1986—2019年河套灌區(qū)土壤鹽漬化動態(tài)變化規(guī)律及成因

李谷豐，黃洪照，蘇春利，胡 甜，謝先軍*

(1.內(nèi)蒙古第十地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024005 ；2.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430078)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國最大的自流型灌區(qū)，具有廣闊的耕地，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，位于干旱內(nèi)陸區(qū)，常年蒸發(fā)強烈、降水少，地下水水位較高，土壤鹽漬化問題突出[1-2]，加上人類活動的影響，土壤次生鹽漬化廣泛分布[3]，監(jiān)測和治理灌區(qū)土壤鹽漬化演變迫在眉睫。隨著遙感技術(shù)、GIS技術(shù)的發(fā)展，為大面積、重復獲取區(qū)域多波段、多時相的信息，實時動態(tài)監(jiān)測鹽漬土演化狀況提供了可能，更彌補了傳統(tǒng)方法費時費力、測點少而代表性差、無法大面積實時動態(tài)監(jiān)測的缺陷[4]。

土壤鹽漬化是土壤中可溶性鹽的富集過程，是不同的鹽分重新分布復雜過程的結(jié)果，自然條件、系統(tǒng)特征、排水和用水管理不當都有可能導致鹽漬化土壤的形成[5]，而鹽漬化土壤的形成過程隨時間和空間的動態(tài)變化很大，實現(xiàn)長期、穩(wěn)定的土壤鹽漬化演變動態(tài)監(jiān)測對研究和治理土壤鹽漬化十分重要。當前針對河套灌區(qū)土壤鹽漬化演化長期監(jiān)測的研究較少[6]，且缺少對河套灌區(qū)鹽漬化土地空間結(jié)構(gòu)變遷和景觀格局變化特征的分析。因此，本文以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為研究區(qū)，利用Landsat系列多光譜數(shù)據(jù)、地物光譜信息和地表特征對1986—2019年研究區(qū)鹽漬化土壤進行解譯分析，并基于研究區(qū)土壤鹽漬化演變動態(tài)監(jiān)測，結(jié)合景觀格局指數(shù)探討該地區(qū)長期的土壤鹽漬化分布特征和變化規(guī)律，為了解研究區(qū)土壤鹽漬化的變化特征，評估河套灌區(qū)土壤鹽漬化控制措施的有效性提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)(北緯40°19′～41°18′，東經(jīng)106°20′～109°19′)位于黃河中段北岸的內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴彥淖爾市，北抵陰山，南臨黃河，東至包頭市郊，西部為沙漠，見圖1。該河套灌區(qū)北部為陰山山脈的狼山和烏拉山的沖積、洪積平原，主體為沖積、湖積平原，灌區(qū)地形西高東低、南高北低，總體上向東北傾斜，北部排干處為較低洼地帶，在地質(zhì)構(gòu)造上為封閉斷陷盆地，地勢平坦。河套灌區(qū)內(nèi)主要含水系統(tǒng)為第四系孔隙含水層系統(tǒng)，地下水水位埋深較淺，在非灌溉期地下水水位埋深為1.50～4.26 m，在 10 月份的冬灌期地下水水位埋深可上升到0.50 m。地下水補給來源充沛，除灌溉及降雨補給之外，還有北部山前側(cè)向徑流和南部黃河側(cè)滲補給；而潛水徑流路徑短，水動力較弱，徑流排泄不暢，主要的排泄方式是潛水蒸發(fā)[1]。河套灌區(qū)屬大陸性干旱、半干旱氣候，氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)強烈，春、秋季節(jié)干燥并伴有大風，全年土壤積鹽最高峰期在土壤凍結(jié)后(12月份至次年3月份)[5]。該地區(qū)年平均降水量為63～177 mm，且多集中于夏季 7～9 月份，約占全年降水量的2/3以上，年平均蒸發(fā)量在2 000 mm以上。

圖1 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地理位置

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理

本研究采用的遙感影像為美國國家航空航天局(NASA)的陸地衛(wèi)星(Landsat)提供，影像來源為美國地質(zhì)調(diào)查局(http://www.usgs.gov)。1972年以來，美國NASA陸地衛(wèi)星提供了具有中等空間和光譜分辨率較為長期、連續(xù)、穩(wěn)定的遙感影像[7]。根據(jù)目視及影像的云量參數(shù)情況，對1972—2020年研究區(qū)的Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)進行了初步篩選，選取1986—2019年研究區(qū)春季(3～5月份)、夏季(6～8月份)和秋季(9～11月份)39期軌道號為129031和129032的78景Landsat遙感影像數(shù)據(jù)(見表1)，用于探究河套灌區(qū)鹽漬化土地的長期變化特征。圖像預(yù)處理是在美國Exelis Visual Information Solutions公司旗下的ENVI平臺進行的，在ENVI 5.3中使用GDEMV2 30m 分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)對所有遙感影像進行幾何校正，保證其空間誤差不超過1個像元，之后對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、拼接、裁剪，最終得到研究區(qū)多時段的多光譜遙感影像。

