基于GIS和RS的瑪納斯河流域土壤鹽漬化敏感性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)①

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基于GIS和RS的瑪納斯河流域土壤鹽漬化敏感性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)①

張?zhí)碛?，?玲*，韓 燕，張 梅

(石河子大學(xué)理學(xué)院，新疆石河子 832003)

土壤鹽漬化是威脅干旱區(qū)土壤安全的重要敏感機(jī)制之一。本研究以土壤鹽漬化形成機(jī)制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，運(yùn)用RS和GIS技術(shù)對(duì)1989年、2000年和2015年的土壤鹽漬化敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)及動(dòng)態(tài)分析。結(jié)果表明：①土壤鹽漬化高敏感性主要分布在荒漠區(qū)和沖積洪積扇扇緣的泉水溢出帶，極敏感性分布于瑪納斯湖周圍和灌區(qū)的部分區(qū)域；②1989—2000年中度敏感轉(zhuǎn)化為高度、輕度敏感的面積分別為3 342.10、1 910.27 km2，高度敏感轉(zhuǎn)化為中度、極敏感性的面積分別為1 076.64、1 098.33 km2。2000—2015年中度敏感向輕度敏感轉(zhuǎn)化了1 410.68 km2，高敏感向中度敏感轉(zhuǎn)化了2 713.74 km2；③瑪納斯河流域沖積洪積扇扇緣區(qū)域和水庫周圍土壤鹽漬化敏感性較高，應(yīng)加強(qiáng)水資源管理和鹽漬化治理；④1989－2015年中度敏感性和高度敏感性相互轉(zhuǎn)化較為劇烈，中度敏感的變化呈“V”形，減少大于增加；高度敏感變化呈倒“V”形，減少大于增加，極敏感的面積加了1.9%。土壤鹽漬化生態(tài)有所改善，沖積洪積扇扇緣鹽漬化改善明顯。本研究對(duì)區(qū)域土壤資源安全保護(hù)和持續(xù)高效利用有重要意義。

GIS；RS；土壤鹽漬化；敏感性；瑪納斯河流域

目前，土壤侵蝕的速率在很多區(qū)域大大超過了生產(chǎn)速率，土壤資源將面臨巨大的挑戰(zhàn)[1]。土壤資源安全和合理利用是構(gòu)建陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素，是推動(dòng)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[2]。隨著全球氣候變暖和人類活動(dòng)的不斷加劇，使得土壤鹽漬化已成為多國關(guān)注的熱點(diǎn)生態(tài)環(huán)境問題[3]。氣候干旱，蒸發(fā)強(qiáng)度大，地下水位高且含有較多可溶性鹽是土壤鹽漬化形成的必要條件[4]。在自然環(huán)境和人類活動(dòng)共同影響下，瑪納斯河流域(以下簡稱瑪河流域)成為受鹽漬化影響嚴(yán)重的區(qū)域。

