開都河下游灌區土壤鹽漬化研究

李新國,李會志,王 影,任云霞

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院,烏魯木齊830054;2.新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室,烏魯木齊830054)

土壤鹽漬化是干旱區農業發展的主要障礙,亦是影響綠洲生態環境穩定的重要因素,干旱區綠洲的穩定性外受過渡帶影響,內受土壤鹽漬化影響[1]。土壤鹽漬化既涉及資源問題和生態環境問題,又與區域農業可持續發展息息相關,同時鹽漬地還是一種重要的土地資源,科學合理地開發利用,具有重大的社會經濟價值。位于新疆焉耆盆地的開都河下游灌區是典型的人工綠洲區域,由于前期盲目地擴大耕地和長期大量引用地表水進行不合理地灌溉,致使灌區地下水位普遍升高,地下水位埋深由20世紀50年代開墾前的5.0～7.0 m,變為現在的1.8～2.2 m,灌區土壤鹽漬化日趨嚴重,中重度鹽漬化面積占耕地面積的35.32%,致使部分耕地退化而棄耕[2-3]。因此,深入分析人工綠洲區域的土壤鹽漬化現狀,研究其土壤鹽漬化的類型、程度、面積及其空間分布特征,對于人工綠洲區域鹽漬化土地的因地制宜地改良和合理利用,保障干旱區綠洲社會經濟的可持續發展,具有重要的社會意義與實踐價值。

隨著3S技術在土地資源監測和調查中廣泛應用和日臻成熟,將其作為研究方法和技術手段對開都河下游灌區土壤鹽漬化的變化過程及發展趨勢進行定量描述,充分體現3S技術在資源監測與調查中數據實時性強、探測面積大、省時、成本低廉等優點。通過對研究區采用兩個不同時期的遙感圖像解譯,結合實地調查,應用統一的確定鹽漬化土地面積和程度的標準,得出區域鹽漬地的定量化分析結果,可以為該區域合理開發利用鹽漬地資源、分區治理農田中重度鹽漬地提供科學依據。

1 研究區概況

開都河下游灌區位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內,包括和靜縣、和碩縣、博湖縣及新疆生產建設兵團22團、23團、24團、25團和 223團,地理位置為85°42′-88°00′E,41°35′-42°30′N 。開都河發源于天山中部的依連哈比爾尕山和艾爾賓山,主源為扎格斯臺河和哈爾尕提溝,河流全長560 km,流域面積2.2萬km2,年徑流量34.12萬m3,占進入盆地總徑流量的80%以上,是惟一能常年補給博斯騰湖的河流。開都河下游段(大山口水電站到博斯騰湖入湖口)河流長度為171 km,分為東支和西支,東支進入博斯騰湖大湖區,西支進入博斯騰湖小湖區,除部分水量注入博斯騰湖外,另有部分水量消耗于農業灌溉。

開都河下游灌區所在的焉耆盆地是南天山褶皺斷塊山系中的一個半封閉的大型山間盆地,面積1.361 2萬km2。盆地地面海拔一般在1 050～1 200 m,地勢西高東低、北高南低,總體呈現為四周向盆地傾斜的地貌形態,盆地內流水地貌、風沙地貌、湖泊地貌類型十分發育,自盆地四周高山到博斯騰湖依次為戈壁、平原和湖沼,呈環狀分布。盆地內水系順地勢單向發育,從北部或西北部流向盆地的最低處-博斯騰湖,開都河是該盆地中最大的一條河流。焉耆盆地四周山區富含鈉鹽,山前帶的第三紀和侏羅紀巖層富含石膏等可溶性鹽,為焉耆盆地開都河下游灌區土壤鹽漬化的形成提供了物質條件。

開都河下游灌區地處西北內陸干旱區,氣候特征表現為熱量充足,日照長,降水稀少,蒸發強烈。年均氣溫8.0～8.6℃,夏季月平均氣溫22.8℃,冬季月平均氣溫-9.0℃,絕對最高氣溫39.0℃,最低氣溫-30.4 ℃,≥10℃的積溫3 414.4～3 694.1℃,無霜期176～200 d;年平均降水量 50.7～79.9 mm,蒸發量2 000.5～2 449.7mm,蒸降比高達40∶1,屬于南北疆過渡的大陸荒漠性氣候[4]。

開都河下游灌區內土壤類型主要有草甸土、沼澤土、灌耕土、鹽土、棕漠土、風化土等;自然植被多為芨芨草、蘆葦、胡楊等,人工植被以農作物、果林和田間防護林為主。區內地下水資源較為豐富,地下水可開采量為9.05億m3/a,地下水埋深0.5～7.0 m。農業灌溉區主要分布于沖積平原的中下游,多年平均引用地表水量為11.0億m3/a,年開發地下水量約為可開采量的10%。地下水化學特征具有較強的地帶性分異規律,山前的沖積-洪積平原為低礦化的重碳酸型水,過渡到沖積平原的中上部重碳酸-硫酸鹽型,濱湖地區則為硫酸鹽-氯化物型水;在沖積平原水文網發育的地方,潛水受地表水的淡化作用明顯,地下水化學組成復雜[5]。

