開都河流域下游綠洲土壤鹽漬化影響因子分析

阿斯耶姆·圖爾迪，李新國，靳萬貴，梁 東

（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）

鹽漬化是各種營力使鹽分在土壤中或地表集聚的過程，是人類共同面臨的一個全球性環境問題［1－2］。土壤鹽漬化通常出現在氣候干旱、土壤蒸發強度大、地下水位高且含有較多的可溶性鹽類的地區。鹽漬化是干旱、半干旱地區土壤的一個普遍特征，是一定的氣候、地形、水文地質等自然條件共同對水鹽運動產生影響的結果［3－4］。土壤鹽漬化主要分布于我國的西部干旱地區，是制約西部農業發展的主要障礙，也是影響綠洲生態穩定的重要因素。而新疆是典型的干旱區，土壤鹽漬化非常嚴重。近10a來，新疆水土開發和綠洲灌區建設取得了一定的進步，但是干旱的氣候、水資源不足和人類活動等條件使得土壤鹽漬化改良受到一定局限［5］。何祺勝等［6］對渭干河－庫車河三角洲綠洲鹽漬化成因進行了分析，認為干旱荒漠氣候、含鹽母巖和母質、活躍的地表水和地下水的補給是鹽漬土形成的動力，人文活動是形成灌區次生鹽漬化的重要條件；龔新梅［7］將傳統的野外定位調查數據和同時期TM遙感數據相結合，以阜康三工河流域為研究區域，進行土壤鹽漬化的遙感分級，分析了該區域的土壤鹽漬化的格局分布和動態變化的影響因子；宋長春等［8］在探討潛水埋深、礦化度、組成、徑流條件等對內陸鹽漬化土壤形成的影響基礎上，分析了潛水向上遷移速率與水位的關系，提出了潛水埋深及礦化度與土壤鹽漬化程度的定量指標。姚榮江等［9］采用通徑分析方法研究了黃河下游三角洲鹽漬區表層土壤（0—10cm）積鹽的影響因子及其強度的主次關系。塔西甫拉提等［10］研究干旱區地帶的兩個鹽漬化典型區域——阿克蘇地區的庫車縣、新和縣與沙雅縣以及和田地區的于田縣為研究區進行了實證分析，通過研究發現，兩個同處于塔里木盆地周邊地區，由于水文、氣候、地形、人類活動等因素差異的存在，導致了鹽漬化情況的差異。張同娟等［11］對長江河口地區土壤鹽漬化影響因子做了土壤鹽分影響因子分析。以B.A.薩烏緬為代表的學者認為對于干旱地帶的大多數灌區來說，土壤次生鹽漬化的形成和發展是由于不合理的灌溉，用水不當，抬高了地下水位，加之強烈的蒸發引起了土壤鹽漬化［12］。Barrow等［13］在研究地下水與鹽漬化過程的關系時，表明當地下水位上升到地表以下1.5～2.5m范圍時，水分的蒸發蒸騰量加大，導致鹽分的上行累積。從國內外研究現狀來看，已有多位學者對新疆的土壤鹽漬化特點、類型劃分、預報、成因及治理模式進行過大量的試驗研究和調查［14－20］。由于土壤鹽漬化發生的復雜性，現階段土壤鹽漬化成因研究主要偏重于自然因素的研究［21］。然而，對土壤鹽漬化的自然和人文因素共同作用仍缺乏足夠的研究。

分析區域土壤鹽漬化發生的自然條件和主導的環境要素是理解土壤鹽漬化過程的基礎，對于更好地預防和治理土壤鹽漬化具有十分重要的作用［22－23］。研究各種因素影響下土壤鹽漬化發生和演變的規律，認識土壤鹽漬化過程和各種因素的相互關系，是防治土壤鹽漬化的基本環節。我國地域遼闊，自然條件復雜，只有查明不同條件下土壤鹽漬化的原因，進行針對性的治理，才能達到有效防治土壤鹽漬化的目的，同時也減少經濟支出［24］。雖然，國內許多學者較為詳細地介紹和研究了鹽漬化的形成和發展，但是由于各地的自然條件，如氣候、地形地貌、水文地質、成土母質和社會經濟等的明顯差異，對鹽漬化土壤的形成、發展和改良利用途徑產生不同的影響。因此，通過采用空間分析和灰色關聯度分析法，對研究區土壤鹽漬化影響因子進行研究，可以掌握影響因子對于鹽漬化程度和變化的影響，為制定綜合治理鹽漬化措施與合理利用土地提供理論依據。

