大安市土地鹽堿化時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素分析

趙琳 馬悅 李暢

（黑龍江省第五測(cè)繪地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱150081）

0.引言

土壤是由具有無機(jī)體和有機(jī)體的固體、由土壤水分所代表的液體和土壤空氣組成的一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。在此之內(nèi)，每一個(gè)成分都具有其自身的物理和化學(xué)性質(zhì)，相互之間處于相對(duì)穩(wěn)定或變化狀態(tài)。土壤作為巖石圈的松散表面，能夠供動(dòng)物、植物生長(zhǎng)生活，是所有陸地生態(tài)系統(tǒng)必不可少的基底。而且土壤可以為在其中生存的生物提供棲息地，提供生活在生物環(huán)境中所必需的礦物質(zhì)和水分，以及植物生長(zhǎng)所需的水分、熱量和肥料，用以保持豐富的土壤、生物群等，土壤具有豐富的生態(tài)作用。我們通常所說的鹽堿土實(shí)質(zhì)上是鹽土和堿土以及各種鹽化、堿化土的統(tǒng)稱。在中國(guó)內(nèi)陸的干旱和半干旱地區(qū)，由于氣候干旱，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，在許多地勢(shì)低平、排水不暢或者地表徑流緩慢、集中的區(qū)域或地下水位較高的地區(qū)，廣泛分布著鹽堿化土壤。在沿海地區(qū)，由于海水浸透到土壤表面，該區(qū)域會(huì)發(fā)生二次鹽堿化。當(dāng)表層土壤中的鹽分所占比例超過6%時(shí)，該地區(qū)的土地上大多數(shù)植物已經(jīng)無法生長(zhǎng)，唯有一小部分耐鹽性強(qiáng)的植物還可以生長(zhǎng)。因而，維持土壤正常的理化水平，對(duì)于保障土地生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能以及農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)民的生產(chǎn)生活至關(guān)重要。

遙感圖像融合可以有效地提高遙感信息提取的及時(shí)性和可靠性，為大規(guī)模的遙感應(yīng)用研究奠定良好的基礎(chǔ)。本次研究以Landsat為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，在ENVI等遙感軟件的支撐下，通過結(jié)合自然環(huán)境與社會(huì)發(fā)展情況等諸多因素，分析吉林省大安市2013年—2016年鹽堿化土地的面積、空間變化過程和不同程度的鹽堿地變化以及其驅(qū)動(dòng)因素。

1.研究區(qū)概況

由于受地質(zhì)歷史上地殼隆起的影響，松嫩平原地勢(shì)較高，該區(qū)域內(nèi)的大部分地區(qū)海拔大多在200米—250米。因河水支流較多，有很多地方的地面因受流水的切割作用，出現(xiàn)了平緩山丘和較淺谷地的交替狀波浪起伏。在松花江與嫩江交匯的地方，地勢(shì)較低、水流不通暢和氣候等方面的原因，導(dǎo)致該地區(qū)形成了很多的泡、沼澤和濕地，如肇源、大安、安達(dá)等地都有大片沼澤。松嫩平原作為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，其糧食作物主要是小麥、玉米、高粱、谷子，也有部分地區(qū)種植早熟粳稻，松嫩平原所在的地區(qū)也分布著我國(guó)面積最大的蘇打鹽堿地。根據(jù)搜集到的資料，我們?cè)诒容^世界三大蘇打鹽堿地分布區(qū)之后發(fā)現(xiàn)，松嫩平原的生態(tài)環(huán)境退化是最為迅速的。

大安市地處吉林省西北部，位于松嫩平原腹地，是整個(gè)松嫩盆地的“盆底”。因而它具有松嫩平原西部區(qū)域地勢(shì)低，鹽堿易累積，土地貧瘠的特點(diǎn)。土地鹽堿化程度比較嚴(yán)重，其土壤、氣象、水文及地質(zhì)條件，在吉林省西部土地鹽堿化的進(jìn)程中具有很強(qiáng)的代表性[1]。大安市土地面積4879．0平方千米，其中，50．8%（重度40．7%、中等3．3%、輕微6．8%）的土地已表現(xiàn)出不同程度的鹽堿化情況，鹽堿化土地面積已達(dá)2476．8平方千米，鹽堿化情況嚴(yán)峻，亟待整治。在研究大安市時(shí)，我們應(yīng)考慮到其他因素，如氣候因素、水體環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景等因素。

