李新國, 古麗克孜·吐拉克, 賴 寧

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室,烏魯木齊 830054; 3.新疆農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所, 烏魯木齊 830091)

?

基于RS/GIS的博斯騰湖湖濱綠洲土壤鹽漬化敏感性研究

李新國1,2, 古麗克孜·吐拉克1,2, 賴 寧3

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054; 2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室,烏魯木齊 830054; 3.新疆農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所, 烏魯木齊 830091)

土壤鹽漬化敏感性評價可以評估可能發(fā)生的土壤鹽漬化的類型、范圍和程度。以博斯騰湖湖濱綠洲為研究區(qū)，以2010年ALOS遙感影像為基本數(shù)據(jù)源，結(jié)合野外調(diào)查和樣品分析，采用監(jiān)督分類法和試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，依據(jù)土壤鹽漬化敏感性指數(shù)公式，計算不同土地利用類型的土壤鹽漬化敏感性指數(shù)。研究結(jié)果表明：輕度、中度和重度鹽漬地主要分布于博斯騰湖周邊的濕地邊緣和未利用地，總面積為643.26 km2，占研究區(qū)總面積的24.68%；未利用地土壤鹽漬化敏感性指數(shù)為0.25，屬于重度敏感區(qū)；耕地和沙地的土壤鹽漬化敏感性指數(shù)為0.15，屬于中度敏感區(qū)；濕地土壤鹽漬化敏感性指數(shù)為0.13，屬于輕度敏感區(qū)；水體土壤鹽漬化敏感性為0.03，屬于非敏感區(qū)。

土壤鹽漬化; 敏感性指數(shù); 監(jiān)督分類法; 土地利用類型; 博斯騰湖湖濱綠洲

土壤鹽漬化敏感性指自然狀況和人為因素共同作用下土壤發(fā)生鹽漬化的可能性大小，其敏感性評價主要是辨識容易形成土地鹽漬化的區(qū)域，評價土地鹽漬化對人類活動的敏感性，明確可能發(fā)生的土地鹽漬化的類型、范圍和可能程度[1-3]。湖濱帶是介于陸生生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)之間的生態(tài)交錯類型之一，生產(chǎn)力高，生態(tài)邊緣效應(yīng)顯著，是地球上多樣性最豐富、變化最快、最為復(fù)雜的生境之一[4-5]。

目前眾多學者在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)敏感性、脆弱性方面研究較多，而對土壤鹽漬化敏感性的研究較少[6-7]。國際上有關(guān)生態(tài)敏感性的研究，主要集中在濕地和濕地植物對于氣候變化的敏感性、雨林對選擇采伐的生態(tài)敏感性、水文系統(tǒng)對氣候變化的敏感性、海岸帶及大陸架生態(tài)敏感性等方面[8-10]。國內(nèi)對生態(tài)系統(tǒng)敏感性評價的研究多集中在土地敏感性評價、水環(huán)境敏感性評價、水土流失敏感性評價及城市敏感性評價等領(lǐng)域[11-12]。朱志玲等[13]基于寧夏主要生態(tài)敏感問題，選取土壤侵蝕、土地沙漠化、土壤鹽漬化作為評價因子，運用GIS技術(shù)在單因子評價的基礎(chǔ)上，采用多因子綜合評價模型對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性進行綜合分析。羅先香等[14]以松嫩平原西部為例，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析及徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)等方法，分析了影響因子對土壤鹽漬化的敏感程度，并通過土壤積鹽動態(tài)預(yù)報模型的建立，為土壤鹽漬化預(yù)測及防治工作提供了依據(jù)。張征云等[15]依據(jù)蒸發(fā)量、降水量、地下水礦化度和地形等評價因子，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)對天津市的土壤進行了鹽漬化敏感性評價。到目前為止，對土壤鹽漬化敏感性評價方面的研究鮮有報道，土壤鹽漬化敏感性研究無論是評價體系還是研究的技術(shù)方法都尚無統(tǒng)一標準，土壤鹽漬化敏感性評價的精確定性、定量、定位等的研究還在探索中[16]。因此，對博斯騰湖湖濱綠洲進行土壤鹽漬化敏感性研究對于合理開發(fā)利用區(qū)域土地資源，控制鹽漬化的發(fā)生發(fā)展，以及區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本文選擇博斯騰湖湖濱綠洲為研究區(qū)，以2010年9月24日的ALOS影像為基本數(shù)據(jù)源，結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)，采用監(jiān)督分類法，對研究區(qū)進行鹽漬地分類，通過ArcGIS的柵格計算功能，將土地利用類型圖與土壤鹽漬化分類圖進行疊加分析，計算不同土地利用類型的土壤鹽漬化敏感性指數(shù)，對研究區(qū)進行土壤鹽漬化敏感性研究。

