內(nèi)蒙古河套灌區(qū)近30年鹽堿化時空演變及驅(qū)動因素分析

郭姝姝，阮本清，管孝艷，王少麗，李云鵬(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

0 引 言

土地鹽堿化是在自然、人為因素及其綜合作用下鹽堿成分在土壤中超量富集而形成的土地退化現(xiàn)象[1,2]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，資源短缺與生態(tài)環(huán)境惡化的矛盾日益突出，合理利用鹽堿地成為改良耕地質(zhì)量與提升糧食產(chǎn)量的核心問題之一。鹽堿化動態(tài)監(jiān)測和驅(qū)動因素分析是鹽堿地治理的重要前提。

隨著3S技術(shù)全面快速的發(fā)展，利用遙感進行灌區(qū)鹽堿地動態(tài)監(jiān)測表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。目前，遙感監(jiān)測土壤鹽堿化主要包括直接監(jiān)測法和間接監(jiān)測法。直接監(jiān)測法主要依據(jù)土壤的光譜特征進行鹽堿化信息提取；間接監(jiān)測法主要是根據(jù)地表植被特征、土壤溫度、土壤含水量等鹽堿化間接指示因子來反演，但已有研究大多是根據(jù)植被狀況來反演[3,4]。Allbed等[5]基于IKONOS遙感影像，研究了Al Hassa綠洲鹽堿化，結(jié)果表明，利用紅光和近紅外波段構(gòu)建的鹽度指數(shù)SI可以很好地監(jiān)測研究區(qū)土壤鹽堿化空間分布。劉翠玲等[6]利用TM影像中鹽堿地的光譜特征，提取了敦煌綠洲鹽堿地分布區(qū)域，結(jié)果表明，利用TM遙感影像的3，5，6和7波段聯(lián)合提取鹽堿地信息的精確度最高。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國重要的糧油生產(chǎn)基地，但由于氣象水文、地質(zhì)條件、不合理灌溉等因素綜合影響，土壤鹽堿化問題一直制約著灌區(qū)發(fā)展。目前針對河套灌區(qū)土壤鹽堿化研究雖然很多[7]，但缺乏對近幾十年鹽堿化演變的長序列監(jiān)測；而且對鹽堿化演變驅(qū)動因素分析多為定性描述。因此，本文在河套灌區(qū)近30年土壤鹽堿化演變動態(tài)監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上，利用多元逐步回歸法，對鹽堿化驅(qū)動因素進行分析，對于準確了解灌區(qū)鹽堿地演變規(guī)律和指導(dǎo)鹽堿地綜合治理有重要意義。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是中國最大的引黃河水自流灌區(qū)之一，也是我國重要的優(yōu)質(zhì)綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地和西北干旱半干旱地區(qū)最大的人工生態(tài)綠洲。灌區(qū)位于106°20′E～109°19′E，40°20′N～ 41°18′N之間，東西跨度約250 km，南北寬度達50 km，總土地面積為118.9萬hm2。該地區(qū)夏季高溫干旱、冬季嚴寒少雪，多年平均降水量僅有139～222 mm，而多年平均蒸發(fā)量高達1 999～2 346 mm，無霜期短、封凍期長，是典型的溫帶大陸性氣候。灌區(qū)引黃灌溉面積為57.4萬hm2，灌溉水含鹽量約0.5 g/L，由總干渠(180 km)由西向東通過各級干渠、分干渠供水，灌溉退水通過各級干溝、分干溝，匯入灌區(qū)總排干(220 km)，最后以烏梁素海作為排水承泄區(qū)，全灌區(qū)現(xiàn)有總干渠1條，干渠13條，總干溝1條，分干溝10條[8]。灌區(qū)水循環(huán)模式為灌溉(降水)-下滲-潛水蒸發(fā)類型[9]，同時，由于農(nóng)業(yè)管理措施落后，灌溉方式還是以傳統(tǒng)的漫灌為主，灌區(qū)內(nèi)引水灌溉系統(tǒng)年久失修，灌溉水滲漏嚴重，地下水埋深長期處于較淺水平，潛水大量蒸發(fā)，鹽分表聚現(xiàn)象明顯，礦化度增大，導(dǎo)致灌區(qū)土地鹽堿化問題突出。

