艾比湖湖濱隱域性植被與地帶性植被交錯帶土壤鹽分對水域面積變化的響應

曹家睿，陳蜀江*，范賀娟，陳孟禹，賈 翔，黃鐵成，苗 榮

(1．新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054;2．烏魯木齊空間遙感應用研究所，新疆 烏魯木齊 830025；3．北京林業大學精準林業重點實驗室，北京 100083)

【研究意義】我國土壤鹽漬化主要分布在西北干旱地區，它是破壞綠洲生態穩定和制約西部農業發展的關鍵因素[1-2]。干旱地區的植物多樣性特征對于土壤鹽漬化、荒漠化防治具有重要意義。近些年，受極端干旱氣候影響，降水少、蒸發大，艾比湖土壤鹽漬化現象十分嚴重，對該地區土地資源及生態環境的可持續發展產生了直接影響[3]，例如湖濱原有的植被類型逐漸衰敗退化，被鹽結木、鹽爪爪等隱域性植物所替代，植物生長的環境成為嚴重的土壤鹽漬化區域。【前人研究進展】隨著遙感技術的發展，國內外學者試圖運用多波段、多實相的遙感技術,來實現土壤鹽漬化信息提取、動態監測、預警預報[4-7]。此外，從土壤濕度和蒸發強度、地下水的埋深、水文條件等方面呢探究了土壤鹽漬化的形成機制[8-10]。湖泊水域面積變化是衡量湖泊水量平衡標準[11]。許多學者利用不同的方法對湖泊面積的動態變化進行研究，例如，有學者利用多時相雷達及多源遙感影像[12]、NDWI、MNDWI指數[13]、遙感數據[14]提取水域面積變化信息，分析不同水域面積變化規律。艾比湖位是新疆面積最大的咸水湖，亦是水鹽匯集的中心地[15]，自20世紀50年代開始湖泊面積持續縮減，如今已不足400 km2，且退縮程度日趨嚴重[16]，相關學者探討了艾比湖流域耕地面積與水域之間的關系[17]、人類活動和氣候變化對湖泊面積的影響[18]。賈春光等[19]通過研究近50年來艾比湖湖面動態變化發現艾比湖地區土壤沙化，鹽漬化等一系列生態環境問題嚴重；吳顏等[20]通過分析艾比湖水位與湖濱荒漠化的特征及聯系；吉力力·阿不都外力等[21]研究發現全新世以來艾比湖湖岸線的動態變化對周邊土壤和植被具有一定影響。【本研究切入點】對湖濱植被交錯帶的土壤鹽漬化與湖泊水域變化之間響應研究甚少。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究基于1995-2019年間6期Landsat遙感影像，以新疆艾比湖為靶區，利用遙感技術提取艾比湖水域面積和土壤鹽分信息，通過分析24年間艾比湖水域面積與研究區土壤鹽分的關系，進而闡明艾比湖湖濱隱域植被與地帶性植被交錯帶土壤鹽分受水域面積變化的影響。為艾比湖周邊隱域植被和地帶性植被交錯帶土壤含鹽量定期監測，及時掌握艾比湖水位的變化過程，艾比湖水位優化調控及周邊地區土地鹽漬化的防治具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