1　研究區(qū)概況

博斯騰湖湖濱綠洲是人工綠洲和自然綠洲混合的山前湖泊綠洲。博斯騰湖湖濱帶綠洲是博斯騰湖水體和陸地之間的過渡區(qū)域，具有特殊的土壤、植被和水文特征；由于獨特的地理位置、干旱的氣候荒漠條件、活躍的地表與地下水補給，富含鹽分的母質(zhì)環(huán)境以及人類的經(jīng)濟活動，使博斯騰湖湖濱綠洲土壤鹽漬化較為普遍[17]。博斯騰湖位于我國新疆著名的焉耆盆地內(nèi)(41°45′—42°15′N，86°00′—87°26′E)，地處封閉的山間盆地—焉耆盆地，地形總趨勢是北高南低[18]。博斯騰湖是開都河的歸宿地，又是孔雀河的發(fā)源地。博斯騰湖為天山南麓山間斷陷湖，由大湖、小湖群、葦湖3部分組成，水域面積約1 300 km2[19]。在湖泊水位下降、湖水礦化度上升和湖區(qū)有機污染不斷加劇的多重作用影響下，博斯騰湖湖濱濕地生境持續(xù)退化。研究區(qū)內(nèi)地下水資源較為豐富，地下水可開采量為9.05×108m3/a，地下水埋深0.5～7.0 m，礦化度0.1～10 g/L[19]。

2　數(shù)據(jù)來源與處理

2.1數(shù)據(jù)處理

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法對研究區(qū)ALOS遙感影像進行分類，將土地利用類型分為耕地、濕地、水體、沙地和未利用地5大類，鹽漬地類型分為非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地和重度鹽漬地4大類。運用ENVI軟件里面的Majority/Minority Analysis功能，處理分類結(jié)果圖中的細小圖斑，以提高監(jiān)督分類的準確性。由于“同物異譜”、“異物同譜”及空間分辨率等限制,對監(jiān)督分類結(jié)果進行后處理，利用典型樣區(qū)野外調(diào)查數(shù)據(jù)對誤分地類進行人機交互修正。對分類結(jié)果，隨機選取100個樣點進行地面驗證，精度達到0.89，符合數(shù)據(jù)處理的要求。

2.2野外調(diào)研與室內(nèi)分析

2.3土壤鹽漬化敏感性指數(shù)

不同土地利用類型土壤鹽漬化敏感性指數(shù)公式如下[9,20]：

(1)

式中：LSi——i土地利用類型的土壤鹽漬化敏感性指數(shù)；Aij——i土地利用類型分布在j鹽漬化敏感級上的面積；Ai——i土地利用類型總面積；Sij——i土地利用類型相對于j鹽漬化敏感級的權(quán)重；i——土地利用類型；j——土地鹽漬化敏感級；n——土地利用類型總數(shù)。不同敏感級的權(quán)重是根據(jù)土壤鹽漬化敏感級別的劃分先按1，3，5，7，9確定相對權(quán)重級別，之后按各級權(quán)重總和為1的原則進行計算[21-23]。根據(jù)公式(1)計算得出，研究區(qū)非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地和重度鹽漬地4個權(quán)重向量分別為0.13，0.21，0.29，0.37。

3　結(jié)果與分析

3.1遙感影像分類及面積統(tǒng)計

對研究區(qū)遙感影像進行預(yù)處理，采用監(jiān)督分類的最大似然法，進行土地利用類型和鹽漬地類型分類，結(jié)合野外調(diào)查和試驗分析數(shù)據(jù)，確定了5種土地利用類型(耕地、濕地、水體、沙地和未利用地)和4種鹽漬地類型(非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地和重度鹽漬地)(表1)，并統(tǒng)計出土地利用類型和鹽漬地類型的面積。

