北疆盐碱地空间分布特征分析

刘星宏， 张青青*， 张鹏， 张广鹏

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830054；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011)

盐碱地(saline-alkali land)是盐类集积的一种土壤类型，是指土壤所含的盐分对作物正常生长造成威胁且能够反映不同程度盐化或碱化土壤的总称[1]。盐土主要指含氯化物或硫酸盐含量较高且含盐量>0.6%的盐渍化土壤，碱土是指碳酸盐或重磷酸盐含量较高且pH大于等于9 的土壤[2-4]。土壤盐渍化是一种因人类对自然资源的不合理利用而影响自然环境变化所导致的一类严重的环境问题，其在地球上分布广泛，据统计全球的盐碱地面积约为9.55 亿hm2[5]，其面积正逐年增加，速度约为100万～150万hm2·a-1。随时间的变化，盐碱地面积会不断增加，据估计在未来25年内世界上由于土壤盐渍化造成土地流失的面积将会达到30%，到21世纪中叶将会达到50%[6-7]。现今，土壤盐渍化问题已引起全球范围的关注[8]。

我国盐碱地总面积约为1亿hm2，主要分布在东北松嫩平原、华北黄淮海平原、西北半干旱-半荒漠地区、西北干旱荒漠地区及滨海地区[9]。其中，内陆盐碱地面积占全国盐碱地总面积的95%。新疆地处欧亚大陆腹地，据统计新疆盐碱土面积占全国盐碱土总面积的22.01%，是我国最为干旱、降水量稀少、蒸发强烈、土壤盐碱化分布范围最广、盐碱化类型最多、土壤积盐最重的地区[10-11]。由于新疆北疆大部分地区盐碱土多以石膏棕漠土和石膏盐盘棕漠土两种土壤类型存在，土壤表面含盐量较高，受到环境影响易形成盐壳，影响植物幼苗萌发，还会对新疆北疆工业、农业发展产生极大不便。鉴于此，我国许多学者纷纷从不同的角度对盐碱地分布成因及综合治理进行大量的研究。在农业方面，罗廷彬等[12]在灌溉区种植耐盐植物，利用不同耐盐植物进行套播使得土壤脱盐；张龙德[13]通过研究灌区水质、地下水位高度提出盐碱地治理因地制宜，不同灌区需在分析其成因的基础上进行治理，才能达到有效控制、防治土壤次生盐渍化；努尔拉·吾守尔等[14]通过动态监测对阿克陶县平原灌区盐碱地进行研究，提出增大灌区水源开发力度，降低地下水位是有效治理盐碱地危害的措施之一；程卫东等[15]通过种植不同耐盐品种棉花对北疆盐碱地进行治理使得盐碱地盐分降低，棉花效益提高。在工业方面，邵华伟等[16]结合国内外相关文献及新疆现状，通过论述水利工程、农业工程和化学及生物改良等技术措施的发展现状，提出改良盐碱土应坚持“水利先行，综合治理”的原则。在植物生长方面，左凤月[17]通过对白刺进行盐胁迫研究，发现增加土壤盐碱性，会明显影响种子萌发和幼苗生长。尽管，对于盐碱地的研究众多，但多数集中在人工绿洲(如耕地、灌区)以及棉花、小麦、沙枣等经济作物的研究，而天然绿洲土壤盐渍化一直以来研究较少。本研究将对北疆地区天然绿洲盐碱地的遥感影像数据进行提取，利用 2 km×2 km网格单元对盐碱地数量与面积大小进行统计，进而分析北疆地区盐碱地空间分布和面积变化特征，以期为北疆盐碱地生态环境变化特征的分析提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆地形特点是山脉与盆地相间排列，盆地被高山环抱，俗喻“三山夹两盆”。北为阿尔泰山，南为昆仑山，天山横亘中部，把新疆分为南北两半，南部是塔里木盆地，北部是准噶尔盆地。本文研究对象包括新疆北疆和东疆两个区域(图1)，位于N40°46′12″～N49°10′12″，E79°53′24″～E96°22′48″之间，主要包括乌鲁木齐市、昌吉回族自治州、伊犁哈萨克自治州、博尔塔拉蒙古自治州、阿勒泰地区、塔城地区、哈密地区、吐鲁番地区。其地貌特征是高山与盆地相间，二者形成界限分明的地貌单元，属于典型的温带大陆性干旱半干旱气候，四季分明，年均气温为-4～9 ℃，年降水量150～200 mm以上，气候与南疆相比较为湿润，全年无霜期较短为140～185 d；夏季日照时间较长，冬季日照时间较短，日照百分率高，因此太阳辐射总量大，是我国光热资源丰富的地区[18]。

