北疆鹽堿地空間分布特征分析

劉星宏， 張青青*， 張鵬， 張廣鵬

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830054；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011)

鹽堿地(saline-alkali land)是鹽類集積的一種土壤類型，是指土壤所含的鹽分對(duì)作物正常生長(zhǎng)造成威脅且能夠反映不同程度鹽化或堿化土壤的總稱[1]。鹽土主要指含氯化物或硫酸鹽含量較高且含鹽量>0.6%的鹽漬化土壤，堿土是指碳酸鹽或重磷酸鹽含量較高且pH大于等于9 的土壤[2-4]。土壤鹽漬化是一種因人類對(duì)自然資源的不合理利用而影響自然環(huán)境變化所導(dǎo)致的一類嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，其在地球上分布廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球的鹽堿地面積約為9.55 億hm2[5]，其面積正逐年增加，速度約為100萬(wàn)～150萬(wàn)hm2·a-1。隨時(shí)間的變化，鹽堿地面積會(huì)不斷增加，據(jù)估計(jì)在未來(lái)25年內(nèi)世界上由于土壤鹽漬化造成土地流失的面積將會(huì)達(dá)到30%，到21世紀(jì)中葉將會(huì)達(dá)到50%[6-7]?，F(xiàn)今，土壤鹽漬化問(wèn)題已引起全球范圍的關(guān)注[8]。

我國(guó)鹽堿地總面積約為1億hm2，主要分布在東北松嫩平原、華北黃淮海平原、西北半干旱-半荒漠地區(qū)、西北干旱荒漠地區(qū)及濱海地區(qū)[9]。其中，內(nèi)陸鹽堿地面積占全國(guó)鹽堿地總面積的95%。新疆地處歐亞大陸腹地，據(jù)統(tǒng)計(jì)新疆鹽堿土面積占全國(guó)鹽堿土總面積的22.01%，是我國(guó)最為干旱、降水量稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、土壤鹽堿化分布范圍最廣、鹽堿化類型最多、土壤積鹽最重的地區(qū)[10-11]。由于新疆北疆大部分地區(qū)鹽堿土多以石膏棕漠土和石膏鹽盤棕漠土兩種土壤類型存在，土壤表面含鹽量較高，受到環(huán)境影響易形成鹽殼，影響植物幼苗萌發(fā)，還會(huì)對(duì)新疆北疆工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生極大不便。鑒于此，我國(guó)許多學(xué)者紛紛從不同的角度對(duì)鹽堿地分布成因及綜合治理進(jìn)行大量的研究。在農(nóng)業(yè)方面，羅廷彬等[12]在灌溉區(qū)種植耐鹽植物，利用不同耐鹽植物進(jìn)行套播使得土壤脫鹽；張龍德[13]通過(guò)研究灌區(qū)水質(zhì)、地下水位高度提出鹽堿地治理因地制宜，不同灌區(qū)需在分析其成因的基礎(chǔ)上進(jìn)行治理，才能達(dá)到有效控制、防治土壤次生鹽漬化；努爾拉·吾守爾等[14]通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)阿克陶縣平原灌區(qū)鹽堿地進(jìn)行研究，提出增大灌區(qū)水源開發(fā)力度，降低地下水位是有效治理鹽堿地危害的措施之一；程衛(wèi)東等[15]通過(guò)種植不同耐鹽品種棉花對(duì)北疆鹽堿地進(jìn)行治理使得鹽堿地鹽分降低，棉花效益提高。在工業(yè)方面，邵華偉等[16]結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及新疆現(xiàn)狀，通過(guò)論述水利工程、農(nóng)業(yè)工程和化學(xué)及生物改良等技術(shù)措施的發(fā)展現(xiàn)狀，提出改良鹽堿土應(yīng)堅(jiān)持“水利先行，綜合治理”的原則。在植物生長(zhǎng)方面，左鳳月[17]通過(guò)對(duì)白刺進(jìn)行鹽脅迫研究，發(fā)現(xiàn)增加土壤鹽堿性，會(huì)明顯影響種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。盡管，對(duì)于鹽堿地的研究眾多，但多數(shù)集中在人工綠洲(如耕地、灌區(qū))以及棉花、小麥、沙棗等經(jīng)濟(jì)作物的研究，而天然綠洲土壤鹽漬化一直以來(lái)研究較少。本研究將對(duì)北疆地區(qū)天然綠洲鹽堿地的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，利用 2 km×2 km網(wǎng)格單元對(duì)鹽堿地?cái)?shù)量與面積大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而分析北疆地區(qū)鹽堿地空間分布和面積變化特征，以期為北疆鹽堿地生態(tài)環(huán)境變化特征的分析提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地形特點(diǎn)是山脈與盆地相間排列，盆地被高山環(huán)抱，俗喻“三山夾兩盆”。北為阿爾泰山，南為昆侖山，天山橫亙中部，把新疆分為南北兩半，南部是塔里木盆地，北部是準(zhǔn)噶爾盆地。本文研究對(duì)象包括新疆北疆和東疆兩個(gè)區(qū)域(圖1)，位于N40°46′12″～N49°10′12″，E79°53′24″～E96°22′48″之間，主要包括烏魯木齊市、昌吉回族自治州、伊犁哈薩克自治州、博爾塔拉蒙古自治州、阿勒泰地區(qū)、塔城地區(qū)、哈密地區(qū)、吐魯番地區(qū)。其地貌特征是高山與盆地相間，二者形成界限分明的地貌單元，屬于典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，四季分明，年均氣溫為-4～9 ℃，年降水量150～200 mm以上，氣候與南疆相比較為濕潤(rùn)，全年無(wú)霜期較短為140～185 d；夏季日照時(shí)間較長(zhǎng)，冬季日照時(shí)間較短，日照百分率高，因此太陽(yáng)輻射總量大，是我國(guó)光熱資源豐富的地區(qū)[18]。

