吉林省西部不同环境因子对苏打盐碱地分布的影响

2018-03-29许晓鸿赵英杰徐子棋杨献坤滕美瑶王大中赵书军

水土保持通报 2018年1期

许晓鸿, 刘肃, 赵英杰, 徐子棋, 杨献坤, 滕美瑶,2, 王大中, 赵书军

(1.吉林省水土保持科学研究院, 吉林长春 130033; 2.吉林农业大学, 吉林长春 130000)

松嫩平原是世界3大苏打盐碱地分布区之一，该区域盐碱地总面积约为3.42×106hm2，70%以上为苏打盐碱土(主要成分为NaHCO3和Na2CO3)。吉林省西部位于松嫩平原中南部，是松嫩平原苏打盐碱地的重要分布区。近年来由于气候变化和高强度的人类活动，吉林省西部的土地盐碱化程度不断加剧，面积不断扩大。据统计结果显示，吉林省20世纪50年代盐碱地面积约为1.13×106hm2，占该地区总面积24.26%；2000年该地区盐碱地面积增加到1.67×106hm2，占总面积的35.49%。其中，重度盐碱化土地占盐碱化土地总面积的比例由1958年的26.9%增加到43.7%[1-2]。土壤盐碱化是吉林省西部主要的生态环境问题之一，其导致了该地区自然环境的改变和生态平衡的破坏，使得土地大面积荒漠化，土地资源质量和农业生产条件严重劣化，阻碍了当地农业生产和经济的可持续发展。而盐碱化土地是重要的后备土地资源，若加以良好利用可在保障国家粮食安全中发挥重要作用[2-4]。因此，研究吉林省环境因子对苏打盐碱地形成、分布的影响对于苏打盐碱地区域生态环境改善及苏打盐碱地水土资源高效利用具有重要意义。

国内许多学者在相关领域做了研究。姚荣江等[5]的研究描述了东北盐碱地在各县市内的分布状况。众多学者对松嫩平原苏打盐碱地形成、发展的主要影响因素进行研究，结果表明：影响因素包括自然因素和人为因素两方面，自然因素包括气候因素、地形因素、水文因素、构造运动因素、地质因素、地貌因素、植被因素、土壤及母质因素等，人为因素包括盲目开垦、不合理的灌溉等[3,5-12]。张学飞等[13]和徐安凯等[14]以典型地区为代表，研究了松嫩平原苏打盐碱地土壤水盐运移的季节性特征。许多学者以Landesat/TM影像、地形图等为数据源,利用RS，GIS等技术手段，对松嫩平原苏打盐碱地1950—2001年面积变化(包括潜在盐碱化土地、轻度苏打盐碱地、中度苏打盐碱地和重度苏打盐碱地面积)和土地苏打盐碱化程度变化做了空间分析，并预测该区域具有代表性地区(通榆县)2050年苏打盐碱地面积和轻、中、重度苏打盐碱地所占苏打盐碱地总面积的百分比[6,9-10,15-16]。

以往的研究多集中于吉林省西部苏打盐碱地面积变化动态，关于环境因子与苏打盐碱地形成、变化关系的文章多为描述性非定量研究，或以小范围(县市或典型小区)作代表进行相关分析，而以整个吉林省为范围研究环境因子与苏打盐碱地分布的定量化相关分析研究却鲜有报道。本研究拟通过分析吉林省西部不同高程、离水系不同距离、不同气象条件与苏打盐碱地面积的关系，研究各环境因子对苏打盐碱地分布的影响，以期为苏打盐碱地的防治、苏打盐碱地区域农业资源合理利用提供理论依据。

1 资料来源和研究方法

1.1 资料来源

利用遥感图进行人工解译，并通过GIS 10.2软件进行吉林省苏打盐碱地分布图的绘制；使用GIS 10.2对2013年的1∶200 000吉林省水系图进行矢量化，并做不同距离缓冲区，获得吉林离水系不同距离苏打盐碱地分布情况；在GIS 10.2中将吉林省县(市)行政边界图层与吉林省苏打盐碱地分布图叠加，得知吉林省分布有苏打盐碱地的地区为白城、大安、洮南市、通榆县、镇赉县、德惠市、九台区、农安县、榆树市、梨树县、双辽市、四平市、长岭县、扶余市、乾安县和前郭县，并获得这16个地区苏打盐碱地面积(但因德惠区、九台区、榆树市3个地区苏打盐碱地面积较小，且行政区不在吉林省西部地区，故不列入分析)。在中国气象数据网下载这16个城市(国家级气象站)的1981—2010年累年平均气象数据。利用GIS 10.2将吉林省2010年的1∶200 000等高线地形图矢量化并生成DEM，对高度、坡度信息进行分析。

