基于遙感指數(shù)的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域土壤鹽漬化生態(tài)風險評價

石開玉，王 玲，康紫薇，譚述明，楊喜超

（1.石河子大學(xué) 理學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039）

土壤是人類賴以生存和一切社會生產(chǎn)活動的基本條件，由于全球氣候變化以及人類活動的劇烈干擾的影響，土壤鹽漬化已經(jīng)成為全球干旱、半干旱及濱海地區(qū)最主要和影響最廣泛的土地退化問題之一，素有地球“癌癥”之稱[1]。土壤鹽漬化廣泛分布在干旱、半干旱綠洲地區(qū)，鹽漬化程度已經(jīng)嚴重威脅到了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。生態(tài)風險評價（Ecological Risk Assessment，ERA）主要結(jié)合數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等風險分析手段以及RS，GIS等先進的空間分析技術(shù)來分析、預(yù)測和評價具有不確定性的事件或災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)及其組分可能造成的損傷[2]。

瑪納斯河流域灌區(qū)作為新疆四大灌區(qū)之一，屬于大陸性溫帶干旱氣候，土壤母質(zhì)含鹽量高，泉水溢出帶地下水位較淺，水資源管理的不科學(xué)使得地下水位上升，土壤鹽漬化給區(qū)域土地安全、糧食安全、生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。本文針對瑪納斯河流域鹽漬化形成因素，引入了生態(tài)風險研究理論，在瑪納斯河流域選取土壤類型、地形、植被指數(shù)、鹽分指數(shù)為生態(tài)風險評價指標，對瑪納斯河流域構(gòu)建了生態(tài)風險評價模型，對瑪納斯河流域土壤鹽漬化風險情況進行了評估與分級。

1 研究區(qū)概述

瑪納斯河流域位于亞歐大陸腹地，天山北麓中段，準葛爾盆地南緣，發(fā)源于天山北麓中段的冰雪區(qū)（見圖1），自上游到下游依次沖擊形成沖積洪積扇—泉水溢出帶—沖積平原—三角洲—湖濱平原，最后匯流到瑪納斯湖（現(xiàn)已干涸）[3]。瑪納斯河流域自20世紀50年代開荒以來，屯墾戍邊在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面取得了巨大的成就。由于初期對水資源利用認識的不足，大水漫灌和泡荒洗鹽使得地下水位迅速上升，導(dǎo)致土壤嚴重積鹽。從20世紀八九十年代以來，隨著排水系統(tǒng)的健全，在鹽漬化土壤治理方面卓有成效[4]。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)準備

研究所用數(shù)據(jù)包括：（1）2016－8－11成像的Landsat8OLI影像，行列號為144/28、29、30，分辨率為30 m。（2）瑪納斯河流域數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)，其分辨率為30 m，遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。（3）瑪納斯河流域1∶100 000的土壤類型圖。

2.2 土壤鹽漬化生態(tài)風險評價因子獲取

瑪納斯河流域土壤鹽漬化受人類活動和自然環(huán)境的雙重影響。土地利用類型是人類活動劇烈程度的有效因子，土壤類型、植被指數(shù)、鹽分指數(shù)和地形是自然環(huán)境因子，土壤類型可以明確區(qū)分出鹽漬化土，植被指數(shù)對于土壤鹽漬化程度不盡相同，鹽分指數(shù)可以反映土壤鹽分程度以及鹽漬土分布狀況，地形可以反映不同高度的鹽漬化程度。因此，本研究選取土地利用類型、土壤類型、植被指數(shù)、鹽分指數(shù)以及地形作為土壤鹽漬化生態(tài)風險評價因子（見表1）。

2.2.1 土地利用/土壤類型評價因子

土地利用類型和土壤類型是土壤鹽漬化重要的生態(tài)風險評價因子。本文基于遙感影像，利用GIS和RS得到土地利用/土壤類型的土壤鹽漬化生態(tài)風險評價等級分布圖。

圖1 瑪納斯河流域示意

表1 土壤鹽漬化生態(tài)風險評價因子及分級

2.2.2 植被指數(shù)評價因子

植物葉片組織對藍光和紅光有強烈的吸收，研究表明，不同的土壤類型和程度的土壤鹽漬化對作物生長狀況的影響不盡相同，因此，可以選擇植物在遙感圖像上的色調(diào)等信息作為研究土壤鹽分的信息[5]。