艾比湖濕地國家級自然保護區地跨博爾塔拉蒙古自治州精河縣、博樂市和阿拉山口口岸區，在行政區劃上地，92 %的面積在精河縣境內；東西長102.63 km，南北寬 72.3 km，面積2670.85 km2。研究區域以艾比湖湖體為核心，湖體包括時令水面和永久水面，包括四周的湖濱地帶，東以烏蘇、精河縣界限為界；北以博爾塔拉蒙古自治州塔城為界；南部以 312 國道、北疆鐵路、兵團農五師82團、90 團、91 團行政界為界；西部則為博樂市和阿拉山口的荒漠林區[22]。湖濱區為艾比湖湖岸附近，由于常年鹽分積累，土壤含鹽量極高，土壤pH值為7～9.6，土壤嚴重鹽漬化、沙化。湖濱植被類型豐富，荒漠植被居多，約占全國荒漠植被種類的62 %，其中白梭梭、胡楊林、鹽生樺等國家重點保護植物12種。鹽生植被有鹽節木、鹽穗木、蘆葦等。該區域屬于溫帶干旱大陸性氣候，降水少，蒸發大，鹽塵和浮塵活動頻繁。土壤類型為灰漠土、灰棕土及風沙土，隱域性土壤為鹽澤土和草甸土[23]。近年來，受自然和人為因素影響，艾比湖呈干縮趨勢，風沙危害程度愈演愈烈，周邊土壤的鹽漬化和荒漠化現象十分普遍，對艾比湖及周圍植被生態環境、經濟安全構成嚴重威脅。根據前人研究結果[24]在研究區東南部布設樣線，并根據樣線向周圍建立緩沖區作為交錯帶，如圖1所示。

表1 遙感影像數據源

1.2 數據來源

1.3 數據預處理

首先運用ENVI5.3軟件對1995-2019年6期影像進行輻射定標，建立數字量化值與對應視場中輻射亮度值之間的定量關系，以消除傳感器本身產生的誤差，通過計算公式計算其反射率，然后對六期影像進行輻射校正和幾何校正，再通過ERDAS IMAGINE 2015軟件中的切割(chip)工具按照研究區范圍對6期的Landsat OLI/TIRS遙感影像數據進行圖像切割，圖像大小為3463 800個像元，面積為3117.42 km2。

1.4 研究方法

1.4.1 比值法水體提取 比值法水體提取法優點在于運算簡單、精度高，是湖泊提取算法中最普遍的一種方法。常用的水體指數有歸一化水體指NDWI[25]和修正的歸一化水體指數MNDWI[26]，經歸一化處理后，提取水體信息。經精度驗證，NDWI對艾比湖水體提取更加精確，因此，本文采用的是歸一化水體指NDWI，其公式為:

NDWI=(Green-NIR)/(Green+NIR)

(1)

式中，Green為TM/ETM+綠光波段；NIR為TM/ETM+近紅外波段，分別是Landsat系列衛星的2波段與4波段。在ENVI5. 3中對遙感影像進行輻射定標、幾何校正，然后，對影像進行波段計算、影像裁剪、柵格轉矢量等，最后，運用Arcgis10.6軟件對已進行歸一化處理的遙感影像進行二值化處理，將湖泊水域的值設為1，非湖泊水域的值設為0，采用柵格計算器統計柵格值等于1的柵格數，計算出5個時期艾比湖的水域面積。

1.4.2 鹽分指數SI 本文選取鹽分指數作為衡量土壤鹽漬化生態環境的重要指標之一，其表達式為[27-28]:

(2)

式中，SI為鹽分指數；ρ1、ρ3為分別對應 Landsat-TM 藍光波段與紅光波段反射率。

1.4.3 電導率法測定土壤含鹽量 土壤中水溶性鹽屬強電解質，其溶液導電能力的強弱稱為電導度。在一定濃度范圍內，溶液的含鹽量與電導率呈正相關。因此，土壤浸出液電導率的數值能反映土壤含鹽量的高低[29]。

選取艾比湖湖濱土壤表層0～10 cm的采樣點，分別分布于鹽生植物、耐鹽植物等隱域植物和地帶性植物梭梭等交錯地帶，將土壤樣品帶回實驗室，在室內進行化學分析，利用不同鹽分測量儀的傳感器獲取土壤的鹽分數據，在此基礎上探討土壤鹽分的分布及變化規律。