2 數據來源和研究方法

遙感數據采用研究區的Landsat TM數據與CBERS-02衛星CCD數據。Landsat TM數據接收時間為1990年10月,CBERS-02衛星CCD影像數據接收時間為2008年10月,均為晴空資料(云量＜5%)。地理底圖采用國家測繪局編制的1∶25萬分幅數字地形圖,土地利用圖采用焉耆盆地1∶10萬土地利用圖,地圖采用2008年新疆維吾爾自治區1∶50萬政區圖,以及研究區其他數據資料,包括2003年地下水礦化度分布圖與地下水埋深分布圖、2007年土壤調查報告、1998-2007年氣象數據等。

利用遙感圖像處理軟件Erdas 8.7對 Landsat TM數據與CBERS-02衛星CCD影像數據進行輻射校正、去霾處理等技術處理后,分別取4,3,2波段合成假彩色圖像(附圖7與附圖8)。以土地利用現狀圖為基礎,選取控制點進行二次多項式擬合校正,處理后的兩個時期的圖像與數字化邊界匹配吻合,誤差在1個像元內。在圖像解譯之前,結合土壤調查報告及土地利用圖等非遙感數據建立各種類型鹽漬地的解譯標志,即選擇一條鹽漬地類型豐富的野外調查路線,在沿線選擇典型鹽漬地樣區,并用GPS確定各樣區位置,依據觀察到的鹽漬地類型、地物景觀、植被狀況,結合遙感影像對應點,研究影像上不同程度鹽漬化土地的影像特征,建立遙感解譯標志(包括影像顏色、灰度、斑塊形狀、分布位置等),取樣并測定地下水礦化度、土壤含鹽量。在分析前人的各種分類體系并結合本區域特征的基礎上,結合土壤類型與土地利用等非遙感數據,確定鹽漬化土地分類系統,本文采用的分類系統為非鹽漬化、輕度鹽漬化、中度鹽漬化、重度鹽漬化(含鹽土)。

對兩個時期遙感影像上鹽漬地信息的識別與提取,采用目視解譯和計算機自動分類相結合的方法,充分利用遙感數據的光譜信息、空間信息和時間信息,對目標進行識別。為提高圖像解譯的準確性和精度,選擇有代表性的樣點,尤其是判讀不清的區域,再到野外定點進行檢驗與校正,對比分類后的圖像,對分類錯誤進行人工糾正。在GIS軟件ArcGIS 8.7的支持下,對解譯結果進行處理,得到土地鹽漬化現狀空間分布圖(附圖9和附圖10),并匯總、統計,建立研究區土地鹽漬化空間數據庫。

3 結果分析

3.1 鹽漬化土地面積明顯減少

對研究區兩個時期的影像進行遙感解譯,得到研究區鹽漬地面積變化的對比(表1)。1990年,研究區鹽漬地面積 1 928.90 km2,占研究區總面積的54.95%,其中重度鹽漬地面積268.40 km2,占研究區總面積的7.65%,中度鹽漬地面積515.90 km2,占研究區總面積的14.70%,輕度鹽漬地面積1 144.60 km2,占研究區總面積的42.61%;2008年研究區鹽漬地面積1 513.40 km2,占研究區總面積的43.11%,其中重度鹽漬地面積187.40 km2,占研究區總面積的5.34%,中度鹽漬地面積308.50km2,占研究區總面積的8.79%,輕度鹽漬地面積1 017.50 km2,占研究區總面積的28.99%。近20年來,研究區鹽漬化土地面積減少了415.50 km2,鹽漬化土地面積比例減少11.84%。

表1 開都河下游灌區鹽漬化土地解譯數據

3.2 土壤鹽漬化程度減緩

研究區土地鹽漬化的變化還表現在土壤鹽漬化程度的減緩。對土壤鹽漬化程度的評價主要依據土壤類型、植被類型和鹽堿斑占基質面積的比例來判定[6]。其中,土壤類型由2007年焉耆盆地土壤調查報告資料獲得,鹽堿斑數量和植被類型可以由遙感影像解譯,結合典型樣區調查獲得,鹽漬化土地程度評價指標(表2)。研究區的鹽漬地面積由1990年的1 928 km2,下降到 2008年的 1 513.40 km2,鹽漬地面積減少了415.50 km2,平均每年減少21.87 km2,動態度-1.13%,其中重度鹽漬地面積減少 81.00 km2,占鹽漬地減少面積的19.49%,中度鹽漬地面積減少207.40 km2,占鹽漬地減少面積的49.92%,輕度鹽漬地面積減少127.10 km2,占鹽漬地減少面積的30.59%。近20年來,研究區土壤鹽漬化程度有所減緩,其中中度土壤鹽漬化土地減緩幅度最大。