生態(tài)敏感性是區(qū)域生態(tài)環(huán)境對(duì)自然變化和人類活動(dòng)干擾程度的反映，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題發(fā)生的難易程度和可能性大小具有指示作用[5]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)的研究主要側(cè)重區(qū)域突出的生態(tài)敏感性與基于特定生態(tài)過程的敏感性問題兩個(gè)方面[6-9]。土壤鹽漬化作為瑪河流域生態(tài)和環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展的敏感性問題，我國研究人員針對(duì)該區(qū)域鹽漬化問題做了大量的相關(guān)研究。呂真真等[10]對(duì)瑪河流域土壤鹽分特征進(jìn)行研究，結(jié)果顯示剖面土壤鹽分呈現(xiàn)底聚分布特征；李玉義等[11]分析了瑪河流域不同地貌類型土壤積鹽狀況；楊學(xué)濤等[12]對(duì)瑪河流域不同地貌單元棄耕地的土壤鹽分差異進(jìn)行研究，認(rèn)為沖積洪積扇扇緣受土壤鹽分影響較大；顏安等[13]對(duì)瑪河流域表層土壤鹽分空間變異特征進(jìn)行研究，得出土壤鹽分主要分布在灌區(qū)中部以及北部大部分區(qū)域。但在針對(duì)瑪河流域已有的研究中，缺乏對(duì)土壤鹽漬化敏感性的綜合評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，為了對(duì)區(qū)域土壤鹽漬化敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，本研究選取土地利用類型、海拔高度、植被、土壤類型4個(gè)因子對(duì)瑪河流域土壤鹽漬化敏感性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及動(dòng)態(tài)變化分析，以為區(qū)域土壤鹽漬化近25年來治理現(xiàn)狀及變化進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪河流域地理位置為43°27′ ~ 45°21′ N，85°01′ ~ 86°32′ E(圖1)，位于亞歐大陸腹地，天山北麓中段，準(zhǔn)葛爾盆地南緣，發(fā)源于天山北麓中段的冰雪區(qū)，自上游到下游依次沖積形成沖積洪積扇-泉水溢出帶-沖積平原-三角洲-湖濱平原，最后匯流到瑪納斯湖(現(xiàn)已干涸)[14]?，敽恿饔驓夂?qū)儆跍貛Ц珊荡箨懶詺夂颍昶骄鶜鉁卦? ~ 7℃，年降水量110 ~ 200 mm，年潛在蒸發(fā)量1 500 ~ 2 000 mm，具有氣候干燥、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大等顯著的大陸性氣候特征[15]。土壤類型主要有潮土、灰漠土、鹽堿土等44種土壤類型[16]；灌水主要為冰川融水、降雨形成的地表水以及地下水，在20世紀(jì)80年代以前主要以開發(fā)利用地表水為主，在這之后地下水資源逐漸被開采利用。隨著水利設(shè)施的不斷完善，經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)，耕地不斷向北擴(kuò)張，2013年灌區(qū)耕地面積達(dá)到6 532 km2；自1996年開始應(yīng)用滴灌技術(shù)以來，灌溉方式從傳統(tǒng)的漫灌、溝灌逐漸被更新為滴灌[17]。

瑪河流域自20世紀(jì)50年代開荒以來，屯墾戍邊在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面取得了巨大的成就。由于初期對(duì)水資源利用認(rèn)識(shí)的不足，大水漫灌和泡荒洗鹽使得地下水位迅速上升，導(dǎo)致土壤嚴(yán)重積鹽，生態(tài)受到嚴(yán)重威脅。從20世紀(jì)八九十年代以來，隨著排水系統(tǒng)的健全，在鹽漬化土壤治理方面卓有成效。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理

1.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 研究所用數(shù)據(jù)包括：①1989-08- 09、2000-08-07、2015-09-10成像的Landsat系列TM、OLI影像，行列號(hào)為144/28、144/29、144/30，分辨率為30 m；②瑪河流域數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)，其分辨率為30 m，遙感數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)和地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)；③瑪河流域1∶10萬的土壤類型圖；④1989年、2000年、2015年瑪河流域1∶10萬的土地利用類型圖。

1.2.2 土壤鹽漬化敏感性指標(biāo)獲取 瑪河流域土壤鹽漬化受人類活動(dòng)和自然環(huán)境的雙重影響。土地利用變化是指示人類活動(dòng)劇烈程度的有效因子，海拔高程、土壤類型受控于自然環(huán)境，植被覆蓋對(duì)區(qū)域環(huán)境變化具有有效的反饋?zhàn)饔?。因此，本研究主要選取土地利用類型、土壤類型、海拔高程、植被覆蓋作為土壤鹽漬化敏感性評(píng)價(jià)及其動(dòng)態(tài)演變分析的指標(biāo)(表1)。

表1 土壤鹽漬化敏感性評(píng)價(jià)因子及分級(jí)

1) 土地利用類型指標(biāo)。土地利用類型是土壤鹽漬化敏感性的重要指標(biāo)。劉慶生等[20]認(rèn)為土地類型對(duì)土壤鹽漬化具有重要的指示作用，王宏等[7]報(bào)道艾比湖區(qū)域土地利用類型與土壤鹽漬化敏感性之間存在定量關(guān)系。因此，本研究基于遙感影像數(shù)據(jù)，以eCognition軟件為平臺(tái)對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)分類解譯和結(jié)合人工檢查的方法以得到研究區(qū)土地利用分布圖[21]，并通過等級(jí)劃分得到土地利用的土壤鹽漬化敏感性等級(jí)分布圖(圖2)。

圖 2 1989年、2000年、2015年瑪河流域土地利用對(duì)土壤鹽漬化敏感性的等級(jí)劃分

Fig. 2 Classification of land use to soil salinization sensitivity in Manasi River Basin in 1989, 2000 and 2015