2 結果與分析

2.1 不同年際湖泊面積時空變化分析

運用ERDAS IMAGINE 2015軟件對6期原始遙感影像進行監督分類處理，進一步對艾比湖湖泊面積進一步提取，并對其精度驗證得到湖面面積。通過對band5、band6和band4波段非標準假彩色合成，選擇水體區域建立AOI訓練樣本，對樣本進行評價，確定初步分類結果后，運用最大似然法對六期遙感影像進行分類評價，分類精度均達到90 %以上，證明分類結果可行性較高。在此基礎上通過對6期的NDWI、MNDWI兩種比值水體提取模型進行對比驗證，其中對NDWI模型的分類精度進行驗證，得出1995-2019年NDWI模型精度均在95.37 %以上，這與前人研究一致[30-31]。因此，選用NDWI模型提取艾比湖水域面積結果來反映不同時期艾比湖的動態變化更為精確，1995-2019年艾比湖水域面積提取結果如表2所示。

表2 湖泊面積提取結果和精度評價

如圖3所示，對1995-2019年6個時期艾比湖湖面動態度變化情況進行統計。1995-2019年艾比湖湖泊面積呈先擴張后縮減趨勢。其中1995-2000年，湖泊面積增加了185.04 km2，湖泊面積動態度為7.07 %；2000-2005年，湖泊面積增加了16.46 km2，湖泊面積動態度為0.47 %，此階段，主要氣候變化影響，艾比湖地區降雨量明顯增多，入湖水量隨之增加，湖水位迅速回升，湖泊面積持續擴大；2005-2010年，湖泊面積減少了308.62 km2，湖泊面積動態度為-8.51 %，此階段人口增加，農業用地需求增大，大面積的開荒造田、興修水庫，引水灌溉；2010-2015年，湖泊面積增加了39.92 km2，湖泊面積動態度為1.91 %，2015-2019年面積減少了18.83 km2，湖泊面積動態度為-0.83 %。

2.2 艾比湖湖濱土壤鹽漬化的時空變化

2.2.1 鹽分指數提取及相關性驗證 利用遙感軟件中bandmath模塊對能夠較好表現土壤鹽分程度的紅光波段和藍光波段進行鹽分指數提取，經研究發現ETM+圖像的第3波段對土壤鹽分程度情況較敏感。將一般地物的波譜特征及鹽漬土的光譜特征對比發現，用遙感圖像的第1波段和第3波段確定土壤的鹽分指數(SI)能較好地反映土壤鹽漬化程度。因此，通過波段計算提取六期遙感影像的鹽分指數(圖4)。土壤含鹽量是衡量土壤鹽漬化程度的重要指標，將2019年9月份赴研究區采18個樣品含鹽量實測數據與對應采樣點的鹽分指數通過origin中多項式擬合分析構建模型：Y=Intercept+740.13×X-1359.03×X2，式中X為鹽分指數，Y為實測值，其中R2=0.8930，值較大，說明鹽分指數能夠較好的反映湖泊周邊不同鹽漬化程度地類的實際狀況，如表3所示。

2.2.2 艾比湖湖濱鹽漬化等級空間變化 為了深入分析艾比湖湖濱土壤鹽漬化程度，結合遙感影像和目視解譯的結果及參考相關研究[32-33]，并以土壤鹽分指數為基礎結合土地利用數據中植被分布狀況，將土壤鹽分指數等級由輕到重依次劃分為一、二、三、四，4個等級。

表3 鹽漬化鹽分指數(SI)與實測土壤含鹽量數據

一級鹽漬化區域主要包括湖泊以及荒漠地帶等鹽分指數較低的區域；二級鹽漬化區域土壤表層含鹽量較高，主要有白刺、羅布麻、駱駝刺和梭梭等地帶性植被與隱域性植被交錯地帶，表層有較明顯的鹽殼；三級鹽漬化區域土壤表層含鹽量很高，表層鹽殼較厚，主要以檉柳和鹽爪爪等鹽生植被和耐鹽植被；四級鹽分指數區域土壤含鹽量極高，土壤表層鹽殼很厚，主要分布一些較稀疏的鹽生植物和耐鹽植物。如圖5所示，1995-2019年，艾比湖湖濱土壤鹽漬化在空間上發生明顯變化，1995-2000年，湖濱土壤鹽漬化主要以二級、三級鹽漬化為主；2005年，研究區南部及東南部鹽漬化程度加劇，由原來的二級、三級鹽漬化轉變為四級鹽漬化，此階段是鹽漬化是1995-2019年間最嚴重的時期；2010-2019年湖濱鹽漬化區域逐漸向湖心轉移，湖濱西北部和東南部鹽漬化區域由四級轉為二級、三級，由于湖面不斷縮減，湖底水體逐漸演化為裸露湖床，相對于周圍區域地勢較低，有利于水鹽的集聚。