表1 1986—2019年研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)參數(shù)表

2.2 分類方法與變化檢測

當前常用的分類方法主要有監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類，如支持向量機(SVM)、決策樹分類等。傳統(tǒng)的分類方法主要是根據(jù)各類地物的光譜信息特征來實現(xiàn)影像分類，但其對地物空間相互關(guān)系和其他特征利用不足[8-10]，對光譜信息比較復雜的地物區(qū)分能力不夠。相比于傳統(tǒng)的分類方法，決策樹分類是機器挖掘的一種學習方法，它提供了對各數(shù)據(jù)層之間的非參數(shù)判別統(tǒng)計關(guān)系來生成二叉樹，通過遞歸將訓練數(shù)據(jù)像元分割成更多的同質(zhì)子集，并根據(jù)訓練樣本定義的類別來度量同質(zhì)性，可以按照地物光譜信息、空間關(guān)系和其余特征關(guān)系處理噪聲數(shù)據(jù)并自動選擇特征來完成整個分類過程，適用于多源數(shù)據(jù)，具有較高的分類精度[11]。在決策樹分類中，CART (Classification And Regression Tree)算法相對穩(wěn)定，已在大量研究中被成功應(yīng)用[12-14]。因此，本文使用基于CART算法的決策樹分類方法對研究區(qū)的土地利用類型進行分類，詳細流程見圖2。

圖2 研究區(qū)土地利用類型分類流程圖

圖像分類后，采用分類后比較法工具Thematic Change Workflow對分類結(jié)果進行比較，分析不同時期遙感數(shù)據(jù)的地表變化特征，這是最常見的動態(tài)檢測方法[15]。分類后比較法工具Thematic Change Workflow提供同一場景在不同時間拍攝[16-17]兩個分類圖像之間的信息和類型的變化情況。本文使用分類后比較法工具Thematic Change Workflow分別對1986—2003年和2003—2019年研究區(qū)春季、夏季和秋季土壤鹽漬化的年際變化進行動態(tài)檢測，以探究研究區(qū)土壤鹽漬化的年際變化；對1986年、2003年和2019年研究區(qū)春夏季和夏秋季土壤鹽漬化的季節(jié)變化進行動態(tài)檢測，以探究研究區(qū)土壤鹽漬化的季節(jié)變化特征。

2.3 解譯標志與特征指數(shù)

土地利用類型種類繁多，已有許多研究提出各土地利用類型分類系統(tǒng)以滿足不同的研究目的[15-17]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地勢平坦，絕大部分土地都被開發(fā)為農(nóng)業(yè)用地，其他多為無法開發(fā)的沙漠、巖質(zhì)山體、荒地等。為了能夠簡明地了解研究區(qū)土壤鹽漬化的空間分布特征和變遷，本文基于谷歌地圖，結(jié)合先驗知識和野外實地考察，將研究區(qū)遙感影像解譯分為4種不同的土地利用類型，建立了研究區(qū)各土地利用類型的解譯標志，見表2。

表2 研究區(qū)不同土地利用類型解譯標志(標準假彩色合成)

研究區(qū)許多土地雖然已發(fā)生鹽漬化，但仍在耕作種植中，由于水分和植物的影響導致土壤鹽漬化特征不明顯，另外植被覆蓋率低的部分裸地則與鹽漬化土地的反射率特征比較相近，所以為了準確地區(qū)分不同的土地利用類型，提高分類的精度，本文選取調(diào)整土壤亮度的植被指數(shù)、水體指數(shù)、土壤指數(shù)、非監(jiān)督分類結(jié)果和多光譜影像疊加形成的綜合多波段多源屬性圖像來開展遙感解譯。

調(diào)整土壤亮度的植被指數(shù)(Soil-Adjusted Vegetation Index，SAVI)是Huete[18]為了解釋背景的光學特征變化并修正歸一化植被指數(shù)(NDVI)對土壤背景的敏感性而提出的，其可降低土壤背景的影響，是可適當描述土壤-植被系統(tǒng)的模型，適用于植被覆蓋率低的地區(qū)，其表達式如下：

