吉林省西部不同環境因子對蘇打鹽堿地分布的影響

許曉鴻, 劉 肅, 趙英杰, 徐子棋, 楊獻坤, 滕美瑤,2, 王大中, 趙書軍

(1.吉林省水土保持科學研究院, 吉林 長春 130033; 2.吉林農業大學, 吉林 長春 130000)

松嫩平原是世界3大蘇打鹽堿地分布區之一，該區域鹽堿地總面積約為3.42×106hm2，70%以上為蘇打鹽堿土(主要成分為NaHCO3和Na2CO3)。吉林省西部位于松嫩平原中南部，是松嫩平原蘇打鹽堿地的重要分布區。近年來由于氣候變化和高強度的人類活動，吉林省西部的土地鹽堿化程度不斷加劇，面積不斷擴大。據統計結果顯示，吉林省20世紀50年代鹽堿地面積約為1.13×106hm2，占該地區總面積24.26%；2000年該地區鹽堿地面積增加到1.67×106hm2，占總面積的35.49%。其中，重度鹽堿化土地占鹽堿化土地總面積的比例由1958年的26.9%增加到43.7%[1-2]。土壤鹽堿化是吉林省西部主要的生態環境問題之一，其導致了該地區自然環境的改變和生態平衡的破壞，使得土地大面積荒漠化，土地資源質量和農業生產條件嚴重劣化，阻礙了當地農業生產和經濟的可持續發展。而鹽堿化土地是重要的后備土地資源，若加以良好利用可在保障國家糧食安全中發揮重要作用[2-4]。因此，研究吉林省環境因子對蘇打鹽堿地形成、分布的影響對于蘇打鹽堿地區域生態環境改善及蘇打鹽堿地水土資源高效利用具有重要意義。

國內許多學者在相關領域做了研究。姚榮江等[5]的研究描述了東北鹽堿地在各縣市內的分布狀況。眾多學者對松嫩平原蘇打鹽堿地形成、發展的主要影響因素進行研究，結果表明：影響因素包括自然因素和人為因素兩方面，自然因素包括氣候因素、地形因素、水文因素、構造運動因素、地質因素、地貌因素、植被因素、土壤及母質因素等，人為因素包括盲目開墾、不合理的灌溉等[3,5-12]。張學飛等[13]和徐安凱等[14]以典型地區為代表，研究了松嫩平原蘇打鹽堿地土壤水鹽運移的季節性特征。許多學者以Landesat/TM影像、地形圖等為數據源,利用RS，GIS等技術手段，對松嫩平原蘇打鹽堿地1950—2001年面積變化(包括潛在鹽堿化土地、輕度蘇打鹽堿地、中度蘇打鹽堿地和重度蘇打鹽堿地面積)和土地蘇打鹽堿化程度變化做了空間分析，并預測該區域具有代表性地區(通榆縣)2050年蘇打鹽堿地面積和輕、中、重度蘇打鹽堿地所占蘇打鹽堿地總面積的百分比[6,9-10,15-16]。

以往的研究多集中于吉林省西部蘇打鹽堿地面積變化動態，關于環境因子與蘇打鹽堿地形成、變化關系的文章多為描述性非定量研究，或以小范圍(縣市或典型小區)作代表進行相關分析，而以整個吉林省為范圍研究環境因子與蘇打鹽堿地分布的定量化相關分析研究卻鮮有報道。本研究擬通過分析吉林省西部不同高程、離水系不同距離、不同氣象條件與蘇打鹽堿地面積的關系，研究各環境因子對蘇打鹽堿地分布的影響，以期為蘇打鹽堿地的防治、蘇打鹽堿地區域農業資源合理利用提供理論依據。

