1985-2014年新疆瑪納斯灌區土壤鹽漬化時空變化及成因

李 夏, 喬 木, 周生斌

(1.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 新疆 烏魯木齊 830011; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

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1985-2014年新疆瑪納斯灌區土壤鹽漬化時空變化及成因

李 夏1,2, 喬 木1, 周生斌1

(1.中國科學院 新疆生態與地理研究所, 新疆 烏魯木齊 830011; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

摘要：[目的] 分析瑪納斯灌區進行鹽堿地空間分布格局,清楚認識當地鹽堿地類型和時空變化規律,找出因地制宜的鹽堿地改良措施。[方法] 以1985年瑪納斯灌區土壤普查數據,1998年Landsat TM,2006和2014年CBERS(China-Brazil earth resource satellite)影像為數據源,運用RS和GIS技術提取研究區4個時期土壤鹽漬化信息,利用土地轉移矩陣和鹽漬化動態度模型分析30 a來瑪納斯灌區土壤鹽漬化時空動態變化,并探討灌區鹽漬化的驅動因素。[結果] (1) 1985—2014年,鹽漬化土地總面積增加,從1985年的4.27×104 hm2增加到2014年的7.90×104 hm2。 (2) 灌區土壤鹽漬化主要分布在灌區內部,呈塊狀分布。[結論] 自然因素是土壤鹽漬化形成與變化的內因,人為影響則是促進土壤鹽漬化尤其是綠洲次生鹽漬化發展的驅動因素之一。

關鍵詞：瑪納斯灌區; 時空變化; 土壤鹽漬化

文獻參數： 李夏, 喬木, 周生斌.1985—2014年新疆瑪納斯灌區土壤鹽漬化時空變化及成因[J].水土保持通報，2016,36(3)：152-158.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.028

土壤鹽漬化現象通常發生在氣候干旱、水分蒸發強度大、地下水位高且含有較多可溶性鹽類的干旱、半干旱地區，目前已成為世界性的資源和生態問題，而新疆是世界的鹽堿土博物館，鹽漬化種類繁多，土壤退化及鹽堿化現象突出，嚴重威脅到新疆農業生產安全[1-5]。據統計，新疆鹽漬化總面積達8.48×106hm2，現有耕地中31.1%的面積受到鹽漬化的危害[6]。近年來由于溫度的持續升高，進一步加劇了干旱區土壤的鹽漬化狀況。同時，由于在農業發展過程中存在排水系統不健全，土地不平整，灌水技術粗放等問題，導致土地次生鹽漬化面積不斷擴大，良田被迫棄耕，嚴重制約了新疆農業的可持續發展[7-8]。因此，及時地監測土壤鹽漬化的現狀和掌握其時空變化規律是治理鹽漬化和防治其進一步惡化的必要前提。

目前，已有多位學者對干旱區土壤鹽漬化進行研究，如呂真真等[9]應用相關分析和主成分分析方法分析了瑪納斯河流域各鹽基離子之間及與土壤鹽分含量的相關關系和該區土壤鹽漬化主要的特征因子；李娜等[10]利用便攜式光譜儀測量土壤光譜反射率，結合土壤鹽分因子數據進行統計分析，探討瑪納斯河流域土壤鹽漬化現狀特征及其與土壤光譜之間的關系；李宏等[11]對新疆塔里木河流域進行土地鹽漬化專題信息提取，建立該地區土地鹽漬化分類系統，提高土地鹽漬化分類精度，對于建立生態環境監測系統有非常實用的價值。然而大部分土壤鹽漬化研究都是基于流域尺度，對構成流域的灌區土壤鹽漬化時空變化以及成因仍缺乏足夠的研究。因此，本文選取具有代表性的瑪納斯灌區，運用遙感和GIS技術以及統計學方法，擬通過4期遙感數據，分析瑪納斯縣近30 a來土壤鹽漬化在時間和空間尺度上的變化規律，并探討研究區土壤鹽漬化的驅動力因素，以期為該區土地資源可持續利用以及生態環境的管理和決策提供科學依據。

