基于遥感的节水改造下河套灌区土壤盐渍化演变分析

孙亚楠 李仙岳 史海滨 马红雨 王维刚 菅文浩

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.黄河流域内蒙段水资源与水环境综合治理自治区协同创新中心，呼和浩特 010018；3.呼和浩特市科兆丰水业勘测设计有限公司， 呼和浩特 010010)

0 引言

土壤盐渍化严重影响作物生长并间接造成生态环境恶化，是威胁生态环境和农业可持续发展的重要因素[1]。我国北方地区由于干旱、降雨量少、蒸发大等原因，盐渍化程度明显高于湿润地区，如内蒙古河套灌区盐渍化面积约占总耕地面积的63.8%，另外由于灌区排水系统不完善，每年从黄河引入的盐分远大于排出灌区的盐分[2]，盐分在灌区内积聚现象仍比较明显。自1998年以来河套灌区实施了大规模续建配套与节水改造工程，与此同时年均净引水量由52亿m3减少到47亿m3[3]，使得灌区水循环和地下水埋深发生巨大变化，造成土壤盐分重分布[4]。而盐荒地作为耕地生育期 “旱排盐”的重要区域[5]，随着农业大开发，其面积也逐渐在缩减[6]。这些过程均影响灌区土壤盐分的时空重分布，而且农业农村部开展的“耕地质量提升工程”，内蒙古自治区进行的“改盐增草(饲)兴牧工程”等均需要精确掌握灌区现有土壤盐分的时空分布规律。因此在区域、空间和时间尺度上对灌区节水改造后土壤盐渍化演变规律进行分析，这对土壤盐渍化的有效防治以及农业的可持续发展具有重要意义。

在河套灌区土壤盐渍化的研究中，主要包括传统的采样方法[7-8]、遥感技术[9]的监测方法，其中传统的区域实地采样方法，尽管精度高，但是耗时长，成本高，取样不连续，无法实现对土壤盐分大范围、实时动态的监测[10]，而遥感技术以其宏观、动态、信息丰富等特点，已成为了区域土壤盐分监测的重要手段[11]。基于遥感技术能够实现对区域性土壤盐分的定量监测[12-13]。针对节水改造工程实施过程的土壤盐渍化研究中，较多研究主要以传统采样方法或基于遥感技术对短时段节水改造工程土壤盐渍化的演变进行了研究[4，14-15]，而对于节水改造工程实施过程对区域性土壤盐渍化空间重分布的影响以及演变机制问题研究较少。

本文对基础数据应用土地利用类型和不同季节的土壤盐渍化遥感解译模型，针对节水改造工程实施进展情况，将2000—2021年划分为4个时段，从土壤盐分空间分布状态、土壤盐分指标(总储盐量及单位储盐量)时间演变等方面分析不同节水改造时期土壤盐渍化时空演变规律，并从点尺度和区域尺度综合分析土壤盐渍化对地下水的响应，同时结合灌溉、排水等因素分析土壤盐渍化的演变机制，为节水改造工程对土壤盐渍化的影响研究及土壤盐渍化防治提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以河套灌区永济灌域为研究区域，边界坐标为107°13′～107°42′E，40°36′～41°13′N，南北长60 km，东西宽40 km，总土地面积1.836×105hm2，现灌溉面积约1.122×105hm2，属于典型的温带大陆性干旱、半干旱气候带，干旱少雨，蒸发强烈，是典型的“无灌溉则无农业”地区。年均降水量为145 mm，年均蒸发量为2 275 mm，当地土壤盐渍化问题突出，其中约1/2耕地土壤有不同程度的盐碱化，土壤中氯化盐、硫酸盐和钠盐含量较高，盐分类型复杂，灌区的盐渍化问题始终限制着灌区农业的可持续发展[13]。