(1)

式中：R為紅光波段(Landsat TM/ETM+的Band3、Landsat8 OLI的Band4)的反射率；NIR為紅光波段和紅外波段(Landsat TM/ETM+的Band4、Landsat8 OLI的Band5)[19-20]的反射率;L為先驗的土壤調(diào)整常數(shù),研究區(qū)適合取0.5[21]。

在Landsat TM/ETM+遙感圖像中，水域具有獨特的光譜特征，其第2、3波段光譜值之和大于第4、5波段光譜值之和。因此，對2013年以前的遙感圖像，使用下式：

Indexwater=(Band2+Band3)-(Band4+Band5)

(2)

對于Landsat8 OLI遙感影像，相應(yīng)的計算公式為

Indexwater=(Band3+Band4)-(Band5+Band6)

(3)

穗帽變換(Tasseledcap Transform，TC)是由Kauth等[22]提出的一種特殊的主成分變換方法，是通過對Landsat遙感數(shù)據(jù)的各個波段分別賦予固定的權(quán)重進行線性變換，得到多個新軸，其中第1個新軸(TC1)就是由非植被特性決定的“土壤亮度(Soil Brightness)”指數(shù)，反映了土壤對光線的反射強度和裸露程度，更有助于識別裸地，其與第2個新軸(TC2)的“綠度”(Greenness)指數(shù)構(gòu)成互補。在本次研究中，對于Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)，采用土壤亮度(TC1)指數(shù)表征土壤特征，其計算公式如下：

TC1=0.290 8×Band1+0.249 3×Band2+0.480 6×Band3+0.556 8×Band4+0.443 8×Band5+0.170 6×Band7

(4)

對于Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，土壤亮度(TC1)指數(shù)的計算如下：

TC1=0.290 98×Band2+0.249 3×Band3+0.480 6×Band4+0.556 8×Band5+0.443 8×Band6+0.170 6×Band7

(5)

上式中：Band1、Band2、Band3、Band4、Band5、Band6、Band7均為Landsat影像中波段的反射率。

2.4 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是用來提取景觀格局信息，反映景觀空間格局特征的定量指標，可表征生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)學特征[23]。景觀格局特征可以在3個層次上分析：單個斑塊、由所有同種單個斑塊組成的斑塊類型以及包括所有單個斑塊類型的整個景觀鑲嵌體。相對地，景觀格局指數(shù)亦可分為斑塊水平上的指數(shù)、斑塊類型水平上的指數(shù)和景觀水平上的指數(shù)。其中，斑塊類型水平上的指數(shù)主要表征同一類型所有斑塊的統(tǒng)計學特點，對于描述和理解不同類型斑塊的景觀格局特征十分重要[24]，本文利用3種斑塊類型水平上的景觀格局指數(shù)來反映各種土地利用類型斑塊在不同時期的變化特征，探究其土地利用類型斑塊的景觀格局特征，見表3。

表3 斑塊類型水平上的景觀格局指數(shù)

3 研究結(jié)果與討論

3.1 研究區(qū)鹽漬化土地總體特征

長期以來，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)分布著大量的鹽漬化土地，鹽漬化土地面積整體呈現(xiàn)下降趨勢，但在不同年份其分布特點存在一定的差異。其中，1986年研究區(qū)春季鹽漬化土地空間分布面積大、集中程度高，延展走向與干溝干渠方向一致，主要分布于農(nóng)業(yè)用地之間，其中在義長灌域東南部、烏拉特灌域西部和解放閘灌域西部地區(qū)鹽漬化土地聚集程度較高(見圖3)。

根據(jù)1986—2019年土地利用類型面積變化曲線(見圖4)可以看到:1986—1995年間研究區(qū)春季鹽漬化土地面積整體上都平穩(wěn)在1 200 km2，占比在12%上下變化，盡管該時期鹽漬化土地面積的變化不大，但在研究區(qū)東部的義長灌域和烏拉特灌域內(nèi)鹽漬化土地集中程度降低，鹽漬化土地變得更破碎;1995—2003年間研究區(qū)春季鹽漬化土地面積從1 263.91 km2下降到205.35 km2，占比降為1.9%，進入到一個快速下降的時期，鹽漬化土地面積下降速度為105 km2/a，至2003年鹽漬化土地僅在解放閘灌域西部和義長灌域內(nèi)分布較為集中，其余灌域內(nèi)其分布較為零散；在2003年之后，研究區(qū)鹽漬化土地面積在300 km2上下浮動，其主要分布于研究區(qū)中部的永濟灌域和西部的解放閘灌域內(nèi)。郭姝姝[25]指出，1996—2002年間為內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬化土地面積明顯下降時期，其前后兩個時間段為鹽漬化土地面積變化較穩(wěn)定期。1986年以來，研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地的面積有所增加，由1986年的6 086.74 km2增加到2000年的7 718 km2，此后農(nóng)業(yè)用地的面積維持在7 000 km2左右；裸地面積比較穩(wěn)定，維持在20%左右，多為難開發(fā)為農(nóng)業(yè)用地的巖質(zhì)山體和荒漠，主要分布于狼山及研究區(qū)西部的烏蘭布和沙漠，少部分零散分布于農(nóng)業(yè)用地之中。