1研究區概況

瑪納斯縣地處天山北麓、準噶爾盆地南緣，介于東經85°34′—86°43′，北緯43°28′—45°38′。瑪納斯河和塔西河是瑪納斯縣主要的2大河系，其中，瑪納斯河全長324 km，年徑流量1.26×109m3，流域面積10 744 km2。該區域年平均降雨量為197 mm，降水年內分布主要集中在春、夏兩季，占到全年降水的70%左右，區域蒸發量為1 600 mm左右，年均氣溫7.2 ℃，光熱條件豐富，屬于典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候[12]。地勢自東南向西北緩緩傾斜，地貌可分為3大類型：南部為天山山區和丘陵地，是優良的夏牧場；中部為沖積平原區，是該縣主要產糧區；北部為沙漠區，是古爾班通古特沙漠的一部分，境內的山脈屬天山依連哈比爾尕山中段。土壤主要由灌淤土、潮土、二潮灰潮土、硫酸鹽化潮土、硫鹽化草甸鹽土組成，土壤鹽漬化危害比嚴重，成為阻礙該灌區農業的可持續發展主要因素。

瑪納斯灌區地處瑪納斯河流域(簡稱瑪河)的東南部。瑪河是新疆水資源利用率較高的灌區，也是中國第4大灌溉農業區[13]。瑪納斯灌區氣候干旱，旱季土壤在蒸發作用下積鹽，雨季聚集在表層的土壤脫鹽，因此區域地下水主要依靠蒸發維持平衡，使土壤常處于積鹽狀態[14]。不合理的灌溉方式又加劇了土壤次生鹽漬化程度，嚴重阻礙了綠洲農業的健康可持續發展。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源

本文的研究數據為1985年瑪納斯灌區土壤普查圖(1∶100 000)，1998年Landsat TM遙感影像(分辨率30 m，軌道號144/30)，2006和2014年中巴資源衛星CBERS遙感影像(CBERS-02，分辨率19.5 m)為主要信息源，輔以研究區地貌、土地利用圖、歷年氣溫、降水量分析和探討瑪納斯灌區土壤鹽漬化時空變化及成因。

不同時期、不同來源的3期遙感數據在鹽漬化信息提取前，均進行了預處理，包括假彩色合成、幾何校正和重采樣等，以便增強衛星影像的可識別性。

2.2基于土壤普查圖的鹽漬化信息提取

利用ArcGIS 10.0將1985年的瑪納斯流域土壤圖件進行矢量化處理，完成圖層的數字化，然后對各類土壤的鹽漬化類型進行分類賦值，即提取出灌區內外鹽漬化土壤和非鹽漬化土壤圖斑并合并，刪除其他無關的土壤類型，提取生成1985年瑪納斯灌區土壤鹽漬化數據。

2.3基于遙感影像的鹽堿地信息提取

按照新疆第二次土壤普查耕地土壤鹽漬化鹽分含量劃分指標[14]，依據0—30 cm土層厚度土壤鹽分含量，劃分為：輕、中、重鹽漬化3個等級的鹽漬化程度。

本文借助于RS/GIS軟件，結合野外實地調查、鹽堿地影像特征，劃分出輕，中和非鹽漬化土壤3個等級，并進一步基于前人研究和專家知識庫建立相應的解譯標志(表1)。通過人機交互，對遙感影像進行解譯、數字化，然后建立拓撲關系，并利用多次野外實地調查和與當地農民訪談數據，驗證核實分類結果，反復對結果進行校正，分類精度可達85%以上，該過程前人已做了大量工作，李義玲的文章有詳細闡述[15]，最終生成1985,1998,2006和2014年瑪納斯灌區土壤鹽漬化數據(附圖8)。

