近10年新疆不同程度鹽漬化耕地的時(shí)空變化特征*

莊慶威，吳世新，楊怡，牛雅萱，顏瑜嚴(yán)

(1 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所， 烏魯木齊 830001； 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)(2019年6月5日收稿； 2019年10月15日收修改稿)

耕地鹽漬化是土地荒漠化的類型之一, 是土地退化的重要表現(xiàn)，耕地鹽漬化問題始終是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和改善環(huán)境質(zhì)量的戰(zhàn)略問題[1-2]。新疆的兩大盆地深居歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，氣候極端干旱，生態(tài)環(huán)境非常脆弱。受自然環(huán)境以及多年來不合理的耕作灌溉方式的影響，新疆鹽漬化土地呈現(xiàn)面積大、類型多、積鹽重、形成復(fù)雜等特點(diǎn)[3]。

20世紀(jì)80年代以來，中國耕地呈現(xiàn)出“南減北增，總量基本保持平衡，新增耕地重心逐步由東北向西北移動(dòng)”的基本特征[4-8]。在此背景下，新疆已經(jīng)成為中國重要的糧棉生產(chǎn)基地和國家糧食安全后備基地，對(duì)于中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保證糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定具有重要的戰(zhàn)略作用[9-11]。耕地鹽漬化導(dǎo)致地面植被生產(chǎn)力下降、土地退化、生物多樣性降低，不僅阻礙新疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且嚴(yán)重威脅著新疆的農(nóng)業(yè)安全和糧食產(chǎn)量。探究耕地鹽漬化時(shí)空變化特點(diǎn)，不僅是土地利用變化對(duì)土壤質(zhì)量影響研究的重要組成部分，對(duì)保護(hù)綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也具有重要意義[12-14]。

學(xué)者對(duì)耕地鹽漬化的類型、成因、改良方法和遙感信息提取等展開了大量研究[15-22]。目前有關(guān)新疆的耕地鹽漬化研究的空間尺度主要集中在某一地區(qū)或流域[23-26]，在空間上不具有連續(xù)性和均衡性，針對(duì)全疆耕地鹽漬化的研究較少，而全疆尺度上的耕地鹽漬化信息對(duì)于新疆乃至西北干旱區(qū)耕地鹽漬化的預(yù)防和治理具有重要意義。本文運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和動(dòng)態(tài)度對(duì)新疆灌區(qū)鹽漬化耕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究新疆鹽漬化耕地時(shí)空演變特征，為新疆灌區(qū)耕地鹽漬化預(yù)防和改良，以及綠洲農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)概況與采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Study area and the distribution of sampling points

1.2 研究方法

1.2.1 鹽漬化耕地分類分級(jí)體系

以新疆二次土壤普查有關(guān)土壤鹽漬化分類體系為基礎(chǔ)，以0～30 cm土壤鹽分含量為依據(jù)，結(jié)合鹽分組成、地下水埋深、地下水礦化度、pH值、土壤鹽分對(duì)農(nóng)作物生長的危害程度等，建立研究區(qū)鹽漬化耕地分級(jí)分類體系。鹽漬化耕地評(píng)價(jià)指標(biāo)既有定性指標(biāo)又有定量指標(biāo)，存在量綱不統(tǒng)一的問題，需要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。考慮到定性和定量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一計(jì)算，本文對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)采用百分制形式進(jìn)行量化分級(jí)，確定研究區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及等級(jí)劃分，如表1所示。(0，20]為鹽土，(20，40]為重度鹽漬化耕地，(40，60]為中度鹽漬化耕地，(60，80]為輕度鹽漬化耕地，(80，100]為非鹽漬化耕地。

表1 新疆鹽漬化耕地評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)表Table 1 Evaluation index of salinized cultivated land in Xinjiang

1.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法[27-29](表2)，能夠清晰地反映下列變化：1)兩個(gè)時(shí)期不同等級(jí)鹽漬化耕地面積的變化情況；2)不同等級(jí)鹽漬化耕地從前一個(gè)時(shí)期向后一個(gè)時(shí)期的轉(zhuǎn)移量；3)后一個(gè)時(shí)期鹽漬化耕地類型由前一個(gè)時(shí)期鹽漬化耕地類型的轉(zhuǎn)移來源數(shù)量。該方法能夠全面又具體地分析區(qū)域土地利用變化的數(shù)量結(jié)構(gòu)特征與各用地類型變化的具體方向,因此本文運(yùn)用該方法將2005和2014年新疆鹽漬化耕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探索近10年來新疆灌區(qū)鹽漬化耕地的演變規(guī)律，該工作在航天宏圖自主研發(fā)的PIE遙感軟件中完成。

在轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上還可以算出其凈變化量、交換變化量及總變化量。

凈變化量(Dj)的計(jì)算公式為

Dj=MAX(Pi+-Pii,P+j-Pj)-

MIN(Pi+-Pii,P+j-Pj).