2) 土壤類型指標(biāo)。Bouksila等[4]認(rèn)為土壤母質(zhì)與土壤含鹽量有顯著的相關(guān)性。本研究通過對(duì)瑪河流域土壤調(diào)查繪制的1∶10萬土壤圖的矢量化，獲取土壤類型數(shù)據(jù)；并采用1998年繪制的《新疆1∶50萬土壤圖》的分類系統(tǒng)[16]，參考劉慶生等[20]的研究結(jié)果，合并劃分得到土壤鹽漬化不同敏感性等級(jí)的土壤類型(圖3)。

3) 植被覆蓋指標(biāo)。已有的研究表明，植被是表征土壤含鹽量的有效指標(biāo)[22]。因此，植被指數(shù)被選為土壤鹽漬化生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。在植被指數(shù)中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)在生態(tài)評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛。本文基于研究區(qū)Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，以ENVI5.1為遙感圖像處理平臺(tái)，計(jì)算獲取瑪河流域NDVI(圖3)，計(jì)算公式如下：

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)，NIR為近紅外波段，R為紅光波段。

4) 高程指標(biāo)：瑪河流域地形有明顯的分異規(guī)律，從南向北依次是山地、山前沖洪積扇、扇緣泉水溢出帶、沖積平原和干三角洲。在已有的研究中，把海拔高程指標(biāo)按照地貌單元分為5個(gè)區(qū)間，即沖洪積扇中部及以上MAF(≥424 m)，沖洪積扇扇緣帶EAF(368 ~ 424 m)，沖積平原中部MAP (315 ~ 368 m)，沖積平原下部BAP(286 ~ 315 m)，三角洲區(qū)DEL(0 ~ 286 m)，在不同的區(qū)間，鹽漬化積鹽狀況不同。

1.2.3 土壤鹽漬化敏感性綜合性評(píng)價(jià) 根據(jù)瑪河流域土壤鹽漬化形成及影響因素，如地形、土地利用類型及植被指標(biāo)對(duì)土壤鹽漬化形成影響，確定土壤鹽漬化敏感性各影響指標(biāo)的權(quán)重，其中，土地利用類型為0.4，土壤類型為0.3，海拔高程為0.2，植被指標(biāo)為0.1。利用ArcGIS空間分析模塊，多因子加權(quán)求和，表達(dá)式為：

式中：表示土壤鹽漬化敏感性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；W表示第指標(biāo)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，A表示第個(gè)因子的等級(jí)值，表示評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù)(本研究=4)。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑪河流域土壤鹽漬化敏感性時(shí)空分布

基于遙感和土壤資料，依據(jù)瑪河流域土壤鹽漬化敏感性分級(jí)方法，將運(yùn)算結(jié)果采用等間距分為5級(jí)(不敏感，輕度敏感，中度敏感，高度敏感，極敏感)，得到1989年、2010年、2015年土壤鹽漬化敏感性分級(jí)分布圖(圖5)，并對(duì)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)。從圖5中可以得出，土壤鹽漬化輕度敏感分布于沖積洪積扇以上，中度敏感分布于瑪河流域中游，高度敏感分布于沖積洪積扇扇緣的泉水溢出帶和下游的荒漠區(qū)域，極敏感分布于中游扇緣的部分區(qū)域和瑪納斯湖周圍的區(qū)域。

從表2中可以得出：1989－2000年土壤鹽漬化敏感主要以中度為主，1989年所占的比例為46.09%，2000年減少到34.77%，高度敏感性面積所占的比例從21.56% 增加到26.25%，極敏感性等級(jí)所占的比例從2.50% 增加到5.46%。2000－2015年土壤鹽漬化敏感等級(jí)以中度為主，輕度敏感性與中度敏感性面積分別增加了1.62% 和1.19%，高度敏感性面積減少了2.67%，極重度面積不變。

瑪河流域1989年、2000年、2015年不同程度土壤鹽漬化敏感性空間分布有不同程度變化。其中，輕度敏感面積在不斷擴(kuò)大，從1 0047.34 km2增加到1 1664.51 km2，增加了4.75%；中度敏感面積變化呈“V”形，下降明顯，上升幅度較??；高度敏感面積變化呈倒“V”形，先增加后降低；極敏感面積有所增加，從851.42 km2增加到1858.55 km2，增加了1.9%。從圖5可以得出：高度敏感性區(qū)域主要分布在瑪河流域中游區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆谌绯鰩?，并且土壤類型?duì)土壤鹽漬化敏感性較高。