圖1 新疆北疆地區(qū)的鹽堿地分布Fig.1 Distribution of saline-alkali land in northern Xinjiang

1.2 遙感影像數(shù)據(jù)獲取

利用 ArcGIS 10.4.1軟件對(duì)1∶1 000 000中國(guó)土壤圖[19]進(jìn)行數(shù)字化處理，結(jié)合2015年新疆北疆地區(qū)Landest 8遙感影像對(duì)北疆地區(qū)鹽堿地邊界進(jìn)行修正，得到1∶1 000 000的新疆土壤圖。由于1985年土壤調(diào)查結(jié)果距今時(shí)間較長(zhǎng)，軟件作圖的清晰度與邊界的精確度不高。隨著近年來(lái)，北疆各地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)，使得人工綠洲呈擴(kuò)大的趨勢(shì)。因此，本研究以1985年土壤調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，利用2015年新疆北疆地區(qū)Landest 8遙感影像對(duì)1985年土壤調(diào)查結(jié)果范圍重新進(jìn)行修正。為了進(jìn)一步驗(yàn)證鹽堿地邊界的準(zhǔn)確性，在2016—2017年進(jìn)行實(shí)地取樣，對(duì)鹽堿地邊界進(jìn)行實(shí)地校驗(yàn)。

本研究的新疆DEM圖是從www.gscloud.cn 網(wǎng)站上選用分辨率為90 m下載獲取，與其他DEM數(shù)據(jù)源相比，SRTM DEM的精度更高[20-21]。

1.3 建立格網(wǎng)圖及數(shù)據(jù)分析

由于北疆地區(qū)是高山與盆地相間(阿爾泰山和天山與準(zhǔn)噶爾盆地相間)構(gòu)成獨(dú)特的地貌單元。其整體上呈類似三角形的不規(guī)則形狀，對(duì)鹽堿地面積隨經(jīng)緯度的空間變化規(guī)律進(jìn)行分析，存在局限性，而鹽堿地面積比例是反映區(qū)域內(nèi)鹽堿化程度的重要指標(biāo)[22]。因此，本研究采用鹽堿地面積占總面積的比例作為檢驗(yàn)區(qū)域鹽堿化程度的指標(biāo)，對(duì)其空間變化規(guī)律進(jìn)行分析。利用Arc/Fishnet(漁網(wǎng))工具，建立格柵單元大小為2 km×2 km的網(wǎng)格，并將北疆地區(qū)鹽堿地分布圖進(jìn)行疊加分析，利用Arc/Calculate Geometry工具計(jì)算每個(gè)經(jīng)度、緯度、鹽堿地面積，將研究區(qū)沿經(jīng)度和緯度劃分為n和m單元網(wǎng)格，分別統(tǒng)計(jì)單元網(wǎng)格內(nèi)鹽堿化程度隨經(jīng)度和緯度變化的面積比例，鹽堿化程度用如下公式計(jì)算。