圖4 1986—2019年研究區(qū)不同季節(jié)土地利用類型面積變化曲線

1986年研究區(qū)夏季鹽漬化土地較為零散，主要分布于烏蘭布和灌域和永濟灌域內(nèi)，大部分鹽漬化土地發(fā)生于裸地和農(nóng)業(yè)用地的邊界和水體周邊，農(nóng)業(yè)用地中間零散分布著少許的鹽漬化土地(見圖5)。30余年來，研究區(qū)夏季鹽漬化土地面積整體上也是下降的，但是下降幅度相對較小，鹽漬化土地面積是在1998年開始下降的，1986—1998年間研究區(qū)鹽漬化土地面積在300 km2左右，1998年以后則在100 km2左右。

圖5 1986—1998年研究區(qū)夏季土地利用類型分布圖

1986年研究區(qū)秋季鹽漬化土地相比于夏季分布連續(xù)性和聚集程度更高，主要分布于研究區(qū)北部總排干兩邊、烏蘭布和灌域和永濟灌域內(nèi)，發(fā)生于農(nóng)業(yè)用地間和排干周邊，走向與渠系方向相一致，而解放閘灌域和義長灌域內(nèi)鹽漬化土地相對較少，零散分布于農(nóng)業(yè)用地之間(見圖6)。研究區(qū)秋季鹽漬化土地面積變化與春季相似，1995之前和2003年之后的時間段是兩個穩(wěn)定期，而1995—2003年間則是其面積下降比較快速的時期，1995年之前研究區(qū)秋季鹽漬化土地面積穩(wěn)定在700 km2左右，然后從1995年的700.58 km2下降至2003年的148.56 km2，該時期研究區(qū)北部總排干周圍的鹽漬化土地面積減少較多，烏蘭布和灌域和永濟灌域內(nèi)的裸地鹽漬化程度也有所減輕；2005—2019年研究區(qū)鹽漬化土地面積在300 km2以內(nèi)波動，此時期面積較大的鹽漬化土地主要分布在永濟灌域和烏蘭布和灌域內(nèi)的裸地周邊，而農(nóng)業(yè)用地間的鹽漬化土地較為零散(見圖6)。

圖6 1986—2019年研究區(qū)秋季土地利用類型分布圖

整體來看，春季和秋季是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)兩個積鹽期，其中以春季反鹽最為嚴重，相比于春季，夏季和秋季研究區(qū)鹽漬化土地面積明顯較少[3,26]。此外，在兩個積鹽期研究區(qū)鹽漬化土地的分布區(qū)域也有所不同，春季由于受到灌溉作用的影響較小，鹽漬化土地分布區(qū)域更加廣泛，而經(jīng)過一整年的農(nóng)業(yè)灌溉，秋季鹽漬化土地在排干周邊的聚集程度更高。夏季盡管不是積鹽期，但是研究區(qū)中部永濟灌域內(nèi)的裸地、水體周邊和西部烏蘭布和灌域內(nèi)也分布著不少的鹽漬化土地。

