新疆喀什噶爾河流域土壤鹽漬化分布特征及時空演化分析

申得有，李升，高遠，葛燕燕

(新疆大學地質與礦業工程學院，烏魯木齊 830047)

土地是重要的生產生活資源，受自然條件加上愈加頻繁的人類活動，土壤鹽漬化現象便隨之而來[1-3]。土壤鹽漬化問題嚴重制約著農業經濟以及人類生產生活，已經成為各國重點關注的生態問題之一[4-5]。尤其在中國西北干旱半干旱地區，當地主要依靠農業發展地方經濟[6-7]，因此，亟需解決鹽漬化問題，從而有利于提高當地生產及經濟效益。

針對鹽漬化問題對世界各地產生的不利影響，受到了中外學者的廣泛關注[8-9]。賽佳美[10]在內蒙古腰壩綠洲分析了近50年鹽漬化特征與灌溉水質變化情況，闡明了灌溉水質與當地土壤鹽漬化之間的緊密關系及其影響程度。李艷菊[11]以渭-庫綠洲帶為研究區，依據2006—2017年采集數據，分析區內不同年份不同深度土層的鹽漬化時空變化特征定量分析了地形濕度指數、地下水溶解性總固體(total soluble solids，TDS)等影響因素對土壤鹽分的綜合作用。柳菲[12]在民勤綠洲通過野外調查及采樣和試驗分析，明確了不同土地利用類型條件下的水鹽特征，并分析了土壤鹽漬化成因。

紅色框內為研究區圖1 研究區地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of the study area

經現場勘察及收集到的資料表明，喀什噶爾河流域內存在小麥、棉花、果樹等經濟作物，土地利用率較高，加上干旱半干旱氣候下自然條件的影響，流域內土壤鹽漬化現象十分突出[13-14]。在取樣測試和往期資料的幫助下，采用地統計學、動態度模型等方法，詳細分析研究區土壤鹽漬化的分布特征，并對區內多年的鹽漬化情況進行時空演化分析，旨在對喀什噶爾河流域的土壤鹽漬化治理和生態文明建設提供較為合理的理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區喀什噶爾河流域位于新疆西南部喀什地區，屬典型干旱半干旱氣候，區內降雨量小，蒸發量大其地理位置示意圖如圖1所示。喀什噶爾河流域地形坡度變化大，西高東低，三面環山，呈現開口向東的“簸箕”狀地形[15-16]。流域中上游地下水位埋深多大于3 m，現均開發為城鎮或農業綠洲用地，地表被人工植被覆蓋，為流域主要農業經濟區；下游河間地塊地勢低洼平坦，地下水位埋深淺，形成了部分沼澤濕地，土壤鹽漬化較嚴重[17]。本次研究區面積約為3.28×104km2。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤鹽漬化分級標準

采用如表1[18]所示的土壤鹽化分級標準進行分級，利用土壤檢測數據，同時綜合考慮鹽漬化程度、農作物類型等因素，最終確定研究區土壤鹽漬化級別。

1.2.2 土地利用動態度模型

土壤鹽漬化具有空間區位的固定性與獨特性的特點，因此為更加準確認識研究區內土壤鹽漬化的動態演變過程，就要對研究區的土壤鹽漬地變化進行定位化定量化的空間分析[19]。利用單一土地利用動態度可表達區域一定時間范圍內，不同類型鹽漬地變化速度的情況計算公式為

(1)

式(1)中：Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某一種鹽漬地的面積；T為研究時間間隔，當設定T為年時，K為研究時段內某種類型鹽漬地的年變化率。

1.2.3 轉移矩陣

土壤鹽漬化演化規律分析還可以用轉移矩陣來實現。轉移矩陣可以定量表明不同土鹽漬化土壤之間的轉化情況，還可以通過不同鹽漬化土壤之間的轉移速率，判斷流域內土壤鹽漬化變化趨勢[20-21]，計算公式為

(2)

