新疆喀什噶尔河流域土壤盐渍化分布特征及时空演化分析

申得有，李升，高远，葛燕燕

(新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830047)

土地是重要的生产生活资源，受自然条件加上愈加频繁的人类活动，土壤盐渍化现象便随之而来[1-3]。土壤盐渍化问题严重制约着农业经济以及人类生产生活，已经成为各国重点关注的生态问题之一[4-5]。尤其在中国西北干旱半干旱地区，当地主要依靠农业发展地方经济[6-7]，因此，亟需解决盐渍化问题，从而有利于提高当地生产及经济效益。

针对盐渍化问题对世界各地产生的不利影响，受到了中外学者的广泛关注[8-9]。赛佳美[10]在内蒙古腰坝绿洲分析了近50年盐渍化特征与灌溉水质变化情况，阐明了灌溉水质与当地土壤盐渍化之间的紧密关系及其影响程度。李艳菊[11]以渭-库绿洲带为研究区，依据2006—2017年采集数据，分析区内不同年份不同深度土层的盐渍化时空变化特征定量分析了地形湿度指数、地下水溶解性总固体(total soluble solids，TDS)等影响因素对土壤盐分的综合作用。柳菲[12]在民勤绿洲通过野外调查及采样和试验分析，明确了不同土地利用类型条件下的水盐特征，并分析了土壤盐渍化成因。

红色框内为研究区图1 研究区地理位置示意图Fig.1 Geographical location of the study area

经现场勘察及收集到的资料表明，喀什噶尔河流域内存在小麦、棉花、果树等经济作物，土地利用率较高，加上干旱半干旱气候下自然条件的影响，流域内土壤盐渍化现象十分突出[13-14]。在取样测试和往期资料的帮助下，采用地统计学、动态度模型等方法，详细分析研究区土壤盐渍化的分布特征，并对区内多年的盐渍化情况进行时空演化分析，旨在对喀什噶尔河流域的土壤盐渍化治理和生态文明建设提供较为合理的理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区喀什噶尔河流域位于新疆西南部喀什地区，属典型干旱半干旱气候，区内降雨量小，蒸发量大其地理位置示意图如图1所示。喀什噶尔河流域地形坡度变化大，西高东低，三面环山，呈现开口向东的“簸箕”状地形[15-16]。流域中上游地下水位埋深多大于3 m，现均开发为城镇或农业绿洲用地，地表被人工植被覆盖，为流域主要农业经济区；下游河间地块地势低洼平坦，地下水位埋深浅，形成了部分沼泽湿地，土壤盐渍化较严重[17]。本次研究区面积约为3.28×104km2。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤盐渍化分级标准

采用如表1[18]所示的土壤盐化分级标准进行分级，利用土壤检测数据，同时综合考虑盐渍化程度、农作物类型等因素，最终确定研究区土壤盐渍化级别。

1.2.2 土地利用动态度模型

土壤盐渍化具有空间区位的固定性与独特性的特点，因此为更加准确认识研究区内土壤盐渍化的动态演变过程，就要对研究区的土壤盐渍地变化进行定位化定量化的空间分析[19]。利用单一土地利用动态度可表达区域一定时间范围内，不同类型盐渍地变化速度的情况计算公式为

(1)

式(1)中：Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某一种盐渍地的面积；T为研究时间间隔，当设定T为年时，K为研究时段内某种类型盐渍地的年变化率。

1.2.3 转移矩阵

土壤盐渍化演化规律分析还可以用转移矩阵来实现。转移矩阵可以定量表明不同土盐渍化土壤之间的转化情况，还可以通过不同盐渍化土壤之间的转移速率，判断流域内土壤盐渍化变化趋势[20-21]，计算公式为

(2)

