曹家睿，陈蜀江*，范贺娟，陈孟禹，贾 翔，黄铁成，苗 荣

(1．新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054;2．乌鲁木齐空间遥感应用研究所，新疆 乌鲁木齐 830025；3．北京林业大学精准林业重点实验室，北京 100083)

【研究意义】我国土壤盐渍化主要分布在西北干旱地区，它是破坏绿洲生态稳定和制约西部农业发展的关键因素[1-2]。干旱地区的植物多样性特征对于土壤盐渍化、荒漠化防治具有重要意义。近些年，受极端干旱气候影响，降水少、蒸发大，艾比湖土壤盐渍化现象十分严重，对该地区土地资源及生态环境的可持续发展产生了直接影响[3]，例如湖滨原有的植被类型逐渐衰败退化，被盐结木、盐爪爪等隐域性植物所替代，植物生长的环境成为严重的土壤盐渍化区域。【前人研究进展】随着遥感技术的发展，国内外学者试图运用多波段、多实相的遥感技术,来实现土壤盐渍化信息提取、动态监测、预警预报[4-7]。此外，从土壤湿度和蒸发强度、地下水的埋深、水文条件等方面呢探究了土壤盐渍化的形成机制[8-10]。湖泊水域面积变化是衡量湖泊水量平衡标准[11]。许多学者利用不同的方法对湖泊面积的动态变化进行研究，例如，有学者利用多时相雷达及多源遥感影像[12]、NDWI、MNDWI指数[13]、遥感数据[14]提取水域面积变化信息，分析不同水域面积变化规律。艾比湖位是新疆面积最大的咸水湖，亦是水盐汇集的中心地[15]，自20世纪50年代开始湖泊面积持续缩减，如今已不足400 km2，且退缩程度日趋严重[16]，相关学者探讨了艾比湖流域耕地面积与水域之间的关系[17]、人类活动和气候变化对湖泊面积的影响[18]。贾春光等[19]通过研究近50年来艾比湖湖面动态变化发现艾比湖地区土壤沙化，盐渍化等一系列生态环境问题严重；吴颜等[20]通过分析艾比湖水位与湖滨荒漠化的特征及联系；吉力力·阿不都外力等[21]研究发现全新世以来艾比湖湖岸线的动态变化对周边土壤和植被具有一定影响。【本研究切入点】对湖滨植被交错带的土壤盐渍化与湖泊水域变化之间响应研究甚少。【拟解决的关键问题】因此，本研究基于1995-2019年间6期Landsat遥感影像，以新疆艾比湖为靶区，利用遥感技术提取艾比湖水域面积和土壤盐分信息，通过分析24年间艾比湖水域面积与研究区土壤盐分的关系，进而阐明艾比湖湖滨隐域植被与地带性植被交错带土壤盐分受水域面积变化的影响。为艾比湖周边隐域植被和地带性植被交错带土壤含盐量定期监测，及时掌握艾比湖水位的变化过程，艾比湖水位优化调控及周边地区土地盐渍化的防治具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

艾比湖湿地国家级自然保护区地跨博尔塔拉蒙古自治州精河县、博乐市和阿拉山口口岸区，在行政区划上地，92 %的面积在精河县境内；东西长102.63 km，南北宽 72.3 km，面积2670.85 km2。研究区域以艾比湖湖体为核心，湖体包括时令水面和永久水面，包括四周的湖滨地带，东以乌苏、精河县界限为界；北以博尔塔拉蒙古自治州塔城为界；南部以 312 国道、北疆铁路、兵团农五师82团、90 团、91 团行政界为界；西部则为博乐市和阿拉山口的荒漠林区[22]。湖滨区为艾比湖湖岸附近，由于常年盐分积累，土壤含盐量极高，土壤pH值为7～9.6，土壤严重盐渍化、沙化。湖滨植被类型丰富，荒漠植被居多，约占全国荒漠植被种类的62 %，其中白梭梭、胡杨林、盐生桦等国家重点保护植物12种。盐生植被有盐节木、盐穗木、芦苇等。该区域属于温带干旱大陆性气候，降水少，蒸发大，盐尘和浮尘活动频繁。土壤类型为灰漠土、灰棕土及风沙土，隐域性土壤为盐泽土和草甸土[23]。近年来，受自然和人为因素影响，艾比湖呈干缩趋势，风沙危害程度愈演愈烈，周边土壤的盐渍化和荒漠化现象十分普遍，对艾比湖及周围植被生态环境、经济安全构成严重威胁。根据前人研究结果[24]在研究区东南部布设样线，并根据样线向周围建立缓冲区作为交错带，如图1所示。