1 研究區概況

開都河下游灌區位于新疆焉耆盆地，行政區域上包括和靜縣、焉耆縣、博湖縣及新疆生產建設兵團農二師22團、23團、24團、25團、27團和223團，地理位置為85°42′—88°00′E，41°35′—42°30′N。開都河是唯一能常年補給博斯騰湖的最大一條河流，其下游段（大山口水電站到博斯騰湖入湖口），河流長度為171km。下游灌區的地面海拔高度一般為1 050～1 200m，地勢西北高東南低。研究區屬南北疆過渡的大陸荒漠性氣候，氣候特征表現為熱量充足，日照時數長，降水稀少，蒸發強烈，年平均氣溫8.0～8.6℃，≥10℃的積溫3 414.4～3 694.1℃，無霜期176～200d；年平均降水量50.7～79.9mm，蒸發量為2 000.5～2 449.7mm；土壤類型主要有棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕潮土、鹽土、風沙土等；區內地下水資源較為豐富，地下水可開采量為9.05億m3／a，地下水位多為1.0～2.0m［25］。地下水化學特征具有較強的地帶性分異規律，山前沖積—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為重碳酸—硫酸鹽型，濱湖地區則為硫酸鹽—氯化物型；在河流水網密集的區域，潛水受地表水的淡化作用明顯，地下水化學組成復雜［26］。

2 數據來源與方法

以遙感影像（2010年9月）、2010年水系分布圖及2010年9月土壤鹽分數據（按0—10cm，10—30 cm和30—50cm層取荒地，鹽漬地、耕地和林地4種土地利用類型，63個采樣點，共189個樣品）為數據源，通過ArcGIS 9.2來獲取空間因子，結合實驗數據采用灰色關聯度法對研究區土壤鹽漬化影響因子的影響力大小進行分析。

3 結果與分析

3.1 影響因子選取依據

土壤鹽漬化的發生與發展與諸多因素有關，其中地下水特征、氣候條件等自然條件是重要影響因子［27］。地形是影響土壤鹽漬化的重要因子，地形能造成所謂的“干排鹽”。土壤鹽漬化與地下水位、地下水含鹽量關系密切，地下水埋藏愈淺，蒸發愈強烈，土壤積鹽愈快，地下水含鹽量越高，土壤積鹽愈重。是干旱區土壤鹽漬化分異的基礎［28］，因此選高程、地下水埋深和地下水礦化度作為自然影響因子。

水體是發生土壤鹽漬化的重要基礎，也是保持干旱區生態平衡的重要因子，因此最近湖岸距離是影響土壤鹽漬化時空演變影響因素的人為因素；最近灌水渠距離、最近排水渠距離代表人類土地管理因子的元素，也是影響土壤鹽漬化時空演變影響因素的人為因素；通過排水渠和灌水渠線劃圖和遙感分類圖疊加，可知離灌水渠和排水渠越近，土壤鹽漬化程度一般越小；因此選取最近湖岸距離、最近灌水渠距離、最近排水渠距離作為人文影響因子。

3.2 空間因子提取方法

利用地理信息系統（GIS）的空間分析功能，得到土壤鹽漬化影響因子空間分析所需的各種空間變量。各類因子均在ArcGIS 9.0支持下提取。其中，距離湖岸、灌渠和排渠的遠近等人文因素，根據ALOS影像（2010年9月）提取湖岸線、參考研究區已有的水系分布圖中提取灌水渠和排水渠圖層，在ArcGIS 9.2的spatial analyst模塊中按照點與線之間的最短距離來生成；地下水埋深和地下水礦化度采用克里格空間插值法來獲取；采樣點的高程根據GoodyGIS和ArcGIS空間分析來提取。

圖1 2010年地下水埋深、地下水礦化度空間插值分布

根據以上分析，共提取6種鹽漬化影響因子，即最近湖岸距離（X1）、最近灌渠距離（X2）、最近排渠距離（X3）、高程（X4），地下水埋深（X5）和地下水礦化度（X6），土樣深度含鹽量（X0）分別為0—10cm，10—30cm，30—50cm的土壤含鹽量。其中X2，X3為最近灌溉水渠距離、最近排水渠距離代表人類土地管理因子的元素，也是影響土壤鹽漬化時空演變的影響因素之一的人為因素。