表2 1989年、2000年、2015年不同土壤鹽漬化敏感性類型面積統(tǒng)計(jì)

2.2 瑪河流域土壤鹽漬化時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

為了分析不同時(shí)間段不同敏感性等級(jí)變化特征，采用轉(zhuǎn)移矩陣模型對(duì)1989年、2000年、2015年土壤鹽漬化敏感性等級(jí)做進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，獲得1989－2000年和2000－2015年不同土壤鹽漬化敏感等級(jí)的轉(zhuǎn)移矩陣。從表3可以得出：1989－2000年中度敏感性與高度敏感性等級(jí)變化較多，輕度敏感性較為穩(wěn)定，由于不敏感、極度敏感本身所占的比例較少，所以變化量不明顯；結(jié)合圖5可以得出，1989－2000年中度鹽漬化變化為高度敏感性主要分布于瑪河流域荒漠區(qū)域，轉(zhuǎn)化面積為3 342.10 km2，轉(zhuǎn)化為輕度敏感的主要分布在灌區(qū)南緣，這主要是耕地不斷向沙漠?dāng)U張，植被覆蓋度逐漸增加影響的結(jié)果；高度敏感性面積向極敏感轉(zhuǎn)化的面積為1 098.33 km2，主要分布于瑪納斯湖周圍，以及中游泉水溢出帶。

表3 瑪河流域1989－2000年土壤鹽漬化敏感性等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣(km2)

從表4中可以得出：2000—2015年轉(zhuǎn)化較多的仍然是中度和高度敏感性等級(jí)，輕度敏感等級(jí)變化較少，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，極敏感等級(jí)幾乎沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化；結(jié)合圖5可以得出：中度敏感等級(jí)轉(zhuǎn)化為輕度和高度等級(jí)的面積相差不大，但是占得比重相對(duì)較多，向輕度敏感性轉(zhuǎn)化了1 410.68 km2，向高度敏感性轉(zhuǎn)化了1 688.58 km2。向輕度轉(zhuǎn)化主要分布在灌區(qū)與沙漠的交匯處，這與近幾十年來瑪河流域土地?cái)U(kuò)張相吻合[26]；向高度敏感性轉(zhuǎn)化主要分布在荒漠區(qū)，以及中游沖積洪積扇的邊緣，也屬泉水溢出帶，這與水庫下滲導(dǎo)致地下水位上升引起鹽漬化現(xiàn)象一致。高度敏感向中度敏感轉(zhuǎn)化面積較大，面積為2 713.74 km2，分布在荒漠區(qū)，結(jié)合圖2可以得知，這主要由土地利用類型轉(zhuǎn)變引起。

3 討論

3.1 氣候變化對(duì)土壤鹽漬化敏感性影響

研究區(qū)地理位置及其氣候條件是造成土壤鹽漬化成為生態(tài)敏感性的重要原因。隨著全球氣候變暖，中低緯度區(qū)域土壤鹽漬化問題日益突出，尤其干旱區(qū)。西北干旱區(qū)氣溫和降水在過去50 a出現(xiàn)過“突變型”升高，降水與氣溫均處于高位震蕩，年降水量與年平均氣溫均呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，總體為暖濕化過程[23]。1993年西北干旱區(qū)蒸發(fā)潛力增加[24]，這使得區(qū)域土壤鹽漬化與生態(tài)問題更加不穩(wěn)定。

3.2 水資源利用及灌溉方式對(duì)土壤鹽漬化敏感性影響

瑪河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水主要來源是地表用水和地下用水。在20世紀(jì)80年代之前主要以地表水開發(fā)為主；隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大，為了提高用水利用率，開始修建引、蓄、輸、灌等水利工程，80年代之后開始逐漸開發(fā)地下水。1980—2003年總用水量增加了近30倍，地表水供水量維持在75% ~ 80%，地下水供水量比例為19% ~ 25%[25]。在1996年之前，灌溉方式主要是大水漫灌和溝灌，這是導(dǎo)致土壤此生鹽漬化的主要原因，使得生態(tài)敏感性增加；在這之后滴灌技術(shù)的引進(jìn)，在節(jié)水方面取得了重要成效。滴灌的普及，水資源優(yōu)化配置和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，成為維持瑪河流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展有力措施[26]。然而，羅毅[17]通過對(duì)不同灌溉方式下的土壤積鹽情況進(jìn)行分析得出，在原有耕地上長期使用滴灌造成土壤積鹽，土壤含鹽量的增長趨于危害作物生長的臨界值，這也是區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的新的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

