1989—2019 年宁夏银北灌区土壤盐渍化时空变化分析

吴 霞，王长军，樊丽琴，李 磊，张永宏

（宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002）

土壤盐渍化（Soil salinization）是指土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后使盐分积累在表层土壤中的过程，也称盐碱化［1］。中国干旱、半干旱地区土壤盐渍化问题非常突出，是土地退化的主要方式之一，也是制约农业发展的重要因素之一［2］。20 世纪40 年代以来，国内外学者对土壤盐渍化的成因、分布、危害以及治理措施等的研究从未中断，随着经济社会、科技水平的发展，研究方法也不断改进和提升，形成了较系统的理论［3-5］。在土地盐渍化时空变化方面，遥感和GIS 等成为土地盐渍化模拟与预测的主要研究手段［6-9］。目前，对于银北地区盐碱地数据的掌握基本来源于全国土地调查，较早的一次是20 世纪80 年代利用传统土壤普查方法获取，耗时耗力，且存在标准不一致问题，最近的一次是在2015 年完成的，全面引入了遥感技术，具有高效、综合等特点［10-12］。但考虑到地下水的年变化、季变化会导致土壤盐分在土壤中的重新分配，且盐碱化是一种动态现象和过程，时间的变迁会导致盐碱地的时空分布和盐碱程度发生变化，因此，有必要利用遥感技术对区域内盐碱地分布及演变特征进行分析，为盐碱地改良利用提供基础数据。

1 研究区概况

宁夏银北地区包括石嘴山市大武口区、惠农区、平罗县以及银川市贺兰县。该区域位于银川平原北部，引黄灌区下游，地势低平，地下水位高，排水不畅，是宁夏土壤盐碱化较为严重的地区。每年冬季开始至3 月，地下水大量蒸发，土壤盐分随地下水上升到地表，累积在表层土壤，形成所谓的积盐作用，导致区域内土壤呈现大面积灰白色，从4 月开始，随农田灌溉和雨水的增加，表层土壤中盐分又被带到地下，导致盐碱土壤呈现暗黑颜色。盐碱化会导致农业生产力严重衰退，及时准确掌握区域内盐碱地的空间分布、盐碱程度是治理改良盐碱地并防止其进一步恶化的前提。

2 数据与方法

2.1 数据获取与预处理

地物的光谱特征可直接反映土壤盐渍化信息，盐霜、盐壳、盐皮会使地表反射率升高，盐渍化程度与反射率大体呈正相关，利用这一特征可以提取盐渍化信息。综合考虑研究区实际情况、遥感影像空间分辨率、数据获取难易等因素，本研究选取Landsat TM/ETM 卫星1989 年、1999 年、2009 年和2019 年春季遥感影像，空间分辨率为30 m，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn）。

下载Landsat 卫星影像后，在ENVI 环境下对遥感图像进行大气校正、影像裁剪、图像增强等预处理。除TM 影像的7 个多光谱波段外，利用反射率和辐射亮度提取了植被指数、水体指数、建筑指数和和量温指数4 个特征共同参与分类，再利用Layer stacking 波段合成功能合并成具有11 个波段的文件，最终形成可供分类的4 期研究区遥感影像图。

2.2 土壤盐渍化分类方法

盐渍化土壤分类是利用规则对遥感影像进行分类，这种规则可来源于专家经验、归纳统计等，其合理性在很大程度上决定了分类精度。本研究在野外调查银北地区地形地貌、土地利用现状以及土壤盐渍化实际情况的基础上，结合前人对盐渍化土壤遥感分类的研究成果，通过人机交互目视解译，将银北地区划分为非盐碱地、轻度盐碱地、中度盐碱地、重度盐碱地、水体、建设用地和其他共7 种地物类别。在ENVI 中采用决策树分类器对遥感影像进行初步分类，再对初步分类结果进行聚类、过滤、合并重组、重编码等分类后处理，最终得到银北地区1989 年、1999 年、2009 年和2019 年4 期土壤盐渍化分类结果。

