新疆渭干河流域土壤盐渍化及其驱动力分析

2011-04-16周生斌闫俊杰

农业现代化研究 2011年3期

卢磊，乔木，周生斌，闫俊杰

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011；2.中国科学院研究生院，北京100049）

在干旱、半干旱区，土壤盐渍化是威胁农业生产安全和区域稳定的一个重要因素[1-4]。新疆作为盐渍化大区，各类盐渍土总面积可达1336.1×104hm2，占全国盐碱土面积的36.8%和西北部六省区中（包括内蒙）的53.31%；灌区土壤盐渍化危害也非常严重，为全国之首，其盐渍化耕地面积可达126.39×104hm2，占耕地面积30.85%[5]。独特的气候条件造就了新疆土壤盐渍化严重，盐碱土种类繁多，被称为“世界盐碱土的博物馆”[6]。渭干河流域作为新疆的典型流域，土壤盐渍化严重。目前，对渭干河流域的土壤盐渍化研究主要集中于渭干河-库车河三角洲绿洲。如张飞[7-9]，王雪梅[10-11],高婷婷[12]等对渭干河-库车河三角洲绿洲的土壤盐渍化现状、盐分特征及空间分布、影响因子等方面进行了大量研究。这些研究丰富了新疆和渭干河流域的土壤盐渍化研究，并为今后的研究和土壤盐渍化治理提供了理论依据和借鉴意义。但还缺乏从流域尺度上，在GIS和RS支持下，通过野外实地调查，建立可操作性的遥感影像解译标志，提取土壤盐渍化信息并结合实地取样对土壤盐渍化的分布特点进行研究。

本文以渭干河流域为研究区，运用RS和GIS手段，利用遥感影像结合野外调查取样数据，对渭干河流域土壤盐渍化的分布状况、特征及其驱动力进行了分析和研究，为流域的土地管理决策、生态环境保护和治理规划提供科学依据。

1 研究区概况

渭干河流域位于新疆天山山脉与塔里木盆地之间，介于东经 80°37′～83°59′，北纬 41°06′～42°40′。渭干河是塔里木盆地北部水量较大的河流之一，其主流木扎提河由西端进入拜城盆地，汇集了卡普斯浪河、台勒维丘克河、喀拉苏河和克孜勒河而形成渭干河流域，干流河长452 km，全流域面积6.79×104km2，其行政地域包含拜城、新和、库车和沙雅4个县[13]。该流域为典型的大陆性气候，光热资源丰富，降水稀少，蒸发强烈，气温差异显著。整个流域地形复杂多样，北部为天山山脉，是渭干河流域重要的水源地与涵养林区；中部是以秋里塔格山为主的低山和残丘；渭干河出山口后呈辐射状分布，在南部形成扇形的冲积平原。由于地形复杂，该流域在水土资源组合良好的区域形成两类人工绿洲，即位于拜城县境内的山间盆地绿洲和位于新和、库车与沙雅县境内的三角洲绿洲。

渭干河流域为典型的绿洲农业区，农作物生长全靠灌溉。在平原区中下部由于地势平坦，地下水位较高，在强烈的蒸发作用下，盐分随水运动积累于地表造成土壤盐渍化。在平坦地段地表都有盐斑聚集，开垦后由于灌溉不科学，造成地下水位普遍上升，盐渍化加重[14]。据土壤普查资料显示，在现有耕地中，盐渍化面积已达50%以上，土壤盐渍化成为该地区阻碍绿洲农业生产发展的最大问题之一。

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

本研究的影像数据采用2006年的中巴地球资源卫星(CBERS-02)的R4、G3、B2波段假彩色合成的影像。以1985年新疆土壤普查数据和1998年新疆耕地遥感调查数据库为基础，以新疆县界、地貌类型图和相关的统计资料为辅助分析资料。

