內蒙古河套灌區近30年鹽堿化時空演變及驅動因素分析

郭姝姝，阮本清，管孝艷，王少麗，李云鵬(中國水利水電科學研究院，北京 100048)

0 引 言

土地鹽堿化是在自然、人為因素及其綜合作用下鹽堿成分在土壤中超量富集而形成的土地退化現象[1,2]。隨著社會經濟的發展，資源短缺與生態環境惡化的矛盾日益突出，合理利用鹽堿地成為改良耕地質量與提升糧食產量的核心問題之一。鹽堿化動態監測和驅動因素分析是鹽堿地治理的重要前提。

隨著3S技術全面快速的發展，利用遙感進行灌區鹽堿地動態監測表現出獨特優勢。目前，遙感監測土壤鹽堿化主要包括直接監測法和間接監測法。直接監測法主要依據土壤的光譜特征進行鹽堿化信息提??；間接監測法主要是根據地表植被特征、土壤溫度、土壤含水量等鹽堿化間接指示因子來反演，但已有研究大多是根據植被狀況來反演[3,4]。Allbed等[5]基于IKONOS遙感影像，研究了Al Hassa綠洲鹽堿化，結果表明，利用紅光和近紅外波段構建的鹽度指數SI可以很好地監測研究區土壤鹽堿化空間分布。劉翠玲等[6]利用TM影像中鹽堿地的光譜特征，提取了敦煌綠洲鹽堿地分布區域，結果表明，利用TM遙感影像的3，5，6和7波段聯合提取鹽堿地信息的精確度最高。內蒙古河套灌區是我國重要的糧油生產基地，但由于氣象水文、地質條件、不合理灌溉等因素綜合影響，土壤鹽堿化問題一直制約著灌區發展。目前針對河套灌區土壤鹽堿化研究雖然很多[7]，但缺乏對近幾十年鹽堿化演變的長序列監測；而且對鹽堿化演變驅動因素分析多為定性描述。因此，本文在河套灌區近30年土壤鹽堿化演變動態監測分析的基礎上，利用多元逐步回歸法，對鹽堿化驅動因素進行分析，對于準確了解灌區鹽堿地演變規律和指導鹽堿地綜合治理有重要意義。

1 研究區概況

內蒙古河套灌區是中國最大的引黃河水自流灌區之一，也是我國重要的優質綠色農業產業基地和西北干旱半干旱地區最大的人工生態綠洲。灌區位于106°20′E～109°19′E，40°20′N～ 41°18′N之間，東西跨度約250 km，南北寬度達50 km，總土地面積為118.9萬hm2。該地區夏季高溫干旱、冬季嚴寒少雪，多年平均降水量僅有139～222 mm，而多年平均蒸發量高達1 999～2 346 mm，無霜期短、封凍期長，是典型的溫帶大陸性氣候。灌區引黃灌溉面積為57.4萬hm2，灌溉水含鹽量約0.5 g/L，由總干渠(180 km)由西向東通過各級干渠、分干渠供水，灌溉退水通過各級干溝、分干溝，匯入灌區總排干(220 km)，最后以烏梁素海作為排水承泄區，全灌區現有總干渠1條，干渠13條，總干溝1條，分干溝10條[8]。灌區水循環模式為灌溉(降水)-下滲-潛水蒸發類型[9]，同時，由于農業管理措施落后，灌溉方式還是以傳統的漫灌為主，灌區內引水灌溉系統年久失修，灌溉水滲漏嚴重，地下水埋深長期處于較淺水平，潛水大量蒸發，鹽分表聚現象明顯，礦化度增大，導致灌區土地鹽堿化問題突出。

2 數據源與方法

2.1 數據源與預處理

地物的光譜特征是地表各種因子共同作用的綜合結果[10]。季節變化引起地表覆蓋的變化會影響鹽堿地解譯精度，因此，最好選擇地表植被量和土壤含水量均較少的春季影像進行鹽堿化研究[2,11]。考慮到遙感影像的空間分辨率、數據質量及影像獲得的難易程度等因素，本研究選用Landsat TM/ETM衛星1987、1990、1993、2000、2006、2010和2014年春季影像，空間分辨率為30 m，7個波段包含了豐富的光譜信息。所采用的氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網。

利用ENVI遙感圖像處理軟件對河套灌區7期共28景TM/ETM影像進行大氣校正、幾何精校正、影像拼接、裁剪、圖像增強等預處理工作，生成研究區7期遙感影像圖，為土地利用分類提供數據準備。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用分類

