基于最大似然法的盐碱化发展态势与治理模式探析

黄 占 城

(宁夏回族自治区吴忠市红寺堡水务局，宁夏 吴忠 751900)

目前，围绕盐碱地改良与利用的研究较多，尤其是如何在盐碱地上实现农业的高效利用已成为研究热点。而弄清土壤盐碱化特征是实现盐碱地农业高效利用的前提。国内外学者从土壤盐碱化的成因、分布特征以及对植被的影响和改良措施[4-6]等方面开展了大量的研究，反映了土壤与环境之间的相互关系；在研究方法上大多运用常规分析方法[7-10]，主要侧重于单个离子含量的直接测定和定性描述。这些研究方法均无法直观的反映出某一地区盐碱化分布特征和演化规律。因此，本文采用最大似然法对红寺堡灌区四期的遥感影像进行解译，分析了灌区盐碱地的分布特征及演变规律，并结合现场勘查分析了当地盐碱地的发展态势和主要成因，探讨了当地盐碱地综合治理的新模式，对实现农耕地的可持续发展和促进区域内经济发展有重要意义。

1 研究方法

本文在对灌区土壤盐渍化信息进行分类时，为避免分类结果产生较大的误差，在实地调研判断盐碱地大致分布区域的基础上，利用遥感技术对土壤盐渍化信息进行提取。遥感分类主要有监督分类与非监督分类，监督分类中最大似然分类是在两类或者多类判决当中，用统计的方法根据最大似然比贝叶斯判决准则法来建立非线性判别函数集而进行分类的一种图像分类方法，流程见图1。

图1 盐碱化信息提取流程图Fig.1 Flow chart of salinization information extraction

该方法通过假设遥感图像的每个波段数据都为正态分布，每类地物数据在空间中构成特定的点群，根据各类已知数据，可以构造出各地物类型的概率分布函数。该方法是基于贝叶斯准则的分类方法，是一种非线性分类，其错误概率最小，也是目前应用较广泛成熟的一种监督分类方法[11]。其判别函数为：

Mi(n)=p(i|n)p(n)=p(n|i)p(i)

(1)

式中：p(i|n)为类别i中具有特征向量n的像元概率；p(i)是类别i的先验概率。通过假定地物光谱特征服从正态分布，上式贝叶斯判别准则可表示为：

(2)

通过取对数的形式，并去掉多余项，得出类别i的K维最大似然辨识函数：

(3)

计算不同类别的最大似然辨识函数，对于不同的地物类别i和j，如果有Mj(n)≤Mi(n)，则将像元分配给类别i。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

宁夏红寺堡灌区，地处宁夏干旱带大罗山脚下，处于牛首山、大罗山和烟筒山之间，属山间盆地，为大陆性气候，夏季干旱少雨，降水量多集中在7-9月3个月，多年平均降水量240 mm，年蒸发量为1 280 mm。地理位置介于东经105°45′～106°30′，北纬37°10′～37°29′，主要由苦水河河谷平原、红寺堡洪积平原和罗山古洪积扇构成，整个地势呈现东南向西北倾斜，坡度1/50～1/150，地面高程1 200～1 450 m。灌区内沟谷发育，呈树枝状由东南向西流向黄河[12]。该灌区是一个高扬程梯级提灌灌区，工程从2003年开始扬水灌溉，经过15年的灌溉和发展，已有灌溉耕地面积4.85 万hm2，梯级扬水灌溉工程的建设将本地原来因缺水荒芜土地变成了良田[13]。近年来，灌区部分耕地因灌区无配套的排水系统，农田建设标准较低，长期粗放的灌溉模式和管护不当，造成部分已建成灌排设施垮塌、渠道淤积严重，特别是当地普遍采用的大水漫灌模式，导致灌区内部分耕地出现了严重的次生盐碱化现象(图2)，灌区内部分土壤盐碱化程度已经威胁到了作物正常的生长[14]。

创新科技管理体制机制。协助相关司局继续指导做好科研机构的分类改革，加强非营利性科研机构建设，协调有关部门，努力解决转企改制科研机构的遗留问题。健全完善人才培养、选拔和任用机制，造就一批具有世界前沿水平的科技领军人才和创新团队。继续加强水利科技管理机构自身建设。