3.2 研究區(qū)鹽漬化土地遷移及景觀格局

由1986—2019年研究區(qū)春季土地利用類型轉(zhuǎn)移分布圖(圖7)可以看出：1986—2003年間研究區(qū)春季鹽漬化土壤面積減少1 427.52 km2，新增86.10 km2，凈減1 341.42 km2，主要轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地，少量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋?，發(fā)生轉(zhuǎn)變的鹽漬化土地主要集中在研究區(qū)的東部、北部和西北部，中部和西部也有較可觀的鹽漬化土地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地，新增的鹽漬化土地來源主要為農(nóng)業(yè)用地和裸地，集中分布在研究區(qū)的西部烏蘭布和灌域和永濟灌域內(nèi)，解放閘灌域西北部也有較多的其他土地利用類型重新轉(zhuǎn)為鹽漬化土地，另有較多的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)為裸地[見圖7(a)]；2003—2019年研究區(qū)春季鹽漬化土地面積減少140.03 km2，主要去向為農(nóng)業(yè)用地83.25 km2，少量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋?，主要分布在研究區(qū)西部烏蘭布和沙漠中的水體周圍，同期鹽漬化土地面積累計新增275.61 km2，來源主要是農(nóng)業(yè)用地和裸地，其面積分別為212.44 km2、62.70 km2，農(nóng)業(yè)用地返鹽漬化土地面積增加，新增鹽漬化土地主要分布在研究區(qū)中部的永濟灌域、解放閘灌域西部和黃河沿岸，其他灌域由零散的小面積農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)辂}漬化土地[見圖7(b)]。張銀輝等[27]研究指出灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有脆弱性、易變性和穩(wěn)定性偏低的特點，不科學的人類灌溉活動容易導致農(nóng)業(yè)用地重新產(chǎn)生次生鹽漬化。

圖7 1986—2019年研究區(qū)春季土地利用類型轉(zhuǎn)移分布圖

由1986—2019年研究區(qū)鹽漬化土地景觀格局指數(shù)變化曲線(見圖8)可以看出：1986—2003年間研究區(qū)春季鹽漬化土地的MPS、PSCOV、AWMSI變化比較強烈，反映了這一時期鹽漬化土地經(jīng)歷了比較大的變遷，1986年研究區(qū)春季鹽漬化土地的MPS、PSCOV、AWMSI和鹽漬化土地面積都在相對較高的水平，體現(xiàn)該年份鹽漬化斑塊擁有較高連續(xù)性的同時擁有數(shù)量較多的斑塊，鹽漬化斑塊之間的大小差異性較大，離散程度較高，而且斑塊形狀較為復雜，說明該時期研究區(qū)大量分布大面積連片的鹽漬化斑塊，鹽漬化斑塊受到人類活動的影響較小，斑塊形狀是相對更加復雜的自然形狀；1986—1995年間研究區(qū)春季鹽漬化土地的MPS、PSCOV都呈較快的下降趨勢，而鹽漬化土地面積變化平穩(wěn)，反映該時期研究區(qū)鹽漬化斑塊正趨向于破碎，而從研究區(qū)春季鹽漬化土地分布圖(見圖3)可以看出，義長灌域東南部和烏拉特灌域內(nèi)的農(nóng)業(yè)用地間大塊連片的鹽漬化土地變得破碎，與此同時AWMSI的持續(xù)下降顯示鹽漬化斑塊的形狀在該時期變得愈加規(guī)則，說明此時的人類活動對鹽漬化土地的改造作用比較強烈，景觀格局受到人類活動的干擾作用在增加[28]；在1995—2003年間研究區(qū)春季鹽漬化土地的MPS保持較快的下降，PSCOV和AWMSI下降趨勢變緩，鹽漬化土地的面積也在持續(xù)下降，體現(xiàn)該時期鹽漬化斑塊在減少的同時趨向于破碎，大塊連片的鹽漬化斑塊在不斷萎縮變小，人類活動對鹽漬化斑塊的改造作用仍在持續(xù)；2003—2019年間研究區(qū)春季鹽漬化土地的MPS、PSCOV、AWMSI和鹽漬化土地的面積在較低水平維持穩(wěn)定，說明這個時期鹽漬化土地趨于穩(wěn)定，保持一個比較破碎零散的特征，人類活動對鹽漬化土地的開發(fā)程度也相對較高。

圖8 1986—2019年研究區(qū)鹽漬化土地景觀格局指數(shù)變化曲線

由研究區(qū)夏、秋兩季土地利用類型轉(zhuǎn)移分布及土地類型季節(jié)變化圖(見圖9)可以看出：

圖9 研究區(qū)夏、秋兩季土地利用類型轉(zhuǎn)移分布及土地類型季節(jié)變化圖

(1) 1986—2003年間研究區(qū)夏季鹽漬化土地減少區(qū)域主要分布于義長灌域和烏拉特灌域內(nèi)，該時期鹽漬化土地減少面積為305.61 km2，主要轉(zhuǎn)變?nèi)ハ驗檗r(nóng)業(yè)用地，同時期鹽漬化土地面積累計新增87.62 km2，新增區(qū)域主要分布于研究區(qū)西部烏蘭布和灌域內(nèi)，主要來源是裸地。這是因為夏季為農(nóng)業(yè)種植時期，在人類活動改造作用的影響下，鹽漬化土地相對較為破碎零散且形狀較為規(guī)則，該季節(jié)鹽漬化土地的MPS、PSCOV和AWMSI整體上都處于相對較低的水平。1986—2003年間研究區(qū)鹽漬化土地的MPS有少許上升，PSCOV則波動下降，說明該時期研究區(qū)較小的鹽漬化斑塊變少，向較大的鹽漬化斑塊趨近，此時鹽漬化土地的AWMSI整體上呈波動下降的趨勢，說明鹽漬化土地受到人類活動改造的影響程度升高。