式(2)中:n為土地利用類型；Sxy為研究區研究時段初期x類鹽漬化土壤到研究末期轉為y類鹽漬化土壤的面積，km2。

1.2.4 重心遷移

通過計算鹽漬化土壤重心的變化來分析區域不同土壤鹽漬化等級變化和人類活動的空間特點[22-23]。計算不同類型鹽漬化土壤重心的公式如式(3)、式(4)所示，并通過分析不同類型鹽漬化土壤重心移動的方向和幅度來把握研究區不同類型鹽漬化土壤變化趨勢。

(3)

(4)

式中：Xt、Yt分別為第t年某種鹽漬化土壤類型重心的坐標；n為第t年該鹽漬地類型的斑塊數；Cti為第t年該鹽漬化土壤類型第i個斑塊的面積；Xti、Yti分別為第t年該鹽漬化土壤類型第i個斑塊的幾何中心坐標。

2 結果與分析

2.1 土壤鹽漬化分布特征

以取樣送檢的土壤易溶鹽數據為依據，結合土壤鹽化分級標準，利用ArcGIS插值得到如圖2所示的研究區2019年(現狀年)土壤鹽漬化分布。

從圖2可以看出，研究區內輕度鹽漬化(土壤含鹽量<2 g/kg)區域一部分以烏恰縣南部-阿克陶縣西部-英吉沙縣呈條帶狀展布，一部分位于岳普湖縣東部、伽師縣南部，面積約為1.15×104km2；中度鹽漬化(2～4 g/kg)區域位于疏附縣、阿克陶縣東部，岳普湖縣西部以及伽師縣北部，面積約為0.98×104km2；重度鹽漬化(4～10 g/kg)區域大致分布在喀什噶爾河下游，一部分位于伽師縣東部、巴楚縣周圍，一部分在英吉沙中部呈條帶狀展布，面積約為0.54×104km2；鹽土(極重度鹽漬化，>10 g/kg)區域以巴楚縣北部-阿瓦提縣呈近東-西向條帶狀展布，面積約為0.61×104km2。

圖2 研究區2019年土壤鹽漬化分布Fig.2 Distribution of soil salinization in the study area in 2019

2.2 土壤鹽漬化時空演化分析

2.2.1 時間演化分析

(1)不同類型鹽漬化土壤面積變化。現狀年鹽漬化土壤分布使用2.1節分析結果，通過收集到的往年土壤鹽漬化資料用ArcGIS軟件繪出1970年、2000年、2010年、2017年土壤鹽漬化分布，如圖3～圖6所示，不同年份不同類型土壤鹽漬化面積比例統計如表2所示。結合不同年份的土壤鹽漬化分布(圖3～圖6)分析鹽漬化土壤面積變化情況。

圖3 研究區1970年土壤鹽漬化分布Fig.3 Distribution of soil salinization in the study area in 1970

圖4 研究區2000年土壤鹽漬化分布Fig.4 Distribution of soil salinization in the study area in 2000

圖5 研究區2010年土壤鹽漬化分布Fig.5 Distribution of soil salinization in the study area in 2010

圖6 研究區2017年土壤鹽漬化分布Fig.6 Distribution of soil salinization in the study area in 2017

根據圖2～圖6所示的5張不同年份土壤鹽漬化分布以及表2所示的不同年份不同類型土壤鹽漬化面積及比例，分析總結得出如下結論。

表2 不同年份不同類型土壤鹽漬化面積比例統計Table 2 Statistics of salinization area proportion of different types of soil in different years

(1)從各類型土壤鹽漬化面積的總體動態變化來看：在整個研究期內，輕度鹽漬化面積呈現明顯下降趨勢；中度鹽漬地面積則呈現較為明顯的上升趨勢；重度鹽漬化面積在1970—2010年呈上升趨勢，在2010—2019年則呈下降趨勢；極重度鹽漬地面積在1970—2000年增加較多，在2000—2019年一直呈減少趨勢。表明流域內土壤鹽漬化情況經歷了前期加重，之后逐漸優化的過程。

(2)從各類土壤鹽漬化在總面積中的所占比重來看，1970年輕度鹽漬化所占比重最大，極重度鹽漬化占比次之，中度、重度鹽漬地所占比重相等且最少，所占比重分別為63%、19%、9%和9%；在2000年，各類鹽漬地所占比重發生了明顯的變化，所占比重的大小依次為極重度鹽漬地>輕度鹽漬地>重度鹽漬地>中度鹽漬地；在2010年和2017年類鹽漬地所占比重差異變化不大，輕度鹽漬地均占主要比重。在2019年，輕度鹽漬地和中度鹽漬地面積占比最大，所占面積之和占總面積達65%，重度和極重度鹽漬地面積均占比不大，分別為16%和19%。