2.數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

2.1 影像下載

對(duì)于土地鹽堿化研究來說，一般選用相對(duì)應(yīng)地區(qū)LANDSAT影像進(jìn)行研究，在選取的過程中應(yīng)該注意月份，對(duì)于東北地區(qū)來說，每年的10月至第二年的3月容易出現(xiàn)凍土現(xiàn)象，所以在研究土地鹽堿化時(shí)應(yīng)該避開土體結(jié)冰的月份。

2.2 進(jìn)行影像的波段合成

從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載的全色遙感影像是地面物體輻射中全色段的影像攝取。全色遙感影像的空間分辨率通常很高，但缺點(diǎn)是不能顯示地物特征的真實(shí)色彩。多波段也稱為多光譜，是指攝取多個(gè)地物輻射的單波段，之后會(huì)得到含有多個(gè)波段光譜信息的影像。對(duì)不同波段依次賦予R、G、B顏色就可以得到彩色影像，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和一些搜集到的數(shù)據(jù)，我們對(duì)下載的LANDSAT影像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成。這樣，合成之后的影像具有高分辨率和地物特征的彩色信息。

2.3 對(duì)影像進(jìn)行目視判讀

鹽堿地在標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成的圖像上呈現(xiàn)不規(guī)則的由暗到亮，由黑到白的斑點(diǎn)狀分布，在一些極重度的地區(qū)，鹽堿土層表面會(huì)分布有鹽霜。根據(jù)色調(diào)、形狀，粗略選取訓(xùn)練樣區(qū)。在鹽堿地類型的光譜值方面：土地鹽堿化越嚴(yán)重，像元的亮度值會(huì)越大。

根據(jù)彩色合成原理，我們可以推導(dǎo)出遙感影像上不同類型鹽堿地的顏色標(biāo)志。彩色合成圖像上的輕度鹽堿化的主色為綠色；程度較重一點(diǎn)的土地會(huì)表現(xiàn)為紫色；對(duì)于強(qiáng)堿類型的土地，輕鹽和中鹽的光譜特征較為相似，像元的亮度值差別不大，色彩上也接近，主要表現(xiàn)為灰白色，但中鹽的顏色更亮；重度鹽化的土地在圖像上表現(xiàn)為品色；堿化地集中表現(xiàn)為白色，其中，中鹽化為淺白色，重鹽化表現(xiàn)在彩色合成圖像上為白色，像元亮度值較高。

3.大安市土地鹽堿化遙感分析

3.1 大安市土地鹽堿化分布

大安市位于松嫩平原腹地，因其地理位置影響，每年的10月至第二年的3月容易出現(xiàn)凍土現(xiàn)象，影響影像的地物識(shí)別。在地理空間數(shù)據(jù)云中下載大安市2013年—2016年共4年的LANDSAT遙感影像，以LANDSAT影像為基礎(chǔ)進(jìn)行波段合成、影像裁剪，得到大安市土地鹽堿化分布的假彩色合成影像（如圖1所示）：

圖1大安市2013年、2014年、2016年土地鹽堿化影像

在4年的土地鹽堿化影像中選取了具有典型變化的2013年、2014年、2016年三幅影像，在城市區(qū)域中，像元亮度值較高，顏色偏白的區(qū)域一般為鹽堿化程度較重的土地，像元亮度值較低，顏色偏暗的區(qū)域一般為鹽堿化程度較低的土地。在以上三幅圖中，我們可以進(jìn)行粗略觀察，2014年相對(duì)于2013年鹽堿化程度加重，主要加重的部分分布于影像東南側(cè)。在2016年中，部分鹽堿化土地有所恢復(fù)，但南側(cè)土地相對(duì)于2013年程度還是有所加重。對(duì)于2016年來說，部分程度較輕的鹽堿化土地開始漸漸恢復(fù)，有逐步恢復(fù)到2013年的趨勢(shì)。根據(jù)三幅圖像，我們可以大致判斷土地在2013年前后遭到較大破壞，之后，在人類的干預(yù)下有了慢慢地恢復(fù)趨勢(shì)。每一年的鹽堿化情況都有較大變化。