1 資料來源和研究方法

1.1 資料來源

利用遙感圖進行人工解譯，并通過GIS 10.2軟件進行吉林省蘇打鹽堿地分布圖的繪制；使用GIS 10.2對2013年的1∶200 000吉林省水系圖進行矢量化，并做不同距離緩沖區，獲得吉林離水系不同距離蘇打鹽堿地分布情況；在GIS 10.2中將吉林省縣(市)行政邊界圖層與吉林省蘇打鹽堿地分布圖疊加，得知吉林省分布有蘇打鹽堿地的地區為白城、大安、洮南市、通榆縣、鎮賚縣、德惠市、九臺區、農安縣、榆樹市、梨樹縣、雙遼市、四平市、長嶺縣、扶余市、乾安縣和前郭縣，并獲得這16個地區蘇打鹽堿地面積(但因德惠區、九臺區、榆樹市3個地區蘇打鹽堿地面積較小，且行政區不在吉林省西部地區，故不列入分析)。在中國氣象數據網下載這16個城市(國家級氣象站)的1981—2010年累年平均氣象數據。利用GIS 10.2將吉林省2010年的1∶200 000等高線地形圖矢量化并生成DEM，對高度、坡度信息進行分析。

1.2 研究方法

為了探討不同環境因子對吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響，本研究利用SPSS 18.0軟件對離水系不同距離、氣象條件、地形條件與蘇打鹽堿地面積進行相關分析和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 離水系不同距離對吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響

以吉林省水系為軸線，繪制不同距離緩沖區，在ArcGIS軟件中將吉林省水系不同距離緩沖區圖層與吉林省蘇打鹽堿地分布圖層疊加分析，所得各距離緩沖區內蘇打鹽堿地面積見表1。由表1可知，吉林省西部蘇打鹽堿地總面積為2.20×109m2，除30 000 m以內的緩沖區外,蘇打鹽堿地的面積及蘇打鹽堿地占相應緩沖區總面積百分比隨著離水系距離的增加而減少。例如，距水系40 000，50 000，60 000 m的蘇打鹽堿地面積分別為1.55×109m2,1.18×109m2,8.21×109m2，蘇打鹽堿地占緩沖區的面積百分比分別為3.74%，3.17%，2.35%。這說明吉林省西部水系具有一定的礦化度，水流攜帶的鹽分在周圍的土壤中積累，且距離越近，劇烈積累鹽分的土壤面積越大。離水系距離在30 000 m的緩沖區內鹽堿地面積并不遵循這個結果，原因有可能是洪水能夠季節性淹沒水系附近區域，促進土壤水鹽下行，且水系周圍的地形有利于徑流的排泄，能夠減少土壤鹽分的積累。

通過對18組離水系距離和相應緩沖區蘇打鹽堿地面積數據進行回歸分析得到表2。由表2可知，在11種回歸曲線中，除S曲線的擬合效果不顯著(sig.>0.05)外，其他曲線均具有顯著意義(sig.<0.05)。其中，三次曲線的擬合度最好(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。因此，吉林省西部離水系距離與蘇打鹽堿地面積最適合用三次曲線進行數據建模。由此，回歸方程為：

y= 1.12×10-5x3-1.78x2+

5.86×104x+1.39×109

(1)

式中：x——離水系距離(m)；y——相應緩沖區中鹽堿地的面積(hm2)。

表2 吉林省西部蘇打鹽堿地面積與離水系不同距離的回歸模型

2.2 氣象因子對吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響

通過ArcGIS軟件將吉林省各(市)縣城行政邊界圖層與吉林省鹽堿地圖層疊加后可知，吉林省共有16個(市)縣城分布有蘇打鹽堿地，分別是白城、大安、洮南、通榆、鎮賚、德惠、九臺、農安、榆樹、梨樹、雙遼、四平、長嶺、扶余、乾安和前郭。其中，德惠、九臺、榆樹3個地區蘇打鹽堿地面積較小，且行政區不屬于吉林省西部，故不列入分析。吉林省西部各(市)縣城蘇打鹽堿地面積及氣象條件(1981—2010年累年平均)見表3。由表3可知，吉林省西部蘇打鹽堿地分布面積最大的(市)縣城是通榆縣，面積為5.48×109m2。