表1 遥感影像数据源

1.2 数据来源

1.3 数据预处理

首先运用ENVI5.3软件对1995-2019年6期影像进行辐射定标，建立数字量化值与对应视场中辐射亮度值之间的定量关系，以消除传感器本身产生的误差，通过计算公式计算其反射率，然后对六期影像进行辐射校正和几何校正，再通过ERDAS IMAGINE 2015软件中的切割(chip)工具按照研究区范围对6期的Landsat OLI/TIRS遥感影像数据进行图像切割，图像大小为3463 800个像元，面积为3117.42 km2。

1.4 研究方法

1.4.1 比值法水体提取 比值法水体提取法优点在于运算简单、精度高，是湖泊提取算法中最普遍的一种方法。常用的水体指数有归一化水体指NDWI[25]和修正的归一化水体指数MNDWI[26]，经归一化处理后，提取水体信息。经精度验证，NDWI对艾比湖水体提取更加精确，因此，本文采用的是归一化水体指NDWI，其公式为:

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中，Green为TM/ETM+绿光波段；NIR为TM/ETM+近红外波段，分别是Landsat系列卫星的2波段与4波段。在ENVI5. 3中对遥感影像进行辐射定标、几何校正，然后，对影像进行波段计算、影像裁剪、栅格转矢量等，最后，运用Arcgis10.6软件对已进行归一化处理的遥感影像进行二值化处理，将湖泊水域的值设为1，非湖泊水域的值设为0，采用栅格计算器统计栅格值等于1的栅格数，计算出5个时期艾比湖的水域面积。

1.4.2 盐分指数SI 本文选取盐分指数作为衡量土壤盐渍化生态环境的重要指标之一，其表达式为[27-28]:

(2)

式中，SI为盐分指数；ρ1、ρ3为分别对应 Landsat-TM 蓝光波段与红光波段反射率。

1.4.3 电导率法测定土壤含盐量 土壤中水溶性盐属强电解质，其溶液导电能力的强弱称为电导度。在一定浓度范围内，溶液的含盐量与电导率呈正相关。因此，土壤浸出液电导率的数值能反映土壤含盐量的高低[29]。

选取艾比湖湖滨土壤表层0～10 cm的采样点，分别分布于盐生植物、耐盐植物等隐域植物和地带性植物梭梭等交错地带，将土壤样品带回实验室，在室内进行化学分析，利用不同盐分测量仪的传感器获取土壤的盐分数据，在此基础上探讨土壤盐分的分布及变化规律。

2 结果与分析

2.1 不同年际湖泊面积时空变化分析

运用ERDAS IMAGINE 2015软件对6期原始遥感影像进行监督分类处理，进一步对艾比湖湖泊面积进一步提取，并对其精度验证得到湖面面积。通过对band5、band6和band4波段非标准假彩色合成，选择水体区域建立AOI训练样本，对样本进行评价，确定初步分类结果后，运用最大似然法对六期遥感影像进行分类评价，分类精度均达到90 %以上，证明分类结果可行性较高。在此基础上通过对6期的NDWI、MNDWI两种比值水体提取模型进行对比验证，其中对NDWI模型的分类精度进行验证，得出1995-2019年NDWI模型精度均在95.37 %以上，这与前人研究一致[30-31]。因此，选用NDWI模型提取艾比湖水域面积结果来反映不同时期艾比湖的动态变化更为精确，1995-2019年艾比湖水域面积提取结果如表2所示。

表2 湖泊面积提取结果和精度评价

如图3所示，对1995-2019年6个时期艾比湖湖面动态度变化情况进行统计。1995-2019年艾比湖湖泊面积呈先扩张后缩减趋势。其中1995-2000年，湖泊面积增加了185.04 km2，湖泊面积动态度为7.07 %；2000-2005年，湖泊面积增加了16.46 km2，湖泊面积动态度为0.47 %，此阶段，主要气候变化影响，艾比湖地区降雨量明显增多，入湖水量随之增加，湖水位迅速回升，湖泊面积持续扩大；2005-2010年，湖泊面积减少了308.62 km2，湖泊面积动态度为-8.51 %，此阶段人口增加，农业用地需求增大，大面积的开荒造田、兴修水库，引水灌溉；2010-2015年，湖泊面积增加了39.92 km2，湖泊面积动态度为1.91 %，2015-2019年面积减少了18.83 km2，湖泊面积动态度为-0.83 %。

