近50a开都河下游绿洲土壤盐渍化动态分析

2014-10-31赖宁李新国阿斯耶姆图尔迪古丽克孜吐拉克

遥感信息 2014年3期

赖宁，李新国，阿斯耶姆·图尔迪，古丽克孜·吐拉克

（1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；3.新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，乌鲁木齐 830054）

1 引言

土壤盐渍化是干旱区土地退化的主要类型之一，是影响全球农业生产和土地资源可持续利用中的主要问题［1］。众多国内外专家和学者在土壤盐渍化方面做了大量研究，Metternicht等利用Landsat TM遥感影像，成功地提取了土壤盐渍化分布信息［2－3］。Somsak SUKCHAN和Yukiyo YAMAMOTO利用TM图像和GIS相结合评价土壤盐渍化程度，通过野外调查，对影像进行监督分类，分类精度达到了85.26%［4］。买买提·沙吾提等以ALOS遥感影像为数据源，在实地调查基础上，采用决策树分类方法对盐渍地进行信息提取，分析研究区域盐渍地现状及成因［5］。乔木等以1985年渭干河流域土壤普查数据、1998年Landsat TM影像和2008年CBERS影像为数据源，通过人机交互解译方式获取3个时期土壤盐渍化分布状况，并结合GIS对近20a区域土壤盐渍化时空变化特征进行分析［6］。

本文以开都河下游绿洲为研究区，在实地调查基础上，以1958年新疆土壤类型图与3个不同时期的遥感影像为数据源，采用RS与GIS技术，分析近50a研究区盐渍化土地的时空变化，为今后区域可持续发展以及生态环境保护提供参考。

2 研究区概况

开都河下游绿洲位于新疆焉耆盆地，行政区包括和静县、焉耆县、和硕县、博湖县以及新疆生产建设兵团农二师下辖6个团场，地理位置为85°42′E～88°00′E，41°35′N～42°30′N，如图1所示。开都河是博斯腾湖常年补给的最大河流，其下游（大山口水电站到博斯腾湖入湖口）长171km，海拔在1050m～1200m，地势西北高，东南低。气候类型属于南北疆过渡的大陆荒漠性气候，日照长，热量充足，年均温度8.0℃～8.6℃，≥10℃的积温3414.4℃～3694.1℃，无霜期176d～200d；降水稀少，蒸发强烈，年平均降水量50.7mm～79.9mm，年蒸发量2000.5mm～2449.7mm［7］；土壤类型主要有灌耕土、草甸土、沼泽土、潮土、盐土、棕漠土等［8］；区内地下水资源较为丰富，地下水可开采量为9.05×108m3／a，地下水位多在2.0m 以下［9］。地下水在山前冲积—洪积平原为低矿化的重碳酸型，过渡到冲积平原的中上部为重碳酸—硫酸盐型，湖滨地区则为硫酸盐—氯化物型［10］。

图1 研究区采样点分布图

3 数据来源与处理

3.1 数据来源

本文研究时间跨度为52a，选取1958年中国科学院土壤研究所绘制的新疆土壤类型图，比例尺为1∶50万，1973年研究区地形图，比例尺为1∶20万以及1973年4月Landsat MSS，1990年4月Landsat TM与2010年4月Landsat ETM＋遥感图像为基本数据源。

3.2 数据预处理

3.2.1 遥感影像波段合成与掩膜裁剪

对1973年MSS影像选取321波段组合，1990年TM和2010年ETM＋选取432波段组合。利用现有的研究区范围矢量文件对波段合成后的影像进行掩膜裁剪。

3.2.2 辐射校正与图像增强

由于传感器的灵敏度、太阳高度角、地表起伏以及大气散射和吸收等差异造成卫星影像的辐射误差，使得图像失真，影响影像的判读和解译，因此需要对影像进行辐射校正［11］。

对辐射校正后的3个不同时期的遥感影像进行直方图匹配，提高图像清晰度，突出特征纹理，便于进行人机交互的影像解译判读。

3.2.3 影像重采样与几何校正

考虑MSS影像与TM和ETM＋影像空间分辨率的差异性，必然会导致影像在配准时有较大误差，影响后续的分类结果空间叠加分析。在ENVI软件支持下，采用双线内插法对1973年MSS遥感影像进行重采样，重采样后影像的空间分辨率为30m×30m。

以2010年ETM＋影像为基准，对重采样后的影像进行几何校正。经过对配准矩阵的误差计算，影像的横坐标误差为0.63像元，纵坐标误差为0.59像元，点误差为0.62像元，其误差在一个像元以内，符合精度要求，校正后影像投影坐标系为WGS＿84＿45N，中央经度为87°E。