(1)

(2)

把網(wǎng)格與DEM影像進(jìn)行疊加，利用Arc/Zonal statistics(區(qū)域統(tǒng)計(jì))工具，統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)內(nèi)的平均海拔，海拔高度范圍為-160～5 890 m，按每 10 m 梯度統(tǒng)計(jì)單元網(wǎng)格內(nèi)鹽堿地面積及研究區(qū)面積，最終得到不同海拔梯度的鹽堿地面積比例。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Origin 2017和Sigma plot 10.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

鹽堿地的形成主要由人為因素和自然因素組成，在自然條件下是由土壤、氣候、植被、水文、地貌等自然地理因素相互影響、相互作用所形成的[23-24]。自然地理因素在空間上具有地域分異規(guī)律，其規(guī)律由地帶性規(guī)律和非地帶性規(guī)律組成，地帶性規(guī)律包含經(jīng)度地帶性、緯度地帶性、垂直地帶性，這三種地帶性不僅能夠很好的控制自然地理環(huán)境大陸層次和區(qū)域?qū)哟蔚牡赜蚍之?，還能對(duì)區(qū)域內(nèi)的變化進(jìn)行系統(tǒng)研究，屬于大、中尺度的地域分異規(guī)律[25-26]。本研究區(qū)域涉及范圍廣，屬于大、中尺度的地域分異，深受地帶性規(guī)律的影響。為此，本研究主要對(duì)經(jīng)度、緯度和海拔3個(gè)地帶性規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 鹽堿化程度由西向東的變化特點(diǎn)

北疆地區(qū)鹽堿化程度隨經(jīng)度由西向東的變化結(jié)果見(jiàn)圖2 A，可以看出隨著經(jīng)度的增加，鹽堿化程度由西向東呈增大趨勢(shì)。鹽堿化程度與經(jīng)度呈較好的線性關(guān)系(P=0.703)，二者Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.838，說(shuō)明北疆地區(qū)的鹽堿化程度與經(jīng)度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

將經(jīng)度劃分為三個(gè)梯度，每個(gè)梯度區(qū)間的鹽堿地變化結(jié)果(圖2B)顯示，在E80°～E85°范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)幅度較小，其最大值為16.21%，鹽堿地面積平均增加4.52%，鹽堿化程度為7.24%；在E85°～E90°范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)較大，其最大值為19.32%，此區(qū)間內(nèi)，鹽堿地面積平均增長(zhǎng)9.64%，鹽堿化程度為17.14%；在E90°～E96°范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)較大，其最大值為53.98%，此區(qū)間中，鹽堿地面積平均增長(zhǎng)34.59%，鹽堿化程度達(dá)到75.62%。因此，北疆地區(qū)鹽堿分布最廣泛的區(qū)域主要落于E90°～ E96°范圍中。

A: 變化特征; B: 變化趨勢(shì)A: Variation characteristics; B: Variation trend圖2 鹽堿化程度沿經(jīng)度由西向東的變化特征和變化趨勢(shì)Fig.2 Variation characteristics and trend of salinization degree from west to east along longitude

2.2 鹽堿化程度由南向北的變化特點(diǎn)

北疆地區(qū)鹽堿化程度隨緯度由南向北的變化結(jié)果見(jiàn)圖3 A，可以看出，隨著緯度的增加，鹽堿化程度由南向北呈減小趨勢(shì)。鹽堿化程度與緯度呈較好的線性關(guān)系(P=0.590)，二者Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.768，說(shuō)明北疆地區(qū)的鹽堿化程度與緯度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

A: 變化特征; B: 變化趨勢(shì)A: Variation characteristics; B: Variation trend圖3 鹽堿化程度沿緯度由南向北的變化特征和變化趨勢(shì)Fig.3 Variation characteristics and trend of salinization degree from south to north along latitude