(1)

交換變化量(Sj)的計(jì)算公式為

Sj=2×MIN(Pi+-Pii,P+j-Pj).

(2)

總變化量(Cj)就是凈變化量和交換變化量之和，計(jì)算公式為

Cj=Dj+Sj=MAX(Pi+-Pii,P+j-Pj)+

MIN(Pi+-Pii,P+j-Pj).

(3)

式中：T1-T2為研究期時(shí)長；行和列的A1至An分別為T1時(shí)間和T2時(shí)間不同等級(jí)鹽漬化耕地；Pij為研究期內(nèi)i類鹽漬化耕地轉(zhuǎn)換為j類鹽漬化耕地面積；Pii表示i類鹽漬化耕地沒有發(fā)生轉(zhuǎn)換的面積；Pi+和P+j表示T1和T2時(shí)段i類、j類鹽漬化耕地的變化面積；Pi+-Pii和P+j-Pjj分別為研究期間i類鹽漬化耕地減少面積、j類鹽漬化耕地增加面積。

1.2.3 土地利用動(dòng)態(tài)度

綜合土地利用動(dòng)態(tài)度[30](comprehensive land use dynamics, CLUD)反映土地利用變化的劇烈程度，不同地區(qū)的動(dòng)態(tài)度數(shù)值的差異可以判斷土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域，計(jì)算公式為

K

(4)

式中：K表示綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；Uai和Ubi分別表示研究初期和末期某種土地類型的面積；T表示時(shí)長。

表2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Land use transfer matrix

2 結(jié)果分析

2.1 新疆鹽漬化耕地分布現(xiàn)狀

新疆灌區(qū)鹽漬化耕地主要分布在洪積、沖積扇邊緣、大河三角洲中下部、干三角洲低部、河流低階地以及濱湖平原等處。北疆灌區(qū)內(nèi)鹽漬化耕地主要分布在呼圖壁河流域、瑪納斯河流域、艾比湖流域沖積平原以及阿爾泰山兩河流域平原區(qū)，以輕度鹽漬化為主。南疆的鹽漬化耕地重點(diǎn)分布于天山南麓山前平原(包括阿克蘇流域區(qū)、開都河及孔雀河流域、渭干河流域)、葉爾羌河流域沖積平原、喀什河三角洲，這3個(gè)地區(qū)鹽漬化耕地占比最大，中度和重度鹽漬化耕地比例高于全疆其他地區(qū)，是新疆鹽漬化治理的重點(diǎn)區(qū)域。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)顯示，新疆鹽漬化耕地在數(shù)量和構(gòu)成上具有明顯的差異性。南疆鹽漬化耕地面積明顯高于北疆。

表3 新疆不同等級(jí)鹽漬化耕地的面積及其占比Table 3 Areas and percentages of different degrees of salinized cultivated land in Xinjiang

2.2 新疆鹽漬化耕地時(shí)空演變格局分析

通過近10年鹽漬化耕地的動(dòng)態(tài)變化圖和轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同等級(jí)鹽漬化耕地分布特征和演變規(guī)模具有明顯的差異性(圖2，表4)。

圖2 2005—2014年新疆不同等級(jí)鹽漬化耕地動(dòng)態(tài)變化圖Fig.2 The dynamic change map of different degrees of salinized cultivated land from 2005 to 2014 in Xinjiang

表4 2005—2014年不同等級(jí)鹽漬化耕地面積與轉(zhuǎn)換規(guī)模Table 4 Areas and conversion scales of different degrees of salinized cultivated land between 2005 and 2014104 hm2

1)新疆非鹽漬化耕地轉(zhuǎn)入面積為25.84×104hm2，轉(zhuǎn)出面積為37.85×104hm2，凈減少12.01×104hm2，動(dòng)態(tài)度為-3.03%；轉(zhuǎn)入土地主要來源于伊犁河谷、天山北麓綠洲、喀什三角洲、渭干河流域等區(qū)域內(nèi)的灌區(qū)周邊鹽堿地、輕度和中度鹽漬化耕地，以硫酸鹽化和氯鹽化為主；轉(zhuǎn)出部分主要進(jìn)入城鎮(zhèn)居民及工礦用地和其他用地。