1.2 研究方法

为了探讨不同环境因子对吉林省西部苏打盐碱地分布的影响，本研究利用SPSS 18.0软件对离水系不同距离、气象条件、地形条件与苏打盐碱地面积进行相关分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 离水系不同距离对吉林省西部苏打盐碱地分布的影响

以吉林省水系为轴线，绘制不同距离缓冲区，在ArcGIS软件中将吉林省水系不同距离缓冲区图层与吉林省苏打盐碱地分布图层叠加分析，所得各距离缓冲区内苏打盐碱地面积见表1。由表1可知，吉林省西部苏打盐碱地总面积为2.20×109m2，除30 000 m以内的缓冲区外,苏打盐碱地的面积及苏打盐碱地占相应缓冲区总面积百分比随着离水系距离的增加而减少。例如，距水系40 000，50 000，60 000 m的苏打盐碱地面积分别为1.55×109m2,1.18×109m2,8.21×109m2，苏打盐碱地占缓冲区的面积百分比分别为3.74%，3.17%，2.35%。这说明吉林省西部水系具有一定的矿化度，水流携带的盐分在周围的土壤中积累，且距离越近，剧烈积累盐分的土壤面积越大。离水系距离在30 000 m的缓冲区内盐碱地面积并不遵循这个结果，原因有可能是洪水能够季节性淹没水系附近区域，促进土壤水盐下行，且水系周围的地形有利于径流的排泄，能够减少土壤盐分的积累。

通过对18组离水系距离和相应缓冲区苏打盐碱地面积数据进行回归分析得到表2。由表2可知，在11种回归曲线中，除S曲线的拟合效果不显著(sig.>0.05)外，其他曲线均具有显著意义(sig.<0.05)。其中，三次曲线的拟合度最好(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。因此，吉林省西部离水系距离与苏打盐碱地面积最适合用三次曲线进行数据建模。由此，回归方程为：

y= 1.12×10-5x3-1.78x2+

5.86×104x+1.39×109

(1)

式中：x——离水系距离(m)；y——相应缓冲区中盐碱地的面积(hm2)。

表2 吉林省西部苏打盐碱地面积与离水系不同距离的回归模型

2.2 气象因子对吉林省西部苏打盐碱地分布的影响

通过ArcGIS软件将吉林省各(市)县城行政边界图层与吉林省盐碱地图层叠加后可知，吉林省共有16个(市)县城分布有苏打盐碱地，分别是白城、大安、洮南、通榆、镇赉、德惠、九台、农安、榆树、梨树、双辽、四平、长岭、扶余、乾安和前郭。其中，德惠、九台、榆树3个地区苏打盐碱地面积较小，且行政区不属于吉林省西部，故不列入分析。吉林省西部各(市)县城苏打盐碱地面积及气象条件(1981—2010年累年平均)见表3。由表3可知，吉林省西部苏打盐碱地分布面积最大的(市)县城是通榆县，面积为5.48×109m2。

对吉林省西部各(市)县城苏打盐碱地面积及气象条件进行相关分析，结果见表4。表4的结果显示，与苏打盐碱地面积呈显著相关的气象因子分别为累年年平均风速(R=0.716，sig.<0.05)、累年平均年降水量(R=-0.597，sig.<0.05)、累年年最多降水量(R=-0.652，sig.<0.05)。与苏打盐碱地面积相关度最高的气象因子为累年年平均风速。且累年年平均风速与苏打盐碱地面积呈正相关，累年平均年降水量和累年年最多降水量与苏打盐碱地面积呈负相关，即吉林省西部苏打盐碱地分布面积随着累年年平均风速的提高而增加，随着累年平均年降水量和累年年最多降水量的升高而减少。这说明累年年平均风速的提高能够促进大气和土壤水分蒸发，促进土壤盐分向地表运动、积累，且大风能将盐碱成分带入非盐碱化土壤或盐碱化较轻的土壤，从而增加苏打盐碱地面积；年降水量、年最多降水量的增加,使得空气湿度和土壤湿度升高，且降水有利于盐分淋洗，能够抑制苏打盐碱地的形成。