(3)不同類型鹽漬化土壤演化速度。單一動態度的正負表示該類型鹽漬地面積增減，其數值則表示增減的速度；綜合動態度則表示一個研究時段內整個研究區內鹽漬地整體變化速度，利用研究區五期土壤鹽漬化數計算得出單一動態度K和綜合動態度(LC)，計算結果如表3所示。

根據表3中計算出的研究區土壤鹽漬化單一動態度和綜合動態度分析得出如下結論。

表3 不同類型土壤鹽漬化動態度Table 3 Dynamic attitude of different types of soil salinization

(1)不同類型土壤鹽漬化在不同研究時段表現出不同的變化速度，輕度鹽漬地自1970年以來變化速率總體上呈波動趨勢；中度鹽漬地在2000—2019年均呈增長態勢，其中在2000—2010年的變化速率更是達到0.46%；重度鹽漬地在1970—2010年變化速率均呈加速態勢，在2010—2019年則有所減緩，變化速率為負；極重度鹽漬地在多年間變化速率呈波動趨勢，總體上變化不明顯。

(2)在4個不同時段，各鹽漬地類型年均變化速度各不相同。在1970—2000年各類型土壤鹽漬化年均變化速度最慢，綜合動態度為4.52%；在2010—2017年變化速度最快，綜合動態度高達17.07%在2000—2010年和2010—2017年，研究區各類型土壤鹽漬化平均變化速度居中，綜合動態度分別為11.76%和8.38%。由此可見，研究區在2010—2017年的各類型土壤鹽漬化年均變化速率要高于其他各年份變化速率，說明在此期間，研究區各類型土壤鹽漬化的結構發生了顯著的變化，是土壤鹽漬化變化較大的時期。

通過對研究區各類型土壤鹽漬化的動態度進行總體分析，結果表明中度類型土壤鹽漬化增長迅速，輕度和極重度類型土壤鹽漬化呈波動趨勢，而重度類型土壤鹽漬化則表現為先加速增長之后逐漸恢復的趨勢。總之，在1970—2010年，研究區類型土壤鹽漬化問題呈現加速惡化的態勢，在2010—2019年，類型土壤鹽漬化出現波動減緩的態勢。

2.2.2 空間演化分析

按照1970—2000年、2000—2010年、2010—2017年、2017—2019年4個時間段，利用ArcGIS對5期鹽漬化類型圖進行空間分析，得到如表4～表7的4個時段內的研究區土壤鹽漬化面積轉移矩陣和表8所示的不同鹽漬地類型的面積轉入、轉出。

表4 研究區1970—2000年不同程度鹽漬地轉移矩陣Table 4 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 1970 to 2000

(1)從4個時段各類型的轉移面積來看，輕度鹽漬地向中度鹽漬地、重度鹽漬地和極重度鹽漬地均有不同程度的轉移。其中，輕度鹽漬地轉向中度鹽漬地和重度鹽漬地的面積相對較大，轉移為極重度鹽漬地的面積相對較少，在1970—2000年，輕度鹽漬地轉為極重度鹽漬地面積為71×102km2，其余各年份分別為1×102、2×102、0 km2；中度鹽漬地轉為其他類型鹽漬地的面積最少，其轉化面積均在25×102km2以內；重度鹽漬地轉和極重度鹽漬地轉為其他類型鹽漬地面積居中，在0～73×102km2。由此可見，1970—2000年是研究區鹽漬化急劇加重的階段。

表5 研究區2000—2010年不同程度鹽漬地轉移矩陣Table 5 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2000 to 2010

表6 研究區2010—2017年不同程度鹽漬地轉移矩陣Table 6 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2010 to 2017

表7 研究區2017—2019年不同程度鹽漬地轉移矩陣Table 7 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2017 to 2019