通過野外調研的采樣點和空間插值分布圖的疊加（圖1）可知，地下水埋深越淺，毛細作用越強烈，采樣點土壤含鹽量越高；地下水礦化度越大，土壤含鹽量越高。通過采樣點和排灌區矢量化圖疊加，離灌水區、排水渠越近，土壤含鹽量越低。表明灌溉作為人為因子，降低土壤中的鹽分含量，控制土壤鹽漬化的作用。

3.3 空間影響因子的關聯度計算

在現有研究成果和實地調查數據基礎上進行土地鹽漬化時空演變中各類影響因子的選取。應用灰色關聯分析方法對6種影響因子在研究區土壤鹽漬化時空演變的影響力進行定量分析。

（1）原始數據變換。評價指標無量綱化，即由于系統中各因素的量綱（或單位）不一定相同，對原始數據需要消除量綱（或單位），轉換為可比較的數據序列［29－30］。由于各子序列對母序列的作用不一，對于正向指標：yi＝xi／x0，逆向指標：yi＝1－xi／x0，其中，xi為子序列的實際值，x0為子序列的最大值。本文采用的是均值化變換：先分別求出轉換后的各個序列的平均值，再用平均值去除對應序列中的各個原始數據，所得到的新的數據列，即為均值化序列。

（2）計算關聯系數。經數據變換的母數列記為X0，子數列記為Xi，則母序列X0與子序列Xi的關聯系數可由下式計算：

式中：k＝1，2，3，…，N；i＝1，2，…，5；ξi（k）——數據序列xi與x0在位置k處（即某時刻發生變化或未發生變化的位置）的關聯系數。這里的minimink│x0（k）－xi（k）│為數據序列某個xi與x0全部5XN個絕對差中的最小值，用小中取小的方法得到。類似地，maximaxk│x0（k）－xi（k）│為數據序列某個xi與x0全部7XN個絕對差中的最大值，用大中取大的方法得到。ρ為分辨系數（ρ∈［0，1］），用來制約 maximaxk│x0（k）－xi（k）│的值，以免過大而失真，提高關聯系數之間的差異顯著性，這里取ρ值為0.5［20］。

（3）關聯度計算。關聯度的分析實質上是對時間序列數據進行幾何關系比較，兩序列的關聯度以兩個比較序列各個時期的關聯系數之平均值計算。

式中：Ri——子序列i與目序列0的關聯度；N——比較序列的長度（即數據個數）。

3.4 關聯度排序

將6種影響因子對土壤含鹽量的關聯度進行排序，得出各因子在不同土壤層下的關聯序（表1）。

表1 影響因子的關聯度

從表1可知，0—10cm層各因子在不同土壤層下的關聯序：地下水埋深＞最近排水渠距離＞高程＞最近灌溉水渠距離＞最近湖岸距離＞地下水礦化度；10—30cm層各因子在不同土壤層下的關聯序：地下水埋深＞最近湖岸距離＞最近排水渠距離 ＞高程＞最近灌溉水渠距離＞地下水礦化度；30—50cm層各因子在不同土壤層下的關聯序：最近灌水渠距離＞地下水埋深＞最近排水渠距離＞地下水礦化度＞最近湖岸距離＞高程。

3.5 關聯度分析

在灰色關聯分析中，因子的重要性以關聯度表示，關聯度越大，則表示因子越重。從圖2的關聯度排序中可知，6種影響因子對土壤含鹽量的關聯度隨土層深度的不同有明顯的變化。

圖2 不同土層下的因子關聯度

由圖2可知，0—10cm層各個影響因子的關聯度都達到了最高值，最近湖岸距離、最近灌水渠距離、最近排水渠距離、高程、地下水埋深和地下水礦化度在0—10cm層的關聯度較大，關聯系數均高于0.654 2，并排在關聯序的前列，關聯度大于10—30 cm和30—50cm。0—10cm土壤層是土壤鹽漬化最容易發生變化的土層，該土壤層下的關聯序反映了研究區土壤鹽漬化對各個影響因子的敏感程度。說明各個影響因子主要在0—10cm土層上對土壤鹽漬化變化產生最大影響，對研究區土壤鹽漬化演變起主導作用。其中，地下水埋深和最近排水渠距離影響上層土壤含鹽量最為顯著，是影響研究區土壤含鹽量最為活躍、最直接影響土壤鹽漬化的自然和人文因子。地下水埋深越淺，離排灌渠越近，土壤含鹽量越高，越容易發生土壤鹽漬化。這表明0—10cm層受人類活動干擾，農田的排水灌溉系統對降低土壤含鹽量起到了一定作用，離排灌渠的距離越近，土壤改善的效果越顯著。