2.2.3 艾比湖湖濱鹽漬化等級時間變化 如圖6所示，通過對3個時間段不同等級鹽分指數變化進行分析，反映水域面積變化對研究區鹽分指數的影響。

2000年之前艾比湖水域面積為523.4 km2，研究區內一級鹽漬化區域面積占比21.34 %，二級鹽漬化區域面積占比41.25 %，三級鹽漬化區域面積占比29.4 %，四級鹽分指數占比8.01 %。

2000-2005年艾比湖水域面積由523.4 km2增長到了724.9 km2，水域面積增長38 %，由于艾比湖水域面積的擴大，該區域一級鹽漬化區域面積占比34.84 %，比2000年之前增長13.5 %，其中大部分增長區域為艾比湖水域面積；二級鹽漬化區域面積占比18.19 %，比2000年之前減少了23.06 %。由于此區域內多為隱域植被與地帶性植被的交錯帶，受艾比湖水域面積影響較大，隨著水域面積的增大鹽分指數升高，地帶性植被逐漸消失，該區域面積逐漸向一級和三級鹽分指數區域轉化；三級鹽漬化區域面積占比40.06 %，比2000年之前增長了10.66 %，隨著鹽分指數的升高地帶性植被向研究區周邊逃移，逐漸轉化為隱域植被；四級鹽漬化區域面積占比6.91 %，比2000年之前減少了1.1 %，由于水域面積增加使部分干涸湖底得到填充掩蓋了干涸湖底的積鹽使部分區域鹽分指數降低。

表4 不同時期艾比湖湖濱植被地帶類型面積(km2)轉移矩陣

2005年之后艾比湖水域面積基本保持穩定，艾比湖水域面積在416.28～456.2 km2，未出現驟增或者驟減趨勢，隨著艾比湖水域面積的縮減，一級鹽漬化區域占比由34.84 %減少到19.27 %；2005-2019年隨著艾比湖水域面積的減少鹽分指數也逐漸降低，地帶性植被開始恢復生長，維持地帶性植被與隱域植被交錯生長的環境；二級鹽漬化區域面積占比由18.19 %增長到38.44 %；三級鹽漬化區域面積由40.06 %減少到28.56 %；四級鹽漬化區域面積為13.74 %，較2005年之前增加了6.83 %。2005-2019年艾比湖水域面積不斷縮減，地下水水位上漲，艾比湖邊緣地區的鹽分指數也不斷升高(圖7)。

綜上所述，艾比湖水域面積的變化與艾比湖湖濱植被鹽分指數浮動具有一定相關性，因此，本研究選取鹽分指數變化較為顯著的艾比湖湖濱植被交錯帶來分析與艾比湖水域面積變化的響應。

2.3 艾比湖湖濱植被交錯帶土壤鹽漬化時空變化

2.3.1 艾比湖湖濱植被交錯帶的界定 根據前期實地調研，在艾比湖四周選取六條樣線，其中鹽場東西兩側的ABE樣線最能清晰表達土壤鹽漬化地形上的變化規律[24]，因此，本研究以此基礎在樣線做緩沖區進行分析。