表1　研究區(qū)鹽漬地類型含義及分類標準　　g/kg

由表2可知，耕地主要分布在研究區(qū)的西部，濕地分布在博斯騰湖和耕地之間，這兩類的面積分別為459.81，201.14 km2，在整個土地利用類型中所占比例為17.65%，7.72%。從不同土地利用類型面積和所占比例來看，水體面積最大，為968.44 km2，所占比例為37.17%，水域主要包括博斯騰湖大湖區(qū)和小湖區(qū)的水。沙地和未利用地分布在湖泊的南部和東北部，面積分別為968.44，386.73 km2，在整個研究區(qū)內(nèi)所占比例為14.84%，22.62%。

表2　不同土地利用類型面積

近30年來，在研究區(qū)內(nèi)由于不合理的用水和灌溉方式導(dǎo)致湖面持續(xù)干縮，造成水鹽運動發(fā)生變化，地下水水位下降，土壤鹽分增加。從表3可知，輕度、中度和重度鹽漬地主要分布與博斯騰湖周邊的濕地內(nèi)和未利用地上，總面積是643.26 km2，占總面積的24.68%，其中輕度鹽漬地所占比例較大，占總面積的13.42%，主要分布于博斯騰湖周圍和未利用地上，在耕地和濕地內(nèi)部分布少量的輕度鹽漬地；中度和重度鹽漬地所占比例較少，分別為6.72%，4.54%，主要分布在博斯騰湖的東北方向和周圍的未利用地上，其余分布在博斯騰湖與未利用地的過渡帶，表明研究區(qū)內(nèi)的土壤鹽漬化類型基本上屬于輕度鹽漬化，中度和重度鹽漬化類型所占比例較少，非鹽漬地分布較廣，面積為1 961.74 km2，比例為75.29%。

表3　4種鹽漬地類型面積

3.2土地利用類型圖與鹽漬化分類圖疊加分析

通過表4可知，未利用地上分布的輕度、中度和重度鹽漬地面積總和是489.52 km2，所占比例為83.91%，非鹽漬地的面積為99.62 km2，所占比例為16.909%，非鹽漬地所占比例小于輕度、中度和重度鹽漬地所占的比例，表明研究區(qū)內(nèi)該類型分布的大部分地區(qū)都屬于土壤鹽漬化中度和重度敏感區(qū)。沙地上輕度鹽漬地所占比例較大為5.091%，中度和重度鹽漬地面積所占比例為3.374%，2.537%，表示該土地利用類型上鹽漬化類型屬于輕度鹽漬化，中度和重度鹽漬化現(xiàn)象較少，土壤鹽漬化敏感性等級屬于輕度敏感。水體上非鹽漬地的分布最廣，比例為99.949%，少量分布輕度和中度鹽漬地。濕地上非鹽漬地分布面積最廣，比例為98.866%，輕度鹽漬地比例為2.22%，中度和重度鹽漬地比例為0.01%，0.05%，表示濕地對土壤鹽漬化的敏感性不太顯著。耕地上非鹽漬地所占面積較大為531.27 km2，比例為76.406%；輕度、中度、重度鹽漬地的面積分別為103.97，4.48，0.02 km2，比例為22.615%，0.974%，0.004%，耕地上發(fā)生輕度土壤鹽漬化的可能性大。研究區(qū)內(nèi)除非鹽漬地外，土壤鹽漬化類型中輕度鹽漬化所占比例較大，表明研究區(qū)內(nèi)輕度土壤鹽漬化發(fā)生的可能性較大，土壤鹽漬化敏感性屬于輕度敏感。

表4不同土地利用類型上的鹽漬地面積

疊加類型A11A12A13A14A21A22A23A31A32面積/km2351.27103.974.480.02198.862.220.01967.790.06疊加類型A33A41A42A43A44A51A52A53A54面積/km20.43344.1919.6913.059.8199.62223.85157.08108.59

注：個位數(shù)字1—4依次代表非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地、重度鹽漬地；十位數(shù)字1—5依次代表耕地、濕地、水體、沙地、未利用地。