由于黄河水量的减少，使得以引黄灌溉为主要灌溉方式的河套灌区开始开展以节水为目的续建配套及技术改造。其中永济灌域2000—2005年开展了部分渠道的衬砌和建筑物的改建(重建)，在2000—2005年基础上2005—2010年增加了渠道及排水沟的整治工程，2010—2015年进行了大规模的渠道衬砌、整治、排水沟的整治以及建筑物的改建(重建)。因此，根据节水改造工程实施进展情况，本文将2000—2021年节水改造工程划分为4个时段，分别为2000—2005年(节水改造初期)、2005—2010年(节水改造中期)、2010—2015年(节水改造大规模实施期)和2015—2021年(节水改造后期)，各节水改造时段工程实施情况以及工程实施引起的环境指标变化情况如表1所示。在节水改造工程实施的过程中，环境指标发生了不同程度的变化，如各时段平均引水量总体呈减小趋势。平均地下水埋深逐渐增加，其中2015—2021年相比2000—2005年增加16.83%，灌溉水利用系数也由2000年的0.381提高至2021年的0.490。

表1 不同节水改造时段工程实施特点Tab.1 Characteristics of project implementation in different water-saving reform periods

1.2 数据采集

土壤盐分采样选定为春灌前(2017年4月5—10日和2018年4月6—10日)和秋浇前(2017年9月27日—10月2日和2018年10月2—7日)进行，这两个时段能最大程度避免植被、灌溉等对表层土壤盐分的影响。土地利用类型采样时间为2019年4—9月，由于研究区小麦播种及收获时间与其他作物差异较大，因此将耕地细分为小麦和耕地两类，最终确定的土地利用类型分别为小麦、耕地、林地、草地、盐荒地、水域和居民工矿用地7类。土壤盐分和土地利用类型采样点均利用ArcGIS软件进行网格均匀布设，实际采样点则需根据道路、种植结构、取样的难易程度等进行调整，最终土壤盐分的有效采样点为90个(图1a)，采样深度为0～100 cm，包括0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm共5层，测得各离子含量最终得到全盐量。土地利用类型采样点数共计370个，其中小麦、耕地、林地、草地、盐荒地、水域和居民工矿用地采样点个数分别为57、85、37、37、79、30、45个(图1b)。

图1 研究区采样点分布图Fig.1 Distribution maps of sampling points in study area

1.3 分析方法

1.3.1土地利用类型解译模型

以Landsat时间序列影像为基础数据，利用主成分分析方法筛选波段、光谱指数和纹理特征3种特征变量的特征因子，并基于特征因子组成7种方案，包括单类别方案(波段、光谱指数、纹理特征)和组合类别方案(波段+光谱指数、波段+纹理特征、光谱指数+纹理特征、波段+光谱指数+纹理特征)，最后针对4—10月分别构建不同方案的CART决策树解译模型。通过模型精度对比可知，8月基于Landsat数据的波段+光谱指数+纹理特征的CART决策树模型解译效果最好，其中波段的特征因子分别为Blue(蓝)、Red(红)、NIR(近红外)和SWIR2(中红外)，光谱指数的特征因子分别为NDVI(归一化植被指数)、MNDWI(归一化水体指数)、EBSI(增强型裸土指数)、BI(亮度指数)和RVI(比率植被指数)，纹理特征的特征因子分别为Mean(均值)、Var(方差)、Hom(同质性)、Con(对比度)、Dis(非相似性)、Sm(二阶矩)和Cor(相关性)，该模型的总体精度和Kappa系数分别为80.23%和0.74，耕地、林地、草地、盐荒地、水域和居民工矿用地的制图精度分别为96.83%、73.33%、70.00%、65.52%、100%和80.00%，用户精度分别为76.62%、100%、82.35%、82.61%、100%和80.00%[16]。在各节水改造时期应用模型并将解译结果中水域及居民工矿用地剔除，仅保留耕地、林地、草地、盐荒地作为研究区土壤盐分反演的区域。