表1　瑪納斯灌區土壤鹽漬化分類及遙感影像解譯標志

3土壤鹽漬化時空變化分析

3.1土壤鹽漬化數量的時序分析

根據4期遙感影像提取出的土壤鹽漬化屬性數據，統計出不同年份土壤鹽漬化的面積(表2)，并制作不同年份的土壤鹽漬化面積直方圖和變化圖(圖1—3)。

采用動態度SSDI來描述研究區不同時期不同鹽漬化類型面積的變化速率Rt(表3)，通過分析土壤鹽漬化類型的總量的變化，可了解鹽漬化的總態勢和變化程度,其公式表示如下[16]：

式中：Ua，Ub——研究初期、末期某鹽漬化類型的面積； T——研究時段長; 當T為年時，Rt為研究時段內某鹽漬化類型的年變化率。Rt>0時表示鹽漬化土地面積減少，Rt<0時表示土壤鹽漬化面積增加。

據表2—3,結合圖1—2可知，近30a來瑪納斯灌區土壤鹽漬化面積發生了明顯的變化，鹽漬化程度總體上減弱，各類鹽漬化類型在不同時間段表現出不同的變化速率。總趨勢是：隨著耕地面積的擴大，鹽漬化土地面積相應增加；灌區鹽土面積不斷減少，且減少較快，中度鹽漬化耕地與其他土壤類型面積有所減少；非鹽漬化耕地與輕度鹽漬化耕地面積明顯增加。

在1985—2014年內，灌區鹽土面積的變化最為明顯，其次為非鹽漬化耕地，再者是輕度鹽漬化與中度鹽漬化耕地。鹽土面積呈持續減少趨勢，近30a共減少了9.45×104hm2，1998—2006年減少速度較快，Rt高達13；中度鹽漬化耕地面積呈現先減少后增加再減少趨勢，近30a共減少1.32×104hm2，1985—1998年減少1.65×104hm2，1998—2006年增加速度較快，Rt為-8.80，2006—2014年減少1.60×104hm2，Rt達17.37；輕度鹽漬化耕地面積呈先增加后減少變化，1985—2006年呈增加變化，面積增加7.14×104hm2，2006—2014年面積減少2.19×104hm2，Rt為4.06；非鹽漬化耕地面積呈不斷增加變化，1985—2014年共增加7.3×104hm2。

表2　瑪納斯灌區不同年份鹽漬化面積統計

表3　瑪納斯灌區鹽漬化動態度分段統計　%

圖1　不同年份土壤鹽漬化耕地面積

注：1.非鹽漬化耕地; 2.輕度鹽漬化耕地; 3.中度鹽漬化耕地; 4.灌區鹽土; 5.湖泊、水庫; 6.城鎮; 7.其他土壤類型。

圖2近30 a瑪納斯灌區土壤鹽漬化面積增減情況

3.2土壤鹽漬化轉移矩陣分析

轉移矩陣可以深刻而全面的刻畫研究區土壤鹽漬化變化的特征、結構與各土壤鹽漬化類型變化的方向。本文根據上述分類結果，利用ArcGIS 10.0的intersect功能和Excel軟件的數理統計功能，將1985，1989，2006，2014年的土地利用分類圖進行疊加和統計，分別獲得1985—1998，1998—2006，2006—2014年的土壤鹽漬化轉移矩陣數據(表4—6)。