图2 红寺堡灌区盐碱地Fig.2 Saline-alkali land in Hongsipu Irrigation District

2.2 数据来源

研究所用遥感数据为红寺堡灌区1994年8月、2003年8月、2008年8月和2015年9月4期空间分辨率为30 m的TM卫星影像；1994年景电灌区全面建成，景电二期灌区建成并开始全面灌溉，灌区总灌溉面积达到3.47 万hm2，年提水量2.66 亿m3；2001年景电一期灌区完成续建配套工程，灌区的总灌溉面积达到3.85 万hm2，年提水量3.22 亿m3；2008年二期灌区开始续建配套工程，灌溉面积4.80 万hm2，年均提水量4.51 亿m3；2015年代表灌区现状，灌区总灌溉面积为6.05 万hm2，年提水量为4.60 亿m3。辅助数据为2015年红寺堡灌区土地利用现状图、工程地势图、谷歌地球、实地考察等辅助资料。

3 盐碱化发展态势分析

以红寺堡灌区土地利用现状图为基准，利用ENVI软件对三期TM卫星影像进行预处理，并利用ArcGIS监督分类模块中的最大似然法对研究区土壤盐渍化信息进行提取[15]，最终确定灌区耕地，轻度盐碱地，中度盐碱地，重度盐碱地和其他五类，盐碱地分类结果见图3。1994-2015年四期分类结果总体精度分别为90.00%、90.28%、88.47%和90.83%，Kappa系数分别为0.873 5、0.877 3、0.862 1和0.884 5，符合总体精度达到80%以上的要求。灌区盐碱地面积变化统计结果见表1。

由图3可知，1994年灌区内土地类型主要为耕地，盐碱地零星分布在耕地周围，在西北角分布稍多，但不影响耕作用地。至2003年灌区开始灌溉前大部分土地有荒地变位耕地，此后随着人工灌溉的大面积发展，区域内内盐碱地已经出现大面积的积聚现象，在最南端较为明显，并且早期的一些耕地面积已发展为轻度盐碱地。至2008年已经有大片的耕地发展为盐碱地或者荒地，耕地面积逐渐缩小，局部区域已经出现地表返盐的现象，2015年灌区盐碱地积聚现象更加明显，相比2008年的盐碱地分布状况，在研究区最西端、东南端和中东侧已经发展为大面积带状分布，一部分重度盐碱地已经发展为盐荒地，且原有耕地面积显著减少。1994-2015年灌区盐碱地总面积占灌区总面积从13.44%增长到21.75%，并且盐碱地占用耕地面积逐年增加。

图3 土地覆盖解译结果Fig.3 Land cover interpretation results

表1 研究区1994-2015年土地利用/覆盖变化统计结果Tab.1 Statistical results of land use/cover change in the study area from 1994 to 2015

由表1知，灌区盐碱地面积逐步累积增长。1994-2003年期间，轻度盐碱地、中度盐碱地、重度盐碱地面积年均增长率分别为1.35%、1.88%、1.84%；2003-2008年轻度盐碱地、中度盐碱地、重度盐碱地面积年均增长率分别为0.17%、2.18%、1.49%；2008-2015年轻度盐碱地、中度盐碱地、重度盐碱地面积年均增长率分别为5.57%、5.39%、4.31%；由1994-2015年的盐碱地面积和耕地面积的对比可知，研究区耕地逐渐发展为盐碱地，且仍在持续发展， 2003-2015年的同类型盐碱地面积年均增长率均呈现增大趋势表明近年盐碱地的发展速度还在增加，其中轻度盐碱地面积增速最快，中度其次，重度最慢。

4 盐碱化成因调查与分析

(1)干旱荒漠气候是红寺堡灌区盐碱土形成的先决条件。干旱少雨，蒸发量大，风沙较多是红寺堡区典型温带大陆性气候的特点，夏季干旱少雨，多年平均降水量240 mm，年蒸发量为1 280 mm[16]，气象因素见表2。日照时间长，昼夜温差大，降水稀少，使土壤表层的盐分难以淋溶；由于蒸发的强烈作用，致使地下水毛管上升，将水分散失到空中，将盐分聚积在土壤表层，随着盐分的不断积累，即会造成土壤盐碱化。