2)新疆鹽漬化耕地轉(zhuǎn)入面積為50.23×104hm2，轉(zhuǎn)出面積為38.32×104hm2，凈面積增加11.19×104hm2，動(dòng)態(tài)度為0.56%。輕度鹽漬化耕地和中度鹽漬化耕地面積增加，重度鹽漬化耕地面積減少；中度鹽漬化耕地動(dòng)態(tài)度最高，重度鹽漬化耕地動(dòng)態(tài)度小于零。

其中，輕度鹽漬化耕地轉(zhuǎn)入34.18×104hm2，轉(zhuǎn)出28.51×104hm2，凈面積增加5.67×104hm2，動(dòng)態(tài)度為0.36%；轉(zhuǎn)入部分主要來自灌區(qū)周邊鹽地、中度鹽漬化耕地和其他類型土地，面積分別為25.36×104、0.43×104和6.44×104hm2，轉(zhuǎn)出部分主要進(jìn)入灌區(qū)周邊鹽土、非鹽漬化耕地和城鎮(zhèn)居民及工礦用地，面積分別為1.97×104、21.08×104和0.49×104hm2。

中度鹽漬化耕地轉(zhuǎn)入面積為11.38×104hm2，轉(zhuǎn)出面積為5.59×104hm2，凈面積增加6.24×104hm2，動(dòng)態(tài)度為1.73%；轉(zhuǎn)入部分主要來自灌區(qū)周邊鹽土、重度鹽漬化耕地和其他類型土地，面積分別為7.69×104、2.55×104和2.88×104hm2，轉(zhuǎn)出部分主要進(jìn)入灌區(qū)周邊鹽地和輕度鹽漬化耕地，面積分別為4.71×104和0.43×104hm2。

重度鹽漬化耕地轉(zhuǎn)入面積為3.77×104hm2，轉(zhuǎn)出面積為4.12×104hm2，凈面積減少0.35×104hm2，動(dòng)態(tài)度為-0.49%；轉(zhuǎn)入部分主要來自灌區(qū)周邊鹽土和其他土地，面積分別為2.81×104和0.39×104hm2，轉(zhuǎn)出部分主要為灌區(qū)周邊鹽地、輕中度鹽漬化耕地，面積分別為2.60×104、0.52×104和0.68×104hm2。

2.3 鹽漬化耕地時(shí)空演變的區(qū)域差異

2.3.1 鹽漬化耕地的區(qū)域結(jié)構(gòu)差異

新疆各地區(qū)氣候、地貌、地形、土壤、成土母質(zhì)等自然條件不盡相同，土地開發(fā)利用強(qiáng)度和模式也存在差異，不同地區(qū)鹽漬化耕地在發(fā)生、分布、結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及時(shí)空演變等方面既具有一定的相似性，又存在一定的差異性(圖3)。

圖3 2005—2014年新疆各地區(qū)鹽漬化耕地占比的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic changes in percentage of areas in salinized cultivated land in different regions of Xinjiang from 2005 to 2014

1)烏魯木齊和伊犁地區(qū)的鹽漬化耕地占比較少，不足耕地總面積的10%；克拉瑪依、巴州、阿克蘇和喀什，鹽漬化耕地占比超過40%，其中，巴州2014年鹽漬化耕地占比超過65%；吐魯番地區(qū)鹽漬化耕地占比低于20%，其余地區(qū)鹽漬化耕地占比分布在20%～40%。從圖3中可以直觀看出，新疆鹽漬化耕地的區(qū)域差異非常大，南疆鹽漬化耕地占比明顯高于北疆，巴州鹽漬化耕地占比超過烏魯木齊鹽漬化耕地占比的20倍。

2)新疆各地區(qū)輕度鹽漬化耕地占比均有所增長，主要位于新墾區(qū)，各地區(qū)新墾土地的數(shù)量、自然條件和管理模式存在較大差異，輕度鹽漬化耕地增長情況存在明顯差異。巴州輕度鹽漬化耕地增幅位居首位，增長9.36%，克州增幅最小，僅為0.04%；烏魯木齊、塔城、博州增幅稍大于克州，分別為0.47%、1.07%和1.98%，其余各地區(qū)增幅在2%～6%。