2.2 研究方法

2.2.1土壤盐渍化信息提取借助地理信息系统，以遥感影像作为数据源，根据实地考察和分析，分出重、中、轻度和非盐渍化耕地，并进一步基于专家知识建立相应的解译标志（表1）。在ARCINFO软件环境下进行人机交互式解译，并通过野外实地调查取样验证，对解译结果进行了修正，生成渭干河流域土壤盐渍化属性数据和空间数据（图1）。

表1 新疆灌区土壤盐渍化分类及遥感影像解译标志

图1 渭干河流域土壤盐渍化类型分布图

2.2.2样品采集与分析采用GPS定位技术，以2006年CEBERS遥感影像数据为参考，使采样点尽可能遍及渭干河流域范围内主要的土壤盐渍化类型，而且尽可能使样点分布规则，利于进行统计分析。采样时间为2007年9月10日-15日，取样层为0 cm-30cm，在研究区域选取样点59个。考虑到采样点周围土壤性质相对成因一致，环境因子类似，异质性较小，每一采样点周围辐射约为10m选取2个点，呈三角形形状采样。混合土样(即每个采样点都是3个点的混合)，用四分法取大约500 g的土样封装好带回实验室。本次研究主要是研究流域盐渍化土壤，绿洲耕地外围交错带区域环境背景基质具有均一性，水热环境因子变化幅度较小，因此样本数具有充分代表性，密度满足研究需要。

总盐采用干渣法、电导率用电导仪测定、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+溶量滴定分析法[15]；pH 值采用酸度计法测定（土水比 1∶5）[16]；K+、Na+采用火焰光度计分析法[17]。

3 结果与分析

3.1 土壤盐渍化现状

从表2可以看出，全流域盐渍化耕地总面积11.48×104km2，占总耕地面积的39.83%。土壤盐渍化现象普遍，主要分布在绿洲的下部边缘地带，河流中下游、地势平缓低洼等区域。从景观角度来说主要分布在绿洲和沙漠之间的交错带。盐渍化土壤呈条形状分布，在绿洲边缘带呈片状分布，边缘的重度盐渍化土壤交错分布在轻度和中度盐渍化耕地中。在古河道、河漫滩等地下水埋深浅的区域，分布着大面积的盐渍化土和盐土。由图1可看出，地形的不同，距离输水渠、河流远近的不同等，土壤盐渍化的分布也不相同。河流、输水渠、灌溉区上游土壤盐渍化情况较轻，随着地势的降低，河流对地下水补给造成的地下水位的增高，致使下游耕地盐渍化情况较重，地势低洼处土壤盐渍化加重；沿河流域是盐渍土分布相对较多的地带，盐渍土在河流两岸主要分布于河岸绿洲外围的地下水散失带，而沿河道和绿洲内侧区域盐渍化耕地较少；在地下水散失带的内侧靠近河道地带为绿洲分布区，这里可以见到不同程度的次生盐渍化现象；地下水散失带外侧则由于地下水埋深较深变为典型的干旱荒漠，盐渍土分布减少，土壤盐渍化也较轻[18]。

表2 渭干河流域土壤盐渍化程度分类结果

在空间分布上，流域上游为木扎尔特河，为拜城盆地所在。由于河道下切较深，地下水排泄较通畅，所以盐渍化较轻，盐渍化耕地仅分布在赛里木、托克逊及米吉克乡的下部。盐渍化较重的有库车东河塘、哈拉哈塘及草湖乡。新和大、小尤鲁都斯及桑塔木农场，沙雅英买里、海楼、努尔巴格及托依堡乡的一部分，盐渍化程度以轻盐化为主。

