近10年新疆不同程度盐渍化耕地的时空变化特征*

庄庆威，吴世新，杨怡，牛雅萱，颜瑜严

(1 中国科学院新疆生态与地理研究所， 乌鲁木齐 830001； 2 中国科学院大学， 北京 100049)(2019年6月5日收稿； 2019年10月15日收修改稿)

耕地盐渍化是土地荒漠化的类型之一, 是土地退化的重要表现，耕地盐渍化问题始终是干旱区农业可持续发展和改善环境质量的战略问题[1-2]。新疆的两大盆地深居欧亚大陆腹地，远离海洋，气候极端干旱，生态环境非常脆弱。受自然环境以及多年来不合理的耕作灌溉方式的影响，新疆盐渍化土地呈现面积大、类型多、积盐重、形成复杂等特点[3]。

20世纪80年代以来，中国耕地呈现出“南减北增，总量基本保持平衡，新增耕地重心逐步由东北向西北移动”的基本特征[4-8]。在此背景下，新疆已经成为中国重要的粮棉生产基地和国家粮食安全后备基地，对于中国农业经济发展、保证粮食安全和社会稳定具有重要的战略作用[9-11]。耕地盐渍化导致地面植被生产力下降、土地退化、生物多样性降低，不仅阻碍新疆农业的可持续发展，而且严重威胁着新疆的农业安全和粮食产量。探究耕地盐渍化时空变化特点，不仅是土地利用变化对土壤质量影响研究的重要组成部分，对保护绿洲农业生态系统也具有重要意义[12-14]。

学者对耕地盐渍化的类型、成因、改良方法和遥感信息提取等展开了大量研究[15-22]。目前有关新疆的耕地盐渍化研究的空间尺度主要集中在某一地区或流域[23-26]，在空间上不具有连续性和均衡性，针对全疆耕地盐渍化的研究较少，而全疆尺度上的耕地盐渍化信息对于新疆乃至西北干旱区耕地盐渍化的预防和治理具有重要意义。本文运用地统计学中的土地利用转移矩阵和动态度对新疆灌区盐渍化耕地数据进行分析，探究新疆盐渍化耕地时空演变特征，为新疆灌区耕地盐渍化预防和改良，以及绿洲农业的可持续发展提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与研究区概况

图1 研究区概况与采样点分布图Fig.1 Study area and the distribution of sampling points

1.2 研究方法

1.2.1 盐渍化耕地分类分级体系

以新疆二次土壤普查有关土壤盐渍化分类体系为基础，以0～30 cm土壤盐分含量为依据，结合盐分组成、地下水埋深、地下水矿化度、pH值、土壤盐分对农作物生长的危害程度等，建立研究区盐渍化耕地分级分类体系。盐渍化耕地评价指标既有定性指标又有定量指标，存在量纲不统一的问题，需要先对数据进行标准化处理。考虑到定性和定量数据的标准化统一计算，本文对各指标数据采用百分制形式进行量化分级，确定研究区的评价指标的分级标准及等级划分，如表1所示。(0，20]为盐土，(20，40]为重度盐渍化耕地，(40，60]为中度盐渍化耕地，(60，80]为轻度盐渍化耕地，(80，100]为非盐渍化耕地。

表1 新疆盐渍化耕地评价指标等级表Table 1 Evaluation index of salinized cultivated land in Xinjiang

1.2.2 土地利用转移矩阵

运用地统计学中的土地利用转移矩阵方法[27-29](表2)，能够清晰地反映下列变化：1)两个时期不同等级盐渍化耕地面积的变化情况；2)不同等级盐渍化耕地从前一个时期向后一个时期的转移量；3)后一个时期盐渍化耕地类型由前一个时期盐渍化耕地类型的转移来源数量。该方法能够全面又具体地分析区域土地利用变化的数量结构特征与各用地类型变化的具体方向,因此本文运用该方法将2005和2014年新疆盐渍化耕地数据进行对比分析，探索近10年来新疆灌区盐渍化耕地的演变规律，该工作在航天宏图自主研发的PIE遥感软件中完成。

在转移矩阵的基础上还可以算出其净变化量、交换变化量及总变化量。

净变化量(Dj)的计算公式为

Dj=MAX(Pi+-Pii,P+j-Pj)-

MIN(Pi+-Pii,P+j-Pj).

(1)

交换变化量(Sj)的计算公式为

Sj=2×MIN(Pi+-Pii,P+j-Pj).