利用遙感影像進行土地利用分類的方法主要有監督分類和非監督分類。非監督分類只是依據圖像上不同類型地物的反射光譜特征進行地類劃分，容易產生“同物異譜、異物同譜”現象，而監督分類根據野外調查獲得的地物先驗知識建立訓練樣本，可以提高分類精度，獲得更滿意的分類結果[12,13]。所以本研究選用監督分類法。

在遙感影像解譯之前，首先對河套灌區進行實地考察，了解研究區土地利用現狀，獲取地物樣本及分類精度評價驗證區。根據影像特征及土地利用類型的調查研究，通過人機交互式目視解譯，建立典型地物解譯標志，最終將灌區土地利用劃分為耕地、草地、水域、沙丘、鹽堿地、沼澤地、居民地及其他建設用地7類。分類器采用最大似然法，它在遙感影像分類研究中應用范圍最廣，分類效果和適應性均優于其他分類器[14]。分類原理是假設每一個波段的每一類統計都呈正態分布，計算給定像元屬于某一訓練樣本的似然度，像元最終被歸并到似然度最大的一類當中[12]。

對遙感影像分類結果進行精度評價采用誤差矩陣法，各行記錄了地表檢驗信息，數值等于地面真實像元在影像分類結果中屬于相應類型的個數，而各列記錄著遙感影像的分類結果，數值為遙感影像分類結果中像元在地面真實像元相應類型中的個數[10]。對初步分類結果進行更改分類顏色、Majority/Minority分析、聚類處理、過濾處理、分類疊加、分類結果轉矢量等操作，得到最終結果。

2.2.2鹽堿化驅動因素分析

在SPSS軟件環境下，將研究區近30年的氣象、水文、灌溉排水等數據序列與鹽堿地面積序列進行相關分析，確定與鹽堿地相關性較高的因素后，以這些因素序列為自變量，以鹽堿地面積序列為因變量構建回歸模型?？紤]到多個自變量之間可能存在著多重共線性問題，因此，本文在建模時采用多元逐步回歸分析法。多元逐步回歸法根據相關系數定義各自變量對因變量的貢獻系數，據貢獻系數大小自動從大量可供選擇的變量中引入貢獻最大的變量，同時剔除貢獻最小的變量。確定變量后，根據變量的相關系數矩陣、協方差和平均值計算模型斜率和截距，據以建立回歸分析的預測或解釋模型[15]。

3 結果分析

3.1 河套灌區鹽堿化時空演變

基于ArcGIS 10.1空間數據可視化表達功能，將河套灌區不同時期土地利用分類圖制作成土地利用動態變化系列專題圖(圖1)，經統計和匯總得到不同時期各土地利用類型面積，為了直觀比較，生成了鹽堿地面積變化曲線(圖2)。

利用野外考察獲取的精度評價檢驗區對分類結果進行精度評價，生成誤差矩陣。結果顯示，2014年影像總體分類精度為82.68%，其中鹽堿地分類精度為85.79%，漏分誤差為12.37%，錯分誤差為5.13%。分類結果較滿意。由于以前的實地調查數據已無法獲取，而整個序列采用的分類方法相同，所以精度評價結果對其他影像分類精度也具有參考價值[16]。

根據圖1和圖2分析，1987-2014年期間，河套灌區鹽堿地時空演變主要表現為以下特點：

(1)從時間變化來看，近30年來河套灌區鹽堿地面積經歷了萎縮-緩慢擴張-萎縮3個階段，但總體呈現縮減趨勢。1987-1993年間，灌區鹽堿地面積大幅縮小，以中東部鹽堿地面積減小幅度最大；1993-2006年間，鹽堿地面積緩慢增加，2006年達到峰值1 377.78 km2，但并未增至1987年的鹽堿化水平；2006年后，鹽堿化再次進入縮減階段，至2014年降至歷年最低值。這主要與灌區灌排系統的完善有關，到20世紀90年代，灌區疏通了總排干溝，開通了烏梁素海至黃河的排水出路，形成了比較完善的灌排配套工程體系，整個灌區進入有灌有排階段，在灌區引水量變化不大情況下，排水排鹽量增加，鹽堿地面積總體呈現減小趨勢。