將緯度劃分為三個(gè)梯度，每個(gè)梯度區(qū)間的鹽堿地變化結(jié)果(圖3B)顯示，在N40°～ N43°范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)幅度較大，其最大值為99%，鹽堿地面積平均增加62.18%，鹽堿化程度為77.82%；在N43°～ N46°范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)較小，其最大值為27%，此區(qū)間內(nèi)，鹽堿地面積平均增加9.93%，鹽堿化程度為16.73%；在N46°～ N49°范圍內(nèi)，鹽堿地面積比例波動(dòng)小，其最大值為16%，此區(qū)間中，鹽堿地面積平均增加4.37%，鹽堿化程度為5.45%。因此，北疆地區(qū)鹽堿分布最廣泛的區(qū)域主要落于N40°～ N43°范圍中。

2.3 鹽堿化程度由海拔低到高的變化特點(diǎn)

北疆地區(qū)鹽堿化程度隨海拔由低到高的變化結(jié)果見(jiàn)圖4 A，可以看出隨著海拔高度的增加，鹽堿化程度由低到高呈減小趨勢(shì)。鹽堿化程度與海拔高度呈較好的線性關(guān)系(P=0.588)，二者Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.767，說(shuō)明北疆地區(qū)的鹽堿化程度與海拔高度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

A: 變化特征; B: 變化趨勢(shì)A: Variation characteristics; B: Variation trend圖4 鹽堿化程度沿海拔高度由低到高的變化特征和變化趨勢(shì)Fig.4 Variation characteristics and trend of salinization degree from low to high along the altitude

將海拔高度劃分為三個(gè)梯度，每個(gè)梯度區(qū)間的鹽堿化變化結(jié)果(圖4B)顯示，在-160～500 m范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)幅度較大，其最大值達(dá)到96.36%，鹽堿地面積平均增加35.57%，鹽堿化程度達(dá)到47.41%；在500 ～1 200 m范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)較小，其最大值為38.14%，此區(qū)間內(nèi)，鹽堿地面積平均增長(zhǎng)22.89%，鹽堿化程度為31.88%；在1 200～2 500 m范圍內(nèi)，鹽堿化程度波動(dòng)較小，其最大值為36.20%，此區(qū)間中，鹽堿地面積平均增加7.69%，鹽堿化程度為20.71%。因此，北疆地區(qū)鹽堿分布最廣泛的區(qū)域主要落于-160～500 m范圍中。

3 討論

歐洲學(xué)者曾提出在中生代時(shí)期存在一個(gè)從南半球到北半球的古地中海。當(dāng)時(shí)，新疆位于古地中海的邊緣。后來(lái)，由于地球板塊運(yùn)動(dòng)，古地中海萎縮，到了大約四千萬(wàn)年前，又由于印度板塊與亞歐板塊碰撞造成的劇烈地殼運(yùn)動(dòng)，使得青藏高原與喜馬拉雅山隆起，露出海面，而塔里木盆地與準(zhǔn)噶爾盆地下沉，形成兩個(gè)巨大的洼地[27]。水分在漫長(zhǎng)的地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由高處逐漸匯聚在洼地，形成尾閭湖，由于氣候干燥、降水量稀少、蒸發(fā)量大的西北地區(qū)獨(dú)有的氣候條件，使得湖周圍形成大量鹽殼，土壤鹽漬化嚴(yán)重。

本研究結(jié)果顯示，隨著經(jīng)度的變化，鹽堿化主要集中分布在E90°～E96°范圍內(nèi)；隨著緯度的變化，鹽堿化主要集中分布在N40°～N43°范圍內(nèi)，該區(qū)域主要包含吐魯番和哈密地區(qū)。根據(jù)中國(guó)土壤圖[19]對(duì)新疆北疆土壤類型分布介紹可知，本研究鹽堿化程度集中分布區(qū)域的土壤類型為淡棕鈣土、灰棕漠土、灰漠土、石膏棕漠土、石膏鹽盤棕漠土，其中石膏鹽盤棕漠土是5種土壤類型當(dāng)中分布最廣且最為密集的一種，其含鹽量為23%～30%。石膏鹽盤棕漠土主要分布在吐魯番地區(qū)的艾丁湖及哈密地區(qū)南部的噶順盆地，是世界荒漠土壤中罕見(jiàn)的一種，其特征主要是土層表面存在大量鹽盤，其鹽分組成中以氯化鈉占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，從而形成堅(jiān)硬的巖鹽。楊立杰等[28]對(duì)吐魯番地區(qū)鹽堿土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)吐魯番地區(qū)由于常年干旱、降水量稀少、蒸發(fā)量較大導(dǎo)致土壤母質(zhì)發(fā)生變化，使得土壤不能通過(guò)降水淋洗進(jìn)行洗鹽過(guò)程，而在其表面形成一層新的鹽殼從而導(dǎo)致鹽漬化程度越來(lái)越高。東部地區(qū)主要包含吐魯番地區(qū)東南部、哈密地區(qū)南部，其中鹽堿化程度最為集中的區(qū)域是吐魯番地區(qū)，而東部地區(qū)土壤類型主要以石膏鹽盤棕漠土為主，其本身含鹽量較高，從而使得鹽堿化程度較高。由此可知，土壤類型對(duì)鹽堿化程度的影響較大。