(2)

总变化量(Cj)就是净变化量和交换变化量之和，计算公式为

Cj=Dj+Sj=MAX(Pi+-Pii,P+j-Pj)+

MIN(Pi+-Pii,P+j-Pj).

(3)

式中：T1-T2为研究期时长；行和列的A1至An分别为T1时间和T2时间不同等级盐渍化耕地；Pij为研究期内i类盐渍化耕地转换为j类盐渍化耕地面积；Pii表示i类盐渍化耕地没有发生转换的面积；Pi+和P+j表示T1和T2时段i类、j类盐渍化耕地的变化面积；Pi+-Pii和P+j-Pjj分别为研究期间i类盐渍化耕地减少面积、j类盐渍化耕地增加面积。

1.2.3 土地利用动态度

综合土地利用动态度[30](comprehensive land use dynamics, CLUD)反映土地利用变化的剧烈程度，不同地区的动态度数值的差异可以判断土地利用变化的热点区域，计算公式为

K

(4)

式中：K表示综合土地利用动态度；Uai和Ubi分别表示研究初期和末期某种土地类型的面积；T表示时长。

表2 土地利用转移矩阵Table 2 Land use transfer matrix

2 结果分析

2.1 新疆盐渍化耕地分布现状

新疆灌区盐渍化耕地主要分布在洪积、冲积扇边缘、大河三角洲中下部、干三角洲低部、河流低阶地以及滨湖平原等处。北疆灌区内盐渍化耕地主要分布在呼图壁河流域、玛纳斯河流域、艾比湖流域冲积平原以及阿尔泰山两河流域平原区，以轻度盐渍化为主。南疆的盐渍化耕地重点分布于天山南麓山前平原(包括阿克苏流域区、开都河及孔雀河流域、渭干河流域)、叶尔羌河流域冲积平原、喀什河三角洲，这3个地区盐渍化耕地占比最大，中度和重度盐渍化耕地比例高于全疆其他地区，是新疆盐渍化治理的重点区域。

统计结果(表3)显示，新疆盐渍化耕地在数量和构成上具有明显的差异性。南疆盐渍化耕地面积明显高于北疆。

表3 新疆不同等级盐渍化耕地的面积及其占比Table 3 Areas and percentages of different degrees of salinized cultivated land in Xinjiang

2.2 新疆盐渍化耕地时空演变格局分析

通过近10年盐渍化耕地的动态变化图和转移矩阵结果可以发现，不同等级盐渍化耕地分布特征和演变规模具有明显的差异性(图2，表4)。

图2 2005—2014年新疆不同等级盐渍化耕地动态变化图Fig.2 The dynamic change map of different degrees of salinized cultivated land from 2005 to 2014 in Xinjiang

表4 2005—2014年不同等级盐渍化耕地面积与转换规模Table 4 Areas and conversion scales of different degrees of salinized cultivated land between 2005 and 2014104 hm2

1)新疆非盐渍化耕地转入面积为25.84×104hm2，转出面积为37.85×104hm2，净减少12.01×104hm2，动态度为-3.03%；转入土地主要来源于伊犁河谷、天山北麓绿洲、喀什三角洲、渭干河流域等区域内的灌区周边盐碱地、轻度和中度盐渍化耕地，以硫酸盐化和氯盐化为主；转出部分主要进入城镇居民及工矿用地和其他用地。

2)新疆盐渍化耕地转入面积为50.23×104hm2，转出面积为38.32×104hm2，净面积增加11.19×104hm2，动态度为0.56%。轻度盐渍化耕地和中度盐渍化耕地面积增加，重度盐渍化耕地面积减少；中度盐渍化耕地动态度最高，重度盐渍化耕地动态度小于零。

其中，轻度盐渍化耕地转入34.18×104hm2，转出28.51×104hm2，净面积增加5.67×104hm2，动态度为0.36%；转入部分主要来自灌区周边盐地、中度盐渍化耕地和其他类型土地，面积分别为25.36×104、0.43×104和6.44×104hm2，转出部分主要进入灌区周边盐土、非盐渍化耕地和城镇居民及工矿用地，面积分别为1.97×104、21.08×104和0.49×104hm2。

中度盐渍化耕地转入面积为11.38×104hm2，转出面积为5.59×104hm2，净面积增加6.24×104hm2，动态度为1.73%；转入部分主要来自灌区周边盐土、重度盐渍化耕地和其他类型土地，面积分别为7.69×104、2.55×104和2.88×104hm2，转出部分主要进入灌区周边盐地和轻度盐渍化耕地，面积分别为4.71×104和0.43×104hm2。