3.3 遥感影像解译判读

结合野外实地考察，在遥感影像上找到对应位置，分析不同类型盐渍化土地的影像特征，包括影像色调、纹理、形状、分布位置及与周边关系等建立解译标志。根据新疆维吾尔自治区土壤盐渍化等级分级标准［12］，将研究区盐渍地分为非盐渍地、轻度盐渍地、中度盐渍地和重度盐渍地等4种盐渍地类型。

表1 遥感影像信息解译标志

3.4 遥感影像分类

本文对1958年研究区土壤类型图进行矢量化，将研究区划分为盐渍化土地、非盐渍化土地，裸地和水体4类。

采用光谱角分类法（SAM），根据解译标志对3期遥感影像进行图像分类，将研究区分为非盐渍化土地、轻度盐渍化土地、中度盐渍化土地等7类。

3.5 分类精度验证

经过聚类处理和分类重编码处理后，采用分类混淆误差矩阵对分类结果进行精度评价，3期影像的总体分类精度分别为0.88、0.90和0.89，Kappa系数分别为0.84、0.85和0.85，符合精度要求的分类结果。

表2 3个不同时期遥感影像总体分类精度和Kappa系数

图2 四个不同时期盐渍化土地分类图

4 结果分析

4.1 盐渍化面积变化与动态度分析

盐渍化动态度（SSDI）是用于描述盐渍化变化速率的数学模型，数学表达式如下［13］：

其中，Ua，Ub分别为研究区开始时刻a和结束时刻b的盐渍化土地面积（km2），T为研究时段长（年），当SSDI＞0时，表示面积减少，SSDI＜0时，表示面积增加。

从表3可知：①1958年～2010年，盐渍地总面积呈减少趋势。1958年盐渍地面积最大，为1518.07km2，占研究区总面积的25.88%；2010年面积最小，为651.26km2，占研究区总面积的11.10%。②1973年～2010年呈先减少后增加趋势。1973年重度盐渍化土地面积为500.68km2，1973年～1990年面积减小256.31km2，1990年～2010年面积增加100.89 km2。③1973年～2010年呈减少趋势。1973年中度盐渍化土地面积为456.41km2，1973年～1990年面积减少313.28km2，1990年～2010年面积减少60.08km2。④1973年～2010年面积呈先增加后减小趋势。1973年轻度盐渍化土地面积为326.59km2，1973年～1990年面积增加79.41km2，1990年～2010年面积减少186.09km2。

表3 1958年～2010年各类型盐渍化土地面积统计

表4 1958年～2010年盐渍化动态度SSDI分段统计

从整体来看，1958年～2010年，总盐渍化土地SSDI值为1.09，表明近50a盐渍化土地总面积以每年1.09%的速率减小。1973年～1990年SSDI值最大，为2.14，1990年～2010年SSDI值最小，为0.98。1973年～2010年，重度、中度和轻度盐渍化土地SSDI值均为正，表明3种类型盐渍化土地面积持续减小，其中中度盐渍化土地面积减小速率最大，SSDI值为2.18，重度盐渍化土地面积减小速率最小，SSDI值为0.83。

1973年～1990年，中度盐渍化土地面积减小速率最大，SSDI值为4.02，是重度盐渍化土地的1.45倍；轻度盐渍化土地面积呈增加趋势，SSDI值为－1.47。

1990年～2010年，轻度盐渍化土地面积减小速率最大，SSDI值为2.29，重度盐渍化土地呈增加趋势，SSDI值为－1.56。

4.2 盐渍化土地转换特征分析

通过表4和表5分析可知：①裸地是3种类型盐渍地的主要转入部分，3类盐渍地之间相互转化。1973年～1990年，中度盐渍化土地转化为重度盐渍化土地的面积为63.60km2，59.13km2的重度盐渍化土地向中度盐渍化土地转化，119.74km2的重度盐渍化土地、113.82km2的中度盐渍化土地向轻度盐渍化土地转化，裸地向盐渍地转化的面积为158.14km2；1990年～2010年，58.88km2的轻度盐渍化土地、63.6km2的中度盐渍化土地向重度盐渍化土地转移，14.70km2的重度盐渍化土地、13.96 km2的轻度盐渍化土地和48.11km2的裸地向中度盐渍化土地转化，19.69km2的重度盐渍化土地、11.97km2的中度盐渍化土地和向轻度盐渍化土地转移，290.67km2的裸地向盐渍地转移；②3类盐渍化土地均存在向非盐渍化土地和裸地转移。1973年～1990年，148.72km2的重度盐渍化土地、206.9 km2的中度盐渍化土地非盐化土地、208.14km2的轻度盐渍化土地向裸地转移。1990年～2010年，36.45km2的重度盐渍化土地、51.25km2的中度盐渍化土地、90.66km2的轻度盐渍化土地向非盐化土地转移；49.46km2的重度盐渍化土地、38.29km2的中度盐渍化土地、178.05km2的轻度盐渍化土地向裸地转移。