各個影響因子的關聯度在每一土層下相差不大，說明各個影響因子對土壤鹽漬化變化的影響力相差小，各個影響因子共同作用于研究區的土地鹽漬化過程，研究區土地鹽漬化的治理困難較大，需要綜合考慮各個影響因子的作用。

10—30cm和30—50cm層各個因子與土壤含鹽量的關聯度不同，與0—10cm層，10—30cm層地下水埋深和最近湖岸距離關聯度最大，30—50cm層最近灌水區距離和地下水埋深關聯度最大。10—30 cm地下水埋深和最近湖岸距離為關鍵因子而30—50cm層最近灌水渠距離和地下水埋深為關鍵因子。相對于表層土壤來說，排灌系統對降低深層土壤含鹽量的效果略有下降，這主要是因為區域地下水普遍埋藏較淺，毛細作用強烈，深層土壤更易受地下水化學性質的影響。分析結果表明，地下水埋深、最近灌水渠距離、最近排水渠距離是控制土壤次生鹽漬化的關鍵因素。因此，發展有效的排水灌溉系統、保證灌溉水質是治理區域下層土壤次生鹽漬化有效的途徑。

總上所述，研究區近期土壤鹽漬化變化是人為因素與自然因素共同作用的結果，其中某些因素又是現階段可以控制的因素，尤其是人為因素。根據對多個影響因子的綜合分析，研究區在土地鹽漬化防治中重要的是要科學合理地控制人類活動，制定土地開發的合理規模，防止不合理的土地開發引起土壤鹽漬化加重的現象。首要考慮要加強地下水埋深的動態監測，保持合理的地下水埋深，其次，要確定合理的灌排比例和灌排措施，防止灌排不當引起的土壤次生鹽漬化現象的發生。

4 結論

開都河流域下游綠洲土壤鹽漬化變化是人為因素與自然因素共同作用的結果。不同土層土壤鹽漬化影響因子不同。土壤鹽漬化影響因子對土壤含鹽量的關聯度排序0—10cm層為地下水埋深＞最近排水渠距離＞高程＞最近灌溉水渠距離＞最近湖岸距離＞地下水礦化度，最高關聯度值為0.750 0；10—30 cm層為地下水埋深＞最近湖岸距離＞最近排水渠距離＞高程＞最近灌溉水渠距離＞地下水礦化度，最大關聯度值為0.586 7；30—50cm層為最近灌水渠距離＞地下水埋深＞最近排水渠距離＞地下水礦化度＞最近湖岸距離＞高程，最大關聯度值為0.624 0。地下水埋深是影響土壤鹽分含鹽量最為活躍、最為直接的因素。最近灌水渠距離、最近湖岸距離和最近排水渠距離是影響研究區土壤鹽漬化演變的次要因子。

［1］ 翁永玲，宮鵬.土壤鹽漬化遙感應用研究進展［J］.地理科學，2006，26（3）：369－375.

［2］ 陳小兵，楊勁松，胡順軍，等.焉耆盆地水資源開發與土壤次生鹽堿化防控研究［J］.土壤通報，2007，38（2）：233－237.

［3］ Sreenivas K，Venk ataratnam L，Narasim ha Rao P V.Dielectric properties of salt－affected soils［J］.International Journal of Remote Sensing，1995，16（4）：641－649.

［4］ 塔西甫拉提·特依拜，張飛，丁建麗，等.干旱區典型綠洲鹽漬化土壤空間信息研究［J］.干旱區地理，2007，30（4）：544－551.

［5］ 王秀妮，張榮群，周德，等.基于Markov鏈的土壤鹽漬化動態變化預測［J］.農業工程學報，2010，26（2）：202－206.