1) 瑪河流域土壤鹽漬化極敏感性地區(qū)主要分布在瑪河流域中游部分區(qū)域和瑪納斯湖周圍區(qū)域，在鹽土、堿土分布的區(qū)域分布明顯；高敏感性主要分布在中游的泉水溢出帶，屬于沖積洪積扇的邊緣區(qū)域，水庫下滲引起的地下水位上升，是滋生鹽漬化的發(fā)生的重要誘因。

2) 1989—2000年中度敏感性與高度敏感性等級(jí)相互轉(zhuǎn)化較多，輕度敏感性較為穩(wěn)定，中度敏感性轉(zhuǎn)化為高度敏感性面積為3 342.10 km2，轉(zhuǎn)化為輕度敏感性的面積為1 910.27 km2，高度敏感性轉(zhuǎn)化為中度敏感性的面積為1 076.64 km2，轉(zhuǎn)化為極敏感性的面積為1 098.33 km2。2000—2015年轉(zhuǎn)化較多是中度和高度敏感性等級(jí)，中度敏感性等級(jí)向輕度敏感性轉(zhuǎn)化了1 410.68 km2；高敏感性向中度敏感性轉(zhuǎn)化面積為2 713.74 km2，總體趨勢(shì)在逐漸變好。

3)1989—2015年，瑪河流域不同土壤鹽漬化敏感性等級(jí)變化最為劇烈的是輕度、中度、高度敏感性等級(jí)。其中，輕度敏感的面積從1 0047.3 km2增加到1 1664.5 km2，增加了4.75%；中度敏感的面積變化呈“V”形變化；高度敏感的面積變化呈倒“V”形變化；極敏感性的面積從851.42 km2增加到1 858.55 km2，增加了1.9%。在中游灌區(qū)，高敏感性等級(jí)的面積在不斷縮小，主要集中在泉水溢出帶，且輕度敏感性等級(jí)的面積向北不斷外擴(kuò)。

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Sensitivity Evaluation of Soil Salinization in Manasi River Basin Based on GIS and RS

ZHANG Tianyou, WANG Ling*, HAN Yan, ZHANG Mei

(School of Science, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003, China)

The sensitivity of soil salinization can reflect the interference degree of the regional ecological environment. The dynamic monitoring of soil salinization sensitivity in 1989—2015 was analysed based on Landsat series remote sensing data by GIS and RS technology. The results indicated that: 1) The high sensitivity was mainly distributed in the desert regions and the alluvial fan margin, while the extreme sensitivity was distributed around Manasi Lake and the irrigation area; 2) The areas of moderate sensitivity changed into height and into light sensitivities were 3 342.10 km2and 1 910.27 km2, respectively, and the areas of high sensitivity into moderate and extreme sensitivities were 1 076.64 km2and 1 098.33 km2from 1989 to 2000 years, respectively. The area of moderate sensitivity into light sensitivity was 1 410.68 km2, and the area of high sensitivity into moderate sensitivity was 2 713.74km2; 3) Soil salinization sensitivity is higher in the alluvial fan margin and the reservoir surrounding of Manasi River Valley, thus the management of water resources and salinization should be strengthened; 4) The changes of moderate sensitivity and high sensitivity into other grades were intense. Moderate sensitivity changed in a “V” pattern, and the decrease was greater than the increase; High sensitivity changed in an inverted “V” pattern, and the decrease was greater than the increase. The area of extreme sensitivity increased by 1.9%. In general, the management of soil salinization achieved certain effects, and the salinization in alluvial fan margin reduced obviously, this study is of significant in maintaining the regional safety and sustainability of soil resources.

GIS; RS; Soil salinization; Sensitivity evaluation; Manasi River Basin

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.025

S156.4；X171.4

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361073)資助。

(rain_ling@163.com)

張?zhí)碛?1991—)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，碩士研究生，主要從事定量遙感方面的研究。E-mail: t_youzhang@163.com