重度盐渍化耕地转入面积为3.77×104hm2，转出面积为4.12×104hm2，净面积减少0.35×104hm2，动态度为-0.49%；转入部分主要来自灌区周边盐土和其他土地，面积分别为2.81×104和0.39×104hm2，转出部分主要为灌区周边盐地、轻中度盐渍化耕地，面积分别为2.60×104、0.52×104和0.68×104hm2。

2.3 盐渍化耕地时空演变的区域差异

2.3.1 盐渍化耕地的区域结构差异

新疆各地区气候、地貌、地形、土壤、成土母质等自然条件不尽相同，土地开发利用强度和模式也存在差异，不同地区盐渍化耕地在发生、分布、结构、数量以及时空演变等方面既具有一定的相似性，又存在一定的差异性(图3)。

图3 2005—2014年新疆各地区盐渍化耕地占比的动态变化Fig.3 The dynamic changes in percentage of areas in salinized cultivated land in different regions of Xinjiang from 2005 to 2014

1)乌鲁木齐和伊犁地区的盐渍化耕地占比较少，不足耕地总面积的10%；克拉玛依、巴州、阿克苏和喀什，盐渍化耕地占比超过40%，其中，巴州2014年盐渍化耕地占比超过65%；吐鲁番地区盐渍化耕地占比低于20%，其余地区盐渍化耕地占比分布在20%～40%。从图3中可以直观看出，新疆盐渍化耕地的区域差异非常大，南疆盐渍化耕地占比明显高于北疆，巴州盐渍化耕地占比超过乌鲁木齐盐渍化耕地占比的20倍。

2)新疆各地区轻度盐渍化耕地占比均有所增长，主要位于新垦区，各地区新垦土地的数量、自然条件和管理模式存在较大差异，轻度盐渍化耕地增长情况存在明显差异。巴州轻度盐渍化耕地增幅位居首位，增长9.36%，克州增幅最小，仅为0.04%；乌鲁木齐、塔城、博州增幅稍大于克州，分别为0.47%、1.07%和1.98%，其余各地区增幅在2%～6%。

3)新疆各地区中度盐渍化耕地变化情况差异性较大。昌吉、伊犁、塔城和哈密地区，中度盐渍化耕地分别减少0.07%、0.30%、0.27%和2.02%；乌鲁木齐、克拉玛依、和田、吐鲁番、阿勒泰和博州等地区，中度盐渍化耕地有小幅增加，增幅均在1%之内；克州、喀什、巴州和阿克苏地区，分别增长1.08%、2.71%、2.75%、和3.15%。

4)2005和2014年，乌鲁木齐、吐鲁番、哈密、昌吉和伊犁重度盐渍化耕地占比均小于0.01%；喀什地区重度盐渍化耕地增长0.28%，其余各地区重度盐渍化耕地占比均有不同幅度的下降，其中克拉玛依、博州、和田、博州和阿克苏下降比例超过1.5%。

2.3.2 盐渍化耕地的区域变化活跃程度差异分析

通过计算新疆各地区盐渍化耕地综合利用动态度 (图4)，评价与分析结果显示，各地区盐渍化耕地面积变化活跃程度也存在差异：以全疆盐渍化耕地平均综合利用动态度(CLUD=1.36)作为一个衡量值，将各地区盐渍化耕地综合利用动态度划分为5个类型，缓慢减少型(CLUD<0)、基本稳定型(0≤CLUD<0.50)、缓慢增长型(0.50≤CLUD<1.36)、快速增长型(1.36≤CLUD<5)和急剧增长型(CLUD≥5)。

克拉玛依的CLUD值小于零，其余各地区CLUD值均大于0，说明克拉玛依盐渍化耕地面积呈下降趋势，其余各地区盐渍化耕地面积呈增长趋势。综合利用动态度高、快速变化的地区主要集中在南疆，其中克州活跃度最高，CLUD值为4.19，喀什和巴州的CLUD值分别为1.45和2.05，活跃度超过全疆平均水平。综合利用度较低、缓慢增长的地区包括吐鲁番、哈密、伊犁和阿克苏。乌鲁木齐、和田、塔城、昌吉、博州和阿勒泰地区属于基本稳定型，多集中在北疆地区。