表3 吉林省西部各城市苏打盐碱地面积及气象条件

表4 吉林省西部苏打盐碱地面积和气象因子相关系数

注：*为在置信度(双测)为0.05时，相关性是显著的； **为在置信度(双测)为0.01时，相关性是显著的。

由于气象因子综合作用于土壤盐碱化，因此在相关分析的基础上，进行多因子回归分析，以讨论与各气象因子对盐碱地分布的整体作用。由于与吉林省西部苏打盐碱地分布呈显著相关(sig.<0.05)的3个气象因子(累年年平均风速、累年平均年降水量、累年年最多降水量)之间的相关性均未达到0.9，故将均带入进行回归分析。利用软件对吉林省西部13个县(市)的苏打盐碱地面积和气象因子进行多元回归模型拟合。得出吉林省西部苏打盐碱地面积和各气象因子的多元拟合模型，拟合结果达显著水平(sig.=0.015<0.05)，其拟合决定系数R2=0.671，说明这3个气象因子能够解释67.1%的吉林省西部苏打盐碱地分布规律。拟合的模型为：

y= 3.37×109x1-3.23×106x2-

9.15×106x3-3.78×109

(2)

式中：y——苏打盐碱地面积(hm2);x1——累年年平均风速(m/s)；x2——累年年最多降水量(mm)；x3——累年年最多降水量(mm)。

2.3 地形对吉林省西部苏打盐碱地分布的影响

2.3.1 海拔高度对吉林省西部苏打盐碱地分布的影响图1为吉林省苏打盐碱地在不同海拔高度的分布特征。由图1可见，吉林省西部苏打盐碱地均分布于地势较低处，海拔范围为100～290 m，且海拔125～176 m内苏打盐碱地分布得较为集中，面积为1.94×1010m2，占吉林省西部苏打盐碱地总面积的88.33%。海拔132 m处分布的苏打盐碱地最多，面积为6.8×108m2，且海拔高于132 m时和低于132 m时，均符合海拔高度与132 m越接近，苏打盐碱地分布面积越大的规律，例如，海拔高度110，115，120 m处苏打盐碱地面积分别为7.38×106，9.80×106，3.51×107m2；海拔高度135，140，145 m处苏打盐碱地面积分别为6.47×108，5.38×108，4.59×108m2。对吉林省海拔高度与相应海拔高度上苏打盐碱地面积进行相关分析，相关系数为-0.521，且达到显著水平(sig.<0.05)。这说明吉林省西部苏打盐碱地分布与海拔高度有显著的负相关关系，在海拔不低于132 m处随着海拔高度的升高，苏打盐碱地的面积呈减少趋势，且吉林省西部海拔最低处(132 m以下)不是最利于积盐处。

利用189组吉林省西部海拔高度与相应海拔高度苏打盐碱地面积数据进行回归分析，结果见表5。由表5可知，在所得11组不同拟合曲线中，三次曲线与观测值的拟合度最好(R2=0.554,sig.=0.00<0.05)。因此，吉林省西部苏打盐碱地与海拔高度的关系最适合用三次曲线进行建模，且回归方程为：

y= 766.91x3-4.56×105x2+

8.47×107x-4.70×109

(3)

式中：y——吉林省西部不同海拔苏打盐碱地面积(hm2)；x——海拔高度(m)。

2.3.2 坡度对吉林省西部苏打盐碱地分布的影响图2为吉林省苏打盐碱地在不同坡度区域的分布状况。由图2可知，吉林省西部苏打盐碱地均分布于坡度较平缓的地形内，坡度范围为0°～14.5°。其中，98.62%的苏打盐碱地分布在坡度为0°～7.25°。且除了坡度为0°～1.45°范围(苏打盐碱地面积为5.64×109m2)内，苏打盐碱地的分布面积随着坡度的增加而减少，如，坡度为1.46°～2.9°,4.35°～5.8°,7.25°～8.7°范围内的苏打盐碱地面积分别为8.97×109，1.80×109，2.56×108m2。这说明吉林省西部在坡度不小于1.45°处，地形坡度越缓，越不易于降水、径流将盐分带走，越有利于土壤盐分的积累，故苏打盐碱地的面积就越大，且地势最平缓处(坡度范围为0°～1.45°)并不最有利于盐碱化发生。

图1 吉林省西部不同海拔高度苏打盐碱地分布

方程类型R2Fsig．参数估计值常数b1b2b3线性0．2769．210．004．67×109-1．80×106——对数0．2458．000．001．73×109-3．09×109——倒数0．1842．290．00-1．44×1094．65×1010——二次0．2836．630．001．91×1091．28×106-7．89×103—三次0．5576．540．00-4．69×1098．47×107-4．56×105766．91复合0．3495．350．005．63×1090．97——幂0．2356．680．001．09×1018-4．83——S0．1328．940．0012．77625．18——增长0．3495．350．0022．45-0．03——指数0．3495．350．005．63×109-0．03——Logistic0．3495．350．001．78×10-101．03——