图1 新疆北疆地区的盐碱地分布Fig.1 Distribution of saline-alkali land in northern Xinjiang

1.2 遥感影像数据获取

利用 ArcGIS 10.4.1软件对1∶1 000 000中国土壤图[19]进行数字化处理，结合2015年新疆北疆地区Landest 8遥感影像对北疆地区盐碱地边界进行修正，得到1∶1 000 000的新疆土壤图。由于1985年土壤调查结果距今时间较长，软件作图的清晰度与边界的精确度不高。随着近年来，北疆各地区社会经济发展和人口增长，使得人工绿洲呈扩大的趋势。因此，本研究以1985年土壤调查结果为基础，利用2015年新疆北疆地区Landest 8遥感影像对1985年土壤调查结果范围重新进行修正。为了进一步验证盐碱地边界的准确性，在2016—2017年进行实地取样，对盐碱地边界进行实地校验。

本研究的新疆DEM图是从www.gscloud.cn 网站上选用分辨率为90 m下载获取，与其他DEM数据源相比，SRTM DEM的精度更高[20-21]。

1.3 建立格网图及数据分析

由于北疆地区是高山与盆地相间(阿尔泰山和天山与准噶尔盆地相间)构成独特的地貌单元。其整体上呈类似三角形的不规则形状，对盐碱地面积随经纬度的空间变化规律进行分析，存在局限性，而盐碱地面积比例是反映区域内盐碱化程度的重要指标[22]。因此，本研究采用盐碱地面积占总面积的比例作为检验区域盐碱化程度的指标，对其空间变化规律进行分析。利用Arc/Fishnet(渔网)工具，建立格栅单元大小为2 km×2 km的网格，并将北疆地区盐碱地分布图进行叠加分析，利用Arc/Calculate Geometry工具计算每个经度、纬度、盐碱地面积，将研究区沿经度和纬度划分为n和m单元网格，分别统计单元网格内盐碱化程度随经度和纬度变化的面积比例，盐碱化程度用如下公式计算。

(1)

(2)

把网格与DEM影像进行叠加，利用Arc/Zonal statistics(区域统计)工具，统计格网内的平均海拔，海拔高度范围为-160～5 890 m，按每 10 m 梯度统计单元网格内盐碱地面积及研究区面积，最终得到不同海拔梯度的盐碱地面积比例。

1.4 数据统计与分析

数据采用Microsoft Excel 2013对网格数据进行处理，利用Origin 2017和Sigma plot 10.0进行分析。

2 结果与分析

盐碱地的形成主要由人为因素和自然因素组成，在自然条件下是由土壤、气候、植被、水文、地貌等自然地理因素相互影响、相互作用所形成的[23-24]。自然地理因素在空间上具有地域分异规律，其规律由地带性规律和非地带性规律组成，地带性规律包含经度地带性、纬度地带性、垂直地带性，这三种地带性不仅能够很好的控制自然地理环境大陆层次和区域层次的地域分异，还能对区域内的变化进行系统研究，属于大、中尺度的地域分异规律[25-26]。本研究区域涉及范围广，属于大、中尺度的地域分异，深受地带性规律的影响。为此，本研究主要对经度、纬度和海拔3个地带性规律进行研究。

2.1 盐碱化程度由西向东的变化特点

北疆地区盐碱化程度随经度由西向东的变化结果见图2 A，可以看出随着经度的增加，盐碱化程度由西向东呈增大趋势。盐碱化程度与经度呈较好的线性关系(P=0.703)，二者Pearson相关系数达到0.838，说明北疆地区的盐碱化程度与经度具有较强的相关性。