(2) 2003—2019年間研究區(qū)夏季鹽漬化土地面積減少103.36 km2，新增5.10 km2，該時期減少的鹽漬化土地主要分布于研究區(qū)西部的烏蘭布和灌域內(nèi)，而新增的鹽漬化土地零散分布于研究區(qū)中部和東部的大部分區(qū)域，主要轉(zhuǎn)變?nèi)ハ驗槁愕兀饕獊碓醋優(yōu)檗r(nóng)業(yè)用地。此時鹽漬化土地的MPS整體上是下降的，而PSCOV和AWMSI都穩(wěn)定在較低的水平，說明該時期研究區(qū)鹽漬化土地在保持較高人類活動改造影響程度的同時大塊的鹽漬化斑塊在萎縮變小。

(3) 1986—2003年間研究區(qū)秋季鹽漬化土地面積減少660.63 km2，減少區(qū)域分布于研究區(qū)大部分區(qū)域，其中以北部總排干兩邊的鹽漬化土地聚集連續(xù)程度最高，主要轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地和裸地，同時期鹽漬化土地面積累計新增70.67 km2，分布較為零散，主要來源是農(nóng)業(yè)用地和裸地。此時鹽漬化土地的MPS、PSCOV和AWMSI都有所下降，體現(xiàn)該時期研究區(qū)鹽漬化斑塊向破碎和形狀規(guī)則轉(zhuǎn)變，鹽漬化土地面積受到人類活動改造的影響程度升高。

(4) 2003—2019年間研究區(qū)秋季鹽漬化土地面積減少132.27 km2，新增24.25 km2，主要去向仍然是農(nóng)業(yè)用地，主要來源變?yōu)槁愕?。此時鹽漬化土地的MPS、PSCOV和AWMSI整體上都在較低水平保持平穩(wěn)，體現(xiàn)該時期研究區(qū)的鹽漬化土地進入一個平穩(wěn)時期，人類活動改造的影響程度趨于穩(wěn)定。

(5) 研究區(qū)春季到夏季的土地利用類型變化中主要是鹽漬化土地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地，1986年轉(zhuǎn)變區(qū)域分布于研究區(qū)的大部分地區(qū)，其中以解放閘灌域西部和烏拉特灌域較為連續(xù)集中，2003年研究區(qū)東部的轉(zhuǎn)變區(qū)域變少，轉(zhuǎn)變集中的區(qū)域變?yōu)榻夥砰l灌域和永濟灌域內(nèi)，2019年的轉(zhuǎn)變區(qū)域與2003年相似，但是轉(zhuǎn)變的面積更少。

(6) 研究區(qū)夏季到秋季的土地利用類型變化中以農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)辂}漬化土地為主，1986年轉(zhuǎn)變較為集中的區(qū)域為研究區(qū)北部總排干地區(qū)，2003年主要轉(zhuǎn)變區(qū)域為永濟灌域內(nèi)，2019年的轉(zhuǎn)變區(qū)域與2003年相似，但是轉(zhuǎn)變的面積變少。導致1986年研究區(qū)秋季北部總排干處大量積鹽的原因可能是由于灌溉水攜帶大量可溶性鹽進入總排干，而該時期總排干滲水問題較為嚴重，灌溉水在總排干兩側(cè)外滲后蒸發(fā)積鹽。任志遠等[29]研究指出1995年3月解決總排干滲水問題后，排干兩邊的土壤鹽漬化問題得到了較大的改善。

3.3 研究區(qū)土壤鹽漬化的影響因素

通過將研究區(qū)土壤鹽漬化的影響因素的多年變化[見圖10(c)]與鹽漬化土地面積變化曲線(見圖4)進行對比發(fā)現(xiàn):1986—2003年間研究區(qū)春季鹽漬化土地面積與地下水水位埋深(本文將灌區(qū)觀測井整年數(shù)據(jù)的平均值定義為地下水水位埋深)的多年變化趨勢具有相似性，兩者的變化曲線均在1995年之前保持平穩(wěn)，1995—2003年間保持較快的下降速度，2003年之后保持緩慢的下降趨勢。