交錯帶的界定是對鹽分指數與水域面積變化相關性分析的基礎。以2019年調查的實地植被分布情況為例，通過分析發現，在此樣線上距湖濱歐氏距離為0～1000 m，高程在195～205 m范圍內多分布以鹽節木為主的鹽生植被，其鹽分指數在0.2846～0.3060之間；在距湖濱歐氏距離1000～3000 m，高程在198～205 m范圍內則分布以蘆葦、白刺和羅布麻為主的耐鹽植被其中也包括鹽生植被鹽節木呈現一種鹽生植被與耐鹽植被交錯分布的現象，鹽分指數在0.2274～0.2845之間；在距湖濱歐氏距離3000～5000 m，高程在198～206 m范圍內主要以白刺、羅布麻、駱駝刺和花花柴為主的耐鹽植被，鹽分指數在0.1902～0.2517之間；在距湖濱歐氏距離5000～8000 m，高程在205～207 m范圍內則分布以羅布麻、駱駝刺和花花柴為主的耐鹽植被，同時也開始出現白梭梭這種地帶性植被，呈現出耐鹽植被與地帶植被在同一地帶共生的現象，鹽分指數在0.1359～0.2213之間(圖8)。因此，根據研究區狀況將湖濱植被地帶類型劃分為鹽生植被帶、鹽生耐鹽交錯帶、耐鹽植被帶和隱域地帶性交錯帶。

2.3.2 交錯帶鹽分指數對水域面積的響應 通過IDRISI軟件中Markov轉移矩陣模型分別計算出1995-2000、2000-2005、2005-2010、2010-2015和2015-2019年5個時期的交錯帶面積轉移矩陣。

由表4可知，1995-2000年艾比湖水域面積由523.4 km2擴大到708.44 km2，隨著水域面積的擴大交錯帶中地帶性植被向耐鹽植被轉移6.0751 km2；耐鹽植被向鹽生耐鹽植被轉移2.377 km2，由此可以判斷出艾比湖水域面積的擴大會直接影響到交錯帶中的鹽分指數，使交錯帶中地帶性植被大幅減少。2000-2005年艾比湖水域面積由708.44 km2擴大到724.9 km2，水域面積變化較小，交錯帶中僅有少量地帶性植被存活；鹽生耐鹽植被向耐鹽植被轉移3.4393 km2，由于水域面積變化較小，交錯帶中鹽分指數變化幅度不大。2005-2010年間艾比湖水域面積由724.9 km2縮小到416.28 km2，由于近五年氣候變化以及人為干擾的原因艾比湖水域面積大幅縮減，交錯帶中耐鹽植被向地帶性植被面積轉移7.1936 km2，由此可以說明水域面積的縮小會使交錯帶中鹽分指數降低，地帶性植被開始恢復生長；耐鹽植被與鹽生耐鹽植被相互之間發生轉化面積變化不明顯；鹽生植被向耐鹽植被轉移面積為4.0654 km2。2010-2015年間艾比湖水域面積由416.28 km2擴大到456.2 km2，此階段艾比湖水域面積變化較小，交錯帶中鹽分指數并未出現顯著變化，鹽生植被并未向其他植被發生面積轉移。2015-2019年艾比湖水域面積由456.2 km2縮減到437.37 km2，此階段水域面積變不明顯，地帶性植被與隱域植被之間面積轉移變化幅度不大。

通過對1995-2019年不同時期艾比湖水域面積與交錯帶中植被鹽分指數之間響應進行分析發現艾比湖水域面積與植被交錯帶中的鹽分指數有著較為明顯的聯系。

3 討 論

本研究利用遙感信息技術，選擇比較成熟的水體指數構建湖泊信息提取模型，準確的提取湖泊面積變化信息，用鹽漬化土壤對遙感影像波段敏感性反映進行計算得到不同等級的鹽分指數，分析艾比湖湖濱隱域植被和地帶性植被交錯帶土壤鹽分與湖泊水域面積之間相應關系發現：艾比湖水域面積的增大，土壤鹽漬化程度加劇，艾比湖湖濱植被將會減少；艾比湖水域面積縮減，干涸湖底裸露面積隨之增大，艾比湖湖濱荒漠化、鹽漬化程度愈加嚴重。