2.2 艾比湖湖滨土壤盐渍化的时空变化

2.2.1 盐分指数提取及相关性验证 利用遥感软件中bandmath模块对能够较好表现土壤盐分程度的红光波段和蓝光波段进行盐分指数提取，经研究发现ETM+图像的第3波段对土壤盐分程度情况较敏感。将一般地物的波谱特征及盐渍土的光谱特征对比发现，用遥感图像的第1波段和第3波段确定土壤的盐分指数(SI)能较好地反映土壤盐渍化程度。因此，通过波段计算提取六期遥感影像的盐分指数(图4)。土壤含盐量是衡量土壤盐渍化程度的重要指标，将2019年9月份赴研究区采18个样品含盐量实测数据与对应采样点的盐分指数通过origin中多项式拟合分析构建模型：Y=Intercept+740.13×X-1359.03×X2，式中X为盐分指数，Y为实测值，其中R2=0.8930，值较大，说明盐分指数能够较好的反映湖泊周边不同盐渍化程度地类的实际状况，如表3所示。

2.2.2 艾比湖湖滨盐渍化等级空间变化 为了深入分析艾比湖湖滨土壤盐渍化程度，结合遥感影像和目视解译的结果及参考相关研究[32-33]，并以土壤盐分指数为基础结合土地利用数据中植被分布状况，将土壤盐分指数等级由轻到重依次划分为一、二、三、四，4个等级。

表3 盐渍化盐分指数(SI)与实测土壤含盐量数据

一级盐渍化区域主要包括湖泊以及荒漠地带等盐分指数较低的区域；二级盐渍化区域土壤表层含盐量较高，主要有白刺、罗布麻、骆驼刺和梭梭等地带性植被与隐域性植被交错地带，表层有较明显的盐壳；三级盐渍化区域土壤表层含盐量很高，表层盐壳较厚，主要以柽柳和盐爪爪等盐生植被和耐盐植被；四级盐分指数区域土壤含盐量极高，土壤表层盐壳很厚，主要分布一些较稀疏的盐生植物和耐盐植物。如图5所示，1995-2019年，艾比湖湖滨土壤盐渍化在空间上发生明显变化，1995-2000年，湖滨土壤盐渍化主要以二级、三级盐渍化为主；2005年，研究区南部及东南部盐渍化程度加剧，由原来的二级、三级盐渍化转变为四级盐渍化，此阶段是盐渍化是1995-2019年间最严重的时期；2010-2019年湖滨盐渍化区域逐渐向湖心转移，湖滨西北部和东南部盐渍化区域由四级转为二级、三级，由于湖面不断缩减，湖底水体逐渐演化为裸露湖床，相对于周围区域地势较低，有利于水盐的集聚。

2.2.3 艾比湖湖滨盐渍化等级时间变化 如图6所示，通过对3个时间段不同等级盐分指数变化进行分析，反映水域面积变化对研究区盐分指数的影响。

2000年之前艾比湖水域面积为523.4 km2，研究区内一级盐渍化区域面积占比21.34 %，二级盐渍化区域面积占比41.25 %，三级盐渍化区域面积占比29.4 %，四级盐分指数占比8.01 %。

2000-2005年艾比湖水域面积由523.4 km2增长到了724.9 km2，水域面积增长38 %，由于艾比湖水域面积的扩大，该区域一级盐渍化区域面积占比34.84 %，比2000年之前增长13.5 %，其中大部分增长区域为艾比湖水域面积；二级盐渍化区域面积占比18.19 %，比2000年之前减少了23.06 %。由于此区域内多为隐域植被与地带性植被的交错带，受艾比湖水域面积影响较大，随着水域面积的增大盐分指数升高，地带性植被逐渐消失，该区域面积逐渐向一级和三级盐分指数区域转化；三级盐渍化区域面积占比40.06 %，比2000年之前增长了10.66 %，随着盐分指数的升高地带性植被向研究区周边逃移，逐渐转化为隐域植被；四级盐渍化区域面积占比6.91 %，比2000年之前减少了1.1 %，由于水域面积增加使部分干涸湖底得到填充掩盖了干涸湖底的积盐使部分区域盐分指数降低。