式(2)中:n为土地利用类型；Sxy为研究区研究时段初期x类盐渍化土壤到研究末期转为y类盐渍化土壤的面积，km2。

1.2.4 重心迁移

通过计算盐渍化土壤重心的变化来分析区域不同土壤盐渍化等级变化和人类活动的空间特点[22-23]。计算不同类型盐渍化土壤重心的公式如式(3)、式(4)所示，并通过分析不同类型盐渍化土壤重心移动的方向和幅度来把握研究区不同类型盐渍化土壤变化趋势。

(3)

(4)

式中：Xt、Yt分别为第t年某种盐渍化土壤类型重心的坐标；n为第t年该盐渍地类型的斑块数；Cti为第t年该盐渍化土壤类型第i个斑块的面积；Xti、Yti分别为第t年该盐渍化土壤类型第i个斑块的几何中心坐标。

2 结果与分析

2.1 土壤盐渍化分布特征

以取样送检的土壤易溶盐数据为依据，结合土壤盐化分级标准，利用ArcGIS插值得到如图2所示的研究区2019年(现状年)土壤盐渍化分布。

从图2可以看出，研究区内轻度盐渍化(土壤含盐量<2 g/kg)区域一部分以乌恰县南部-阿克陶县西部-英吉沙县呈条带状展布，一部分位于岳普湖县东部、伽师县南部，面积约为1.15×104km2；中度盐渍化(2～4 g/kg)区域位于疏附县、阿克陶县东部，岳普湖县西部以及伽师县北部，面积约为0.98×104km2；重度盐渍化(4～10 g/kg)区域大致分布在喀什噶尔河下游，一部分位于伽师县东部、巴楚县周围，一部分在英吉沙中部呈条带状展布，面积约为0.54×104km2；盐土(极重度盐渍化，>10 g/kg)区域以巴楚县北部-阿瓦提县呈近东-西向条带状展布，面积约为0.61×104km2。

图2 研究区2019年土壤盐渍化分布Fig.2 Distribution of soil salinization in the study area in 2019

2.2 土壤盐渍化时空演化分析

2.2.1 时间演化分析

(1)不同类型盐渍化土壤面积变化。现状年盐渍化土壤分布使用2.1节分析结果，通过收集到的往年土壤盐渍化资料用ArcGIS软件绘出1970年、2000年、2010年、2017年土壤盐渍化分布，如图3～图6所示，不同年份不同类型土壤盐渍化面积比例统计如表2所示。结合不同年份的土壤盐渍化分布(图3～图6)分析盐渍化土壤面积变化情况。

图3 研究区1970年土壤盐渍化分布Fig.3 Distribution of soil salinization in the study area in 1970

图4 研究区2000年土壤盐渍化分布Fig.4 Distribution of soil salinization in the study area in 2000

图5 研究区2010年土壤盐渍化分布Fig.5 Distribution of soil salinization in the study area in 2010

图6 研究区2017年土壤盐渍化分布Fig.6 Distribution of soil salinization in the study area in 2017

根据图2～图6所示的5张不同年份土壤盐渍化分布以及表2所示的不同年份不同类型土壤盐渍化面积及比例，分析总结得出如下结论。

表2 不同年份不同类型土壤盐渍化面积比例统计Table 2 Statistics of salinization area proportion of different types of soil in different years

(1)从各类型土壤盐渍化面积的总体动态变化来看：在整个研究期内，轻度盐渍化面积呈现明显下降趋势；中度盐渍地面积则呈现较为明显的上升趋势；重度盐渍化面积在1970—2010年呈上升趋势，在2010—2019年则呈下降趋势；极重度盐渍地面积在1970—2000年增加较多，在2000—2019年一直呈减少趋势。表明流域内土壤盐渍化情况经历了前期加重，之后逐渐优化的过程。

(2)从各类土壤盐渍化在总面积中的所占比重来看，1970年轻度盐渍化所占比重最大，极重度盐渍化占比次之，中度、重度盐渍地所占比重相等且最少，所占比重分别为63%、19%、9%和9%；在2000年，各类盐渍地所占比重发生了明显的变化，所占比重的大小依次为极重度盐渍地>轻度盐渍地>重度盐渍地>中度盐渍地；在2010年和2017年类盐渍地所占比重差异变化不大，轻度盐渍地均占主要比重。在2019年，轻度盐渍地和中度盐渍地面积占比最大，所占面积之和占总面积达65%，重度和极重度盐渍地面积均占比不大，分别为16%和19%。