1.3.2土壤盐渍化反演模型

以野外实测(Analytical Spectral Devices公司的FieldSpec 4 Hi-Res型地物光谱仪)高光谱数据和星载多光谱影像(Landsat)为基础数据源，提取波段/波长反射率并构建光谱指数，对其进行基础变换(原始、倒数、对数、根式)以及基础变换的导数变换(一阶、二阶导数)。通过多元逐步回归的方法筛选出各变换下与土壤盐分显著相关的特征光谱指数，并基于特征光谱指数构建春、秋两季土壤盐分的实测高光谱反演模型与多光谱反演模型。在参与建模的同一特征光谱指数下，实现高光谱模型和多光谱模型融合，使得融合后的模型能显著提高多光谱数据源的精度。结果表明高-多光谱融合反演模型训练集和验证集决定系数R2平均值分别为0.651和0.635，相比多光谱模型分别提高36.19%和35.64%，均方根误差(RMSE)平均值分别为2.44 g/kg和2.49 g/kg，相比多光谱模型分别降低34.28%和41.72%，表明利用实测高光谱与多光谱数据的融合技术对提高多光谱盐分的反演精度是可行且有效的[13]。剖面盐分反演可通过构建0～20 cm土层与剖面的关系从而间接构建剖面土壤盐分与光谱之间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤盐渍化时空演变特征

2.1.1剖面土壤盐分反演模型构建

对野外实际取样的0～100 cm土层土壤含盐量进行描述性统计分析(表2)，耕地、盐荒地中同一土层春季、秋季的土壤盐分区间相差不大。盐荒地各土层的平均含盐量分别在21.39～26.77 g/kg、10.44～11.36 g/kg、7.12～8.33 g/kg、5.91～6.31 g/kg 和8.76～8.82 g/kg之间，各土层的含盐量均远大于耕地，分别是耕地土壤含盐量的6.97、4.59、4.27、3.55、4.12倍。而耕地和盐荒地的各土层含盐量的排序一致，由大到小均依次为 0～20 cm、20～40 cm、80～100 cm、40～60 cm、60～80 cm。变异系数均为0～20 cm最大。

将各土层的含盐量与0～20 cm土层含盐量进行相关性分析，得到各土层含盐量与0～20 cm含盐量的拟合曲线(图2)。多项式拟合效果最好，其中20～40 cm土层含盐量与0～20 cm土层含盐量相关性最好，耕地中二者拟合曲线的R2和RMSE分别为0.722 3和1.13 g/kg，盐荒地为0.610 2和6.77 g/kg。 其余土层则随着土层深度的增加与0～20 cm土层含盐量的拟合效果逐渐降低，分析原因可能是研究区蒸降比较大，导致土壤盐分表聚现象较为严重，空间分布差异较大，从而使得剖面土壤含盐量与0～20 cm土层含盐量难以建立可靠的拟合关系所致。在土壤剖面含盐量的反演模型构建过程中，仅20～40 cm土层含盐量与0～20 cm的相关性较好，能够进行反演模型构建。

表2 耕地和盐荒地土壤含盐量描述性统计分析Tab.2 Descriptive statistical analysis of soil salinity in different soil layers of different land types

图2 各土层含盐量与0～20 cm土层含盐量的相关性分析Fig.2 Correlation analysis of soil salinity in each soil layer with 0～20 cm salinity

2.1.2基于遥感的土壤盐分空间分布

选择每个时段的节点年份进行土地利用类型和土壤盐渍化的遥感解译，即2000、2005、2010、2015、2021年。对各节水改造时期的土地利用类型的面积(表3)和空间分布情况(图3)进行分析，耕地占研究区总面积的48.19%～74.39%，自2000年起总体呈现逐渐增加的趋势，其中2000—2005年变化幅度较小且有减小的趋势，分析是由于节水改造工程的实施使得引黄水量减少，部分耕地因此得不到充分灌溉，在一定程度上限制了耕地的发展，并使得质量较差的耕地弃荒。而2005—2010年耕地面积增幅较大，为39.54%，原因是在不断的水量空间分>配的调整下，研究区耕地的水量进行了重新合理分配，使得耕地进一步扩张。2010—2021年耕地面积仍呈增加的趋势，但幅度较小且逐渐趋于稳定。盐荒地占研究区总面积的4.26%～12.35%，主要集中于研究区的北部、中部区域，总体上呈逐渐减小的趋势，且随着节水改造的进行，盐荒地主要集中于研究区的中东部，其中2000—2005年面积有小幅度的增加，增幅为1.64%，分析是由于部分的耕地弃荒使得盐荒地面积有所增加。草地面积总体呈现逐渐减小的趋势。居民工矿用地面积呈逐渐增加的趋势，主要集中在临河市区范围内且扩张较为显著。