3.2 土壤盐渍化特征分析

3.2.1盐离子含量分析土壤pH值平均值为8.42(表3)，根据酸碱分级标准，渭干河流域土壤呈碱性。0cm-30 cm土层全盐含量平均值为18.48 g/kg，总盐含量平均值为19.30 g/kg。变异系数能反映随机变量的离散程度，一般认为CV≤10为弱变异性；10＜CV＜100 为中等变异性；CV≥100 为强变异性[19]。Cl-，SO42-，Ca2+，Mg2+，CO32-，HCO3-在 0cm-30 cm 土层属中等变异性，其中Cl-，SO42-在阴离子中变异程度最高。pH值在0cm-30cm土层中具有弱变异性。根据盐分上下运动的规律，以氯化物最为活跃，硫酸盐次之，碳酸盐较稳定。由此可推出，在易溶性盐类上行过程中，氯化物表聚性最为强烈，硫酸盐次之。这是因为在土壤表层，在干旱气候条件下，重碳酸盐通过蒸发作用失去CO2转变为碳酸盐，从而使表层土中碳酸盐类含量相对增高。土壤溶液中高浓度的Cl-、SO42-是盐土的特征，而高含量的HCO3-则是碱土的特点。当土壤中盐浓度较高，在一定程度上也影响盐基交换，对土壤碱化起一定的抑制作用。土壤中盐分随土壤中水分的强烈蒸发而向上积聚，表层中氯化物占优势。在实地取样的土壤表面也可明显观察到一层约0.5cm-1.0 cm的盐霜，甚至有1cm-5 cm的盐壳。而对于土壤脱盐过程，硫酸盐类较氯化物的淋溶速度慢。各类可溶性盐按其溶解度大小在土壤剖面中自上而下的地球化学垂直分异特点，Cl-在表层(0cm-30 cm)的含量明显高于SO42-的含量，可初步得出，流域总体上盐分离子的运动趋势以聚积为主，很少淋洗脱盐，这与该地特殊的气候如降水稀少和蒸发强烈等条件因子有密切的关系。

表3 土壤盐离子含量统计特征值

3.2.2土壤盐渍化类型分析对土壤盐基离子进行相关分析（表4），揭示盐分在土体中的存在形态及运移规律，可在一定程度上反映出盐分的运动趋势[20]。由于土壤盐分表聚强烈，同时，在土壤表层盐基离子之间的相互作用强烈。因此，对表层(0 cm-30 cm)土壤中的盐基离子进行了相关性分析。结果表明 (表 4)，0 cm-30 cm 土壤中的总盐含量与 Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+以及K++Na+正相关关系极显著 (P＞0.99)；同时，Cl-与SO42-、Mg2+、K++Na+正相关性极显著(P≥0.99)，而与 Ca2+具有一定的正相关性(P≥0.95)；此外，SO42-与 Ca2+、Mg2+、K++Na+正相关性极显著(P≥0.99)，而除了HCO3-与Ca2+有一定的负相关之外 (P≥0.95)，CO3-和HCO3-与其它离子无显著相关性。综上分析认为，渭干河流域土壤中硫酸盐、氯化物在表层积聚强烈，盐分以向上运行为主。在干旱荒漠性大陆气候的影响下，渭干河流域土壤中的盐分随土壤水分的强烈蒸发而向上积聚，耕作层中硫酸盐、氯化物占绝对优势。

表4 土层盐基离子相关分析矩阵

同时按照新疆第二次土壤普查耕地土壤盐渍化类型划分指标，依据0 cm-30 cm土层厚度土壤盐分阴离子组成成分，含量的毫克当量比值划分为：纯苏打、苏打、硫酸盐、苏打-氯化物、硫酸盐、氯化物、氯化物-硫酸盐、硫酸盐等土壤盐渍化类型（表5）。

表5 新疆灌区土壤盐渍化类型划分指标

按照上述划分标准，渭干河流域土壤盐渍化类型主要以硫酸盐和氯化盐为主。在空间分布上，拜城盆地以硫酸盐为主，而由库车、新和和沙雅所构成的渭干河三角洲的盐分组成以硫酸盐-氯化物或氯化物-硫酸盐为主。

