内蒙古河套灌区近30年盐碱化时空演变及驱动因素分析

郭姝姝，阮本清，管孝艳，王少丽，李云鹏(中国水利水电科学研究院，北京 100048)

0 引 言

土地盐碱化是在自然、人为因素及其综合作用下盐碱成分在土壤中超量富集而形成的土地退化现象[1,2]。随着社会经济的发展，资源短缺与生态环境恶化的矛盾日益突出，合理利用盐碱地成为改良耕地质量与提升粮食产量的核心问题之一。盐碱化动态监测和驱动因素分析是盐碱地治理的重要前提。

随着3S技术全面快速的发展，利用遥感进行灌区盐碱地动态监测表现出独特优势。目前，遥感监测土壤盐碱化主要包括直接监测法和间接监测法。直接监测法主要依据土壤的光谱特征进行盐碱化信息提取；间接监测法主要是根据地表植被特征、土壤温度、土壤含水量等盐碱化间接指示因子来反演，但已有研究大多是根据植被状况来反演[3,4]。Allbed等[5]基于IKONOS遥感影像，研究了Al Hassa绿洲盐碱化，结果表明，利用红光和近红外波段构建的盐度指数SI可以很好地监测研究区土壤盐碱化空间分布。刘翠玲等[6]利用TM影像中盐碱地的光谱特征，提取了敦煌绿洲盐碱地分布区域，结果表明，利用TM遥感影像的3，5，6和7波段联合提取盐碱地信息的精确度最高。内蒙古河套灌区是我国重要的粮油生产基地，但由于气象水文、地质条件、不合理灌溉等因素综合影响，土壤盐碱化问题一直制约着灌区发展。目前针对河套灌区土壤盐碱化研究虽然很多[7]，但缺乏对近几十年盐碱化演变的长序列监测；而且对盐碱化演变驱动因素分析多为定性描述。因此，本文在河套灌区近30年土壤盐碱化演变动态监测分析的基础上，利用多元逐步回归法，对盐碱化驱动因素进行分析，对于准确了解灌区盐碱地演变规律和指导盐碱地综合治理有重要意义。

1 研究区概况

内蒙古河套灌区是中国最大的引黄河水自流灌区之一，也是我国重要的优质绿色农业产业基地和西北干旱半干旱地区最大的人工生态绿洲。灌区位于106°20′E～109°19′E，40°20′N～ 41°18′N之间，东西跨度约250 km，南北宽度达50 km，总土地面积为118.9万hm2。该地区夏季高温干旱、冬季严寒少雪，多年平均降水量仅有139～222 mm，而多年平均蒸发量高达1 999～2 346 mm，无霜期短、封冻期长，是典型的温带大陆性气候。灌区引黄灌溉面积为57.4万hm2，灌溉水含盐量约0.5 g/L，由总干渠(180 km)由西向东通过各级干渠、分干渠供水，灌溉退水通过各级干沟、分干沟，汇入灌区总排干(220 km)，最后以乌梁素海作为排水承泄区，全灌区现有总干渠1条，干渠13条，总干沟1条，分干沟10条[8]。灌区水循环模式为灌溉(降水)-下渗-潜水蒸发类型[9]，同时，由于农业管理措施落后，灌溉方式还是以传统的漫灌为主，灌区内引水灌溉系统年久失修，灌溉水渗漏严重，地下水埋深长期处于较浅水平，潜水大量蒸发，盐分表聚现象明显，矿化度增大，导致灌区土地盐碱化问题突出。

2 数据源与方法

2.1 数据源与预处理

地物的光谱特征是地表各种因子共同作用的综合结果[10]。季节变化引起地表覆盖的变化会影响盐碱地解译精度，因此，最好选择地表植被量和土壤含水量均较少的春季影像进行盐碱化研究[2,11]。考虑到遥感影像的空间分辨率、数据质量及影像获得的难易程度等因素，本研究选用Landsat TM/ETM卫星1987、1990、1993、2000、2006、2010和2014年春季影像，空间分辨率为30 m，7个波段包含了丰富的光谱信息。所采用的气象数据来自中国气象科学数据共享服务网。

利用ENVI遥感图像处理软件对河套灌区7期共28景TM/ETM影像进行大气校正、几何精校正、影像拼接、裁剪、图像增强等预处理工作，生成研究区7期遥感影像图，为土地利用分类提供数据准备。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用分类

利用遥感影像进行土地利用分类的方法主要有监督分类和非监督分类。非监督分类只是依据图像上不同类型地物的反射光谱特征进行地类划分，容易产生“同物异谱、异物同谱”现象，而监督分类根据野外调查获得的地物先验知识建立训练样本，可以提高分类精度，获得更满意的分类结果[12,13]。所以本研究选用监督分类法。