3.2 監(jiān)督分類并進(jìn)行分析

為了識(shí)別和提取遙感圖像上相應(yīng)部分的鹽堿地信息，我們采用基于像元為對(duì)象的計(jì)算機(jī)分類和識(shí)別方法，分類主要利用遙感數(shù)據(jù)中所攜帶的光譜信息，空間信息和時(shí)間信息識(shí)別并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類，常用的分類方法為監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類，本次研究采用監(jiān)督分類應(yīng)用z，針對(duì)目視判讀時(shí)判定的普通耕地、輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地四種類型進(jìn)行樣本選取，每種分類在整個(gè)市域均勻選取光譜特征信息明顯的15處以上訓(xùn)練樣本，利用最大似然法進(jìn)行分類，并對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，這樣可以提高衛(wèi)星遙感圖像自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性．（如圖2所示）：

圖2大安市2013年、2014年、2016年鹽堿化土地面積變化

大安市鹽堿化土地的時(shí)空變化還表現(xiàn)在該地區(qū)內(nèi)土地鹽堿化程度的加劇。目前我們對(duì)土地鹽堿化程度的評(píng)估主要取決于土地類型、植被類型和堿性斑塊與基質(zhì)面積的比例[2]。在圖2中,海綠色代表較輕的鹽堿地；橙色代表中等程鹽堿地；紫色代表重鹽堿地。通過比較三幅圖像我們可以發(fā)現(xiàn)大安市鹽堿地面積逐漸擴(kuò)大，鹽堿化程度不斷增加。較為可觀的是重度鹽堿地的面積趨于減少，而輕度、中度鹽堿地面積有慢慢不再擴(kuò)張的趨勢(shì)。說明人類對(duì)土地鹽堿化問題開始重視并采取一系列措施，土地鹽堿化問題得到控制，生態(tài)環(huán)境得到好轉(zhuǎn)。

4.大安市土地鹽堿化驅(qū)動(dòng)因素分析

4.1 地質(zhì)環(huán)境

吉林西部平原的鹽堿土以蘇打鹽化為主，而當(dāng)?shù)赝寥利}堿化的問題與蘇打從何而來密切相關(guān)。大安市位于吉林西部，地處松嫩平原南部，四周的大興安嶺、小興安嶺和長(zhǎng)白山廣泛分布著火山巖，隨著火成巖的風(fēng)化，巖石中含有的鋁硅酸鹽最終形成了碳酸氫鈣、碳酸氫鎂、碳酸氫鉀和碳酸氫鈉等，這些碳酸氫鹽在自然界中的地表和地下徑流中溶解，然后集中到平原或低洼地區(qū)。久而久之，這些重鹽會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}沉積物，剩余碳酸氫鉀和碳酸氫鈉變成容易溶解的碳酸鹽。這可能是吉林西部平原最基本的蘇打水的來源[3]。

4.2 氣候條件

大安市氣候?qū)儆诘湫偷拇箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。因而這樣的氣候條件也導(dǎo)致了該地降水的季節(jié)性變化率較大，使之旱季鹽分累積，雨季脫鹽，盡管水鹽運(yùn)動(dòng)趨于平衡，但仍無法避免積鹽大于淋鹽的情況出現(xiàn)。層層累積的鹽分，使得土地表層土壤中的鹽分含量超標(biāo)，植物無法生長(zhǎng)。

全球氣溫變化在中國(guó)北方地區(qū)十分明顯。近些年來，松嫩平原的氣溫增幅情況與我國(guó)氣溫增幅保持一致，而與此同時(shí)，該地的降水量卻在減少。嫩江支流的水流量在這些年中明顯減少，大安附近許多河流開始出現(xiàn)斷流的情況，這一變化則導(dǎo)致沼澤和湖泊干涸。在一定程度上，全球變暖這一氣候效應(yīng)已成為松嫩平原鹽堿荒漠化發(fā)展的推動(dòng)力[4]。

東北土地的凍結(jié)和融化作用也為該地的鹽堿化提供了必要條件，形成了一種特殊的水鹽運(yùn)動(dòng)。伴隨土壤解凍過程發(fā)生的，是一種積鹽運(yùn)動(dòng)。隨著土壤的凍結(jié)，鹽分會(huì)隨著冷凍層的移動(dòng)而不斷累積。當(dāng)回溫時(shí)，鹽分轉(zhuǎn)向地表，發(fā)生大規(guī)模聚集，致使土地鹽堿化；另一方面，風(fēng)的搬運(yùn)作用也對(duì)大安市土地鹽堿化有促進(jìn)作用。