2 數(shù)據(jù)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

地物的光譜特征是地表各種因子共同作用的綜合結(jié)果[10]。季節(jié)變化引起地表覆蓋的變化會影響鹽堿地解譯精度，因此，最好選擇地表植被量和土壤含水量均較少的春季影像進行鹽堿化研究[2,11]。考慮到遙感影像的空間分辨率、數(shù)據(jù)質(zhì)量及影像獲得的難易程度等因素，本研究選用Landsat TM/ETM衛(wèi)星1987、1990、1993、2000、2006、2010和2014年春季影像，空間分辨率為30 m，7個波段包含了豐富的光譜信息。所采用的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

利用ENVI遙感圖像處理軟件對河套灌區(qū)7期共28景TM/ETM影像進行大氣校正、幾何精校正、影像拼接、裁剪、圖像增強等預(yù)處理工作，生成研究區(qū)7期遙感影像圖，為土地利用分類提供數(shù)據(jù)準備。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用分類

利用遙感影像進行土地利用分類的方法主要有監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。非監(jiān)督分類只是依據(jù)圖像上不同類型地物的反射光譜特征進行地類劃分，容易產(chǎn)生“同物異譜、異物同譜”現(xiàn)象，而監(jiān)督分類根據(jù)野外調(diào)查獲得的地物先驗知識建立訓(xùn)練樣本，可以提高分類精度，獲得更滿意的分類結(jié)果[12,13]。所以本研究選用監(jiān)督分類法。

在遙感影像解譯之前，首先對河套灌區(qū)進行實地考察，了解研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀，獲取地物樣本及分類精度評價驗證區(qū)。根據(jù)影像特征及土地利用類型的調(diào)查研究，通過人機交互式目視解譯，建立典型地物解譯標志，最終將灌區(qū)土地利用劃分為耕地、草地、水域、沙丘、鹽堿地、沼澤地、居民地及其他建設(shè)用地7類。分類器采用最大似然法，它在遙感影像分類研究中應(yīng)用范圍最廣，分類效果和適應(yīng)性均優(yōu)于其他分類器[14]。分類原理是假設(shè)每一個波段的每一類統(tǒng)計都呈正態(tài)分布，計算給定像元屬于某一訓(xùn)練樣本的似然度，像元最終被歸并到似然度最大的一類當中[12]。

對遙感影像分類結(jié)果進行精度評價采用誤差矩陣法，各行記錄了地表檢驗信息，數(shù)值等于地面真實像元在影像分類結(jié)果中屬于相應(yīng)類型的個數(shù)，而各列記錄著遙感影像的分類結(jié)果，數(shù)值為遙感影像分類結(jié)果中像元在地面真實像元相應(yīng)類型中的個數(shù)[10]。對初步分類結(jié)果進行更改分類顏色、Majority/Minority分析、聚類處理、過濾處理、分類疊加、分類結(jié)果轉(zhuǎn)矢量等操作，得到最終結(jié)果。

2.2.2鹽堿化驅(qū)動因素分析

在SPSS軟件環(huán)境下，將研究區(qū)近30年的氣象、水文、灌溉排水等數(shù)據(jù)序列與鹽堿地面積序列進行相關(guān)分析，確定與鹽堿地相關(guān)性較高的因素后，以這些因素序列為自變量，以鹽堿地面積序列為因變量構(gòu)建回歸模型?？紤]到多個自變量之間可能存在著多重共線性問題，因此，本文在建模時采用多元逐步回歸分析法。多元逐步回歸法根據(jù)相關(guān)系數(shù)定義各自變量對因變量的貢獻系數(shù)，據(jù)貢獻系數(shù)大小自動從大量可供選擇的變量中引入貢獻最大的變量，同時剔除貢獻最小的變量。確定變量后，根據(jù)變量的相關(guān)系數(shù)矩陣、協(xié)方差和平均值計算模型斜率和截距，據(jù)以建立回歸分析的預(yù)測或解釋模型[15]。

3 結(jié)果分析

3.1 河套灌區(qū)鹽堿化時空演變

基于ArcGIS 10.1空間數(shù)據(jù)可視化表達功能，將河套灌區(qū)不同時期土地利用分類圖制作成土地利用動態(tài)變化系列專題圖(圖1)，經(jīng)統(tǒng)計和匯總得到不同時期各土地利用類型面積，為了直觀比較，生成了鹽堿地面積變化曲線(圖2)。