3.3土壤鹽漬化敏感性指數(shù)分析

根據(jù)統(tǒng)計出的不同土地利用類型中的鹽漬地分布面積，利用公式(1)計算出研究區(qū)內(nèi)5種土地利用類型的敏感性指數(shù)。由表5可知，未利用地的敏感性指數(shù)最高，其值為0.25，耕地和沙地的敏感性指數(shù)為0.15，濕地的敏感性指數(shù)為0.13，水體的最低為0.03。由表4可知，未利用地上輕度，中度和重度鹽漬地所占比例大，水體和濕地中非鹽漬地的所占比例較大，表明未利用地上發(fā)生的土地鹽漬化的類型、范圍和可能程度比其他類型明顯，對土壤鹽漬化的敏感性高。水體和濕地對土壤鹽漬化的敏感性不明顯，該種土地利用類型上難以形成土壤鹽漬化現(xiàn)象。耕地和沙地的敏感性指數(shù)較高為0.15，主要是由于近30年來研究區(qū)內(nèi)綠洲人口增多，耕地面積持續(xù)擴大，人類的不合理用水和灌溉造成地下水水位升高，導(dǎo)致土壤鹽漬化的發(fā)生。沙地分布的區(qū)域植被覆蓋率低，積鹽作用較強，土壤鹽漬化敏感性指數(shù)較高。

表5不同土地利用類型土壤鹽漬化敏感性指數(shù)

土地利用類型耕地濕地水體沙地未利用地土壤鹽漬化敏感性指數(shù)0.150.130.030.150.25

4　結(jié) 論

(1) 研究區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化程度基本屬于輕度鹽漬化，其面積占總面積的13.42%，中度鹽漬化面積和重度鹽漬化面積分別占總面積的6.72%和4.54%。

(2) 輕度、中度和重度鹽漬地主要分布于博斯騰湖的東北方向濕地邊緣和周圍的未利用地上，總面積為643.26 km2，占總面積的24.68%；其中未利用地上分布的輕度、中度和重度鹽漬地面積總和是489.52 km2，占未利用地面積的83.91%。

(3) 未利用地土壤鹽漬化敏感性指數(shù)為0.25，未利用地處于重度敏感區(qū)；耕地和沙地土壤鹽漬化敏感性指數(shù)為0.15，屬于中度敏感區(qū)；濕地土壤鹽漬化敏感性指數(shù)為0.13，濕地屬于輕度敏感區(qū)；水體土壤鹽漬化敏感性指數(shù)為0.03，水體屬于非敏感區(qū)。

[1]康蕾,張紅旗.新疆伊犁新墾區(qū)土地荒漠化敏感性評價[J].資源科學,2012,34(5):896-902.

[2]潘峰,田長彥,邵峰,等.新疆克拉瑪依市生態(tài)敏感性研究[J].地理學報,2011,66(11):1497-1507.

[3]邱彭華,徐頌軍,謝跟蹤,等.基于景觀格局和生態(tài)敏感性的海南西部地區(qū)生態(tài)脆弱性分析[J].生態(tài)學報,2007,27(4):1257-1264.

[4]馮育青,陳月琴,阮宏華,等.蘇州太湖湖濱帶不同水分梯度土壤氮的時空變異特征[J].華東森林經(jīng)理,2010,24(1):7-14.

[5]王瑩,馮育青,阮宏華.太湖東岸湖濱帶土壤微生物生物量碳及主要化學特性[J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2010,34(4):13-16.

[6]馬彪,衣俊國.黑龍江省土壤鹽漬化敏感性分析[J].環(huán)境科學與管理,2011，36(5):133-146.

[7]於琍,曹明奎,李克讓.全球氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性評價[J].地理科學進展,2005,24(1):61-69.

[8]Carrington D P, Gallimore R G, Kutzbach J E. Climate sensitivity to wetlands and wetland vegetation in mid-Holocene North Africa[J]. Climate Dynamics,2001,17(2):151-157.

[9]Horne R, Hickey J. Ecological sensitivity of Australian rainforests to selective logging [J]. Australian Journal of Ecology,1991,16(1):119-129.