表3 2000—2021年土地利用类型面积Tab.3 Proportion of each land use types from 2000 to 2021 hm2

图3 土地利用类型时空分布图Fig.3 Spatial and temporal distributions of land use types

根据土壤盐渍化等级的划分标准[17-18]，获得研究区土壤各等级盐渍化的空间分布图(图4，图中从左至右依次为2000、2005、2010、2015、2021年)，在节水改造各个时期中，土壤盐渍化等级最高的区域均位于研究区的中东部，即盐荒地中，这与野外实际取样结论一致。随着节水改造工程的实施，研究区中盐渍化程度“南低北高”的空间分布状态逐渐明显，分析原因主要与地下径流及地形条件有关，研究区南部地势高于北部，地下径流由南至北排泄，且土壤质地由南至北逐渐变细，从而导致排水不畅，加剧了盐分向北部的积聚[13]。另外，由于研究区近年来发展了一定面积的井渠灌，导致南部地下水埋深增加，这对南部表层盐分的积聚起到削弱的作用[12]。

图4 0～40 cm土壤盐渍化时空分布图Fig.4 Spatial and temporal distributions of soil salinization in 0～40 cm

对不同时期、不同土层深度的各等级盐渍化面积所占比例进行统计(表4)，2000年0～20 cm春秋两季土壤盐渍化均以轻度和中度为主，二者平均占比分别为36.49%和34.48%，且秋季土壤盐渍化程度小于春季。2005—2010年时，春秋两季0～40 cm土层土壤盐渍化程度增加，主要表现为重度盐化土(主要盐渍化等级)所占比例增加，其中春季0～20 cm和20～40 cm相比2000年重度盐化土比例分别平均增加106.98%和806.38%，秋季0～20 cm和20～40 cm相比2000年重度盐化土比例平均增加44.26%和190.60%。2010—2015年土壤盐渍化程度逐渐减轻，主要盐渍化等级向等级小的方向转移，2015—2021年，土壤盐渍化程度减轻程度较为明显，其中春季0～20 cm土壤虽然仍以中度和重度盐化土为主，但二者所占比例呈降低趋势，相比2005—2010年平均下降了9.15%，春季20～40 cm、秋季0～20 cm和20～40 cm土层则均以轻度和中度盐化土为主，轻度和中度盐化土所占比例之和相比2005—2010年分别平均增加15.02%、-2.62%和6.26%。

2.1.3土壤盐分时空演变

以土壤盐渍化的空间分布图为基础数据，利用ArcGIS软件统计耕地、林地、草地和盐荒地中各斑块的面积以及对应的平均含盐量，计算不同节水改造时期不同土层的总储盐量和单位储盐量指标，从而量化土壤盐分的积累情况，计算公式为[4,19-20]

(1)

(2)

其中

Si=10-3QirhhAi

(3)

式中h——土层厚度，m

rh——土层厚度h的土壤容重，kg/m3

表4 不同时期0～40 cm土壤盐渍化面积所占比例Tab.4 Proportion of soil salinization in different periods in 0～40 cm %

n——斑块总数，个

Ai——第i个斑块面积，m2

Qi——第i个斑块平均含盐量，g/kg

Si——第i个斑块储盐量，万t

S——该层土壤总储盐量，万t

Su——该层土壤单位储盐量，kg/m2

2.1.3.1总储盐量

计算各土地利用类型(耕地、林地、草地和盐荒地)中不同节水改造时期、不同土层深度的总储盐量(图5)，0～20 cm土壤中春、秋两季的总储盐量分别在1.244×106～1.489×106t和1.113×106～1.396×106t之间，平均总储盐量分别为1.350×106t和1.201×106t，平均值为1.276×106t。而20～40 cm不同时期土壤中，春、秋两季的平均总储盐量相比0～20 cm分别减少18.73%和21.11%。0～20 cm和20～40 cm秋季土壤的总储盐量相比春季平均减少11.00%和13.60%。