表5 1973年～1990年盐渍地转移矩阵单位：km2

表6 1990年～2010年盐渍地转移矩阵单位：km2

5 影响因素与相关分析

土壤盐渍化是地质、水文和特定气候等自然因素及人为因素综合作用的产物［14］。其中，自然因素是土壤盐渍化形成与变化的内因，人文因素是土壤盐渍化特别是绿洲次生盐渍化的最具有活力的驱动因素之一［15］。

5.1 自然因素

5.1.1 地质与地貌因素是形成土壤盐渍化的重要因素。

研究区属于天山南麓前山带，地貌从山地到平原。在由中生代—新生代构造组成的前山带，广泛分布着白垩纪到第三纪红色岩盐含盐地层，据新疆地质矿产勘探与开发局钻井资料显示，地表0.60m内土壤易溶盐平均为2.00g／kg；2m～4m 为3.00g／kg；4m～l0m 土层2.50g／kg；10m～15m 土层仍可达到1.50g／kg［16］。

研究区四周为山地，海拔较高，且封闭，中间低洼，地势较为平缓，含盐地层经长期风化剥蚀，再经流水不断搬运到平原，盐分向低洼处富集，土壤处于积盐状态。由于水资源的强度开发，河水大量引入灌区，造成河流缩短，使盐分主要向灌区内潜伏，增大了内部盐渍化的潜在威胁［7］。开都河河间地不同地貌区域土壤积盐情况，如表7示。

表7 开都河河间地土壤积盐情况［17］

5.1.2 地下水因素是土壤盐渍化形成和演变的重要因素

由图3可知，研究区西部和东北部，地下水位埋深大于3m～10m，矿化度小于1g／L，地下径流畅通，不利于盐分的滞留，很难被带至地表；在中部平原灌区，地下水位埋深2m～3m，矿化度1g／L～10g／L，地下水径流缓慢，潜水除向下游排泄外，绝大部分消耗于蒸发，土壤处于积盐状态，发育着中度盐渍化土或盐土；在研究区下游区，地下水位埋深小于2m，矿化度3g／L～10g／L，地下水径流滞缓，部分地区近乎停滞，潜水排泄不畅，主要消耗于蒸发，盐分上移积累，形成大面积的盐土及盐壳［18］。

图3 2010年4月地下水矿化度和地下水位埋深空间插值图

5.1.3 大陆荒漠性气候是土壤盐渍化形成的重要条件

根据焉耆、和静、和硕、博湖4个县气象台站近50a实测资料的统计分析，区域年均温为8.76℃，年均温度升高0.04℃，气温呈上升趋势；区域内年均降水量度为77.01mm，年均蒸发量为2008.72mm，是年均降水量的26倍。在温度和蒸降比较高的情况下，土壤及地下水中的可溶性盐离子会随着土壤毛细管作用不断上升至土壤表层，土壤处于积盐状态。

5.2 人文因素

5.2.1 人口数量的增长影响着区域土壤盐渍化的演变

据统计，1949年区域人口仅为7.86×104，到2010年区域人口达47.52×104，是1949年的6.05倍，人口自然增长速率达20.73%，人口增长迅速。人口数量迅速的增长给绿洲资源的开发带来强劲的人力资源，同时也增加了绿洲水资源和土地资源的承载压力。绿洲大规模的土地资源开发，大面积的荒地和盐渍地被开垦，盐渍化地经大水漫灌、洗盐，排至排碱渠或其边缘，使得局部地域盐渍化程度加重。

5.2.2 农业经济生产影响着区域土壤盐渍化的演变

农业在开都河下游绿洲的国民经济中占很大比重，占地区生产总值的40.79%。根据相关资料和实地调查，自1989年，新疆维吾尔自治区实行“一黑一白”的发展战略［19］，研究区大力发展农业经济，由于棉花、辣椒等经济作物价格上涨，提高了农民生产积极性，随即开始了大面积垦荒以扩大耕地来提高农业经济作物产量。然而绿洲发展农业经济的过程中，重灌轻排、大水漫灌，造成灌排失调。要使土壤稳定脱盐，灌排比例应该2∶1～4∶1［17］，而研究区的灌排比例高达10∶1～20∶1，造成水盐平衡失调，导致土壤积盐。同时过度的农业用水也引起地下水位的抬高，超过临界深度，影响灌区周围和灌区内部一些荒地或夹荒地的地下水位上升，成为干排荒地，导致这些土壤积盐，发生土壤盐渍化［20］。

