lèi)型鹽漬地面積增減，其數(shù)值則表示增減的速度；綜合動(dòng)態(tài)度則表示一個(gè)研究時(shí)段內(nèi)整個(gè)研究區(qū)內(nèi)鹽漬地整體變化速度，利用研究區(qū)五期土壤鹽漬化數(shù)計(jì)算得出單一動(dòng)態(tài)度K和綜合動(dòng)態(tài)度(LC)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中計(jì)算出的研究區(qū)土壤鹽漬化單一動(dòng)態(tài)度和綜合動(dòng)態(tài)度分析得出如下結(jié)論。

表3 不同類(lèi)型土壤鹽漬化動(dòng)態(tài)度Table 3 Dynamic attitude of different types of soil salinization

(1)不同類(lèi)型土壤鹽漬化在不同研究時(shí)段表現(xiàn)出不同的變化速度，輕度鹽漬地自1970年以來(lái)變化速率總體上呈波動(dòng)趨勢(shì)；中度鹽漬地在2000—2019年均呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其中在2000—2010年的變化速率更是達(dá)到0.46%；重度鹽漬地在1970—2010年變化速率均呈加速態(tài)勢(shì)，在2010—2019年則有所減緩，變化速率為負(fù)；極重度鹽漬地在多年間變化速率呈波動(dòng)趨勢(shì)，總體上變化不明顯。

(2)在4個(gè)不同時(shí)段，各鹽漬地類(lèi)型年均變化速度各不相同。在1970—2000年各類(lèi)型土壤鹽漬化年均變化速度最慢，綜合動(dòng)態(tài)度為4.52%；在2010—2017年變化速度最快，綜合動(dòng)態(tài)度高達(dá)17.07%在2000—2010年和2010—2017年，研究區(qū)各類(lèi)型土壤鹽漬化平均變化速度居中，綜合動(dòng)態(tài)度分別為11.76%和8.38%。由此可見(jiàn)，研究區(qū)在2010—2017年的各類(lèi)型土壤鹽漬化年均變化速率要高于其他各年份變化速率，說(shuō)明在此期間，研究區(qū)各類(lèi)型土壤鹽漬化的結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，是土壤鹽漬化變化較大的時(shí)期。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)各類(lèi)型土壤鹽漬化的動(dòng)態(tài)度進(jìn)行總體分析，結(jié)果表明中度類(lèi)型土壤鹽漬化增長(zhǎng)迅速，輕度和極重度類(lèi)型土壤鹽漬化呈波動(dòng)趨勢(shì)，而重度類(lèi)型土壤鹽漬化則表現(xiàn)為先加速增長(zhǎng)之后逐漸恢復(fù)的趨勢(shì)?？傊?970—2010年，研究區(qū)類(lèi)型土壤鹽漬化問(wèn)題呈現(xiàn)加速惡化的態(tài)勢(shì)，在2010—2019年，類(lèi)型土壤鹽漬化出現(xiàn)波動(dòng)減緩的態(tài)勢(shì)。

2.2.2 空間演化分析

按照1970—2000年、2000—2010年、2010—2017年、2017—2019年4個(gè)時(shí)間段，利用ArcGIS對(duì)5期鹽漬化類(lèi)型圖進(jìn)行空間分析，得到如表4～表7的4個(gè)時(shí)段內(nèi)的研究區(qū)土壤鹽漬化面積轉(zhuǎn)移矩陣和表8所示的不同鹽漬地類(lèi)型的面積轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出。

表4 研究區(qū)1970—2000年不同程度鹽漬地轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 1970 to 2000

(1)從4個(gè)時(shí)段各類(lèi)型的轉(zhuǎn)移面積來(lái)看，輕度鹽漬地向中度鹽漬地、重度鹽漬地和極重度鹽漬地均有不同程度的轉(zhuǎn)移。其中，輕度鹽漬地轉(zhuǎn)向中度鹽漬地和重度鹽漬地的面積相對(duì)較大，轉(zhuǎn)移為極重度鹽漬地的面積相對(duì)較少，在1970—2000年，輕度鹽漬地轉(zhuǎn)為極重度鹽漬地面積為71×102km2，其余各年份分別為1×102、2×102、0 km2；中度鹽漬地轉(zhuǎn)為其他類(lèi)型鹽漬地的面積最少，其轉(zhuǎn)化面積均在25×102km2以?xún)?nèi)；重度鹽漬地轉(zhuǎn)和極重度鹽漬地轉(zhuǎn)為其他類(lèi)型鹽漬地面積居中，在0～73×102km2。由此可見(jiàn)，1970—2000年是研究區(qū)鹽漬化急劇加重的階段。

表5 研究區(qū)2000—2010年不同程度鹽漬地轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2000 to 2010

表6 研究區(qū)2010—2017年不同程度鹽漬地轉(zhuǎn)移矩陣Table 6 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2010 to 2017

表7 研究區(qū)2017—2019年不同程度鹽漬地轉(zhuǎn)移矩陣Table 7 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2017 to 2019

表8 研究區(qū)不同程度鹽漬化類(lèi)型的面積轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出Table 8 Area transfer in and transfer out of different degrees of salinization types in the study area