[10]Muzik I. Sensitivity of hydrologic systems to climate change [J]. Canadian Water Resources Journal,2001,26(2):233-252.

[11]Yang Y Y, Wang J L, Yang B F. Eco-sensitivity assessment of land in Yunnan Province[J]. Acta Ecologica Sinica,2008,28(5):2253-2260.

[12]Yang Z F, Xu Q, He M C, et al. Analysis of city ecosensitivity[J]. China Environmental Science,2002,22(4):360-364.

[13]朱志玲,吳詠梅,張敏.基于GIS的寧夏生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評價[J].水土保持學報,2012,19(4):101-111.

[14]羅先香,鄧偉.松嫩平原西部土壤鹽漬化動態(tài)敏感性分析與預(yù)測[J].水土保持學報,2000,14(3):36-40.

[15]張征云,孫貽超,孫靜,等.天津市土壤鹽漬化現(xiàn)狀與敏感性評價[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2006,25(4):954-957.

[16]黃開順.基于遙感和GIS的桂西南地區(qū)巖溶石漠化敏感性評價與監(jiān)測[D].南寧:廣西大學,2008.

[17]周成虎,羅格平,李策.博斯騰湖環(huán)境變化及其與焉耆盆地綠洲開發(fā)關(guān)系研究[J].地理研究,2001,20(1):14-23.

[18]李新國,樊自立,李會志,等.開都河下游灌區(qū)土壤鹽漬化動態(tài)變化研究[J].水土保持研究,2011,18(3):64-72.

[19]阿斯耶姆·圖爾迪,李新國,靳萬貴,等.開都河下游綠洲土壤鹽漬化影響因子分析[J].水土保持研究,2014,21(2):82-86.

[20]趙玉國,張甘霖,龔子同.SOTER支持下海南島土壤侵蝕模擬與影響因子分析[J].土壤通報,2003,34(3):219-224.

[21]王宏,塔西甫拉提·特依拜,謝霞,等.新疆艾比湖地區(qū)不同土地利用類型的土壤鹽漬化敏感性評價[J].地理科學進展，2011，30(5)：593-599.

[22]王介勇,趙庚星,杜春先.基于景觀空間結(jié)構(gòu)信息的區(qū)域生態(tài)脆弱性分析:以黃河三角洲墾利縣為例[J].干旱區(qū)研究,2005,22(3):317-320.

[23]王宏.基于土地利用/覆蓋類型的土壤鹽漬化敏感性研究[D].烏魯木齊:新疆大學,2011.

Study on the Sensitivity of Soil Salinization in the Lakeside Oasis of Bosten Lake Based on RS/GIS

LI Xinguo1,2, Gulikezi·Tulake1,2, LAI Ning3

(1.SchoolofGeographicSciencesandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China;2.XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone,Urumqi830054,China; 3.InstituteofSoil&FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

Sensitivity evaluation of soil salinization was used to evaluate the type, scope and degree of soil salinization. Taking lakeside oasis of Bosten Lake as a study area, using the ALOS remote sensing image in 2010, combing the field survey and supervised classification method, the classification of saline in the study area, and different land use types of soil salinization sensitivity index were calculated. From the perspective of saline soil distribution type, mild, moderate and severe saline soils mainly distributed in the study area. The unused land area was 643.26 km2, accounting for 24.68% of total areas. Unused land salinization of soil sensitivity index was 0.25, belonging to severe saline soil area. Soil salinization sensitivity index of arable land and sandy land were 0.15, belonging to moderate saline soil area. Soil salinization in the wetland sensitivity index was 0.13, belonging to mild saline soil area. Soil sensitivity index of the water was 0.03, belonging to non-saline soil area.

soil salinization; sensitivity index; supervised classification; land use types; lakeside oasis of Bosten Lake

2014-12-15

2015-02-12

新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室專項資金項目(2014KL016);國家自然科學基金項目(41061025);新疆農(nóng)業(yè)科學院青年科技基金項目(xjnkq-2014010)

李新國(1971—),男,甘肅玉門人,教授,博士,主要從事干旱區(qū)水土資源變化及其遙感應(yīng)用研究。E-mail:onlinelxg@sina.com

S156.4

A

1005-3409(2016)01-0165-04