對吉林省西部各(市)縣城蘇打鹽堿地面積及氣象條件進行相關分析，結果見表4。表4的結果顯示，與蘇打鹽堿地面積呈顯著相關的氣象因子分別為累年年平均風速(R=0.716，sig.<0.05)、累年平均年降水量(R=-0.597，sig.<0.05)、累年年最多降水量(R=-0.652，sig.<0.05)。與蘇打鹽堿地面積相關度最高的氣象因子為累年年平均風速。且累年年平均風速與蘇打鹽堿地面積呈正相關，累年平均年降水量和累年年最多降水量與蘇打鹽堿地面積呈負相關，即吉林省西部蘇打鹽堿地分布面積隨著累年年平均風速的提高而增加，隨著累年平均年降水量和累年年最多降水量的升高而減少。這說明累年年平均風速的提高能夠促進大氣和土壤水分蒸發，促進土壤鹽分向地表運動、積累，且大風能將鹽堿成分帶入非鹽堿化土壤或鹽堿化較輕的土壤，從而增加蘇打鹽堿地面積；年降水量、年最多降水量的增加,使得空氣濕度和土壤濕度升高，且降水有利于鹽分淋洗，能夠抑制蘇打鹽堿地的形成。

表3 吉林省西部各城市蘇打鹽堿地面積及氣象條件

表4 吉林省西部蘇打鹽堿地面積和氣象因子相關系數

注：*為在置信度(雙測)為0.05時，相關性是顯著的； **為在置信度(雙測)為0.01時，相關性是顯著的。

由于氣象因子綜合作用于土壤鹽堿化，因此在相關分析的基礎上，進行多因子回歸分析，以討論與各氣象因子對鹽堿地分布的整體作用。由于與吉林省西部蘇打鹽堿地分布呈顯著相關(sig.<0.05)的3個氣象因子(累年年平均風速、累年平均年降水量、累年年最多降水量)之間的相關性均未達到0.9，故將均帶入進行回歸分析。利用軟件對吉林省西部13個縣(市)的蘇打鹽堿地面積和氣象因子進行多元回歸模型擬合。得出吉林省西部蘇打鹽堿地面積和各氣象因子的多元擬合模型，擬合結果達顯著水平(sig.=0.015<0.05)，其擬合決定系數R2=0.671，說明這3個氣象因子能夠解釋67.1%的吉林省西部蘇打鹽堿地分布規律。擬合的模型為：

y= 3.37×109x1-3.23×106x2-

9.15×106x3-3.78×109

(2)

式中：y——蘇打鹽堿地面積(hm2);x1——累年年平均風速(m/s)；x2——累年年最多降水量(mm)；x3——累年年最多降水量(mm)。

2.3 地形對吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響

2.3.1 海拔高度對吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響 圖1為吉林省蘇打鹽堿地在不同海拔高度的分布特征。由圖1可見，吉林省西部蘇打鹽堿地均分布于地勢較低處，海拔范圍為100～290 m，且海拔125～176 m內蘇打鹽堿地分布得較為集中，面積為1.94×1010m2，占吉林省西部蘇打鹽堿地總面積的88.33%。海拔132 m處分布的蘇打鹽堿地最多，面積為6.8×108m2，且海拔高于132 m時和低于132 m時，均符合海拔高度與132 m越接近，蘇打鹽堿地分布面積越大的規律，例如，海拔高度110，115，120 m處蘇打鹽堿地面積分別為7.38×106，9.80×106，3.51×107m2；海拔高度135，140，145 m處蘇打鹽堿地面積分別為6.47×108，5.38×108，4.59×108m2。對吉林省海拔高度與相應海拔高度上蘇打鹽堿地面積進行相關分析，相關系數為-0.521，且達到顯著水平(sig.<0.05)。這說明吉林省西部蘇打鹽堿地分布與海拔高度有顯著的負相關關系，在海拔不低于132 m處隨著海拔高度的升高，蘇打鹽堿地的面積呈減少趨勢，且吉林省西部海拔最低處(132 m以下)不是最利于積鹽處。

利用189組吉林省西部海拔高度與相應海拔高度蘇打鹽堿地面積數據進行回歸分析，結果見表5。由表5可知，在所得11組不同擬合曲線中，三次曲線與觀測值的擬合度最好(R2=0.554,sig.=0.00<0.05)。因此，吉林省西部蘇打鹽堿地與海拔高度的關系最適合用三次曲線進行建模，且回歸方程為：

y= 766.91x3-4.56×105x2+

8.47×107x-4.70×109

(3)