(2)在4個(gè)時(shí)段內(nèi)，各鹽漬地類(lèi)型均有一定程度的相互轉(zhuǎn)化。其中，中度鹽漬地的轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入面積最少，在各年份內(nèi)其轉(zhuǎn)換面積均在59×102km2以?xún)?nèi)，類(lèi)型之間變換最小，最為穩(wěn)定；輕度鹽漬地在1970—2000年轉(zhuǎn)出最多，高達(dá)102×102km2，在同年間極重度鹽漬地的轉(zhuǎn)入面積也出現(xiàn)驟增，達(dá)到99×102km2；另外，極重度鹽漬地在2000—2010年大面積轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)出面積多達(dá)105×102km2，除此之外其他年份間各類(lèi)型鹽漬地之間的轉(zhuǎn)換面積變化均不大。由此可見(jiàn)在1970—2000年，研究區(qū)鹽漬化呈加重態(tài)勢(shì)，在往后的年份中逐漸趨于緩和。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以直觀看出各類(lèi)鹽漬地相互轉(zhuǎn)移的情況，其中1970—2000年是整個(gè)研究區(qū)鹽漬化加重階段，而在2000—2010年，研究區(qū)內(nèi)極重度鹽漬化面積出現(xiàn)大幅度減小，中度和重度鹽漬化面積在往后的年份中也未再大幅增加，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)鹽漬化程度呈減緩趨勢(shì)。

2.2.3 土壤鹽漬化分布重心變化

利用鹽漬地重心轉(zhuǎn)移公式計(jì)算研究區(qū)不同類(lèi)型土壤鹽漬地的重心，并通過(guò)分析不同類(lèi)型鹽漬地重心移動(dòng)的方向和幅度來(lái)把握研究區(qū)土壤鹽漬化變化趨勢(shì)，鹽漬化重心變化如表9所示。

表9 研究區(qū)1970—2019年各類(lèi)型鹽漬地重心變化Table 9 Change of gravity center of various types of saline land in the study area from 1970 to 2019

根據(jù)表8、圖3、圖4可知，1970—2019年，輕度和中度鹽漬地的重心往西南方向及阿克陶及英吉沙一帶移動(dòng)，其中,中度鹽漬地的移動(dòng)幅度最大，總計(jì)偏移了189 km，說(shuō)明中度鹽漬地49年來(lái)受自然因素和人為活動(dòng)影響最大。其次是輕度鹽漬地，偏移量達(dá)到69 km，表明此兩種類(lèi)型鹽漬地都是向著喀什市噶爾河中上游的方向收縮，這與河流上游屬于鹽分溶濾帶，地下水位埋深大，不易蒸發(fā)造成鹽漬化，故鹽漬化程度低的結(jié)論是一致的。

相反，重度和極重度鹽漬地的重心則往東北方向及伽師縣和岳普湖縣一帶移動(dòng)，偏移量分別達(dá)到171 km和185 km，表明鹽漬化加重情況向下游移動(dòng)。這是因?yàn)橄掠瓮寥利}漬化加重明顯受到天然條件下流域中下游鹽分積聚以及人工條件導(dǎo)致排鹽效果不佳的影響。

1970—2019年，各個(gè)類(lèi)型的鹽漬地重心都有較明顯變化，這也反映了研究區(qū)近50年來(lái)自然因素和人為活動(dòng)對(duì)研究區(qū)鹽漬地在空間分布上的影響。

3 結(jié)論

以典型干旱半干旱地區(qū)新疆西南部喀什噶爾河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于取樣檢測(cè)的易溶鹽數(shù)據(jù)及收集的資料，采用GIS技術(shù)、轉(zhuǎn)移矩陣、動(dòng)態(tài)度模型等方法手段，分析了研究區(qū)現(xiàn)狀年(2019年)的土壤鹽漬化分布特征以及1970年至今的土壤鹽漬化時(shí)空演化情況。得出如下結(jié)論。

(1)喀什噶爾河流域上游地段，喀什市、疏附縣、疏勒縣等周邊地區(qū)為輕度鹽漬化土壤，局部地段如英吉沙縣附近分布重度鹽漬化土壤。流域中下游地段及河流南岸分布重度鹽漬化土壤；伽師縣東部及河流北岸極重度鹽漬化土壤分布廣泛。

(2)通過(guò)對(duì)研究區(qū)各鹽漬地類(lèi)型的動(dòng)態(tài)度進(jìn)行總體分析，整個(gè)研究區(qū)內(nèi)鹽漬化在1970—2010年總體上呈加速惡化的態(tài)勢(shì);在之后的2010—2019年，鹽漬化程度呈波動(dòng)式減緩的態(tài)勢(shì)。

(3)通過(guò)分析研究區(qū)鹽漬地重心變化，明顯看出輕度和中度鹽漬地的重心都是向西南方向及阿克陶及英吉沙一帶移動(dòng)，其中，中度鹽漬地的移動(dòng)幅度最大，總計(jì)偏移了189 km，重度和極重度鹽漬地的重心則往東北方向及伽師縣和岳普湖縣一帶移動(dòng)，偏移量分別達(dá)到171 km和185 km，表明鹽漬化加重情況向下游移動(dòng)。