图5 节水改造各时期不同土层的总储盐量Fig.5 Total salt storage of different soil layers in different periods of water-saving transformation

随着节水改造工程的进行，研究区春、秋两季0～40 cm土层储盐量均呈现先增加后减小的趋势，2010年达到最大值，其中0～20 cm春、秋两季总储盐量分别为1.489×106t和1.396×106t(图5a)，20～40 cm春、秋两季总储盐量相比0～20 cm分别降低16.56%和22.98%。至2021年，春、秋两季平均总储盐量仍大于2000年，0～20 cm和20～40 cm分别增加5.74%和19.21%。综上研究结果表明，随着节水改造的进行，研究区春、秋两季0～40 cm 各土层深度的总储盐量均呈先增加后减小的趋势，最大值出现在2010年，但随着节水改造工程的实施，土壤总储盐量不断地减少，但总体仍高于2000年总体水平。

以耕地和盐荒地这两种土壤盐分差异较大的土地利用类型为例进行总储盐量分析(图6)，不同时期耕地0～20 cm土层中，春、秋两季的总储盐量分别在6.52×105～1.080×106t和5.62×105～1.036×106t之间，平均值分别为8.95×105t和7.96×105t，20～40 cm土层中，春、秋两季的平均总储盐量相比0～20 cm土层分别减少16.91%和21.81%。不同时期盐荒地0～20 cm土层中，总储盐量分别在9.22×104t～1.884×105t和8.65×104～1.840×105t之间，平均值分别为1.287×105t和1.213×105t，二者相差不大，20～40 cm土层中，春、秋两季的平均总储盐量相比0～20 cm土层分别减少27.25%和32.30%，与耕地情况对比可知，盐荒地中20～40 cm的总储盐量与0～20 cm的总储盐量差值大于耕地情况，分析是由于盐荒地中盐分的表聚情况较为严重，表面形成大量的盐分结皮，且没有灌溉水的淋洗，从而导致0～20 cm与20～40 cm 土壤的储盐量有较大的差异。

图6 耕地、盐荒地不同土层深度的总储盐量Fig.6 Total salt storage at different soil depths of agricultural land and wasteland

耕地中不同土层的总储盐量呈先增后减的变化趋势(图6a)，2010年为峰值，分析原因可能为节水改造初期，由于引水量的减少，原有耕地灌水量缩减，加之由于经济发展等原因，2005—2010年耕地面积扩张幅度较大，使得单位面积所灌水量进一步缩减，从而导致0～40 cm的土壤储盐向下层淋洗不充分，体现为2000—2010年耕地土壤储盐量增加，而随着节水改造工程的不断实施，灌水量在空间的分配逐渐趋于合理，表层土壤盐分相比前一时期向下层的淋洗量增加，体现为2010—2021年耕地土壤储盐量减少。盐荒地0～20 cm土层在节水改造过程中呈减小的趋势(图6b)，尤其是2005—2010年，原因可能为随着节水改造工程的进行，引黄水量减少且渠系水利用系数提高，灌溉水向地下水补给量减少，导致地下水埋深逐渐增加，地下水中盐分对盐荒地表层土壤的补给量逐渐减少，另外，由于盐荒地常年不进行灌溉，耕地的土壤盐分在水力梯度下向盐荒地移动，但相比节水改造前，耕地灌水量减少，会导致同等条件下耕地盐分向盐荒地运移量随之减少，在上述条件的综合作用下导致盐荒地0～20 cm储盐量逐渐减少。盐荒地20～40 cm土层储盐量在2000—2005年出现小幅度增加，原因可能为该时期地下水埋深减小幅度较小，20～40 cm土层盐分仍受到地下水中盐分的影响。