通常NDVI值被定義為：

其中，NIR為近紅外波段，波長＜0.7 mm；R為紅光波段，波長為0.4～0.7 mm。本研究基于遙感影像數(shù)據(jù)，利用GIS和RS得到NDVI的土壤鹽漬化生態(tài)風險評價等級分布圖。

2.2.3 鹽分指數(shù)評價因子

影像數(shù)據(jù)中選擇特征波段中的450 nm和685 nm構(gòu)建鹽分指數(shù)（Salinity Index，SI）：

其中，SI為鹽分指數(shù)，ρ1是藍色波段的反射率，ρ3為紅波段的反射率值[5]。本研究基于遙感影像數(shù)據(jù)，利用GIS和RS得到SI的土壤鹽漬化生態(tài)風險評價等級分布圖。

2.2.4 地形評價因子

地形評價因子可以反映不同高度的鹽漬化程度。本研究基于DEM數(shù)據(jù)，利用GIS得到DEM的土壤鹽漬化生態(tài)風險評價等級分布圖。

2.3 土壤鹽漬化生態(tài)風險評價

依據(jù)國家環(huán)保總局頒布的《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》[5]，結(jié)合瑪納斯河流域土壤鹽漬化生態(tài)風險評價因子，確定土壤鹽漬化各生態(tài)風險評價因子的權(quán)重，按各因子權(quán)重加和為1的原則進行計算，將各個因素權(quán)重按照平均考慮，即各因子權(quán)重均等于0.25的情況下，利用ArcGIS柵格計算器功能計算瑪納斯河流域的土壤鹽漬化生態(tài)風險指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 各評價因子之間的相關(guān)性分析

土壤鹽分的多與少直接影響到土壤鹽漬化程度的大與小，本文進行了鹽分指數(shù)因子與地形因子、植被指數(shù)因子的相關(guān)性分析。

3.1.1 鹽分指數(shù)與地形的相關(guān)性分析

為了分析鹽分指數(shù)與地形因子之間的相關(guān)性，本文根據(jù)研究內(nèi)容以及鹽分指數(shù)圖（見圖2），利用ArcGIS的3D分析模塊對鹽分指數(shù)和研究區(qū)DEM高程圖中分別提取4道相同剖面，以研究地形對于鹽分分布的影響。

圖2 研究區(qū)的鹽分圖和數(shù)字高程圖

在ArcGIS中分別獲取4條剖面線上的高程和鹽分指數(shù)和趨勢變化圖，其中1號到4號剖面已在圖2中標注出。

從圖3可以看出，地形在這方向上的總體變化不大，但局部高程變化比較劇烈。鹽分指數(shù)在0～30 000像元區(qū)間變化不大，只在14 000像元附近出現(xiàn)了一個峰值，在30 000～50 000像元區(qū)間鹽分指數(shù)基本上隨著高程頻繁變化。

由圖4可以看出，2號剖面線的兩端高程的高差不大，除個別地方變化比較劇烈外，高程基本呈現(xiàn)上升趨勢，其他部分的數(shù)值變化不大；而鹽分指數(shù)則呈兩端高、中間低的狀態(tài)，但趨勢的基本變化都是鹽分指數(shù)隨著高程的變化呈現(xiàn)負相關(guān)，但對于個別的區(qū)域，鹽分指數(shù)與高程的相關(guān)性比較小。

圖3 1號剖面

圖4 2號剖面

由圖5可以看出，3號剖面的高程值變化比較大，在這個剖面的鹽分指數(shù)和高程的相關(guān)性不大，但鹽分指數(shù)較1，2剖面相對較低，有些甚至低于0.1。

圖5 3號剖面

由圖6可以看出，4號剖面的高程基本呈現(xiàn)逐漸升高的狀況，除了個別地方外，而鹽分指數(shù)與高程的相關(guān)性不大，但高程高于1 500 m左右的時候，鹽分指數(shù)基本都在＜0.1的范圍內(nèi)。