表8 研究區不同程度鹽漬化類型的面積轉入、轉出Table 8 Area transfer in and transfer out of different degrees of salinization types in the study area

(2)在4個時段內，各鹽漬地類型均有一定程度的相互轉化。其中，中度鹽漬地的轉出與轉入面積最少，在各年份內其轉換面積均在59×102km2以內，類型之間變換最小，最為穩定；輕度鹽漬地在1970—2000年轉出最多，高達102×102km2，在同年間極重度鹽漬地的轉入面積也出現驟增，達到99×102km2；另外，極重度鹽漬地在2000—2010年大面積轉出，轉出面積多達105×102km2，除此之外其他年份間各類型鹽漬地之間的轉換面積變化均不大。由此可見在1970—2000年，研究區鹽漬化呈加重態勢，在往后的年份中逐漸趨于緩和。

通過對數據進行綜合分析，可以直觀看出各類鹽漬地相互轉移的情況，其中1970—2000年是整個研究區鹽漬化加重階段，而在2000—2010年，研究區內極重度鹽漬化面積出現大幅度減小，中度和重度鹽漬化面積在往后的年份中也未再大幅增加，整個研究區內鹽漬化程度呈減緩趨勢。

2.2.3 土壤鹽漬化分布重心變化

利用鹽漬地重心轉移公式計算研究區不同類型土壤鹽漬地的重心，并通過分析不同類型鹽漬地重心移動的方向和幅度來把握研究區土壤鹽漬化變化趨勢，鹽漬化重心變化如表9所示。

表9 研究區1970—2019年各類型鹽漬地重心變化Table 9 Change of gravity center of various types of saline land in the study area from 1970 to 2019

根據表8、圖3、圖4可知，1970—2019年，輕度和中度鹽漬地的重心往西南方向及阿克陶及英吉沙一帶移動，其中,中度鹽漬地的移動幅度最大，總計偏移了189 km，說明中度鹽漬地49年來受自然因素和人為活動影響最大。其次是輕度鹽漬地，偏移量達到69 km，表明此兩種類型鹽漬地都是向著喀什市噶爾河中上游的方向收縮，這與河流上游屬于鹽分溶濾帶，地下水位埋深大，不易蒸發造成鹽漬化，故鹽漬化程度低的結論是一致的。

相反，重度和極重度鹽漬地的重心則往東北方向及伽師縣和岳普湖縣一帶移動，偏移量分別達到171 km和185 km，表明鹽漬化加重情況向下游移動。這是因為下游土壤鹽漬化加重明顯受到天然條件下流域中下游鹽分積聚以及人工條件導致排鹽效果不佳的影響。

1970—2019年，各個類型的鹽漬地重心都有較明顯變化，這也反映了研究區近50年來自然因素和人為活動對研究區鹽漬地在空間分布上的影響。

3 結論

以典型干旱半干旱地區新疆西南部喀什噶爾河流域為研究區，基于取樣檢測的易溶鹽數據及收集的資料，采用GIS技術、轉移矩陣、動態度模型等方法手段，分析了研究區現狀年(2019年)的土壤鹽漬化分布特征以及1970年至今的土壤鹽漬化時空演化情況。得出如下結論。

(1)喀什噶爾河流域上游地段，喀什市、疏附縣、疏勒縣等周邊地區為輕度鹽漬化土壤，局部地段如英吉沙縣附近分布重度鹽漬化土壤。流域中下游地段及河流南岸分布重度鹽漬化土壤；伽師縣東部及河流北岸極重度鹽漬化土壤分布廣泛。

(2)通過對研究區各鹽漬地類型的動態度進行總體分析，整個研究區內鹽漬化在1970—2010年總體上呈加速惡化的態勢;在之后的2010—2019年，鹽漬化程度呈波動式減緩的態勢。

(3)通過分析研究區鹽漬地重心變化，明顯看出輕度和中度鹽漬地的重心都是向西南方向及阿克陶及英吉沙一帶移動，其中，中度鹽漬地的移動幅度最大，總計偏移了189 km，重度和極重度鹽漬地的重心則往東北方向及伽師縣和岳普湖縣一帶移動，偏移量分別達到171 km和185 km，表明鹽漬化加重情況向下游移動。