4.3 水環(huán)境

水文條件更直接地影響著土地的鹽堿化。其中較為明顯的有地表徑流，地下潛水和水的化學(xué)性質(zhì)。

內(nèi)流河流域的水量平衡主要取決于蒸發(fā)作用的調(diào)節(jié)。大安市地處的吉林西部，據(jù)其地形及水文特點(diǎn)，鹽分多集中于河漫灘及其淤積沉積物中。該地泡沼分布較多，有明顯而強(qiáng)烈的蒸發(fā)，造成其中鹽分濃縮，導(dǎo)致周圍土壤鹽堿化。

另一方面，大安市地勢(shì)低平，多蓄水盆地，致使該地地下水流動(dòng)緩慢，水的排出更多地依靠蒸發(fā)，這也導(dǎo)致地下水在蒸發(fā)過程中積聚鹽分，形成堿化土壤。

4.4 社會(huì)經(jīng)濟(jì)

現(xiàn)今社會(huì)，人們對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的追求所引發(fā)的一系列社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)土地鹽堿化的發(fā)生及發(fā)展起到了明顯的推動(dòng)作用。大安市位于松嫩平原，此地區(qū)草原面積大，資源條件優(yōu)越，畜牧業(yè)發(fā)展擁有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。然而，隨著東北經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，草原資源破壞情況較為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，形成一種“開墾—貧瘠—窮困—開墾”的惡性循環(huán)。過度放牧，引發(fā)了嚴(yán)重的草地退化，也從而增加了鹽堿化土地和堿性斑塊面積，導(dǎo)致土壤肥力下降，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)遭到嚴(yán)重破壞。

人類對(duì)草原的不合理規(guī)劃、利用也導(dǎo)致了土地二次鹽堿化。過度放牧等不合理的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)嚴(yán)重破壞了草原植被，影響了水鹽運(yùn)動(dòng)，加深了土壤鹽堿化程度。

5.結(jié)束語

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，我們?cè)絹碓街匾暯?jīng)濟(jì)利益，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地鹽堿化問題會(huì)越來越嚴(yán)重。我們的生態(tài)環(huán)境也會(huì)隨之受到嚴(yán)重破壞，首當(dāng)其沖的將會(huì)是我們的土地資源。大安市位于中國(guó)溫帶半濕潤(rùn)與半干旱地區(qū)之間的過渡地帶，其嚴(yán)重的土地鹽堿化問題已經(jīng)成為吉林西部農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的制約因素[5]。與我國(guó)其他的幾個(gè)較大鹽堿化土地集中分布區(qū)，如，黃淮海平原，河套平原等相比，大安市的鹽堿化土地，有著明顯的特殊性。第一表現(xiàn)在鹽堿化類型上，大安市鹽堿化土地以蘇打鹽堿化類型為主，鹽堿化現(xiàn)象嚴(yán)重。其次表現(xiàn)在水文地質(zhì)條件上，該地區(qū)大多數(shù)范圍潛水與承壓水之間的隔水層滲水性差，潛水出水量小，且水質(zhì)差，不易開采。三是草原面積大。因?yàn)辂}堿草地占總鹽堿地面積的70%，所以該地區(qū)的治理技術(shù)措施也具有明顯的特殊性。本次研究我們通過分析數(shù)據(jù)與查閱大安相關(guān)城市的資料，得出以下結(jié)論：大安市為加大經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，曾以破壞環(huán)境為代價(jià)。在之后的幾年中，通過政府的政策保障，鹽堿化程度得到控制，鹽堿地面積有所改善。自2006年元旦起，當(dāng)?shù)卣ㄟ^制定政策，例如規(guī)定松嫩平原禁牧，開始治理土地鹽堿化問題。根據(jù)東北地區(qū)的實(shí)際情況，相關(guān)條例規(guī)定，要求禁止在松嫩平原和其他已經(jīng)嚴(yán)重退化、沙化、堿化的地區(qū)放牧。雖然大安土壤鹽堿化問題整體上已經(jīng)得到有效控制，但鹽堿化面積仍在不斷擴(kuò)大，因此進(jìn)一步深化對(duì)土地鹽堿化及其驅(qū)動(dòng)因素的研究和分析，將有利于我們從根本上防治土壤鹽堿化。經(jīng)過本研究，希望能夠?yàn)橹铝τ谕恋佧}堿化研究的科研人員提供一些寶貴的意見。