3.1.2 鹽分指數(shù)與植被指數(shù)的相關(guān)性分析

隨著含鹽量在土壤表層不斷增加，植被覆蓋度降低，植被種類也逐漸向耐鹽植被進行過度，當鹽分含量增加到一定程度，土壤表層就會出現(xiàn)鹽霜甚至結(jié)晶鹽，導(dǎo)致植被無法生長，植被的覆蓋度為零，形成重度鹽漬化區(qū)域[5]。本文通過密度分析研究植被指數(shù)與鹽分指數(shù)的相關(guān)性。

由圖7可以看出，在研究區(qū)隨著鹽分指數(shù)的增加，植被覆蓋度減少；植被指數(shù)高的地區(qū)一般鹽漬化程度較輕。鹽分指數(shù)密度圖中的顏色比較亮、密度高的地方在植被指數(shù)密度圖中植被指數(shù)較低。植被指數(shù)高的部分主要集中在瑪納斯河流域的中部位置，而南部山地位置的植被較少，在靠近南部鹽分指數(shù)高的地區(qū)也有植被的存在。鹽分指數(shù)較高的區(qū)域主要集中在瑪納斯河流域的北部區(qū)域，北部地區(qū)主要是沙漠、裸地的存在，而山地位于南部，鹽分指數(shù)較低。

圖6 4號剖面/m

圖7 NDVI和SI的點密度分析圖

3.2 土壤鹽漬化生態(tài)風險評價

柵格計算器計算得到的土壤鹽漬化生態(tài)風險值在1～4，結(jié)合瑪納斯河流域的特點，確定分級標準為4級：低風險區(qū)(1≤ERI＜2)、中風險區(qū)(2≤ERI＜2.5)、高風險區(qū)(2.5≤ERI＜3)、極高風險區(qū)(3≤ERI＜4)。得到土壤鹽漬化生態(tài)風險評價結(jié)果（見圖8）。

從圖8來看，瑪納斯河流域的土壤鹽漬化生態(tài)風險等級呈現(xiàn)出南北兩端差異大，南部的地勢明顯低于北部；在瑪納斯河流域的北部除沙漠地區(qū)外，幾乎整個北部呈現(xiàn)高風險區(qū)和極高分險區(qū)，這是由于這塊地區(qū)幾乎無植被的存在，自然生態(tài)條件惡劣，因此導(dǎo)致瑪納斯河流域北部地區(qū)的生態(tài)風險等級高；在瑪納斯河流域中部地區(qū)，大部分呈現(xiàn)中風險區(qū)，這是因為瑪納斯河流域中部植被覆蓋率高；在瑪納斯河流域南部山體地區(qū)，幾乎呈現(xiàn)低風險區(qū)，這是因為瑪納斯河流域山體部分含鹽量小。

4 結(jié)語

土壤鹽漬化是造成全球中低緯度地區(qū)土地退化的問題之一，也是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要因子。本研究針對瑪納斯河流域鹽漬化的形成因素，將生態(tài)風險研究理論引進內(nèi)陸干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)的鹽漬化評價中，篩選了與瑪納斯河流域土壤鹽漬化現(xiàn)狀相適應(yīng)的生態(tài)風險評價指標體系，構(gòu)建風險評價模型，并對研究區(qū)域土壤鹽漬化風險狀況進行了分級，得出以下結(jié)論。

（1）瑪納斯河流域的鹽分指數(shù)隨著地形劇烈變化；瑪納斯河流域除山地外，鹽分指數(shù)與地形的高程基本呈負相關(guān)，即高程值越大，鹽分越小；而在瑪納斯河流域的山地，鹽分指數(shù)很小，幾乎都小于0.1。

（2）瑪納斯河流域的鹽分指數(shù)隨著植被指數(shù)的增加而減少；植被指數(shù)高的地區(qū)一般鹽分指數(shù)較小；植被指數(shù)高的部分主要集中在瑪納斯河流域中部；鹽分指數(shù)高的部分主要集中在瑪納斯河流域的北部，也就是鹽漬土所在部分。

（3）瑪納斯河流域的土壤鹽漬化生態(tài)風險等級南北兩端差異大；在瑪納斯河流域的北部除沙漠地區(qū)外，幾乎整個北部呈現(xiàn)極高分險區(qū)；在瑪納斯河流域中部地區(qū)，大部分呈現(xiàn)中風險區(qū)；瑪納斯河流域南部山體地區(qū)基本呈現(xiàn)低風險區(qū)。

圖8 土壤鹽漬化生態(tài)風險評價結(jié)果