(2)母岩和母质含盐是红寺堡灌区盐碱土形成的物质基础。红寺堡灌区主要成土母质是红土母质(表3)，其分布在灌区内侵蚀较严重的丘陵地带，呈红棕色，多为黏土或重壤土，部分为次生红土，土壤含盐量较高[17]。因此，灌区提水灌溉后，由于土壤母质含盐量较高，有效土层薄，灌溉水深层入渗将土层内盐分大量溶解，盐分随水分蒸发进入耕作层，产生土壤盐碱化。

表2 红寺堡灌区气候因素表Tab.2 Climate factors of Hongsibao Irrigation District

表3 红寺堡灌区土壤母质成分表Tab.3 Table of soil parent material composition in Hongsibao Irrigation District

(3)灌溉造成的地表水和地下水的转化是灌区盐碱土形成的主要动力。红寺堡灌区在发展提水灌溉工程前，地下水供排处于平衡状态，地下水位相对稳定。灌区提水后，田间灌水和灌溉渠系的渗漏，导致地下水位上升(图4)。地下水自土壤表层蒸发散失到空中，土壤中的盐分滞留在土壤表层中。地下水位和盐分不断上升和积累，从量变到质变，将导致土壤的沼泽化和盐碱化。另外，人为灌溉因素是红寺堡灌区次生盐碱土形成的重要条件。研究区的人工灌溉改变了当地水盐平衡，是引起土壤盐渍化的外因。随着灌溉面积逐年增大，灌水量逐年增加，在大水漫灌的灌溉模式下，使灌区地下水位迅速上升，强烈的潜水蒸发使地下水中的盐分迅速在表层土壤中富集，使非盐化土壤产生了次生盐渍化。同时，灌区在灌溉过程中的有灌无排也是土壤盐渍化日益严重的重要因素。

图4 红寺堡灌区地下水埋深变化图Fig.4 Groundwater depth variation map in Hongsibao Irrigation District

(4)地形、地貌是红寺堡灌区盐碱土形成的强化因素。灌区开发后，地表水和地下水从上游向下游流动的过程中，矿化度会逐渐升高，土壤盐碱化程度也由低到高[18]。由于田间和渠道渗漏，土壤重力水将大量增加，并向低洼地区汇集，表土有明显盐化作用的土壤一般位于平原中相对低平的地区，造成地表水出流滞缓，排泄不畅，致使该地区地下水位上升，在地势低洼处造成大面积的盐沼地和弃耕地。

5 综合治理措施与效果

从红寺堡灌区的盐碱地成因分析可知，粗放的灌溉模式和自然环境条件是造成灌区盐碱地发展的两大要素，该区域盐碱地的治理和水盐调控需综合考虑灌溉入渗条件、地下水转化过程、区域土壤质地、土体渗透条件等要素，完善排水工程体系的整治措施，同时要考虑从调整种植结构、农业化学等非工程治理技术入手，因地制宜地通过灌区的水盐调控和综合治理模式可延缓耕地盐碱化的态势。

5.1 排水工程措施

通过分析对可在灌区实施的明沟排水，深埋、浅埋暗管排水等技术形式的影响因素和制约条件，制定了4种类型的工程排水方案。

(1)透水性差水位埋深较浅型。该类型区域地下水埋深小于3 m，田间无排水工程，仅依靠天然沟道排出部分地下水，加之土壤通透性差，排水能力弱，基岩埋深浅，土壤处于积盐状态，1 m以下存在弱风化相对不透水层，从排水工程长效持久性考虑，该区域以明沟排水形式为主以控制地下水位。