将经度划分为三个梯度，每个梯度区间的盐碱地变化结果(图2B)显示，在E80°～E85°范围内，盐碱化程度波动幅度较小，其最大值为16.21%，盐碱地面积平均增加4.52%，盐碱化程度为7.24%；在E85°～E90°范围内，盐碱化程度波动较大，其最大值为19.32%，此区间内，盐碱地面积平均增长9.64%，盐碱化程度为17.14%；在E90°～E96°范围内，盐碱化程度波动较大，其最大值为53.98%，此区间中，盐碱地面积平均增长34.59%，盐碱化程度达到75.62%。因此，北疆地区盐碱分布最广泛的区域主要落于E90°～ E96°范围中。

A: 变化特征; B: 变化趋势A: Variation characteristics; B: Variation trend图2 盐碱化程度沿经度由西向东的变化特征和变化趋势Fig.2 Variation characteristics and trend of salinization degree from west to east along longitude

2.2 盐碱化程度由南向北的变化特点

北疆地区盐碱化程度随纬度由南向北的变化结果见图3 A，可以看出，随着纬度的增加，盐碱化程度由南向北呈减小趋势。盐碱化程度与纬度呈较好的线性关系(P=0.590)，二者Pearson相关系数达到-0.768，说明北疆地区的盐碱化程度与纬度具有较强的相关性。

A: 变化特征; B: 变化趋势A: Variation characteristics; B: Variation trend图3 盐碱化程度沿纬度由南向北的变化特征和变化趋势Fig.3 Variation characteristics and trend of salinization degree from south to north along latitude

将纬度划分为三个梯度，每个梯度区间的盐碱地变化结果(图3B)显示，在N40°～ N43°范围内，盐碱化程度波动幅度较大，其最大值为99%，盐碱地面积平均增加62.18%，盐碱化程度为77.82%；在N43°～ N46°范围内，盐碱化程度波动较小，其最大值为27%，此区间内，盐碱地面积平均增加9.93%，盐碱化程度为16.73%；在N46°～ N49°范围内，盐碱地面积比例波动小，其最大值为16%，此区间中，盐碱地面积平均增加4.37%，盐碱化程度为5.45%。因此，北疆地区盐碱分布最广泛的区域主要落于N40°～ N43°范围中。

2.3 盐碱化程度由海拔低到高的变化特点

北疆地区盐碱化程度随海拔由低到高的变化结果见图4 A，可以看出随着海拔高度的增加，盐碱化程度由低到高呈减小趋势。盐碱化程度与海拔高度呈较好的线性关系(P=0.588)，二者Pearson相关系数达到-0.767，说明北疆地区的盐碱化程度与海拔高度具有较强的相关性。

A: 变化特征; B: 变化趋势A: Variation characteristics; B: Variation trend图4 盐碱化程度沿海拔高度由低到高的变化特征和变化趋势Fig.4 Variation characteristics and trend of salinization degree from low to high along the altitude

将海拔高度划分为三个梯度，每个梯度区间的盐碱化变化结果(图4B)显示，在-160～500 m范围内，盐碱化程度波动幅度较大，其最大值达到96.36%，盐碱地面积平均增加35.57%，盐碱化程度达到47.41%；在500 ～1 200 m范围内，盐碱化程度波动较小，其最大值为38.14%，此区间内，盐碱地面积平均增长22.89%，盐碱化程度为31.88%；在1 200～2 500 m范围内，盐碱化程度波动较小，其最大值为36.20%，此区间中，盐碱地面积平均增加7.69%，盐碱化程度为20.71%。因此，北疆地区盐碱分布最广泛的区域主要落于-160～500 m范围中。

3 讨论

欧洲学者曾提出在中生代时期存在一个从南半球到北半球的古地中海。当时，新疆位于古地中海的边缘。后来，由于地球板块运动，古地中海萎缩，到了大约四千万年前，又由于印度板块与亚欧板块碰撞造成的剧烈地壳运动，使得青藏高原与喜马拉雅山隆起，露出海面，而塔里木盆地与准噶尔盆地下沉，形成两个巨大的洼地[27]。水分在漫长的地球自转运动过程中，由高处逐渐汇聚在洼地，形成尾闾湖，由于气候干燥、降水量稀少、蒸发量大的西北地区独有的气候条件，使得湖周围形成大量盐壳，土壤盐渍化严重。