表2 研究區土壤鹽漬化程度評價指標

3.3 土壤鹽漬化類型現狀與分布特征

土壤鹽漬化類型的分類標準采用《新疆農業技術手冊》的土壤鹽漬化類型區分表和土壤鹽漬化程度分級標準,對研究區表層0-30cm土壤鹽分中 C1-/mol比值及土壤含鹽量進行分類和分級,并分類別和級別進行統計(表3)。

表3 2008年研究區鹽漬化分類分級統計特征 %

統計結果表明：區內鹽漬地類型主要為氯化物-硫酸鹽型鹽漬化,占66.96%,其中重度鹽漬化占38.39%;其次為硫酸鹽-氯化物型,占15.18%,其中重度鹽漬化占11.61%。根據調查資料[5],研究區土壤鹽漬化程度的分布,在水平方向具有分帶性,即圍繞博斯騰湖呈環帶狀分布。研究區內中度鹽漬地、輕度鹽漬地、非鹽漬地呈斑塊狀鑲嵌分布,重度鹽漬地主要分布在開都河下游排堿干渠兩岸和博斯騰湖北岸湖濱區(附圖10)。根據土壤鹽漬化程度不同,可以將研究區分成4個區域。

(1)非鹽漬化區。靠近戈壁地帶,潛水位埋深大于5 m,礦化度＜1 g/L,主要分布于遠離排堿渠和河道的區域和灌排水條件良好的農田。

(2)輕鹽漬化區。廣泛分布于遠離排堿渠和河道的、地勢高的農田區域,潛水位埋深在3～5 m,礦化度1～2 g/L,對某些農作物生長有輕微危害。

(3)中度鹽漬化區。主要分布于地勢較低的農田和開都河河口區,潛水位埋深1～3 m,礦化度2～10 g/L,對農作物生長有一定危害。

(4)重度鹽漬化區。主要分布于博斯騰湖湖濱區、農田排堿干渠和河道附近,潛水位埋深0.5～1 m,礦化度 15～20 g/L,甚至達到30 g/L以上,對農作物生長有極大危害,不適合農作物生長。

4 結論與討論

(1)開都河下游灌區的土壤鹽漬化土地面積減少了415.50 km2,鹽漬化土地面積比例減少11.84%。

(2)鹽漬化程度亦有所減緩,鹽漬地面積由1990年的1 928 km2,下降到2008年的1 513.40 km2,平均每年減少21.87 km2,動態度-1.13%,其中中度土壤鹽漬化土地減緩幅度最大。

(3)土壤鹽漬化土地類型主要為氯化物-硫酸鹽型鹽漬化,占66.96%,其中重度鹽漬化占38.39%;其次為硫酸鹽-氯化物型,占15.18%,其中重度鹽漬化占11.61%。

(4)研究區農田內中度鹽漬地、輕度鹽漬地、非鹽漬地呈斑塊狀鑲嵌分布,重度鹽漬地主要分布在開都河下游排堿干渠兩岸和博斯騰湖北岸湖濱區。

近20年來,由于區域土壤鹽漬化土地的綜合治理與水環境保護,開都河下游灌區的土壤鹽漬化土地面積減少,鹽漬化程度有所減緩,但區域土壤鹽漬化依然對區域的生態環境安全與社會經濟的可持續發展構成威脅。因此,區域鹽漬地的開發利用和治理必須從系統的觀點出發,將研究區所在盆地的地表引水-地下水開采-灌溉排水-水土環境保護作為一個統一的整體來對待,保持區域水土資源的可持續利用。

[1] 田長彥,周宏飛,劉國慶.21世紀新疆土壤鹽漬化調控與農業持續發展研究建議[J].干旱區地理,2000,23(2)：176-181.

[2] 王玉寶.李濤.金英春.淺析新疆焉耆盆地土壤次生鹽漬化治理途徑[J].水文地質工程地質,2004(6)：99-101.

[3] 陳模,楊紹斌.焉耆盆地鹽漬化土壤的形成與改良[J].國土與自然資源研究,1992(3)：46-49.

[4] 夏軍,左其亭,邵民誠.博斯騰湖水資源可持續利用[M].北京：科學出版社,2003(2)：21-25.

[5] 劉延鋒,靳孟貴,金英春,等.新疆焉耆盆地土壤鹽漬化特征分析[J].水土保持通報,2004,24(1)：51-52.

[6] 白效明.吉林省生態環境及生態省建設的研究[M].長春：吉林大學出版社,2000：21-23.