3)新疆各地區(qū)中度鹽漬化耕地變化情況差異性較大。昌吉、伊犁、塔城和哈密地區(qū)，中度鹽漬化耕地分別減少0.07%、0.30%、0.27%和2.02%；烏魯木齊、克拉瑪依、和田、吐魯番、阿勒泰和博州等地區(qū)，中度鹽漬化耕地有小幅增加，增幅均在1%之內(nèi)；克州、喀什、巴州和阿克蘇地區(qū)，分別增長1.08%、2.71%、2.75%、和3.15%。

4)2005和2014年，烏魯木齊、吐魯番、哈密、昌吉和伊犁重度鹽漬化耕地占比均小于0.01%；喀什地區(qū)重度鹽漬化耕地增長0.28%，其余各地區(qū)重度鹽漬化耕地占比均有不同幅度的下降，其中克拉瑪依、博州、和田、博州和阿克蘇下降比例超過1.5%。

2.3.2 鹽漬化耕地的區(qū)域變化活躍程度差異分析

通過計(jì)算新疆各地區(qū)鹽漬化耕地綜合利用動(dòng)態(tài)度 (圖4)，評(píng)價(jià)與分析結(jié)果顯示，各地區(qū)鹽漬化耕地面積變化活躍程度也存在差異：以全疆鹽漬化耕地平均綜合利用動(dòng)態(tài)度(CLUD=1.36)作為一個(gè)衡量值，將各地區(qū)鹽漬化耕地綜合利用動(dòng)態(tài)度劃分為5個(gè)類型，緩慢減少型(CLUD<0)、基本穩(wěn)定型(0≤CLUD<0.50)、緩慢增長型(0.50≤CLUD<1.36)、快速增長型(1.36≤CLUD<5)和急劇增長型(CLUD≥5)。

克拉瑪依的CLUD值小于零，其余各地區(qū)CLUD值均大于0，說明克拉瑪依鹽漬化耕地面積呈下降趨勢(shì)，其余各地區(qū)鹽漬化耕地面積呈增長趨勢(shì)。綜合利用動(dòng)態(tài)度高、快速變化的地區(qū)主要集中在南疆，其中克州活躍度最高，CLUD值為4.19，喀什和巴州的CLUD值分別為1.45和2.05，活躍度超過全疆平均水平。綜合利用度較低、緩慢增長的地區(qū)包括吐魯番、哈密、伊犁和阿克蘇。烏魯木齊、和田、塔城、昌吉、博州和阿勒泰地區(qū)屬于基本穩(wěn)定型，多集中在北疆地區(qū)。

2.4 土地利用變化對(duì)鹽漬化耕地的影響

通過對(duì)兩期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)近10年間不同土地類型的面積，并據(jù)此獲得研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型間的轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。結(jié)果顯示，新疆耕地面積增加151.47×104hm2，主要流入來源為草地、林地和未利用地；林地面積略有減少，總體保持穩(wěn)定；草地面積減少117.57×104hm2，主要轉(zhuǎn)出為耕地和未利用地；建設(shè)用地面積增加22.12×104hm2，增幅高達(dá)42.56%，說明近10年人類活動(dòng)和工程建設(shè)比較活躍。

整體來看，草地、耕地和未利用地3種土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)移比較強(qiáng)烈。草地轉(zhuǎn)移至耕地面積為112.42×104hm2，未利用地轉(zhuǎn)移至耕地面積為34.48×104hm2。草地—耕地轉(zhuǎn)化區(qū)內(nèi)，輕度鹽漬化耕地面積占轉(zhuǎn)化區(qū)面積的28.86%，中度、重度分別占比6.99%和0.92%；未利用地—耕地轉(zhuǎn)化區(qū)內(nèi)，輕度鹽漬化耕地面積占轉(zhuǎn)化區(qū)面積的26.37%，中度、重度分別占比5.58%和0.72%。結(jié)果表明不同土地利用模式變化對(duì)鹽漬化耕地的影響不同，新墾耕地的鹽漬化程度類型在很大程度上受原有土地利用模式的影響。

2.5 新疆鹽漬化耕地成因分析

2.5.1 自然因素

氣候干旱、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈。新疆平原地區(qū)年平均降水量約50～200 mm，而蒸發(fā)量卻高達(dá)1 500～3 000 mm，降水少，使聚積在土壤表層的鹽分難以淋溶；而蒸發(fā)強(qiáng)烈，可使含鹽地下水通過毛管上升水流，向地表聚積。