因此，艾比湖水域面積的變化直接影響到湖濱交錯帶植被生長的環境。自然因素是影響湖泊面積變化的外部動力，根據博爾塔拉蒙古自治州精河縣氣象數據統計和前人研究[37-39]可知，近二十多年，艾比湖周邊溫度、降水量和蒸發量逐年增長，干涸湖底的表層覆蓋著數米厚的鹽堿粉沙[40]。據統計，1995-2015年間精河縣人口增加了24 129人，為了滿足生產生活，人們開始肆意的過度放牧、引水灌溉、興修水庫等活動，導致流入艾比湖的主要河流水量減少甚至出現河流斷流的現象，致使艾比湖湖面萎縮、湖底裸露，湖內水流較緩，湖周鹽漬化、荒漠化現象加劇。通過建立艾比湖湖泊面積與土壤鹽漬化關系，探尋二者之間變化規律，可以采用抽樣方式采取艾比湖周邊土壤樣品測試，能夠及時準確的監測艾比湖湖泊面積變化趨勢，對艾比湖周邊地區土地鹽漬化的防治、生態環境的治理以及艾比湖水位的優化調控都具有重要的意義。

研究的不足和需要改進的地方主要有：①本文數據只收集了1995、2000、2005、2010、2015和2019年6期數據，對于艾比湖湖面變化連續性的檢測方面略顯單薄。②由于野外實地調查時間有限，無法采集大量實測數據作為基礎數據，在今后研究中慢慢補足。目前我國在艾比湖湖泊水域面積對該區域湖濱交錯帶土壤鹽分的響應研究尚處于探索發展階段，以本文為基礎今后應該逐年分析艾比湖水域面積的變化情況，在艾比湖湖濱獲取更多實測數據與鹽分指數建立關系，通過建立模型的方式來說明艾比湖湖濱土壤鹽分與水域面積之間的關系，從而推進艾比湖土壤鹽漬化的防治工作。

4 結 論

本研究以1995-2019年的Landsat遙感影像為數據源，利用遙感技術提取艾比湖水域面積和土壤鹽分信息，通過分析24年間艾比湖水域面積與研究區土壤鹽分的關系，發現東南部交錯帶中鹽分指數變化較為顯著，從而闡明艾比湖湖濱隱域植被與地帶性植被交錯帶土壤鹽分受水域面積變化的響應。

(1)1995-2019年，艾比湖湖面變化趨勢為先擴張后縮減。1995-2005年，艾比湖水域面積增加了201.50 km2，主要受氣候變化影響，隨著艾比湖地區平均降雨量增多以及平均氣溫的升高，湖水位回升，湖泊面積持續擴大；2005-2010年，湖泊面積減少了308.62 km2，由于人口增加，農業用地需求增大，大面積的開荒造田、興修水庫，引水灌溉；2010-2015年，湖泊面積增加了39.92 km2；2015-2019年湖泊面積減少了18.83 km2。

(2)由艾比湖周邊土壤鹽漬化的時空變化分析可知：1995-2019年，艾比湖湖濱土壤鹽漬化在時空上發生明顯變化，研究區南部及東南部鹽漬化程度加劇，湖濱鹽漬化區域逐漸向湖心轉移。艾比湖水域面積的變化對于隱域植被與地帶性植被交錯帶鹽分指數影響較為明顯。

(3)通過對1995-2019年不同時期艾比湖水域面積與植被交錯帶土壤鹽分指數之間響應進行分析發現艾比湖湖濱植被交錯帶土壤鹽分隨艾比湖水域面積的擴大而升高，縮小而降低。

目前我國在艾比湖湖泊水域面積對該區域湖濱交錯帶土壤鹽分的響應研究尚處于探索發展階段，以本文為基礎今后應該逐年分析艾比湖水域面積的變化情況，在艾比湖湖濱獲取更多實測數據與鹽分指數建立關系，通過建立模型的方式來說明艾比湖湖濱土壤鹽分與水域面積之間的關系，從而推進艾比湖土壤鹽漬化的防治工作。