本研究结果显示，随着经度的变化，盐碱化主要集中分布在E90°～E96°范围内；随着纬度的变化，盐碱化主要集中分布在N40°～N43°范围内，该区域主要包含吐鲁番和哈密地区。根据中国土壤图[19]对新疆北疆土壤类型分布介绍可知，本研究盐碱化程度集中分布区域的土壤类型为淡棕钙土、灰棕漠土、灰漠土、石膏棕漠土、石膏盐盘棕漠土，其中石膏盐盘棕漠土是5种土壤类型当中分布最广且最为密集的一种，其含盐量为23%～30%。石膏盐盘棕漠土主要分布在吐鲁番地区的艾丁湖及哈密地区南部的噶顺盆地，是世界荒漠土壤中罕见的一种，其特征主要是土层表面存在大量盐盘，其盐分组成中以氯化钠占绝对优势，从而形成坚硬的岩盐。杨立杰等[28]对吐鲁番地区盐碱土进行研究，发现吐鲁番地区由于常年干旱、降水量稀少、蒸发量较大导致土壤母质发生变化，使得土壤不能通过降水淋洗进行洗盐过程，而在其表面形成一层新的盐壳从而导致盐渍化程度越来越高。东部地区主要包含吐鲁番地区东南部、哈密地区南部，其中盐碱化程度最为集中的区域是吐鲁番地区，而东部地区土壤类型主要以石膏盐盘棕漠土为主，其本身含盐量较高，从而使得盐碱化程度较高。由此可知，土壤类型对盐碱化程度的影响较大。

图5 盐碱化程度随海拔变化Fig.5 Degree of salinization varied with the altitude

哈密和吐鲁番地区是盐碱化程度集中分布区域，气候特征为干旱、少雨、蒸发量大。严凤鸣[29]通过对北疆降水量研究发现，北疆降水量自西向东呈递减趋势，气候特征随经度的变化由西向东呈干旱趋势；刘晓伟等[30]对新疆地区近54年水资源的气候特征进行研究发现，降水量由西向东呈递减趋势、蒸发量由南向北呈递减趋势，结合本研究盐碱化程度沿经度由西向东和沿纬度由北向南的结果可知，盐碱化程度除了受土壤类型的影响，还受到降水量和蒸发量的影响。此外，北疆地区的中部和东部存在大量的尾闾湖，例如：准噶尔盆地北部，以乌伦古湖形成的尾闾湖为主；准噶尔盆地西部，以玛纳斯河及艾比湖所形成的尾闾湖为主；天山中部，以阜康、奇台、木垒等地为主；天山北部，以巴里坤湖形成的尾闾湖为主；天山以南，以艾丁湖形成的尾闾湖及哈密盆地南部的噶顺戈壁为主，而这些区域海拔高度基本小于 1 500 m，其中以乌伦古湖、艾比湖、艾丁湖3个典型的尾闾湖最为特殊，其湖面海拔高度分别为：300、189、-155 m，且气候都为典型的干旱气候[31-34]，尾闾湖周围由于土壤盐分长期积累，使得该区域盐碱化程度较高。结合图5可知，盐碱化程度随海拔高度的增加呈减小的趋势，这与本研究得出的盐碱化程度随海拔高度变化的结果一致。顾峰雪等[35]对阜康地区土壤盐渍化程度进行划分得出，在纬度梯度上从南至北，按照中盐渍土—强盐渍土—盐土—强盐渍土—盐土—非盐渍土的顺序依次分布，由此可以看出越向北推移土壤盐渍化程度呈现更加明显的逐渐降低趋势。这与本研究在纬度梯度上所得出的结果大致相似。综上可以看出，盐碱化程度主要与土壤类型、降水量、蒸发量有关，其中土壤类型对北疆地区盐碱化程度起着决定性作用。盐碱化集中分布于新疆北疆地区中部和东部低海拔的平原和尾闾湖区域，盐碱化程度越高将会对该区域植被、经济作物、农业等生产造成更大的危害，若对该区域盐碱地进行改良，降低该区域盐碱化程度，则会对盐碱地的综合治理起到良好的促进作用。