圖10 研究區(qū)土壤鹽漬化的影響因素年度和月均變化圖

分別將1986—2003年7個年份和2005—2019年6個年份的研究區(qū)鹽漬化土地面積與同年的年均降雨量、年均氣溫、年均地下水水位埋深、當年灌溉水量和上一年灌溉水量進行相關(guān)性分析，得到研究區(qū)鹽漬化土地面積與各影響因素之間的相關(guān)性分析結(jié)果，其相關(guān)系數(shù)均在α=0.05水平上顯著，如圖11、圖12所示。

圖11 1986—2003年研究區(qū)鹽漬化土地面積與影響因素之間的相關(guān)性分析結(jié)果

圖12 2005—2019年研究區(qū)鹽漬化土地面積與影響因素之間的相關(guān)性分析結(jié)果

通過分析圖11可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 1986—2003年間研究區(qū)春季、夏季和秋季鹽漬化土地面積與地下水水位埋深的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別為-0.71、-0.80、-0.72,說明該時期地下水水位埋深是研究區(qū)鹽漬化土地產(chǎn)生的主導因素。

(2) 1986—1995年間地下水水位埋深相對較淺，鹽漬化土地面積的變化與地下水水位埋深的變化趨勢并不相同，而與上一年灌溉水量的變化趨勢相同。王學全等[5]研究指出，盡管該時期烏梁素海至黃河出水口工程及總排干已經(jīng)完成建設(shè)，但是由于灌區(qū)地下水無法排泄，田間排水工程不配套，灌溉水難以向排干匯集，導致上一年灌溉水滯留田間蒸發(fā)，其溶解的可溶性鹽及自身所帶的鹽分蒸發(fā)積鹽都對研究區(qū)春季土壤鹽漬化產(chǎn)生了重要的影響。

(3) 1995—2005年間研究區(qū)鹽漬化土地面積隨著地下水水位埋深的持續(xù)下降而不斷縮小，灌溉水量在此期間有所上升， 但對研究區(qū)鹽漬化土地面積的影響并不大，年均降雨量和年均氣溫等變化對其的影響也不大，可見該時期地下水水位埋深主導著鹽漬化土地面積的變化。張義強等[30]研究指出，1995年國家以田間設(shè)施為主的第三次水利建設(shè)完成，大量完善了田間排水設(shè)施，有效控制了研究區(qū)地下水水位以及土壤鹽漬化發(fā)展；馬冬梅等[31]的研究也反映河套灌區(qū)排入烏梁素海湖的水量在1995年達到高峰。

(4) 夏季鹽漬化土地面積除了受到地下水水位埋深的影響外，鹽漬化土地面積與當年灌溉水量呈高度正相關(guān)關(guān)系(r=0.70)，從多年年均地下水水位埋深可以看出夏季是研究區(qū)地下水水位埋深的高峰期，而該時期正值夏灌期間，灌溉水量對地下水水位的埋深變化具有重要影響，因此推斷該時期灌溉水量通過影響地下水水位埋深的方式來影響研究區(qū)鹽漬化土地面積的變化。鄒超煜等[3]研究指出，河套灌區(qū)的灌溉活動伴隨著地下水水位的抬升，且短時間內(nèi)無法排泄而蒸發(fā)積鹽，致使大量的良田土壤鹽漬化。

通過分析圖12可以看出：

(1) 地下水水位埋深與研究區(qū)春季鹽漬化土地面積的相關(guān)性變小，盡管年均地下水水位埋深依舊緩慢下降，但是研究區(qū)鹽漬化土地面積不再持續(xù)下降，此時的地下水水位埋深是2 m左右。張義強等[30]研究指出，在河套地區(qū)將地下水水位埋深控制在1.8 m以下即可有效控制鹽漬化土地的規(guī)模。與此同時，研究區(qū)春季鹽漬化土地面積與上一年灌溉水量呈高度正相關(guān)關(guān)系(r=0.78)，在地下水水位埋深較深且排水通暢的情況下，上一年灌溉水量越多，輸入研究區(qū)土壤中的鹽分也就越多，盡管灌溉水能夠?qū)⒁徊糠直韺油寥赖柠}分淋洗并排出，但仍有許多的灌溉水攜帶著鹽分留存于土壤中，較多的灌溉水進入土壤中還會使得由于多年灌溉留存于深層土壤中的鹽分運移至淺層，并在來年春季蒸發(fā)返鹽，此時則表現(xiàn)出春季鹽漬化土地面積與上一年灌溉水量呈正相關(guān)的現(xiàn)象。