2.3 土壤盐渍化时空演变分析方法

盐渍化土壤的轻重程度、面积、分布、相互转化等是研究的重点，本研究主要应用面积统计分析、动态度分析、转移矩阵分析等方法对研究区土壤盐渍化演变规律进行分析。

1）动态度。动态度可表征某一时期内地物的变化速度，公式为：

式中，K 为某地物动态度，Ua和Ub分别对应开始年份和结束年份某地物的面积，T 为研究时间段。

2）转移矩阵。利用转移矩阵可描述各类地物面积变化情况，其数学式为：

式中，转移矩阵是n×n 的矩阵；n 为盐渍化土地利用类型分类数；Sij表示从类别i 转化为类别j 的面积，i 和j 相同时表示未变化的部分。

3 结果与分析

3.1 土壤盐渍化的时空演变分析

研究区4 期盐渍化耕地面积统计结果见表1，同时计算不同时期不同盐渍化耕地面积的动态度，如表2 所示。结果表明，1989—2019 年银北地区盐渍化耕地总面积总体呈增加趋势。重度盐渍化耕地面积在1989—1999 年略有下降，1999—2009 年增幅较大，2009—2019 年呈下降趋势；中度、轻度盐渍化耕地呈明显增加趋势，2019 年较1989 年增加68.72%；非盐渍化耕地面积呈先下降再增加的趋势。

银北地区4 期遥感影像土壤盐渍化分类结果如图1 所示。由图1 可以看出，1989 年中度、重度盐渍化耕地分布集中程度较大，主要分布在研究区中部，1989—2009 年逐步萎缩，至2019 年研究区中部已经无明显的集中分布，而主要分布于灌区边缘新开垦耕地。从空间演变来看，银北地区盐渍化耕地从集中分布逐步演变为碎片化分布，其中中度、重度盐渍化耕地的分布和演变过程尤为明显。

表1 不同时期银北地区盐渍化耕地面积及占比

表2 不同时期银北地区盐渍化耕地动态度 （单位：%）

图1 不同时期银北地区盐渍化耕地分布

3.2 土壤盐渍化转移矩阵分析

为了深入分析研究区土壤盐渍化的演变规律以及不同程度盐渍化耕地之间的转化关系，采用转移矩阵模型，在ArcGIS 软件中将1989 年、1999 年、2009 年和2019 年的盐渍化分类图进行叠加和统计，获 得1989—1999 年、1999—2009 年、2009—2019 年土壤盐渍化转移矩阵数据，具体见表3、表4和表5。

表3 1989—1999 年银北地区盐渍化耕地转移矩阵 （单位：km2）

表4 1999—2009 年银北地区盐渍化耕地转移矩阵 （单位：km2）

表5 2009—2019 年银北地区盐渍化耕地转移矩阵 （单位：km2）

通过分析可知，1989—2019 年银北地区土壤盐渍化类型之间转换较为复杂，非盐渍化耕地与轻度、中度盐渍化耕地之间转移面积较大，其他利用类型与重度盐渍化耕地之间转移面积较大。1989—1999年，368.47 km2的非盐渍化耕地分别转化为不同程度的盐渍化耕地，而仅有134.83 km2的盐渍化耕地转化为非盐渍化耕地，主要以中度、轻度盐渍化耕地的转入为主，重度盐渍化耕地则转出较多，说明改良盐渍化土壤取得一定效果，但是由于灌溉排水等影响，耕地盐渍化范围有所扩大。1999—2009 年，依然以盐渍化耕地的转入为主，但是转化速率明显降低，其中173.65 km2其他利用类型转化为重度盐渍化耕地，导致重度盐渍化耕地面积大幅增加，转化为建设用地的非盐渍化、轻度盐渍化耕地较多，说明城镇化建设占用优良耕地较多，新开垦荒地则盐渍化程度较重。2009—2019 年，依然以盐渍化和非盐渍化耕地之间的转化为主，盐渍化耕地转入258.48 km2，转出476.75 km2，土壤盐渍化程度得到一定改良和控制，同时有556.79 km2其他利用类型的土壤转化为非盐渍化或不同盐渍化程度的耕地，说明耕地的开垦进一步加大。

4 结论

1）1989—2019 年银北地区盐渍化耕地总面积总体呈增加趋势，其中中度盐渍化耕地增加了75.87%，是增加较多的盐渍化耕地类型，重度盐渍化耕地略有增加，分类中非盐渍化耕地仅减少5.04%，其他类型减少18.49%，其他荒地的开垦是盐渍化耕地增加的主要来源。

2）1989—2019 年盐渍化耕地的分布从集中分布逐步演变为碎片化分布。1989—2009 年盐渍化耕地分布集中程度较大，主要分布在研究区中部；2019 年呈碎片化分布，中度、重度盐渍化耕地主要分布于灌区边缘新开垦耕地。

3）1989—2019 年不同类型盐渍化耕地之间转移复杂，1989—1999 年、1999—2009 年盐渍化耕地以转入为主，2009—2019 年盐渍化耕地以转出为主，3 期转化矩阵中，其他类型均以转出为主，转化为非盐渍化或不同程度盐渍化耕地的面积分别为365.46、414.65、556.79 km2，耕地的开垦力度呈加大趋势。