［6］ 何祺勝，塔西甫拉提·特依拜，丁建麗，等.塔里木盆地北緣鹽漬地遙感調查及成因分析：以渭干河—庫車河三角洲綠洲為例［J］.自然災害學報，2007，16（5）：24－29.

［7］ 龔新梅.綠洲鹽漬化的遙感監測及其環境因素影響分析：以三工河為例［D］.烏魯木齊：新疆大學，2004.

［8］ 宋長春，鄧偉.吉林西部地下水特征及其與土壤鹽漬化的關系［J］.地理科學，2000，20（3）：246－250.

［9］ 姚榮江，楊勁松，姜龍.黃河下游三角洲鹽漬區表層土壤積鹽影響因子及其強度分析［J］.土壤通報，2008，39（5）：1115－1119.

［10］ 塔西甫拉提·特依拜，張飛，丁建麗，等.干旱區典型綠洲鹽漬化土壤空間信息研究［J］.干旱區地理，2007，30（4）：544－551.

［11］ 張同娟，楊勁松，劉廣明，等.基于灰色關聯度法河口地區土壤鹽分影響因子分析［J］.土壤通報，2010，41（4）：793－796.

［12］ B.A.柯夫達.鹽堿土的發生與演變［M］.席承藩，譯.北京：科學出版社，1957.

［13］ Barrow D L.Study on the relation of groundwater and salinity pocess：Field verification of the threshold model approach［M］.Hilgardia，1991.

［14］ 張累德.新疆鹽堿土改良科學研究實踐三十年［J］.干旱區研究，1986，3（1）：1－6.

［15］ 樊自立.中國西北地區耕地土壤鹽漬化評估及發展趨勢預測［J］.干旱區地理，2002，25（2）：97－102.

［16］ 何祺勝，塔西甫拉提·特依拜，丁建麗，等.塔里木盆地北緣鹽漬地遙感調查及成因分析：以渭干河—庫車河三角洲綠洲為例［J］.自然災害學報，2007，16（5）：24－29.

［17］ 姚榮江，楊勁松，姜龍.黃河下游三角洲鹽漬區表層土壤積鹽影響因子及其強度分析［J］.土壤通報，2008，39（5）：1115－1119.

［18］ 胡順軍，艾尼瓦爾·吾買爾，田長彥，等.渭干河平原綠洲灌區合理灌排比探討［J］.水土保持學報，2001，15（1）：23－26.

［19］ 李鳳全，卞建民，張殿發.半干旱地區土壤鹽漬化預報研究：以吉林省西部洮兒河流域為例［J］.水土保持通報，2000，20（2）：1－4.

［20］ 李鳳全，吳樟榮.半干旱地區土地鹽漬化預警研究：以吉林省西部土地鹽漬化預警為例［J］.水土保持通報.2002，22（1）：57－59.

［21］ 史曉霞，李京，陳云浩，等.基于CA模型的土地鹽漬化時空演變模擬與預測［J］.農業工程學報，2007，23（1）：6－12.

［22］ 范曉梅，劉高煥，唐志鵬，等.黃河三角洲土壤鹽漬化影響因素分析［J］.水土保持學報，2010，24（1）：139－144.

［23］ 羅先香，鄧偉.松嫩平原西部土壤鹽漬化動態敏感性分析與預測［J］.水土保持學報，2000，14（3）：36－40.

［24］ 關元秀，劉高煥.區域土壤鹽漬化遙感監測研究綜述［J］.遙感技術與應用，2001，16（1）：40－44.

［25］ 李新國，李會志，王影，等.開都河下游灌區土壤鹽漬化研究［J］.水土保持研究，2010，17（6）：111－114.

［26］ 李新國，樊自立，李會志，等.開都河下游灌區土壤鹽漬化動態變化研究［J］.水土保持研究，2011，18（3）：64－67.

［27］ 石元春，李保國.區域水鹽運動監測預報［M］.石家莊：河北科學技術出版社，1991.

［28］ 楊詩秀，雷志棟，沈言俐，等.葉爾羌平原綠洲鹽均衡及旱排的初步分析［J］.灌溉排水，1999，18（1）：52－56.

［29］ 鄧聚龍.灰色系統理論教程［M］.武漢：華中理工大學出版社，1990.

［30］ 韓曉，何明，李金林，等.基于灰色關聯度的科研項目風險評價方法［J］.北京理工大學學報，2002，22（6）：778－781.