對轉移矩陣分析發現，研究區30 a間土壤鹽漬化等級之間轉換復雜，耕地(非鹽漬化耕地、鹽漬化耕地)與灌區鹽土兩種類型轉移量較大。1985—1998年，鹽土轉化為非鹽漬化耕地與輕度鹽漬化耕地是主要的轉換方式，轉換面積分別為3.25×104hm2，2.92×104hm2，究其原因為隨著人口和經濟的發展，人們對耕地的需求強烈增加，開墾的土地面積較大；中度鹽漬化耕地轉化為輕度鹽漬化耕地面積達1.05×104hm2，說明納斯灌區加大力度進行鹽堿地改良，采用大水漫灌的方式迅速洗鹽，鹽隨水走，通過排水溝排出灌區，洗鹽效果明顯。1998—2006年，輕度鹽漬化耕地轉為非鹽漬化耕地面積為1.79×104hm2，表明該區隨著灌溉措施的健全，鹽堿地改良效果明顯；鹽土是輕度鹽漬化耕地與中度鹽漬化耕地轉入面積的主要部分，轉入面積分別為3.36×104，1.96×104hm2，暗示了該地區在鹽土、鹽化土上開墾的耕地較多，耕地鹽漬化程度有所增加。2006—2014年，輕度鹽漬化耕地轉為非鹽漬化耕地成為主要的轉移方式，轉換面積為2.61×104hm2；有100 hm2的中度鹽漬化耕地向輕度鹽漬化耕地轉移，與2006年相比，轉入速度明顯降低，先進的滴灌技術具有顯著的壓鹽作用，但它不是把土壤層的鹽堿排除掉，而是遷移到土壤深處，來年深翻土地的時候深處的鹽分又會重新翻到地表，排鹽效果緩慢；3 600 hm2，1.54×104hm2的鹽土分別向非鹽漬化耕地和輕度鹽漬化耕地轉移，開墾耕地面積減少。

表4　瑪納斯灌區1985-1998年鹽漬化土壤面積轉移矩陣　103 hm2

表5　瑪納斯灌區1998-2006年鹽漬化土壤面積轉移矩陣　103 hm2

3.3土壤鹽漬化空間變化

瑪納斯灌區土壤鹽漬化的空間分布具有明顯的空間差異性(附圖8)。各類鹽漬化耕地主要分布在灌區內部。1985年灌區中部和南部鹽土呈聚集分布，灌區外圍靠近沙漠邊緣也有細條條狀分布，輕度鹽漬化耕地呈零星片狀分布。與1985年相比，1998年輕鹽漬化耕地面積在灌區內部有所擴大，中部尤為明顯，2006和2014年輕度鹽漬化耕地均呈片狀分布，且2006年輕度鹽漬化耕地空間分布明顯增多。1985年中度鹽漬化耕地在灌區西部呈帶狀分布，1998年中度鹽漬化耕地呈條狀分布，與1985年相比，1998年中度鹽漬化耕地空間分布表現在灌區內部明顯減少，2006年則在灌區西北部呈片狀分布，耕地面積明顯增加，2014年空間分布變化較少。

3.4土壤鹽漬化驅動力分析

土壤鹽漬化是脆弱的生態環境和強烈的人類活動共同作用下的一種土地退化方式[17]，其影響因素很多，主要來源于自然因素和人為因素。自然因素是土壤鹽漬化形成與變化的內因，人為影響則是促進土壤鹽漬化尤其是綠洲次生鹽漬化發展的驅動因素之一。

3.4.1自然因素

(1) 干旱的氣候條件是灌區土壤鹽漬化形成的重要驅動因子。研究區位于中緯度地區，遠離海洋，屬于典型的溫帶大陸性氣候，降水少，蒸發大。土壤鹽漬化的形成與當地的氣候有著直接的聯系，其中降水、氣溫和地面蒸發強度對鹽漬化的關系最為密切，它們綜合顯示了當地氣候的干濕狀態[18]。根據新疆氣象局編整的氣象實測資料，區域內年均降水量為197 mm，年均蒸發量為1 600 mm，蒸發量接近降水的8倍。據圖3 可知，近30 a來瑪納斯灌區的氣候呈變干趨勢變化：年平均氣溫逐漸升高，氣候傾向率達0.4 ℃/10 a。在溫度、蒸降比較高的情況下，土壤及地下水中的可溶性鹽離子會隨著土壤的毛細管作用不斷上升至土壤表層，富積并使得鹽漬化土壤呈大面積分布。