4 土壤盐渍化驱动力分析

渭干河流域土壤盐渍化是自然因素和人为因素相结合的产物。自然因素是形成条件，人为因素则促进了盐渍化的发展。

4.1 自然因素

4.1.1气候干旱、降水稀少、蒸发强烈土壤发生盐渍化与其当地的气候有着直接的联系，气候是土壤发生盐渍化的驱动因子。在气候要素中，以气温、降水量和地面蒸发量与土壤盐渍化的关系最为密切。根据新疆气象局整编的气象实测资料（图2），近30年来，渭干河流域年均温逐年升高，气候倾向率达0.32℃/10a，降水量减少，使聚积在土壤表层的盐分难以淋溶；而蒸发强烈，可使含盐地下水通过毛管上升水流，向地表聚积。气候变暖、蒸发量增加和降水量减少是土壤盐渍化形成并加重的重要因素。

4.1.2封闭的地形为流域积盐提供了基础渭干河流域的地貌格局分布：天山将流域分为南北两部分，北部为拜城盆地，南部为渭干河三角洲。受地貌格局的影响，靠近天山部分地势高，降水丰富，盐分主要以淋洗和向外迁移为主；而流域平原绿洲区则源源不断的接受上游的可溶盐物质，成为水盐的汇集中心，加上地形封闭排水不畅，地下水埋深浅，由于常年蒸发，形成比较重的积盐区[21]。

图2 渭干河流域平均气温、降水量和蒸发量的变化趋势

4.1.3普遍含盐的土壤根据中国新疆塔里木农业灌溉排水与环境保护第一期工程-渭干河子项目调查，绿洲土壤普遍含盐。而在实际取样分析中也发现在0 cm-30 cm土层含盐量在10 g/kg-50 g/kg，高者可达50 g/kg～100 g/kg，不易脱盐。仅渭干河三角洲近15年来，耕地增加了6.18×104hm2，这些新增耕地大都是在盐碱地上开垦，耕地盐渍化容易发生[14]。

4.1.4地下水地下水对盐渍化的影响主要是地下水埋深和矿化度。潜水埋深大小直接关系到土壤毛细水能否到达地表使土壤产生盐渍化，也决定土壤盐渍化程度。潜水埋深越浅，土壤越容易发生盐渍化[22]。根据野外调查，凡是潜水埋深大于3m区，土壤不易产生盐渍化；潜水埋深2m-3m区，土壤多呈轻度盐渍化；潜水埋深1m-2m区，土壤多呈中度盐渍化；潜水埋深小于1.5m区，土壤多呈重度盐渍化。近几年来，渭干河流域绿洲日益扩大的水资源利用活动，造成地下水位下降，使一部分地区的地下水位降到返盐临界深度以下，但仍有大面积的地下水位高于返盐临界深度，地下水矿化度逐渐升高的趋势，会使土壤盐渍化程度加重。

4.2 人为因素

4.2.1水利方面的问题在人类活动的影响下，随着天然河道的人工渠道化，平原水库建设以及枢纽工程上移，加速了地表水资源的时空再分配，使得地下水的补给格局也发生了巨大的变化。地下水补给方式也由天然河道渗漏补给为主转向以渠系、田间入渗补给为主。人工绿洲区地下水补给量随地表水引入量的提高而不断增加；天然绿洲区因自然水系的消失使地下水的补给量不断减少，地下水位下降，水质咸化。长期以来，受经济及技术条件制约，人们普遍重灌轻排。开垦初期，采用无排水设施的大水漫灌，土壤盐分向下移动，收到较好效果，但因地下径流排泄不畅，盐分仅被淋洗到下层，并未随地下径流排走，且由于地下水的补给水量大于排出量，造成灌溉区地下水位不断上升，地下水矿化度也不断增加。此外，长期引水灌溉，灌溉水中所携带的盐分，也成为地下水体盐分的重要来源。