利用野外考察獲取的精度評價檢驗區(qū)對分類結(jié)果進行精度評價，生成誤差矩陣。結(jié)果顯示，2014年影像總體分類精度為82.68%，其中鹽堿地分類精度為85.79%，漏分誤差為12.37%，錯分誤差為5.13%。分類結(jié)果較滿意。由于以前的實地調(diào)查數(shù)據(jù)已無法獲取，而整個序列采用的分類方法相同，所以精度評價結(jié)果對其他影像分類精度也具有參考價值[16]。

根據(jù)圖1和圖2分析，1987-2014年期間，河套灌區(qū)鹽堿地時空演變主要表現(xiàn)為以下特點：

(1)從時間變化來看，近30年來河套灌區(qū)鹽堿地面積經(jīng)歷了萎縮-緩慢擴張-萎縮3個階段，但總體呈現(xiàn)縮減趨勢。1987-1993年間，灌區(qū)鹽堿地面積大幅縮小，以中東部鹽堿地面積減小幅度最大；1993-2006年間，鹽堿地面積緩慢增加，2006年達到峰值1 377.78 km2，但并未增至1987年的鹽堿化水平；2006年后，鹽堿化再次進入縮減階段，至2014年降至歷年最低值。這主要與灌區(qū)灌排系統(tǒng)的完善有關(guān)，到20世紀90年代，灌區(qū)疏通了總排干溝，開通了烏梁素海至黃河的排水出路，形成了比較完善的灌排配套工程體系，整個灌區(qū)進入有灌有排階段，在灌區(qū)引水量變化不大情況下，排水排鹽量增加，鹽堿地面積總體呈現(xiàn)減小趨勢。

圖1 河套灌區(qū)不同時期土地利用分類

圖2 河套灌區(qū)不同時期鹽堿地面積變化

(2)從空間演變來看，1987-2006年，灌區(qū)鹽堿地空間分布集中程度大，在灌區(qū)西南部-中部大部-東北部形成鹽堿地分布集中帶，且集中帶經(jīng)歷了從萎縮到逐步擴張的過程。這主要與地形因素有關(guān)，河套灌區(qū)地勢較平坦，高程起伏不大，局部微地形控制著土壤中鹽分運移方向和分布規(guī)律，鹽堿地集中帶地勢略低，因此成為鹽分匯集區(qū)。2006年以后，大片鹽堿地呈現(xiàn)碎片化趨勢，空間集中程度降低，鹽堿地零散分布于灌區(qū)內(nèi)。一方面是由于2006年以后灌區(qū)地下水位持續(xù)下降、排灌比波動上升、引退鹽比波動下降，這些氣象水文、灌溉等方面較明顯的變化緩解了灌區(qū)鹽堿化現(xiàn)象；二是隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，灌區(qū)內(nèi)部分鹽堿地向耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，在這些因素綜合作用下，灌區(qū)鹽堿化明顯改善。

3.2 河套灌區(qū)鹽堿地分布重心變化

由鹽堿化空間演變可知，鹽堿地呈片狀或斑塊狀分布于研究區(qū)內(nèi)，分析鹽堿地分布重心遷移有助于深化鹽堿地空間分布規(guī)律。基于ArcGIS空間分析功能，根據(jù)鹽堿地空間分布，自西向東將灌區(qū)分為5個區(qū)(圖3)：西部(Ⅰ區(qū))、中西部(Ⅱ區(qū))、中部(Ⅲ區(qū))、中東部(Ⅳ區(qū))及東部(Ⅴ區(qū))。

圖3 河套灌區(qū)分區(qū)圖

每塊鹽堿地對應(yīng)有面積、經(jīng)緯度等屬性，在分區(qū)基礎(chǔ)上，以面積為權(quán)重，分別計算河套灌區(qū)主體區(qū)域(西部、中西部、中部和中東部)鹽堿地分布的重心位置，方法如下[17]：

X=∑ni=1xiMi/∑ni=1Mi

(1)

Y=∑ni=1yiMi/∑ni=1Mi

(2)

式中：X，Y分別表示分區(qū)鹽堿地面積分布重心的經(jīng)度和緯度；xi，yi分別表示分區(qū)內(nèi)第i個鹽堿化斑塊中心的經(jīng)度和緯度；Mi表示分區(qū)內(nèi)第i個鹽堿化斑塊的面積。