(2) 母質含鹽是灌區土壤鹽漬化形成的先決條件。瑪納斯灌區鹽堿地是在干旱區脆弱的背景下產生的。灌區依賴發源于山前的徑流而存在，但構成前山的中山帶第三紀地層大部分由含90%以上的氯化物或硫化物等易溶性鹽的鹽巖組成，因而徑流含有大量鹽分[19]。由于區域地處內陸盆地，鹽分無外泄條件，造成鹽分積聚，使土壤基質中可溶性鹽分含量升高，加重灌區內部土壤的鹽漬化。

(3) 地形地貌為灌區土壤鹽漬化形成提供了基礎。研究區地處中國干旱區最具有代表性的“山盆系統”中，地貌格局分為3大類型：南部為天山山區和丘陵地，中部為沖積平原區，北部為沙漠區，是古爾班通古特沙漠的一部分。受地貌格局的影響，沖擊平原前緣溢出帶多為中度鹽漬化土壤，加上封閉的地形，排水不暢，為次生鹽漬化的發生提供了便利。

(4) 水是形成灌區土壤鹽漬化的動力。地表水、地下水和土壤水相互作用共同影響著土壤鹽漬化過程,水文過程改變和影響著水熱平衡、水鹽平衡過程，對流域土壤鹽漬化過程具有明顯調控作用[20]。含鹽類的地表徑流轉換為地下水后，在干旱少雨自然淋溶困難的條件下，強烈的蒸發加速了地下水不斷向地表蒸發聚集，加大了土壤基質中可溶性鹽分含量，導致次生鹽漬化。

3.4.2人為因素人類對新疆干旱區生態環境的改造，一方面大大加速了綠洲開發和經濟的建設，另一方面同時也影響著土地資源的可持續利用性。人為因素是影響研究區土壤鹽漬化演變的主要因素之一。

(1) 水利方面的影響。瑪納斯河流域是新疆最大的人工綠洲，綠洲農業最大的特點是人工灌溉。大型水利設施的修建，極大地提高了水土資源利用率，但平原水庫和渠系滲漏造成的田間大量灌水滲漏逐步抬升地下水位，在排水系統不健全的情況下，引發次生鹽漬化[21]，加上還沒有改良好鹽漬土，使鹽漬化耕地面積仍然很大。瑪納斯灌區先后修建了9座小型水庫，受當時技術條件限制，水庫的壩體為土質壩，庫水滲漏嚴重，引起庫區周圍3～5 km范圍內地下水位迅速抬升，進而導致農田土壤的次生鹽漬化。

灌區1980年以前修建的灌溉渠系防滲率很低，渠系滲漏嚴重，引起兩側地下水位升高，次生鹽漬化快速發展，土地大量積鹽后被棄耕，形成鹽渠的白色鹽帶；1990年代以后，隨著技術的提高與防滲材料的改進，渠系防滲率大大增加，但之前農田殘留的次生鹽漬化問題仍需要時間來緩解[21]。

20世紀之前，傳統的灌溉模式如大水漫灌應用于鹽堿地的改良，洗鹽速度較快，鹽漬化土壤面積迅速減少，但過量灌溉不僅能抬升地下水位，超過臨界深度，還將表土鹽分淋洗至地下水，導致灌區土壤鹽分的增加；2000年以后，滴灌技術在新疆瑪納斯灌區得到廣泛的應用，具有顯著的壓鹽與節水作用，為解決綠洲農田次生鹽漬化提供了一條極為有效的新途徑，但改良速度較慢。

(2) 農業方面的影響。自新中國成立以來，瑪納斯灌區由于人口的不斷增加，平原草地開始被大量開墾，破壞原有的生態環境，造成草地退化。此外,瑪納斯灌區主要由瑪納斯等河沖積扇下部扇緣溢出帶連接而成，扇緣地過去全都是沼澤鹽堿地，農田主要由沼澤土、鹽化草甸土及草甸鹽土開墾而來，開墾后逐漸形成的灰潮土、潮土，大都具有輕重不同的鹽漬化，初期由于排水不暢，次生鹽漬化嚴重[21]。