5.3 相关分析

选取研究区1958年、1973年、1990年和2010年的年均温度、年蒸发量、年降水量、人口总数和农业生产总值为自变量，以研究区盐渍化土地面积为因变量，分析自变量与因变量的相关性，以明确该区域盐渍化发生发展特点，有助于盐渍化评价及防治工作开展。

5.3.1 数据标准化处理

由于所选因子的单位与数量级的差异，需要对因子进行标准化处理，使所有因子对结果的作用力同趋化［21］，本文选取Z－Score法对数据进行标准化处理，数学计算公式如下：

其中，P为新数据，S为原始数据，¯S为原始数据均值，D为原始数据标准差。

5.3.2 相关性分析

将经标准化处理后的年均温度、年均温度、年蒸发量、年降水量，人口总数和农业生产总值分别于盐渍化土地总面积和3种类型盐渍化土地面积进行相关分析。

从表8可知，年蒸发量、年降水量，人口总数和农业生产总值均与盐渍化土地呈负相关。其中，年均温度与盐渍化土地的相关系数值最大，为－0.98，其次为人口总数，为－0.95，年蒸发量最小，为－0.28。其多元线性回归方程为：

该方程通过置信区间为95%的F值检验。

表8 盐渍化土地相关性分析

从表9可知，年蒸发量、年降水量，人口总数和农业生产总值均与轻度盐渍化土地面积呈负相关。其中，年蒸发量与盐渍化土地的相关系数值最大，为－0.96；其次，农业生产总值年降水量最小，为－0.33。运用多元线性回归分析建立轻度盐渍化土地的回归方程：

该方程通过置信区间为95%的F值检验。

表9 轻度盐渍化土地相关性分析

从表10可知，年蒸发量、年降水量，人口总数和农业生产总值均与中度盐渍化土地面积呈负相关。其中，年降水量与盐渍化土地的相关系数值最大，为－1.00；其次为年均温度，年降水量最小，为－0.51。运用多元线性回归分析建立轻度盐渍化土地的回归方程：

通过置信区间为95%的F值检验。

表10 中度盐渍化土地相关性分析

从表11知，年蒸发量、年降水量，人口总数和农业生产总值均与重度盐渍化土地面积呈负相关。其中，年降水量与盐渍化土地的相关系数值最大，为－0.82；其次为年均温度，年蒸发量最小，为－0.03。运用多元线性回归分析建立轻度盐渍化土地的回归方程：

通过置信区间为95%的F值检验。

表11 重度盐渍化土地相关性分析

研究区盐渍化土地总面积和轻度盐渍化土地面积随人口总数的增长而减少，随年降水量的增加而增加，中度和重度盐渍化土地面积随人口总数的增长而增加，随年降水量的增加而减小。

6 结论与讨论

（1）近50a研究区盐渍化土地面积呈现减少趋势：1958年面积为1518.07km2，2010年面积为651.26km2，盐渍化土地面积减少866.81km2，盐渍化动态度SSDI值为1.09，中度盐渍化土地面积减小速率最大，SSDI值为2.18，重度盐渍化土地最小，SSDI值为0.87。

（2）1973年～2010年，3种不同类型盐渍化土地之间相互转化：重度盐渍化土地转化程度最高，占其转移量的43.47%，轻度盐渍化土地最小，为14.83%；3类盐渍化土地均存在向非盐渍化土地和裸地转移，轻度盐渍化土地转移程度最高，占其转移量的80.59%，重度盐渍化土地最小，为55.03%；非盐化土地和裸地也向盐渍化土地转移，裸地是盐渍化土地转入的主要部分，占其转移量的31.08%。

（3）研究区的年均温度、年蒸发量、年降水量、人口总数和农业生产总值与盐渍化土地面积均呈负相关，其中年均温度与盐渍化土地的相关系数值最大，其值为0.98；年蒸发量与盐渍化土地的相关系数值最小，其值为－0.28。

土壤盐渍化是自然因素和人文因素共同作用的产物，自然因素是内因，人文因素是外因，也是目前最活跃的因素，本文以年均温度、年蒸发量、年降水量、人口总数和农业生产总值为自变量，以盐渍化土地面积为因变量进行相关分析，得出研究区盐渍化土地总面积和轻度盐渍化土地面积随人口总数的增长而减少，随年降水量的增加而增加，中度和重度盐渍化土地面积随人口总数的增长而增加，随年降水量的增加而减小。为了深入地对区域盐渍化影响因素进行系统分析，应收集不同类型的数据资料，以揭示该区域盐渍化发生发展特点及其驱动机制，进而有助于相关盐渍化评价及防治工作开展。

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