表4 不同时期艾比湖湖滨植被地带类型面积(km2)转移矩阵

2005年之后艾比湖水域面积基本保持稳定，艾比湖水域面积在416.28～456.2 km2，未出现骤增或者骤减趋势，随着艾比湖水域面积的缩减，一级盐渍化区域占比由34.84 %减少到19.27 %；2005-2019年随着艾比湖水域面积的减少盐分指数也逐渐降低，地带性植被开始恢复生长，维持地带性植被与隐域植被交错生长的环境；二级盐渍化区域面积占比由18.19 %增长到38.44 %；三级盐渍化区域面积由40.06 %减少到28.56 %；四级盐渍化区域面积为13.74 %，较2005年之前增加了6.83 %。2005-2019年艾比湖水域面积不断缩减，地下水水位上涨，艾比湖边缘地区的盐分指数也不断升高(图7)。

综上所述，艾比湖水域面积的变化与艾比湖湖滨植被盐分指数浮动具有一定相关性，因此，本研究选取盐分指数变化较为显著的艾比湖湖滨植被交错带来分析与艾比湖水域面积变化的响应。

2.3 艾比湖湖滨植被交错带土壤盐渍化时空变化

2.3.1 艾比湖湖滨植被交错带的界定 根据前期实地调研，在艾比湖四周选取六条样线，其中盐场东西两侧的ABE样线最能清晰表达土壤盐渍化地形上的变化规律[24]，因此，本研究以此基础在样线做缓冲区进行分析。

交错带的界定是对盐分指数与水域面积变化相关性分析的基础。以2019年调查的实地植被分布情况为例，通过分析发现，在此样线上距湖滨欧氏距离为0～1000 m，高程在195～205 m范围内多分布以盐节木为主的盐生植被，其盐分指数在0.2846～0.3060之间；在距湖滨欧氏距离1000～3000 m，高程在198～205 m范围内则分布以芦苇、白刺和罗布麻为主的耐盐植被其中也包括盐生植被盐节木呈现一种盐生植被与耐盐植被交错分布的现象，盐分指数在0.2274～0.2845之间；在距湖滨欧氏距离3000～5000 m，高程在198～206 m范围内主要以白刺、罗布麻、骆驼刺和花花柴为主的耐盐植被，盐分指数在0.1902～0.2517之间；在距湖滨欧氏距离5000～8000 m，高程在205～207 m范围内则分布以罗布麻、骆驼刺和花花柴为主的耐盐植被，同时也开始出现白梭梭这种地带性植被，呈现出耐盐植被与地带植被在同一地带共生的现象，盐分指数在0.1359～0.2213之间(图8)。因此，根据研究区状况将湖滨植被地带类型划分为盐生植被带、盐生耐盐交错带、耐盐植被带和隐域地带性交错带。

2.3.2 交错带盐分指数对水域面积的响应 通过IDRISI软件中Markov转移矩阵模型分别计算出1995-2000、2000-2005、2005-2010、2010-2015和2015-2019年5个时期的交错带面积转移矩阵。

由表4可知，1995-2000年艾比湖水域面积由523.4 km2扩大到708.44 km2，随着水域面积的扩大交错带中地带性植被向耐盐植被转移6.0751 km2；耐盐植被向盐生耐盐植被转移2.377 km2，由此可以判断出艾比湖水域面积的扩大会直接影响到交错带中的盐分指数，使交错带中地带性植被大幅减少。2000-2005年艾比湖水域面积由708.44 km2扩大到724.9 km2，水域面积变化较小，交错带中仅有少量地带性植被存活；盐生耐盐植被向耐盐植被转移3.4393 km2，由于水域面积变化较小，交错带中盐分指数变化幅度不大。2005-2010年间艾比湖水域面积由724.9 km2缩小到416.28 km2，由于近五年气候变化以及人为干扰的原因艾比湖水域面积大幅缩减，交错带中耐盐植被向地带性植被面积转移7.1936 km2，由此可以说明水域面积的缩小会使交错带中盐分指数降低，地带性植被开始恢复生长；耐盐植被与盐生耐盐植被相互之间发生转化面积变化不明显；盐生植被向耐盐植被转移面积为4.0654 km2。2010-2015年间艾比湖水域面积由416.28 km2扩大到456.2 km2，此阶段艾比湖水域面积变化较小，交错带中盐分指数并未出现显著变化，盐生植被并未向其他植被发生面积转移。2015-2019年艾比湖水域面积由456.2 km2缩减到437.37 km2，此阶段水域面积变不明显，地带性植被与隐域植被之间面积转移变化幅度不大。