地形封閉，鹽分無外泄條件。新疆的內(nèi)陸河從山區(qū)淋溶鹽分，通過地表水和地下下水徑流，不斷向盆地輸送、累積卻不能排出，初步估算僅塔里木河和準(zhǔn)噶爾內(nèi)陸河每年帶入兩大盆地的鹽分就達(dá)7.94×107t。

母質(zhì)含鹽量高。山前地帶普遍分布著含鹽的第三紀(jì)和第四紀(jì)地層，鹽分含量達(dá)到50～900 g/kg，一些山前洪積沖積扇10 m深的土層含鹽量可達(dá)到50～100 g/kg。

2.5.2 人為因素

水資源利用仍存在許多問題，引起地下水位升高，小于臨界深度。近年來，新疆雖然加大了水利投資，在節(jié)水灌溉等方面取得了很大成績(jī)，使得老灌區(qū)耕地鹽漬化有減輕趨勢(shì)。但不少地區(qū)渠道防滲和節(jié)水灌溉還比較差，有些地區(qū)灌溉定額仍在1×104～1.5×104m3/hm2，依然在加大渠道滲漏和田間滲漏對(duì)地下水的補(bǔ)給。

農(nóng)業(yè)的土地利用與種植結(jié)構(gòu)不合理。新墾荒地多分布在灌區(qū)邊緣，大部分開墾的是重鹽堿土，土地未進(jìn)行精細(xì)平整，使灌水不均勻，造成低處積水，高處積鹽。除糧食作物外，大部分為棉花，而溫養(yǎng)土地的作物苜蓿、綠肥幾乎見不到。有機(jī)肥使用量減少，化肥使用量增加，造成土壤板結(jié)，影響土壤蓄水保熵，降低了作物的抗鹽性能。

3 結(jié)論與討論

2014年，全疆鹽漬化耕地面積為233.05×104hm2，占耕地總面積的37.72%，鹽漬化等級(jí)以輕度為主；研究期內(nèi)，鹽漬化耕地面積有所增加，但鹽漬化危害程度明顯減弱，鹽漬化耕地大都呈現(xiàn)穩(wěn)定脫鹽趨勢(shì)。新增鹽漬化耕地主要位于新墾區(qū)，自然條件相對(duì)較差，其中各類鹽化土壤大量被開發(fā)，轉(zhuǎn)化為輕中度、中重度鹽漬化耕地，伴隨鹽漬化耕地的改良治理，鹽漬化危害程度明顯減弱。老灌區(qū)鹽漬化耕地經(jīng)過不斷治理、改造，輕度鹽漬化耕地向非鹽化耕地轉(zhuǎn)化，中度鹽漬化耕地向非鹽漬化和輕度鹽漬化耕地轉(zhuǎn)化，重度和鹽堿地多向中輕度和非鹽化耕地轉(zhuǎn)換。

新疆各地區(qū)氣候、地貌、地形、土壤、成土母質(zhì)等自然條件不盡相同，土地開發(fā)利用強(qiáng)度和模式也存在差異，各地區(qū)鹽漬化耕地在發(fā)生、分布、結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及時(shí)空演變活躍程度等方面既具有一定的相似性，又存在一定的差異性。南疆的中度和重度鹽漬化耕地比例高于北疆地區(qū)，是新疆鹽漬化治理的重點(diǎn)區(qū)域。通過計(jì)算新疆各地區(qū)鹽漬化耕地綜合利用動(dòng)態(tài)度，各地區(qū)鹽漬化耕地面積變化活躍程度也存在差異，克拉瑪依的CLUD值小于零，其余各地區(qū)CLUD值均大于0，說明克拉瑪依鹽漬化耕地面積呈下降趨勢(shì)，其余各地區(qū)鹽漬化耕地面積呈增長趨勢(shì)。

因此，各地區(qū)既要因地制宜地制定鹽漬化耕地改良利用方案,又要與全局治理規(guī)劃相一致。制定全局與地方、大流域與局部地區(qū)、短期與長期相結(jié)合的鹽漬化耕地治理戰(zhàn)略規(guī)劃，合理開發(fā)利用土地資源及鹽土資源，嚴(yán)格控制墾荒規(guī)模。