图2 吉林省西部不同坡度苏打盐碱地分布

3 讨论

水文地质与水化学条件对土壤盐碱化发生起着重要的驱动作用，其主要影响因子为地下水矿化度、潜水埋深和地表、地下径流强度[12]。松嫩平原地下水埋藏较浅(约为1.5～3 m)，矿化度较高(常为2～5 g/L，最高可达10 g/L)[5]，且该地区三面环山，中间地势低平，具有广阔的闭流区和数条无尾河，零散分布有众多湖泡，故水文地质与水化学条件有利于地表积盐[5,13]。本研究结果显示，吉林省西部除距离水系30 000 m范围内，其他区域均符合苏打盐碱地面积随着离水系距离增加而减少的规律，且三次拟合曲线的拟合度较好(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。这说明离水系距离对苏打盐碱地分布具有重要影响，地表径流携带的盐分在距水系30 000～35 000 m范围内积累得最为集中，在此范围之外，随距离增加，盐分积累强度降低。30 000 m范围之内不符合这个规律的原因有可能是离水系较近处地形有利于水盐排泄。江红南等[17]对新疆库车县盐碱地的研究也有相似结论：水文条件对盐碱化发生具有稳定而重要的作用，距水系距离对盐碱化发生有显著的相关度。

气候在松嫩平原苏打盐碱化中起了关键性的控制作用。其中，影响土壤盐碱化最为明显的气象因子包括降水、地面蒸发强度、冻融时间、大风日数等[12,18-20]。松嫩平原属于半干旱—半湿润季风寒温带气候区，干燥度约为1.3，年平均降水400 mm，70%～80%集中于7—9月，全年水面蒸发量1 500～2 000 mm，风沙天气较多(平均风速3级以上)，日照时间较长(约为2 850～2 950 h)[10,21]。东北地区每年的冻土期长达半年，冻土深度可达1.2～1.5 m[5]。因此，该区域的气候条件有利于土壤盐分的表聚。本研究结果表明，气象因子对吉林省西部苏打盐碱地的分布起着显著的影响作用，且影响因子按照相关度从大到小排序分别是：累年年平均风速>累年年最多降水量>累年平均年降水量。且累年年平均风速与苏打盐碱地面积呈正相关，后2个因子与苏打盐碱地面积呈负相关。这说明大风能够促进大气、土壤中水分的蒸发，促进了盐分表聚，且大风能将盐分带到非盐碱化区域或盐碱度较低区域，造成盐碱地面积扩大；降水对盐分有淋溶、冲洗作用，空气湿度的增加能够抑制土壤的蒸发作用，从而抑制表土积盐。另外，全球气候变化也影响了松嫩平原苏打盐碱化，如近50 a来气温上升0.6 ℃，降水量减少17.91%，这种气候干暖化加速了松嫩平原苏打盐碱化的发展[9]。

地形、地貌能够决定降雨的重分配，影响地上、地下径流，促进母质的重分配，从而影响了土壤积盐的速度和强度[19-20,22]。东北地区经过新构造运动后，地形较为平坦，不利排水，且该区堆积物土质较粘，渗透性差，造成地表积水，因此降水、径流带来的盐类随之积累下来[5,21]。本研究结果表明吉林省西部苏打盐碱地的分布与海拔、坡度具有显著关系。且在海拔高度不低于132 m，坡度不小于1.45°处，吉林省西部苏打盐碱地分布面积随海拔升高而降低，随坡度增加而降低。这说明地势较低平处地下水埋藏较浅，出流状况较差，且苏打盐(Na2CO3，NaHCO3)溶解度较高，在溶解后，随着径流移动到地势较低平处并积累。前人研究具有相似结论。许多研究结果表明，盐碱地多分布于地势低洼处，且盐碱地面积随着海拔高度的升高而减少，随着地势坡度的增加而减少[20,23-25]。曹稳根[22]的研究结果认为，溶解度较低的盐分多积累于地势较高的区域，溶解度较高的盐分多积累于地势较低的区域。另外，吉林省西部海拔低于132 m，坡度小于1.45°的地形范围内，苏打盐碱地分布并不遵循上述规律，且海拔最低、坡度最小处苏打盐碱地分布面积并不是最多，而海拔132 m，坡度1.45°附近苏打盐碱地分布面积最大。有学者认为，这是因为雨季地势低洼处被淹没，中心低洼处的水盐随下行水流淋洗到地下水或向周围地势稍高处移动。因此，中心低洼处不是盐分积累最剧烈处，而其周围地势稍高地盐分积累才最为剧烈[26]。