式中：y——吉林省西部不同海拔蘇打鹽堿地面積(hm2)；x——海拔高度(m)。

2.3.2 坡度對吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響 圖2為吉林省蘇打鹽堿地在不同坡度區域的分布狀況。由圖2可知，吉林省西部蘇打鹽堿地均分布于坡度較平緩的地形內，坡度范圍為0°～14.5°。其中，98.62%的蘇打鹽堿地分布在坡度為0°～7.25°。且除了坡度為0°～1.45°范圍(蘇打鹽堿地面積為5.64×109m2)內，蘇打鹽堿地的分布面積隨著坡度的增加而減少，如，坡度為1.46°～2.9°,4.35°～5.8°,7.25°～8.7°范圍內的蘇打鹽堿地面積分別為8.97×109，1.80×109，2.56×108m2。這說明吉林省西部在坡度不小于1.45°處，地形坡度越緩，越不易于降水、徑流將鹽分帶走，越有利于土壤鹽分的積累，故蘇打鹽堿地的面積就越大，且地勢最平緩處(坡度范圍為0°～1.45°)并不最有利于鹽堿化發生。

圖1 吉林省西部不同海拔高度蘇打鹽堿地分布

方程類型R2Fsig．參數估計值常數b1b2b3線性0．2769．210．004．67×109-1．80×106——對數0．2458．000．001．73×109-3．09×109——倒數0．1842．290．00-1．44×1094．65×1010——二次0．2836．630．001．91×1091．28×106-7．89×103—三次0．5576．540．00-4．69×1098．47×107-4．56×105766．91復合0．3495．350．005．63×1090．97——冪0．2356．680．001．09×1018-4．83——S0．1328．940．0012．77625．18——增長0．3495．350．0022．45-0．03——指數0．3495．350．005．63×109-0．03——Logistic0．3495．350．001．78×10-101．03——

圖2 吉林省西部不同坡度蘇打鹽堿地分布

3 討 論

水文地質與水化學條件對土壤鹽堿化發生起著重要的驅動作用，其主要影響因子為地下水礦化度、潛水埋深和地表、地下徑流強度[12]。松嫩平原地下水埋藏較淺(約為1.5～3 m)，礦化度較高(常為2～5 g/L，最高可達10 g/L)[5]，且該地區三面環山，中間地勢低平，具有廣闊的閉流區和數條無尾河，零散分布有眾多湖泡，故水文地質與水化學條件有利于地表積鹽[5,13]。本研究結果顯示，吉林省西部除距離水系30 000 m范圍內，其他區域均符合蘇打鹽堿地面積隨著離水系距離增加而減少的規律，且三次擬合曲線的擬合度較好(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。這說明離水系距離對蘇打鹽堿地分布具有重要影響，地表徑流攜帶的鹽分在距水系30 000～35 000 m范圍內積累得最為集中，在此范圍之外，隨距離增加，鹽分積累強度降低。30 000 m范圍之內不符合這個規律的原因有可能是離水系較近處地形有利于水鹽排泄。江紅南等[17]對新疆庫車縣鹽堿地的研究也有相似結論：水文條件對鹽堿化發生具有穩定而重要的作用，距水系距離對鹽堿化發生有顯著的相關度。