2.1.3.2单位储盐量

图7 不同土层深度的单位储盐量Fig.7 Unit salt storage at different soil depths

计算不同时期、不同土层深度单位储盐量(图7)，0～20 cm土层中，春、秋两季的单位储盐量分别在0.806～0.973 kg/m2和0.702～0.888 kg/m2之间，平均值分别为0.870 kg/m2和0.777 kg/m2，20～40 cm单位储盐量相比0～20 cm土层分别降低21.49%和30.76%。随着节水改造工程的进行，土壤的单位储盐量呈先增加后减小的趋势，不同节水改造时期0～40 cm土层的春季单位储盐量平均值分别为0.696、0.765、0.861、0.804、0.757 kg/m2，秋季分别为0.629、0.683、0.787、0.684、0.626 kg/m2。

以耕地和盐荒地为例进行单位储盐量的分析(图8)，不同时期、不同土层深度的耕地单位储盐量平均值为0.653 kg/m2，盐荒地则为0.895 kg/m2，盐荒地的单位储盐量在各时期均大于耕地，0～20 cm土层中，春、秋季盐荒地的单位储盐量分别是耕地的1.43、1.52倍，20～40 cm土层中，分别是耕地的1.25、1.23倍，即相比20～40 cm土壤，0～20 cm土层耕地和盐荒地的单位储盐量相差幅度更大。

图8 耕地、盐荒地不同土层深度的单位储盐量Fig.8 Unit salt storage at different soil depths of agricultural land and wasteland

在节水改造工程实施过程中，耕地和盐荒地的单位储盐量在2000—2010年呈逐渐增加的趋势，其中，0～20 cm土层中，耕地、盐荒地单位储盐量平均增幅分别为26.14%和8.44%(图8)，20～40 cm土层中，耕地、盐荒地单位储盐量平均增幅分别为25.08%和24.46%。2010—2021年单位储盐量逐渐减小，其中，0～20 cm土层中，耕地、盐荒地单位储盐量平均降幅分别为12.92%和13.91%，20～40 cm 土层中，耕地、盐荒地单位储盐量平均降幅分别为17.82%和18.20%。

2.2 土壤盐渍化对地下水的响应

2.2.1点尺度

根据地下水点位对相应的春、秋两季0～20 cm的含盐量反演值进行提取，并分析盐分与地下水的点尺度响应关系(图9)，不同时期土壤盐渍化均随着地下水埋深的增加而减少，满足对数关系，春季、秋季0～20 cm土壤含盐量与地下水埋深的对数拟合关系中R2分别为0.744和0.672，均达到0.05显著相关水平，其中秋季的土壤含盐量与地下水埋深的拟合效果差于春季，R2降低9.68%，分析是秋季土壤因灌溉或种植作物所致。

图9 地下水埋深与0～20 cm土层含盐量的关系Fig.9 Relationship between groundwater depth and soil salinity of 0～20 cm