(2)透水性好，地下水位埋深较深型。该类为地下水埋深大于5 m碱化土壤区。该区域在现状大水漫灌100～120 m3/(次·hm2)的灌溉定额下，地下水埋深仍然大于5 m，地下水排泄方式主要以地下径流为主，蒸发微弱，处于脱盐状态，由于其地下水埋深较深，地下水本身不会对植被生长产生抑制和影响，冲洗改良水亦不会对地下水埋深产生较大影响，故该区域不采取排水措施，以其他改良措施为主要治理措施。

(3)透水性好水位埋深较浅型，该区土壤透水性良好。地下水埋深2～3 m(灌溉期会有上浮)，采用深埋暗管排水方式控制地下水位，加速土壤脱盐的同时更好地抑制土壤返盐。

(4)排水体系较为完善型。该类型地下水埋深1～2 m，田间明沟排水工程较为完善；针对明沟排水区，因其已有较为完善的排水系统，考虑尽量利用现状排渠，对达不到排水标准的排渠进行疏通、整治，在农沟间距超过200 m区域农沟间增设明沟1条，以控制区域地下水稳定在临界水深以下。

5.2 综合治理模式

(1)对于轻度盐碱化的区域，采用排水措施和灌溉措施相结合的模式，完善明沟和暗管排水系统，引进先进的灌溉技术如喷灌、滴灌等，加强灌溉水的利用率，合理调控土壤中的水盐运动，控制地下水位的同时加速土壤表层脱盐。

(2)对于中度盐碱化的区域，在排水、灌溉措施的基础上，结合农业和生物改良技术，通过营造防护林和种植盐生植物扩大地表植被覆盖、增加土壤肥力对土壤环境进行改善，降低土体与大气间的水热交换速率，通过减少土壤表面积盐的动力来达到减轻盐碱化程度的效果。

(3)对于重度盐碱化区域，由于其改善周期较长，并且难度较高，在改造过程中采取先易后难的改良方式，将排水、灌溉与农业措施相结合，生物与化学措施相结合的治理模式，以期取得较好的盐碱地改良效果。

5.3 预期治理效果

通过以上措施以期在5年时间内，指导和鼓励农户科学种田、注重土壤条件改善，推广秸秆还田0.37 万hm2(连续5年实施)，增施有机肥推广面积0.51 万hm2(连续5年实施)，灌区内牧草种植轮作比重不小于20%，推广深翻30 cm+深松20 cm耕作模式0.35 万hm2(连续5年实施)，灌区地下水位可明显降低，中壤土区域地下水控制在1.5 m以下，重壤土区域地下水位控制在1 m以下；重度、中度盐碱化治理到轻度以下，并控制现状盐土及碱土范围盐碱化不再继续加重，土壤pH值控制在8.5以下；高效节水灌比例由12.2%增加到75.2%，节约灌溉用水1 907.3 万m3，满足灌区0.71 万hm2农田洗盐需求；提高项目区内灌溉保证率，灌区内新增调蓄能力208.3 万m3，解决灌区短期停水情况下农业灌水需求。

6 结 语

(1)通过对红寺堡灌区土壤盐渍化信息进行提取，最终将灌区土地类型分为耕地、轻度盐碱地、中度盐碱地、重度盐碱地和其他五类。由灌区土地类型面积变化可知，盐碱地面积逐年累积增加，由1994年的13.44%增加到2015年的21.75%；耕地面积相应的由1994年的38.07%缩小为2015年的36.55%，且研究区盐碱地仍在持续发展，其中轻度盐碱地面积增速最快，中度其次，重度最慢。

(2) 灌区盐碱地的形成既有复杂的自然因素，也有人为因素。干旱荒漠气候是红寺堡灌区盐碱土形成的先决条件，地表水和地下水的补给是红寺堡灌区盐碱土形成的主要动力，灌区在长期的人为灌溉过程中的有灌无排也是土壤盐渍化日益严重的重要因素。

(3)盐碱地治理必须坚持“水利先行，综合治理”的原则，大力发展高效节水灌溉措施，完善排水设施建设，同时积极配合其他措施改善农田气候，增加土壤有机质和养分含量，改善土壤物理性状，增加土壤透水性，促进土壤脱盐。保证盐碱地的有效改良和合理利用是取得良好的经济效益和社会效益的前提，更是促进灌区农业的可持续发展的基础。

□