在遥感影像解译之前，首先对河套灌区进行实地考察，了解研究区土地利用现状，获取地物样本及分类精度评价验证区。根据影像特征及土地利用类型的调查研究，通过人机交互式目视解译，建立典型地物解译标志，最终将灌区土地利用划分为耕地、草地、水域、沙丘、盐碱地、沼泽地、居民地及其他建设用地7类。分类器采用最大似然法，它在遥感影像分类研究中应用范围最广，分类效果和适应性均优于其他分类器[14]。分类原理是假设每一个波段的每一类统计都呈正态分布，计算给定像元属于某一训练样本的似然度，像元最终被归并到似然度最大的一类当中[12]。

对遥感影像分类结果进行精度评价采用误差矩阵法，各行记录了地表检验信息，数值等于地面真实像元在影像分类结果中属于相应类型的个数，而各列记录着遥感影像的分类结果，数值为遥感影像分类结果中像元在地面真实像元相应类型中的个数[10]。对初步分类结果进行更改分类颜色、Majority/Minority分析、聚类处理、过滤处理、分类叠加、分类结果转矢量等操作，得到最终结果。

2.2.2盐碱化驱动因素分析

在SPSS软件环境下，将研究区近30年的气象、水文、灌溉排水等数据序列与盐碱地面积序列进行相关分析，确定与盐碱地相关性较高的因素后，以这些因素序列为自变量，以盐碱地面积序列为因变量构建回归模型。考虑到多个自变量之间可能存在着多重共线性问题，因此，本文在建模时采用多元逐步回归分析法。多元逐步回归法根据相关系数定义各自变量对因变量的贡献系数，据贡献系数大小自动从大量可供选择的变量中引入贡献最大的变量，同时剔除贡献最小的变量。确定变量后，根据变量的相关系数矩阵、协方差和平均值计算模型斜率和截距，据以建立回归分析的预测或解释模型[15]。

3 结果分析

3.1 河套灌区盐碱化时空演变

基于ArcGIS 10.1空间数据可视化表达功能，将河套灌区不同时期土地利用分类图制作成土地利用动态变化系列专题图(图1)，经统计和汇总得到不同时期各土地利用类型面积，为了直观比较，生成了盐碱地面积变化曲线(图2)。

利用野外考察获取的精度评价检验区对分类结果进行精度评价，生成误差矩阵。结果显示，2014年影像总体分类精度为82.68%，其中盐碱地分类精度为85.79%，漏分误差为12.37%，错分误差为5.13%。分类结果较满意。由于以前的实地调查数据已无法获取，而整个序列采用的分类方法相同，所以精度评价结果对其他影像分类精度也具有参考价值[16]。

根据图1和图2分析，1987-2014年期间，河套灌区盐碱地时空演变主要表现为以下特点：

(1)从时间变化来看，近30年来河套灌区盐碱地面积经历了萎缩-缓慢扩张-萎缩3个阶段，但总体呈现缩减趋势。1987-1993年间，灌区盐碱地面积大幅缩小，以中东部盐碱地面积减小幅度最大；1993-2006年间，盐碱地面积缓慢增加，2006年达到峰值1 377.78 km2，但并未增至1987年的盐碱化水平；2006年后，盐碱化再次进入缩减阶段，至2014年降至历年最低值。这主要与灌区灌排系统的完善有关，到20世纪90年代，灌区疏通了总排干沟，开通了乌梁素海至黄河的排水出路，形成了比较完善的灌排配套工程体系，整个灌区进入有灌有排阶段，在灌区引水量变化不大情况下，排水排盐量增加，盐碱地面积总体呈现减小趋势。

图1 河套灌区不同时期土地利用分类

图2 河套灌区不同时期盐碱地面积变化

(2)从空间演变来看，1987-2006年，灌区盐碱地空间分布集中程度大，在灌区西南部-中部大部-东北部形成盐碱地分布集中带，且集中带经历了从萎缩到逐步扩张的过程。这主要与地形因素有关，河套灌区地势较平坦，高程起伏不大，局部微地形控制着土壤中盐分运移方向和分布规律，盐碱地集中带地势略低，因此成为盐分汇集区。2006年以后，大片盐碱地呈现碎片化趋势，空间集中程度降低，盐碱地零散分布于灌区内。一方面是由于2006年以后灌区地下水位持续下降、排灌比波动上升、引退盐比波动下降，这些气象水文、灌溉等方面较明显的变化缓解了灌区盐碱化现象；二是随着社会经济发展，灌区内部分盐碱地向耕地和建设用地转化，在这些因素综合作用下，灌区盐碱化明显改善。