圖5 鹽堿化程度隨海拔變化Fig.5 Degree of salinization varied with the altitude

哈密和吐魯番地區(qū)是鹽堿化程度集中分布區(qū)域，氣候特征為干旱、少雨、蒸發(fā)量大。嚴(yán)鳳鳴[29]通過(guò)對(duì)北疆降水量研究發(fā)現(xiàn)，北疆降水量自西向東呈遞減趨勢(shì)，氣候特征隨經(jīng)度的變化由西向東呈干旱趨勢(shì)；劉曉偉等[30]對(duì)新疆地區(qū)近54年水資源的氣候特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，降水量由西向東呈遞減趨勢(shì)、蒸發(fā)量由南向北呈遞減趨勢(shì)，結(jié)合本研究鹽堿化程度沿經(jīng)度由西向東和沿緯度由北向南的結(jié)果可知，鹽堿化程度除了受土壤類型的影響，還受到降水量和蒸發(fā)量的影響。此外，北疆地區(qū)的中部和東部存在大量的尾閭湖，例如：準(zhǔn)噶爾盆地北部，以烏倫古湖形成的尾閭湖為主；準(zhǔn)噶爾盆地西部，以瑪納斯河及艾比湖所形成的尾閭湖為主；天山中部，以阜康、奇臺(tái)、木壘等地為主；天山北部，以巴里坤湖形成的尾閭湖為主；天山以南，以艾丁湖形成的尾閭湖及哈密盆地南部的噶順戈壁為主，而這些區(qū)域海拔高度基本小于 1 500 m，其中以烏倫古湖、艾比湖、艾丁湖3個(gè)典型的尾閭湖最為特殊，其湖面海拔高度分別為：300、189、-155 m，且氣候都為典型的干旱氣候[31-34]，尾閭湖周圍由于土壤鹽分長(zhǎng)期積累，使得該區(qū)域鹽堿化程度較高。結(jié)合圖5可知，鹽堿化程度隨海拔高度的增加呈減小的趨勢(shì)，這與本研究得出的鹽堿化程度隨海拔高度變化的結(jié)果一致。顧峰雪等[35]對(duì)阜康地區(qū)土壤鹽漬化程度進(jìn)行劃分得出，在緯度梯度上從南至北，按照中鹽漬土—強(qiáng)鹽漬土—鹽土—強(qiáng)鹽漬土—鹽土—非鹽漬土的順序依次分布，由此可以看出越向北推移土壤鹽漬化程度呈現(xiàn)更加明顯的逐漸降低趨勢(shì)。這與本研究在緯度梯度上所得出的結(jié)果大致相似。綜上可以看出，鹽堿化程度主要與土壤類型、降水量、蒸發(fā)量有關(guān)，其中土壤類型對(duì)北疆地區(qū)鹽堿化程度起著決定性作用。鹽堿化集中分布于新疆北疆地區(qū)中部和東部低海拔的平原和尾閭湖區(qū)域，鹽堿化程度越高將會(huì)對(duì)該區(qū)域植被、經(jīng)濟(jì)作物、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)造成更大的危害，若對(duì)該區(qū)域鹽堿地進(jìn)行改良，降低該區(qū)域鹽堿化程度，則會(huì)對(duì)鹽堿地的綜合治理起到良好的促進(jìn)作用。