河套灌區(qū)近30年鹽堿地重心遷移軌跡很好地反映了灌區(qū)鹽堿化的空間演變過程(圖4)。灌區(qū)自西向東，鹽堿地分布重心逐漸向北集中。鹽堿化分布重心受地勢、地下水埋深影響規(guī)律較明顯，灌區(qū)總的地勢自西南向東北微傾[18]，地下水埋深由灌區(qū)西南向東逐漸遞減[19]，在地勢低洼、地下水埋深較淺的地區(qū)，地表和地下水分蒸發(fā)相對較強烈，水分容易散失，鹽分易在地表積聚，形成鹽堿化分布重心。1990-2006年間，灌區(qū)西部和中西部鹽堿地重心持續(xù)向南移動，而中部和中東部向北遷移；2010-2014年間，灌區(qū)西部鹽堿地重心向南移動，而其他區(qū)域重心向北遷移。2006-2010年間灌區(qū)鹽堿地重心走勢發(fā)生了突變，原因在于灌區(qū)西南部、中北部和東北部鹽堿地2006年開始急劇萎縮，而其他地區(qū)變化相對穩(wěn)定，導(dǎo)致鹽堿化分布重心在空間上產(chǎn)生突變。

圖4 不同時期河套灌區(qū)鹽堿地分布重心變化

3.3 灌區(qū)鹽堿化驅(qū)動因素分析

分別將1987-2014年氣象、水文、灌溉等多個因素序列與鹽堿地面積序列進行相關(guān)分析，得到各因素與鹽堿地面積的皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)(表1)。

表1 鹽堿地面積-影響因素皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)

由表1可以看出，大部分因素與鹽堿地變化有一定的相關(guān)性(通過了0.05可信度檢驗)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)大小，計算各自變量對因變量的貢獻系數(shù)，以貢獻系數(shù)作為變量引入-剔除的依據(jù)，經(jīng)過3輪計算建立模型如下：

Y=2 877.08-70.75X1-752.28X2+0.20X3

(3)

式中：Y為鹽堿地面積，km2；X1為排灌比，%；X2為平均地下水埋深，m；X3為蒸發(fā)量，mm；模型決定系數(shù)R2為0.95。

通過多元逐步回歸分析可知，研究區(qū)鹽堿化的主要驅(qū)動因素為排灌比、平均地下水埋深和蒸發(fā)量。在灌溉排水影響下，灌區(qū)地下水埋深較淺，鹽分易隨地下水運動向地表聚積，加之蒸發(fā)強烈，水中鹽分在地表積累形成灌區(qū)鹽堿化現(xiàn)象。因此，河套灌區(qū)鹽堿化是自然和人類活動共同作用的結(jié)果，其中灌溉和排水起主導(dǎo)作用。

綜上分析，自1987年以來，在氣候變化背景下，隨著研究區(qū)灌排系統(tǒng)的日漸完善，灌區(qū)排水排鹽量增加，地下水位普遍下降，雖然鹽堿化問題仍然突出，但灌區(qū)土壤鹽堿化得到初步控制，受鹽堿化侵蝕的土地呈現(xiàn)萎縮趨勢。

4 結(jié) 論

(1)河套灌區(qū)近30年來鹽堿地總體呈現(xiàn)萎縮趨勢。1987-1993年期間，灌區(qū)鹽堿地面積大幅縮小，以中東部減小幅度最大；1993-2006年間，鹽堿地面積緩慢增加，但并未增至1987年的鹽堿化水平；2006-2014年間，鹽堿化再次進入縮減階段，至2014年降至歷年最低值。從空間演變來看，1987-2006年間，灌區(qū)鹽堿地空間分布集中程度大，在灌區(qū)西南部-中部大部-東北部形成鹽堿地分布集中帶，且集中帶經(jīng)歷了萎縮到逐步擴張的過程；2006年以后，大片鹽堿地呈現(xiàn)碎片化趨勢，集中程度降低，零散分布于研究區(qū)內(nèi)。

(2)從鹽堿化分布重心看，灌區(qū)自西向東，鹽堿地分布重心逐漸向北集中。1990-2006年間，灌區(qū)西部和中西部鹽堿地重心持續(xù)南移，而中部和中東部向北遷移；2010-2014年間，灌區(qū)西部鹽堿地重心向南移動，而其他區(qū)域重心線北移。多元逐步回歸分析表明，河套灌區(qū)鹽堿化的主要驅(qū)動因素為排灌比、平均地下水埋深和蒸發(fā)量。

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