3.2 河套灌区盐碱地分布重心变化

由盐碱化空间演变可知，盐碱地呈片状或斑块状分布于研究区内，分析盐碱地分布重心迁移有助于深化盐碱地空间分布规律。基于ArcGIS空间分析功能，根据盐碱地空间分布，自西向东将灌区分为5个区(图3)：西部(Ⅰ区)、中西部(Ⅱ区)、中部(Ⅲ区)、中东部(Ⅳ区)及东部(Ⅴ区)。

图3 河套灌区分区图

每块盐碱地对应有面积、经纬度等属性，在分区基础上，以面积为权重，分别计算河套灌区主体区域(西部、中西部、中部和中东部)盐碱地分布的重心位置，方法如下[17]：

X=∑ni=1xiMi/∑ni=1Mi

(1)

Y=∑ni=1yiMi/∑ni=1Mi

(2)

式中：X，Y分别表示分区盐碱地面积分布重心的经度和纬度；xi，yi分别表示分区内第i个盐碱化斑块中心的经度和纬度；Mi表示分区内第i个盐碱化斑块的面积。

河套灌区近30年盐碱地重心迁移轨迹很好地反映了灌区盐碱化的空间演变过程(图4)。灌区自西向东，盐碱地分布重心逐渐向北集中。盐碱化分布重心受地势、地下水埋深影响规律较明显，灌区总的地势自西南向东北微倾[18]，地下水埋深由灌区西南向东逐渐递减[19]，在地势低洼、地下水埋深较浅的地区，地表和地下水分蒸发相对较强烈，水分容易散失，盐分易在地表积聚，形成盐碱化分布重心。1990-2006年间，灌区西部和中西部盐碱地重心持续向南移动，而中部和中东部向北迁移；2010-2014年间，灌区西部盐碱地重心向南移动，而其他区域重心向北迁移。2006-2010年间灌区盐碱地重心走势发生了突变，原因在于灌区西南部、中北部和东北部盐碱地2006年开始急剧萎缩，而其他地区变化相对稳定，导致盐碱化分布重心在空间上产生突变。

图4 不同时期河套灌区盐碱地分布重心变化

3.3 灌区盐碱化驱动因素分析

分别将1987-2014年气象、水文、灌溉等多个因素序列与盐碱地面积序列进行相关分析，得到各因素与盐碱地面积的皮尔逊(Pearson)相关系数(表1)。

表1 盐碱地面积-影响因素皮尔逊(Pearson)相关系数

由表1可以看出，大部分因素与盐碱地变化有一定的相关性(通过了0.05可信度检验)。根据相关系数大小，计算各自变量对因变量的贡献系数，以贡献系数作为变量引入-剔除的依据，经过3轮计算建立模型如下：

Y=2 877.08-70.75X1-752.28X2+0.20X3

(3)

式中：Y为盐碱地面积，km2；X1为排灌比，%；X2为平均地下水埋深，m；X3为蒸发量，mm；模型决定系数R2为0.95。

通过多元逐步回归分析可知，研究区盐碱化的主要驱动因素为排灌比、平均地下水埋深和蒸发量。在灌溉排水影响下，灌区地下水埋深较浅，盐分易随地下水运动向地表聚积，加之蒸发强烈，水中盐分在地表积累形成灌区盐碱化现象。因此，河套灌区盐碱化是自然和人类活动共同作用的结果，其中灌溉和排水起主导作用。

综上分析，自1987年以来，在气候变化背景下，随着研究区灌排系统的日渐完善，灌区排水排盐量增加，地下水位普遍下降，虽然盐碱化问题仍然突出，但灌区土壤盐碱化得到初步控制，受盐碱化侵蚀的土地呈现萎缩趋势。

4 结 论

(1)河套灌区近30年来盐碱地总体呈现萎缩趋势。1987-1993年期间，灌区盐碱地面积大幅缩小，以中东部减小幅度最大；1993-2006年间，盐碱地面积缓慢增加，但并未增至1987年的盐碱化水平；2006-2014年间，盐碱化再次进入缩减阶段，至2014年降至历年最低值。从空间演变来看，1987-2006年间，灌区盐碱地空间分布集中程度大，在灌区西南部-中部大部-东北部形成盐碱地分布集中带，且集中带经历了萎缩到逐步扩张的过程；2006年以后，大片盐碱地呈现碎片化趋势，集中程度降低，零散分布于研究区内。

(2)从盐碱化分布重心看，灌区自西向东，盐碱地分布重心逐渐向北集中。1990-2006年间，灌区西部和中西部盐碱地重心持续南移，而中部和中东部向北迁移；2010-2014年间，灌区西部盐碱地重心向南移动，而其他区域重心线北移。多元逐步回归分析表明，河套灌区盐碱化的主要驱动因素为排灌比、平均地下水埋深和蒸发量。

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