2.2.2区域尺度

利用区域尺度对各等级盐渍化程度土壤所处的地下水埋深区间进行研究，可降低由于点尺度采样点的数量和位置的主观因素对结果的影响，区域尺度的研究主要根据不同时期不同等级盐渍化空间分布图与地下水埋深空间分布图，对单位面积斑块范围内的轻度盐化土、中度盐化土、重度盐化土和盐土的地下水埋深进行计算，并绘制其概率密度曲线(图10)，当某一盐渍化等级的地下水埋深在[μ-2σ,μ+2σ](μ表示地下水埋深的平均值，σ表示地下水埋深的标准差)之内时，则表明该地下水埋深区间内发生该等级盐渍化的面积占该等级盐渍化总面积的95%，即表明绝大多数数据均在此范围内，所以本文将[μ-2σ,μ+2σ]作为各等级盐渍化的地下水埋深区间。结果表明，不同节水改造时期的土壤同一等级盐渍化下地下水埋深平均值的标准差均较小，如轻度盐化土中，多年春季、秋季的地下水埋深平均值的标准差分别为0.037 m和0.069 m，说明平均地下水埋深反映整体地下水数据可靠。不同节水改造时期中，低等级盐渍化的地下水概率密度曲线位于埋深较大的位置，如节水改造过程中春季、秋季轻度盐化土的地下水埋深区间分别为1.803～2.965 m和1.619～2.728 m，随着盐渍化等级的增加，地下水埋深概率密度曲线逐渐向埋深小的区域移动，如春季中度盐化土、重度盐化土和盐土的地下水埋深的区间分别为1.837～2.667 m、1.606～2.591 m、1.260～2.284 m，秋季中度盐化土、重度盐化土和盐土的地下水埋深的区间分别为1.395～2.569 m、1.238～2.356 m、0.984～2.256 m，即地下水埋深越小，发生高等级盐渍化的风险越大，地下水埋深与土壤盐渍化呈负相关关系。春、秋两季轻度盐化土、中度盐化土、重度盐化土和盐土的地下水埋深平均值分别为2.351、2.144、1.953、1.752 m，同等级盐渍化下，秋季地下水埋深小于春季，其中轻度盐化土、中度盐化土、重度盐化土和盐土的地下水埋深平均值相比春季分别小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。

图10 研究区不同等级盐渍化的地下水埋深概率分布Fig.10 Probability distributions of groundwater depth of different levels of salinization in study area

3 讨论

土壤剖面盐分的反演研究中，现研究方法主要包括传统采样方法[21]、电磁感应技术[22]和遥感估测方法[23]。如丁建丽等[24]基于遥感特征空间理论，构建了Landsat-TM数据的指数模型，得到了区域土壤盐分的空间变化特征。王瑾杰等[25]基于GF-1数据计算了植被指数、土壤指数等多种指标，构建了0～100 cm的土壤剖面电导率线性回归模型，模拟效果较好。然而现有研究均将区域作为整体或仅对单一地类进行区域土壤剖面盐分的建模，当将研究区作为整体时，以河套灌区为例，耕地和盐荒地的土壤盐分区间存在较大的差异，如盐荒地0～20 cm的土壤盐分含量是耕地的4倍甚至更多[26]，且耕地、盐荒地土壤表聚程度具有显著差异，从而导致剖面土壤与表层土壤的相关关系不同，所以在构建剖面盐分的线性模型时将对模型的模拟精度产生直接的影响。本文针对耕地和盐荒地这两种土壤盐分具有显著差异的地类进行剖面土壤与表层土壤的相关性分析，能够在一定程度上提高模型的精度，但深度大于40 cm的土层含盐量与0～20 cm土层含盐量的相关性较差，今后需综合考虑研究区的地形因子、地下水等多重指标，从而构建精度更高、土层深度更大的剖面盐分反演模型，为土壤剖面盐分的遥感定量监测提供帮助。

根据本文研究结果可知，节水改造工程实施的过程中，2000—2010年土壤盐渍化程度呈增加趋势，2010—2021年土壤盐渍化呈减轻趋势。原因为节水改造初期，研究区的渠系引水量相对较大，且灌溉水利用效率还处于较低的水平，一方面，通过渠系渗漏对地下水的补给量较大，使得地下水埋深变浅；另一方面，由于河套灌区独特的灌溉方式，使得大量的灌溉水入渗到地下水中，进一步抬高了地下水位。大量盐分通过灌溉水进入到地下水中，使得地下水矿化度逐渐增大，同时由于研究区排水不畅等问题，灌区盐分存储在地下水中，而地下水矿化度与土壤中的盐分存在显著的交互作用，在研究区土壤与作物强烈的蒸发蒸腾作用下，地下水中的盐分随毛管水上升到土壤表面，导致土壤表层盐分加剧。此外，在2005—2010年研究区耕地面积出现大幅度扩张，2010年相比2005年耕地面积增加39.54%，使得耕地单位面积的灌水量减少，致使积聚在表层的土壤盐分向下层淋洗的强度减弱。综上分析，原积聚在表层的土壤盐分无法向下层淋洗且又有新的盐分积聚，使得研究区在2000—2010年期间土壤盐渍化程度加剧。而随着节水改造工程的不断推进，研究区的引水量减少，且由于渠道衬砌等节水改造措施使得灌溉水利用效率提高，从而导致地下水的补给量也随之减少，地下水埋深逐渐增加，潜水蒸发量呈逐年下降的趋势[27]，且下降幅度逐年增加，随着潜水蒸发量的减少，地下水中的盐分向上运移作用减弱，地下水携带上升至土壤表层的盐分也随之减少。