(3)不同类型盐渍化土壤演化速度。单一动态度的正负表示该类型盐渍地面积增减，其数值则表示增减的速度；综合动态度则表示一个研究时段内整个研究区内盐渍地整体变化速度，利用研究区五期土壤盐渍化数计算得出单一动态度K和综合动态度(LC)，计算结果如表3所示。

根据表3中计算出的研究区土壤盐渍化单一动态度和综合动态度分析得出如下结论。

表3 不同类型土壤盐渍化动态度Table 3 Dynamic attitude of different types of soil salinization

(1)不同类型土壤盐渍化在不同研究时段表现出不同的变化速度，轻度盐渍地自1970年以来变化速率总体上呈波动趋势；中度盐渍地在2000—2019年均呈增长态势，其中在2000—2010年的变化速率更是达到0.46%；重度盐渍地在1970—2010年变化速率均呈加速态势，在2010—2019年则有所减缓，变化速率为负；极重度盐渍地在多年间变化速率呈波动趋势，总体上变化不明显。

(2)在4个不同时段，各盐渍地类型年均变化速度各不相同。在1970—2000年各类型土壤盐渍化年均变化速度最慢，综合动态度为4.52%；在2010—2017年变化速度最快，综合动态度高达17.07%在2000—2010年和2010—2017年，研究区各类型土壤盐渍化平均变化速度居中，综合动态度分别为11.76%和8.38%。由此可见，研究区在2010—2017年的各类型土壤盐渍化年均变化速率要高于其他各年份变化速率，说明在此期间，研究区各类型土壤盐渍化的结构发生了显著的变化，是土壤盐渍化变化较大的时期。

通过对研究区各类型土壤盐渍化的动态度进行总体分析，结果表明中度类型土壤盐渍化增长迅速，轻度和极重度类型土壤盐渍化呈波动趋势，而重度类型土壤盐渍化则表现为先加速增长之后逐渐恢复的趋势。总之，在1970—2010年，研究区类型土壤盐渍化问题呈现加速恶化的态势，在2010—2019年，类型土壤盐渍化出现波动减缓的态势。

2.2.2 空间演化分析

按照1970—2000年、2000—2010年、2010—2017年、2017—2019年4个时间段，利用ArcGIS对5期盐渍化类型图进行空间分析，得到如表4～表7的4个时段内的研究区土壤盐渍化面积转移矩阵和表8所示的不同盐渍地类型的面积转入、转出。

表4 研究区1970—2000年不同程度盐渍地转移矩阵Table 4 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 1970 to 2000

(1)从4个时段各类型的转移面积来看，轻度盐渍地向中度盐渍地、重度盐渍地和极重度盐渍地均有不同程度的转移。其中，轻度盐渍地转向中度盐渍地和重度盐渍地的面积相对较大，转移为极重度盐渍地的面积相对较少，在1970—2000年，轻度盐渍地转为极重度盐渍地面积为71×102km2，其余各年份分别为1×102、2×102、0 km2；中度盐渍地转为其他类型盐渍地的面积最少，其转化面积均在25×102km2以内；重度盐渍地转和极重度盐渍地转为其他类型盐渍地面积居中，在0～73×102km2。由此可见，1970—2000年是研究区盐渍化急剧加重的阶段。

表5 研究区2000—2010年不同程度盐渍地转移矩阵Table 5 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2000 to 2010

表6 研究区2010—2017年不同程度盐渍地转移矩阵Table 6 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2010 to 2017

表7 研究区2017—2019年不同程度盐渍地转移矩阵Table 7 Transfer matrix of saline land with different degrees in the study area from 2017 to 2019