2.4 土地利用变化对盐渍化耕地的影响

通过对两期土地利用数据进行叠加分析，统计近10年间不同土地类型的面积，并据此获得研究区内各土地利用类型间的转移矩阵(表5)。结果显示，新疆耕地面积增加151.47×104hm2，主要流入来源为草地、林地和未利用地；林地面积略有减少，总体保持稳定；草地面积减少117.57×104hm2，主要转出为耕地和未利用地；建设用地面积增加22.12×104hm2，增幅高达42.56%，说明近10年人类活动和工程建设比较活跃。

整体来看，草地、耕地和未利用地3种土地利用类型之间的相互转移比较强烈。草地转移至耕地面积为112.42×104hm2，未利用地转移至耕地面积为34.48×104hm2。草地—耕地转化区内，轻度盐渍化耕地面积占转化区面积的28.86%，中度、重度分别占比6.99%和0.92%；未利用地—耕地转化区内，轻度盐渍化耕地面积占转化区面积的26.37%，中度、重度分别占比5.58%和0.72%。结果表明不同土地利用模式变化对盐渍化耕地的影响不同，新垦耕地的盐渍化程度类型在很大程度上受原有土地利用模式的影响。

2.5 新疆盐渍化耕地成因分析

2.5.1 自然因素

气候干旱、降水稀少、蒸发强烈。新疆平原地区年平均降水量约50～200 mm，而蒸发量却高达1 500～3 000 mm，降水少，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。

地形封闭，盐分无外泄条件。新疆的内陆河从山区淋溶盐分，通过地表水和地下下水径流，不断向盆地输送、累积却不能排出，初步估算仅塔里木河和准噶尔内陆河每年带入两大盆地的盐分就达7.94×107t。

母质含盐量高。山前地带普遍分布着含盐的第三纪和第四纪地层，盐分含量达到50～900 g/kg，一些山前洪积冲积扇10 m深的土层含盐量可达到50～100 g/kg。

2.5.2 人为因素

水资源利用仍存在许多问题，引起地下水位升高，小于临界深度。近年来，新疆虽然加大了水利投资，在节水灌溉等方面取得了很大成绩，使得老灌区耕地盐渍化有减轻趋势。但不少地区渠道防渗和节水灌溉还比较差，有些地区灌溉定额仍在1×104～1.5×104m3/hm2，依然在加大渠道渗漏和田间渗漏对地下水的补给。

农业的土地利用与种植结构不合理。新垦荒地多分布在灌区边缘，大部分开垦的是重盐碱土，土地未进行精细平整，使灌水不均匀，造成低处积水，高处积盐。除粮食作物外，大部分为棉花，而温养土地的作物苜蓿、绿肥几乎见不到。有机肥使用量减少，化肥使用量增加，造成土壤板结，影响土壤蓄水保熵，降低了作物的抗盐性能。

3 结论与讨论

2014年，全疆盐渍化耕地面积为233.05×104hm2，占耕地总面积的37.72%，盐渍化等级以轻度为主；研究期内，盐渍化耕地面积有所增加，但盐渍化危害程度明显减弱，盐渍化耕地大都呈现稳定脱盐趋势。新增盐渍化耕地主要位于新垦区，自然条件相对较差，其中各类盐化土壤大量被开发，转化为轻中度、中重度盐渍化耕地，伴随盐渍化耕地的改良治理，盐渍化危害程度明显减弱。老灌区盐渍化耕地经过不断治理、改造，轻度盐渍化耕地向非盐化耕地转化，中度盐渍化耕地向非盐渍化和轻度盐渍化耕地转化，重度和盐碱地多向中轻度和非盐化耕地转换。

新疆各地区气候、地貌、地形、土壤、成土母质等自然条件不尽相同，土地开发利用强度和模式也存在差异，各地区盐渍化耕地在发生、分布、结构、数量以及时空演变活跃程度等方面既具有一定的相似性，又存在一定的差异性。南疆的中度和重度盐渍化耕地比例高于北疆地区，是新疆盐渍化治理的重点区域。通过计算新疆各地区盐渍化耕地综合利用动态度，各地区盐渍化耕地面积变化活跃程度也存在差异，克拉玛依的CLUD值小于零，其余各地区CLUD值均大于0，说明克拉玛依盐渍化耕地面积呈下降趋势，其余各地区盐渍化耕地面积呈增长趋势。

因此，各地区既要因地制宜地制定盐渍化耕地改良利用方案,又要与全局治理规划相一致。制定全局与地方、大流域与局部地区、短期与长期相结合的盐渍化耕地治理战略规划，合理开发利用土地资源及盐土资源，严格控制垦荒规模。