浅层地下水的波动是土壤表层盐分累积的关键过程[28-29]，有研究表明地下水埋深与土壤盐分存在一定的相关性[30]，如张江辉[31]、管孝艳等[32]研究发现土壤盐分随地下水埋深的增加逐渐减小，影响较为显著，二者满足指数关系。针对河套灌区的研究中，黄权中等[12]发现4月土壤盐分与地下水埋深满足对数关系。窦旭等[33]研究发现耕地、盐荒地土壤盐分与地下水的关系分别满足指数关系和线性关系。本文采用点尺度和区域尺度多种方式更加全面地研究了盐渍化土壤对地下水的响应，为适宜地下水埋深的研究提供了依据，结果表明0～20 cm土壤盐分与地下水埋深呈对数关系，春、秋两季轻度盐化土、中度盐化土、重度盐化土和盐土的地下水埋深平均值分别为2.351、2.144、1.953、1.752 m，秋季地下水埋深平均值相比春季分别小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。

4 结论

(1)研究区盐荒地中各土层的土壤含盐量均大于耕地，为耕地的3.55～6.97倍，耕地、盐荒地剖面各土层仅20～40 cm土层含盐量与0～20 cm土层含盐量相关性满足要求，耕地中二者拟合曲线的R2和RMSE分别为0.722 3和1.13 g/kg，盐荒地为0.610 2和6.77 g/kg。这表明仅20～40 cm土壤含盐量能够通过构建与0～20 cm土层含盐量的关系从而构建与光谱的关系。

(2)随着节水改造工程的实施，土壤盐渍化程度南低北高的空间分布状态逐渐明显，盐渍化等级最高的区域均为盐荒地，2005—2010年土壤盐渍化程度增加，主要表现为0～40 cm春季、秋季的重度盐化土(主要盐渍化等级)所占比例相比2000年分别平均增加106.98%～806.38%和44.26%～190.60%，2010—2015年土壤盐渍化程度逐渐减轻，主要盐渍化等级向等级小的方向转移，2015—2021年，土壤盐渍化程度减轻程度较为明显，主要表现为春季0～20 cm中度、重度盐化土所占比例之和(主要盐渍化等级)相比2005—2010年平均下降9.15%，春季20～40 cm、秋季0～20 cm和20～40 cm土层轻度、中度盐化土所占比例之和(主要盐渍化等级)相比2005—2010年分别增加15.02%、-2.62%和6.26%。

(3)随着节水改造工程的进行，春、秋两季0～40 cm土层储盐量均呈现先增加后减小的趋势，2010年达到最大值，其中0～20 cm春、秋两季总储盐量分别为1.489×106t和1.396×106t，20～40 cm 春、秋两季总储盐量相比0～20 cm分别降低16.56%和22.98%。至2021年，春、秋两季平均总储盐量仍大于2000年，0～20 cm和20～40 cm分别增加5.74%和19.21%。

(4)不同时期土壤含盐量与地下水埋深满足对数关系，春季、秋季土壤含盐量与地下水埋深的R2分别为0.744和0.672。春、秋两季轻度盐化土、中度盐化土、重度盐化土和盐土的地下水埋深平均值分别为2.351、2.144、1.953、1.752 m，轻度盐化土、中度盐化土、重度盐化土和盐土的秋季地下水埋深平均值相比春季分别小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。