表8 研究区不同程度盐渍化类型的面积转入、转出Table 8 Area transfer in and transfer out of different degrees of salinization types in the study area

(2)在4个时段内，各盐渍地类型均有一定程度的相互转化。其中，中度盐渍地的转出与转入面积最少，在各年份内其转换面积均在59×102km2以内，类型之间变换最小，最为稳定；轻度盐渍地在1970—2000年转出最多，高达102×102km2，在同年间极重度盐渍地的转入面积也出现骤增，达到99×102km2；另外，极重度盐渍地在2000—2010年大面积转出，转出面积多达105×102km2，除此之外其他年份间各类型盐渍地之间的转换面积变化均不大。由此可见在1970—2000年，研究区盐渍化呈加重态势，在往后的年份中逐渐趋于缓和。

通过对数据进行综合分析，可以直观看出各类盐渍地相互转移的情况，其中1970—2000年是整个研究区盐渍化加重阶段，而在2000—2010年，研究区内极重度盐渍化面积出现大幅度减小，中度和重度盐渍化面积在往后的年份中也未再大幅增加，整个研究区内盐渍化程度呈减缓趋势。

2.2.3 土壤盐渍化分布重心变化

利用盐渍地重心转移公式计算研究区不同类型土壤盐渍地的重心，并通过分析不同类型盐渍地重心移动的方向和幅度来把握研究区土壤盐渍化变化趋势，盐渍化重心变化如表9所示。

表9 研究区1970—2019年各类型盐渍地重心变化Table 9 Change of gravity center of various types of saline land in the study area from 1970 to 2019

根据表8、图3、图4可知，1970—2019年，轻度和中度盐渍地的重心往西南方向及阿克陶及英吉沙一带移动，其中,中度盐渍地的移动幅度最大，总计偏移了189 km，说明中度盐渍地49年来受自然因素和人为活动影响最大。其次是轻度盐渍地，偏移量达到69 km，表明此两种类型盐渍地都是向着喀什市噶尔河中上游的方向收缩，这与河流上游属于盐分溶滤带，地下水位埋深大，不易蒸发造成盐渍化，故盐渍化程度低的结论是一致的。

相反，重度和极重度盐渍地的重心则往东北方向及伽师县和岳普湖县一带移动，偏移量分别达到171 km和185 km，表明盐渍化加重情况向下游移动。这是因为下游土壤盐渍化加重明显受到天然条件下流域中下游盐分积聚以及人工条件导致排盐效果不佳的影响。

1970—2019年，各个类型的盐渍地重心都有较明显变化，这也反映了研究区近50年来自然因素和人为活动对研究区盐渍地在空间分布上的影响。

3 结论

以典型干旱半干旱地区新疆西南部喀什噶尔河流域为研究区，基于取样检测的易溶盐数据及收集的资料，采用GIS技术、转移矩阵、动态度模型等方法手段，分析了研究区现状年(2019年)的土壤盐渍化分布特征以及1970年至今的土壤盐渍化时空演化情况。得出如下结论。

(1)喀什噶尔河流域上游地段，喀什市、疏附县、疏勒县等周边地区为轻度盐渍化土壤，局部地段如英吉沙县附近分布重度盐渍化土壤。流域中下游地段及河流南岸分布重度盐渍化土壤；伽师县东部及河流北岸极重度盐渍化土壤分布广泛。

(2)通过对研究区各盐渍地类型的动态度进行总体分析，整个研究区内盐渍化在1970—2010年总体上呈加速恶化的态势;在之后的2010—2019年，盐渍化程度呈波动式减缓的态势。

(3)通过分析研究区盐渍地重心变化，明显看出轻度和中度盐渍地的重心都是向西南方向及阿克陶及英吉沙一带移动，其中，中度盐渍地的移动幅度最大，总计偏移了189 km，重度和极重度盐渍地的重心则往东北方向及伽师县和岳普湖县一带移动，偏移量分别达到171 km和185 km，表明盐渍化加重情况向下游移动。