(2) 地下水水位埋深對研究區(qū)夏季鹽漬化土地面積變化的影響下降，此時鹽漬化土地面積與年均降雨量之間的相關(guān)性最高(r=-0.48)，可能是由于研究區(qū)夏季為降雨高峰期，且該時期排水設(shè)施比較完善，聚集于地表的可溶性鹽可以伴隨著雨水入滲并較快排出，因此此時的降雨量是控制研究區(qū)鹽漬化土地面積變化的重要因素之一。成蕭堯等[32]研究指出，自1998年節(jié)水改造開始之后，河套灌區(qū)縮減了灌溉用水，在節(jié)水條件下降雨量一定程度上能夠促進排鹽。當年灌溉水量很大一部分用于春灌，由于地下水排泄不暢，前半年灌溉水自身帶來的鹽分大量滯留在淺層土壤中，從多年月均地下水水位埋深可以看出夏季是研究區(qū)地下水水位埋深的高峰期，此時上升的毛細水會將灌溉水滯留于淺層土壤的鹽分重新帶回地表。因此，當年灌溉水量對研究區(qū)夏季鹽漬化土地面積變化有一定的影響。

(3) 研究區(qū)秋季鹽漬化土地面積與地下水水位埋深之間的相關(guān)性系數(shù)為-0.57，與當年灌溉水量之間的相關(guān)性系數(shù)為0.48，說明地下水水位埋深對秋季鹽漬化土地面積的影響下降，當年灌溉水量對研究區(qū)秋季鹽漬化土地面積的影響有所上升，其原因可能與春季相似，在秋灌后有些無法排出的灌溉水經(jīng)過蒸發(fā)作用后返鹽，出現(xiàn)灌溉水量越多，鹽漬化土地面積越大的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1) 1986—2019年間，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)春季和秋季鹽漬化土地面積呈下降趨勢，其中1995—2005年間是這兩個季節(jié)鹽漬化土地面積明顯下降時期，其前后為兩個較穩(wěn)定的時間段。1986—2003年間，研究區(qū)春季鹽漬化土地面積的減少區(qū)域主要分布在義長灌域和烏拉特灌域內(nèi)，秋季鹽漬化土地面積減少的區(qū)域為研究區(qū)北部總排干兩邊、烏蘭布和灌域和永濟灌域內(nèi)，兩個季節(jié)新增鹽漬化土地區(qū)域集中在烏蘭布和灌域和永濟灌域內(nèi)；2003—2019年間研究區(qū)春季鹽漬化土地主要分布于研究區(qū)中部的永濟灌域和西部的解放閘灌域內(nèi)，夏季鹽漬化土地的聚集程度最低，下降幅度較少，主要分布于裸地、水體周邊。研究區(qū)各個季節(jié)的景觀格局指數(shù)下降趨勢先快后緩，反映了河套灌區(qū)鹽漬化土地先快速變得破碎后逐漸穩(wěn)定，受到人類活動改造的影響程度升高后趨于穩(wěn)定。

(2) 對研究區(qū)鹽漬化土地面積與上一年灌溉水量、當年灌溉水量、年均降雨量、年均氣溫、年均地下水水位埋深進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：1986—2003年間研究區(qū)春季、夏季和秋季3個季節(jié)鹽漬化土地面積與地下水水位埋深的相關(guān)性最高(相關(guān)系數(shù)r分別為-0.71、-0.80、-0.72)，說明1986—2003年間地下水水位埋深是研究區(qū)鹽漬化土地產(chǎn)生的主導因素。2005—2019年間，研究區(qū)各個季節(jié)鹽漬化土地面積的主導因素不盡相同，其中：春季鹽漬化土地面積與上一年灌溉水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.78)，在地下水水位埋深較深且排水通暢的情況下，上一年灌溉水量對來年春季鹽漬化土地面積變化有重要的影響；夏季鹽漬化土地面積則與年均降雨量的相關(guān)性最高(r=-0.48)，在排水設(shè)施比較完善和節(jié)水條件下，夏季的大量降雨對地表鹽分的淋洗對鹽漬化土地面積的變化起著重要作用；秋季鹽漬化土地面積與地下水水位埋深的相關(guān)性系數(shù)r為-0.57，與當年灌溉水量呈正相關(guān)(r=0.48)，而地下水水位埋深對鹽漬化土地面積的影響下降，此時的灌溉水量對于鹽漬化土地的影響有所上升，其原因可能是在秋灌后有些無法排出的灌溉水經(jīng)過蒸發(fā)作用后返鹽，出現(xiàn)了灌水越多鹽漬化土地越多的現(xiàn)象。