圖1 河套灌區不同時期土地利用分類

圖2 河套灌區不同時期鹽堿地面積變化

(2)從空間演變來看，1987-2006年，灌區鹽堿地空間分布集中程度大，在灌區西南部-中部大部-東北部形成鹽堿地分布集中帶，且集中帶經歷了從萎縮到逐步擴張的過程。這主要與地形因素有關，河套灌區地勢較平坦，高程起伏不大，局部微地形控制著土壤中鹽分運移方向和分布規律，鹽堿地集中帶地勢略低，因此成為鹽分匯集區。2006年以后，大片鹽堿地呈現碎片化趨勢，空間集中程度降低，鹽堿地零散分布于灌區內。一方面是由于2006年以后灌區地下水位持續下降、排灌比波動上升、引退鹽比波動下降，這些氣象水文、灌溉等方面較明顯的變化緩解了灌區鹽堿化現象；二是隨著社會經濟發展，灌區內部分鹽堿地向耕地和建設用地轉化，在這些因素綜合作用下，灌區鹽堿化明顯改善。

3.2 河套灌區鹽堿地分布重心變化

由鹽堿化空間演變可知，鹽堿地呈片狀或斑塊狀分布于研究區內，分析鹽堿地分布重心遷移有助于深化鹽堿地空間分布規律?；贏rcGIS空間分析功能，根據鹽堿地空間分布，自西向東將灌區分為5個區(圖3)：西部(Ⅰ區)、中西部(Ⅱ區)、中部(Ⅲ區)、中東部(Ⅳ區)及東部(Ⅴ區)。

圖3 河套灌區分區圖

每塊鹽堿地對應有面積、經緯度等屬性，在分區基礎上，以面積為權重，分別計算河套灌區主體區域(西部、中西部、中部和中東部)鹽堿地分布的重心位置，方法如下[17]：

X=∑ni=1xiMi/∑ni=1Mi

(1)

Y=∑ni=1yiMi/∑ni=1Mi

(2)

式中：X，Y分別表示分區鹽堿地面積分布重心的經度和緯度；xi，yi分別表示分區內第i個鹽堿化斑塊中心的經度和緯度；Mi表示分區內第i個鹽堿化斑塊的面積。

河套灌區近30年鹽堿地重心遷移軌跡很好地反映了灌區鹽堿化的空間演變過程(圖4)。灌區自西向東，鹽堿地分布重心逐漸向北集中。鹽堿化分布重心受地勢、地下水埋深影響規律較明顯，灌區總的地勢自西南向東北微傾[18]，地下水埋深由灌區西南向東逐漸遞減[19]，在地勢低洼、地下水埋深較淺的地區，地表和地下水分蒸發相對較強烈，水分容易散失，鹽分易在地表積聚，形成鹽堿化分布重心。1990-2006年間，灌區西部和中西部鹽堿地重心持續向南移動，而中部和中東部向北遷移；2010-2014年間，灌區西部鹽堿地重心向南移動，而其他區域重心向北遷移。2006-2010年間灌區鹽堿地重心走勢發生了突變，原因在于灌區西南部、中北部和東北部鹽堿地2006年開始急劇萎縮，而其他地區變化相對穩定，導致鹽堿化分布重心在空間上產生突變。

圖4 不同時期河套灌區鹽堿地分布重心變化

3.3 灌區鹽堿化驅動因素分析

分別將1987-2014年氣象、水文、灌溉等多個因素序列與鹽堿地面積序列進行相關分析，得到各因素與鹽堿地面積的皮爾遜(Pearson)相關系數(表1)。

表1 鹽堿地面積-影響因素皮爾遜(Pearson)相關系數

由表1可以看出，大部分因素與鹽堿地變化有一定的相關性(通過了0.05可信度檢驗)。根據相關系數大小，計算各自變量對因變量的貢獻系數，以貢獻系數作為變量引入-剔除的依據，經過3輪計算建立模型如下：

Y=2 877.08-70.75X1-752.28X2+0.20X3

(3)

式中：Y為鹽堿地面積，km2；X1為排灌比，%；X2為平均地下水埋深，m；X3為蒸發量，mm；模型決定系數R2為0.95。

通過多元逐步回歸分析可知，研究區鹽堿化的主要驅動因素為排灌比、平均地下水埋深和蒸發量。在灌溉排水影響下，灌區地下水埋深較淺，鹽分易隨地下水運動向地表聚積，加之蒸發強烈，水中鹽分在地表積累形成灌區鹽堿化現象。因此，河套灌區鹽堿化是自然和人類活動共同作用的結果，其中灌溉和排水起主導作用。