氣候在松嫩平原蘇打鹽堿化中起了關鍵性的控制作用。其中，影響土壤鹽堿化最為明顯的氣象因子包括降水、地面蒸發強度、凍融時間、大風日數等[12,18-20]。松嫩平原屬于半干旱—半濕潤季風寒溫帶氣候區，干燥度約為1.3，年平均降水400 mm，70%～80%集中于7—9月，全年水面蒸發量1 500～2 000 mm，風沙天氣較多(平均風速3級以上)，日照時間較長(約為2 850～2 950 h)[10,21]。東北地區每年的凍土期長達半年，凍土深度可達1.2～1.5 m[5]。因此，該區域的氣候條件有利于土壤鹽分的表聚。本研究結果表明，氣象因子對吉林省西部蘇打鹽堿地的分布起著顯著的影響作用，且影響因子按照相關度從大到小排序分別是：累年年平均風速>累年年最多降水量>累年平均年降水量。且累年年平均風速與蘇打鹽堿地面積呈正相關，后2個因子與蘇打鹽堿地面積呈負相關。這說明大風能夠促進大氣、土壤中水分的蒸發，促進了鹽分表聚，且大風能將鹽分帶到非鹽堿化區域或鹽堿度較低區域，造成鹽堿地面積擴大；降水對鹽分有淋溶、沖洗作用，空氣濕度的增加能夠抑制土壤的蒸發作用，從而抑制表土積鹽。另外，全球氣候變化也影響了松嫩平原蘇打鹽堿化，如近50 a來氣溫上升0.6 ℃，降水量減少17.91%，這種氣候干暖化加速了松嫩平原蘇打鹽堿化的發展[9]。

地形、地貌能夠決定降雨的重分配，影響地上、地下徑流，促進母質的重分配，從而影響了土壤積鹽的速度和強度[19-20,22]。東北地區經過新構造運動后，地形較為平坦，不利排水，且該區堆積物土質較粘，滲透性差，造成地表積水，因此降水、徑流帶來的鹽類隨之積累下來[5,21]。本研究結果表明吉林省西部蘇打鹽堿地的分布與海拔、坡度具有顯著關系。且在海拔高度不低于132 m，坡度不小于1.45°處，吉林省西部蘇打鹽堿地分布面積隨海拔升高而降低，隨坡度增加而降低。這說明地勢較低平處地下水埋藏較淺，出流狀況較差，且蘇打鹽(Na2CO3，NaHCO3)溶解度較高，在溶解后，隨著徑流移動到地勢較低平處并積累。前人研究具有相似結論。許多研究結果表明，鹽堿地多分布于地勢低洼處，且鹽堿地面積隨著海拔高度的升高而減少，隨著地勢坡度的增加而減少[20,23-25]。曹穩根[22]的研究結果認為，溶解度較低的鹽分多積累于地勢較高的區域，溶解度較高的鹽分多積累于地勢較低的區域。另外，吉林省西部海拔低于132 m，坡度小于1.45°的地形范圍內，蘇打鹽堿地分布并不遵循上述規律，且海拔最低、坡度最小處蘇打鹽堿地分布面積并不是最多，而海拔132 m，坡度1.45°附近蘇打鹽堿地分布面積最大。有學者認為，這是因為雨季地勢低洼處被淹沒，中心低洼處的水鹽隨下行水流淋洗到地下水或向周圍地勢稍高處移動。因此，中心低洼處不是鹽分積累最劇烈處，而其周圍地勢稍高地鹽分積累才最為劇烈[26]。

4 結 論

(1) 離水系距離顯著影響吉林省西部蘇打鹽堿地分布，水系30 000 m緩沖區外蘇打鹽堿地面積隨離水系距離增加而減少，且離水系距離與蘇打鹽堿地面積的關系呈三次曲線(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。

(2) 與蘇打鹽堿地面積呈顯著相關的氣象因子分別為累年年平均風速、累年年最多降水量、累年平均年降水量。其中累年年平均風速與蘇打鹽堿地面積呈正相關，而其余2個因子與蘇打鹽堿地面積呈負相關。

(3) 海拔高度和坡度是影響吉林省西部蘇打鹽堿地分布的重要地形因素，且隨著海拔高度的升高、坡度的增加，蘇打鹽堿地面積不斷減少。

本研究是以遙感圖像定性解譯蘇打鹽堿地分布，因此，以后還應對土壤鹽堿化程度進行定量測定并分析不同環境因子對輕、中、重度蘇打鹽堿地分布的影響。同時，還應對該區域年內不同月份及年際氣象因子與蘇打鹽堿地分布變化進行動態監測，以闡述氣象因子對蘇打鹽堿地變化趨勢的影響。

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