此外，由于粗放的农业用水方式和落后的灌溉技术，加之渠道防渗率低，水资源在输送过程中有很大一部分损失，使得水资源利用方面存在严重浪费现象，同时也引起地下水位的抬高，超过临界深度，影响灌区周围和灌区内部一些荒地或夹荒地的地下水位上升，成为干排荒地，导致这些土壤盐分积累增加，成为发生土壤盐渍化的另一重要原因。

4.2.2农业方面问题盲目开荒。根据渭干河流域在水土资源方面的优势，适度扩大耕地面积是可行的，但在调查时，所到之处几乎都有新垦荒地，有相当一部分开了以后没有种就弃荒。这些弃荒、撂荒地往往地下水位很高，开荒后破坏了原有的地表植被，很难恢复，因而成为盐渍化的隐患。

土地不平整，特别是新垦地，土地未精平细整，使灌水不均匀，造成低处积水，高处积盐。而新疆生产建设兵团和一些公安农场的土地，由于重视平整土地，格田内地面高差不超过3cm，所以同样开垦是重盐碱地，而盐渍化程度就减轻很多。种植作物单一，除了粮食作物外，大部分为棉花，而养地作物苜蓿、绿肥几乎见不到，使土地用养失调。有机肥使用量减少，化肥使用量增加，造成土壤板结，影响土壤蓄水保墒，降低了作物的抗盐性能。

5 结论与讨论

（1）渭干河流域盐渍化耕地总面积11.48×104km2，占耕地总面积的39.83%。土壤盐渍化现象普遍，主要分布在绿洲的下部边缘地带，河流中下游、地势平缓低洼等区域。从景观角度来说主要分布在绿洲和沙漠之间的交错带。盐渍化耕地呈条形状分布，在绿洲边缘带呈片状分布，边缘的重度盐渍化耕地交错分布在轻度和中度盐渍化耕地中。在古河道、河漫滩等地下水埋深浅的区域，分布着大面积的盐渍化土和盐土。

（2）流域土壤pH值平均值为8.42，属于碱性土壤。土壤含盐量普遍较高，平均值达到19.28 g/kg，土壤盐渍化类型主要以硫酸盐和氯化盐为主。在空间分布上，拜城盆地以硫酸盐为主，而由库车、新和和沙雅所构成的渭干河三角洲的盐分组成以硫酸盐-氯化物或氯化物-硫酸盐为主。

（3）渭干河流域土壤盐渍化是自然因素和人为因素相结合的产物。自然因素是形成条件，人为因素则促进了盐渍化的发展。因此为了改善退化的生态系统和确保流域农业经济的可持续发展，在土地开发利用过程中，应尊重自然规律，严格控制垦荒规模，加强农田水利建设，发展节水灌溉农业，实行以水定地，科学灌溉，提高水的利用率，重点解决灌排不协调的问题，以降低地下水位，防治次生盐渍化的发生[23]。

（4）在今后渭干河流域土壤盐渍化的治理中，应考虑在不同的区域、地貌条件下采取不同的改良治理措施。如在流域冲积扇上地下水埋藏深，一般无盐渍化，适合河水灌溉，有少量渗漏可回补扇缘地下水；扇缘溢出带地下水位高，是土壤积盐重的地方，但地下水比较丰富，可建水源地或以井灌为主；冲积平原下部和干三角洲，地下水补给减少，可在缺水年份开发地下水，实行井渠结合，以渠水为主。

（5）遥感和地理信息系统技术在盐碱地动态监测方面具有无可比拟的优势[4]。本文基于2006年CEBERS遥感影像以及实地取样调查获取土壤盐渍化数据的技术，能够体现盐渍化土壤分布状况和土壤盐渍化特征。今后我们将进一步利用多期遥感影像，如1980s中期的土壤普查数据，1990s末期的TM影像以及当前的CEBERS遥感影像，并结合其他相关资料重建历史时期盐碱地分布，进行长时间序列的多时段集成分析，以更加详细地揭示渭干河流域土壤盐渍化演变的时空规律性。

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