通过对1995-2019年不同时期艾比湖水域面积与交错带中植被盐分指数之间响应进行分析发现艾比湖水域面积与植被交错带中的盐分指数有着较为明显的联系。

3 讨 论

本研究利用遥感信息技术，选择比较成熟的水体指数构建湖泊信息提取模型，准确的提取湖泊面积变化信息，用盐渍化土壤对遥感影像波段敏感性反映进行计算得到不同等级的盐分指数，分析艾比湖湖滨隐域植被和地带性植被交错带土壤盐分与湖泊水域面积之间相应关系发现：艾比湖水域面积的增大，土壤盐渍化程度加剧，艾比湖湖滨植被将会减少；艾比湖水域面积缩减，干涸湖底裸露面积随之增大，艾比湖湖滨荒漠化、盐渍化程度愈加严重。

因此，艾比湖水域面积的变化直接影响到湖滨交错带植被生长的环境。自然因素是影响湖泊面积变化的外部动力，根据博尔塔拉蒙古自治州精河县气象数据统计和前人研究[37-39]可知，近二十多年，艾比湖周边温度、降水量和蒸发量逐年增长，干涸湖底的表层覆盖着数米厚的盐碱粉沙[40]。据统计，1995-2015年间精河县人口增加了24 129人，为了满足生产生活，人们开始肆意的过度放牧、引水灌溉、兴修水库等活动，导致流入艾比湖的主要河流水量减少甚至出现河流断流的现象，致使艾比湖湖面萎缩、湖底裸露，湖内水流较缓，湖周盐渍化、荒漠化现象加剧。通过建立艾比湖湖泊面积与土壤盐渍化关系，探寻二者之间变化规律，可以采用抽样方式采取艾比湖周边土壤样品测试，能够及时准确的监测艾比湖湖泊面积变化趋势，对艾比湖周边地区土地盐渍化的防治、生态环境的治理以及艾比湖水位的优化调控都具有重要的意义。

研究的不足和需要改进的地方主要有：①本文数据只收集了1995、2000、2005、2010、2015和2019年6期数据，对于艾比湖湖面变化连续性的检测方面略显单薄。②由于野外实地调查时间有限，无法采集大量实测数据作为基础数据，在今后研究中慢慢补足。目前我国在艾比湖湖泊水域面积对该区域湖滨交错带土壤盐分的响应研究尚处于探索发展阶段，以本文为基础今后应该逐年分析艾比湖水域面积的变化情况，在艾比湖湖滨获取更多实测数据与盐分指数建立关系，通过建立模型的方式来说明艾比湖湖滨土壤盐分与水域面积之间的关系，从而推进艾比湖土壤盐渍化的防治工作。

4 结 论

本研究以1995-2019年的Landsat遥感影像为数据源，利用遥感技术提取艾比湖水域面积和土壤盐分信息，通过分析24年间艾比湖水域面积与研究区土壤盐分的关系，发现东南部交错带中盐分指数变化较为显著，从而阐明艾比湖湖滨隐域植被与地带性植被交错带土壤盐分受水域面积变化的响应。

(1)1995-2019年，艾比湖湖面变化趋势为先扩张后缩减。1995-2005年，艾比湖水域面积增加了201.50 km2，主要受气候变化影响，随着艾比湖地区平均降雨量增多以及平均气温的升高，湖水位回升，湖泊面积持续扩大；2005-2010年，湖泊面积减少了308.62 km2，由于人口增加，农业用地需求增大，大面积的开荒造田、兴修水库，引水灌溉；2010-2015年，湖泊面积增加了39.92 km2；2015-2019年湖泊面积减少了18.83 km2。

(2)由艾比湖周边土壤盐渍化的时空变化分析可知：1995-2019年，艾比湖湖滨土壤盐渍化在时空上发生明显变化，研究区南部及东南部盐渍化程度加剧，湖滨盐渍化区域逐渐向湖心转移。艾比湖水域面积的变化对于隐域植被与地带性植被交错带盐分指数影响较为明显。

(3)通过对1995-2019年不同时期艾比湖水域面积与植被交错带土壤盐分指数之间响应进行分析发现艾比湖湖滨植被交错带土壤盐分随艾比湖水域面积的扩大而升高，缩小而降低。

目前我国在艾比湖湖泊水域面积对该区域湖滨交错带土壤盐分的响应研究尚处于探索发展阶段，以本文为基础今后应该逐年分析艾比湖水域面积的变化情况，在艾比湖湖滨获取更多实测数据与盐分指数建立关系，通过建立模型的方式来说明艾比湖湖滨土壤盐分与水域面积之间的关系，从而推进艾比湖土壤盐渍化的防治工作。