灌區內土地不平整，特別是新開墾地，土地未精平細整，導致灌水不均勻，造成低處積水，高處積鹽的格局。灌區內種植作物單一，除了糧食作物外，大部分為棉花，而養地作物很少，使土地用養失調。農田內部化肥施用量過大，改變了土壤物理性質、土壤結構，降低了土壤肥力，導致農田土壤鹽漬化加重。

4討論與結論

(1) 1985—2014年，隨著耕地面積的增加，鹽漬化土地面積也相應增加，從1985年的4.27×104hm2增加到2014年的7.90×104hm2。其中：鹽土面積減少劇烈，主要向非鹽漬化、輕度鹽漬化耕地轉化，中度鹽漬化耕地與其他土壤類型面積有所減少；非鹽漬化耕地與輕度鹽漬化耕地面積不斷增加。

(2) 灌區鹽漬化現象普遍，主要分布在綠洲內部，呈片狀分布，在灌區外圍呈條狀分布。1985—2014年灌區內部和外圍土壤鹽漬化面積都發生了較大的變化，主要以鹽土和非鹽漬化耕地變化為主。

(3) 自然因素和人為因素共同作用于灌區土壤鹽漬化時空演變。自然因素如氣候變化、水庫滲漏、耕作制度不合理等是內因，促進了土壤鹽漬化的發生發展，而人類進行的大規模的土地開發利用以及不合理的灌溉模式，是土壤鹽漬化發生演變的外因。

本文充分利用RS和GIS手段，提高了土壤鹽漬化信息提取以及分析的效率和準確性，為今后制定土壤鹽漬化的改良措施，實現土地資源的可持續利用提供保障。但在目視解譯的過程中，受傳感器空間分辨率、光譜分辨率等的制約，會不可避免的影響分類結果。因此提高遙感影像的分辨率，改進圖像處理手段，可為鹽漬化遙感監測研究理論和實踐的進一步深入提供保障。

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收稿日期：2015-06-30修回日期：2015-07-27

通信作者：喬木(1957—),男(漢族),新疆維吾爾自治區烏魯木齊市人,學士,研究員,碩士生導師,主要從事資源遙感應用和恢復生態學以及土壤質量管理研究。E-mail:qiaomu@ms.xjb.ac.cn。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0152-07

中圖分類號：S156.4

Causes and Spatial-temporal Changes of Soil Salinization in Manasi Irrigation Region of Xinjiang Region During 1985-2014

LI Xia1,2, QIAO Mu1, ZHOU Shengbin1

(1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,Xinjiang830011,China; 2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] To investigate the spatial distribution of saline alkali land in Manasi irrigation area, in order to understand the type and the spatial and temporal changes of local saline alkali land, and find out appropriate improvement measures. [Methods] Based on the soil data in 1985, Landsat TM images in 1998 and CBERS(China-Brazil earth resource satellite) images in 2006 and 2014, the RS and GIS technology was used to extract the information of soil salinization during four periods. The land transfer matrix was used to analyze the spatial-temporal changes of salt-affected land in Manasi irrigation region during the past 30 years. [Results] (1) The area of soil salinization land in Manasi irrigation region had increased from 4.27×104 to 7.90×104 hm2 during the past 30 years. (2) Soil salinization was mainly distributed in the inner area of Manasi irrigation region, represented as a block pattern. [Conclusion] Nature factors are the internal causes of the formation and change of the soil salinization, and anthropogenic influence is one of the driving factors that promoting the development of soil salinization, especially for the secondary salinization of oasis.

Keywords:Manasi irrigation region; spatio-temporal variation; soil salinization

資助項目：新疆維吾爾族自治區水利科技專項“瑪納斯綠洲棉花磁化水滴灌豐產技術應用示范”(Y542061001)

第一作者：李夏(1989—),女(漢族),河南省開封市人,碩士研究生,研究方向為干旱、半干旱區環境遙感和生態恢復。E-mail:461854951@qq.com。