綜上分析，自1987年以來，在氣候變化背景下，隨著研究區灌排系統的日漸完善，灌區排水排鹽量增加，地下水位普遍下降，雖然鹽堿化問題仍然突出，但灌區土壤鹽堿化得到初步控制，受鹽堿化侵蝕的土地呈現萎縮趨勢。

4 結 論

(1)河套灌區近30年來鹽堿地總體呈現萎縮趨勢。1987-1993年期間，灌區鹽堿地面積大幅縮小，以中東部減小幅度最大；1993-2006年間，鹽堿地面積緩慢增加，但并未增至1987年的鹽堿化水平；2006-2014年間，鹽堿化再次進入縮減階段，至2014年降至歷年最低值。從空間演變來看，1987-2006年間，灌區鹽堿地空間分布集中程度大，在灌區西南部-中部大部-東北部形成鹽堿地分布集中帶，且集中帶經歷了萎縮到逐步擴張的過程；2006年以后，大片鹽堿地呈現碎片化趨勢，集中程度降低，零散分布于研究區內。

(2)從鹽堿化分布重心看，灌區自西向東，鹽堿地分布重心逐漸向北集中。1990-2006年間，灌區西部和中西部鹽堿地重心持續南移，而中部和中東部向北遷移；2010-2014年間，灌區西部鹽堿地重心向南移動，而其他區域重心線北移。多元逐步回歸分析表明，河套灌區鹽堿化的主要驅動因素為排灌比、平均地下水埋深和蒸發量。

□

[1] 高志海，魏懷東，丁 峰. TM 影像荒漠化解譯與成圖技術研究[J].遙感技術與應用，2002， 17(6)：293- 298.

[2] 亢 慶，于 嶸，張增祥，等. 土地鹽堿化遙感應用研究進展[J].遙感技術與應用，2005，20(4)：447- 454.

[3] 黃恩興. 土壤鹽漬化遙感應用研究進展[J].安徽農業科學，2010，38(13)：6 849-6 850，6 931.

[4] 張婷婷. 黃河三角洲土地鹽漬化格局的遙感監測及鹽漬化過程的空間分析與評價[D].上海：復旦大學，2011.

[5] AmalAllbed, Lalit Kumar and Priyakant Sinha. Mapping and Modelling Spatial Variation in Soil Salinityin the Al Hassa Oasis Based on Remote Sensing Indicatorsand Regression Techniques[J].Remote Sens. 2014,(6):1 137-1 157.

[6] 劉翠玲，許亞平. 基于TM 數據的敦煌綠洲土壤鹽堿化信息提取研究[J].首都師范大學學報，2013，34(3)：68-76.

[7] Jingwei Wu, Bernard Vincent, Jinzhong Yang, et al.Remote Sensing Monitoring of Changes in Soil Salinity: A CaseStudy in Inner Mongolia, China[J].Sensors, 2008,(8):7 035-7 049.

[8] 河套水利信息網[EB/OL].http:∥www.htgq.gov.cn/.

[9] 郝芳華，歐陽威，岳 勇，等．內蒙古農業灌區水循環特征及對土壤水運移影響的分析[J]. 環境科學學報，2008,(5):825-831.

[10] 高鴻永，伍靖偉. 地下水位對灌區生態環境的影響[J].干旱區資源與環境，2008，22(4)：134- 137.

[11] 趙英時. 遙感應用分析原理與方法[M].北京：科學出版社，2006.

[12] 鄧書斌.ENVI遙感圖像處理方法[M].北京：科學出版社，2010.

[13] 郝振純，宗 博.黑河上游土地利用與覆被變化特征[J].中國農村水利水電，2013,(10):115-118.

[14] 陳紹杰，單丹丹，趙衛常.土地覆蓋遙感分類方法的比較與分析[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2010，29(4)：567-570．

[15] 陳彥光. 地理數學方法及其應用[M].北京：北京大學城市與環境學院，2008.

[16] 安永清，高鴻永，屈永華，等. 基于多時相遙感反射光譜特征的土壤鹽堿化動態變化監測研究[J].中國農村水利水電，2009,(11)：1-4，8.

[17] 張興榆，黃賢金，趙云泰，等. 近十年江蘇省土地利用重心與經濟中心遷移軌跡對比分析[J].長江流域資源與環境，2011，20(1)：14-20.

[18] 李 剛. 內蒙古河套灌區節水對烏梁素海的影響研究[D]. 北京：中國農業科學院，2007.

[19] 杜 軍，楊培嶺，李云開，等. 河套灌區年內地下水埋深與礦化度的時空變化[J]. 農業工程學報，2010，26(7)：26-31.