黃 占 城

(寧夏回族自治區(qū)吳忠市紅寺堡水務(wù)局，寧夏 吳忠 751900)

目前，圍繞鹽堿地改良與利用的研究較多，尤其是如何在鹽堿地上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高效利用已成為研究熱點(diǎn)。而弄清土壤鹽堿化特征是實(shí)現(xiàn)鹽堿地農(nóng)業(yè)高效利用的前提。國內(nèi)外學(xué)者從土壤鹽堿化的成因、分布特征以及對植被的影響和改良措施[4-6]等方面開展了大量的研究，反映了土壤與環(huán)境之間的相互關(guān)系；在研究方法上大多運(yùn)用常規(guī)分析方法[7-10]，主要側(cè)重于單個(gè)離子含量的直接測定和定性描述。這些研究方法均無法直觀的反映出某一地區(qū)鹽堿化分布特征和演化規(guī)律。因此，本文采用最大似然法對紅寺堡灌區(qū)四期的遙感影像進(jìn)行解譯，分析了灌區(qū)鹽堿地的分布特征及演變規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場勘查分析了當(dāng)?shù)佧}堿地的發(fā)展態(tài)勢和主要成因，探討了當(dāng)?shù)佧}堿地綜合治理的新模式，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)耕地的可持續(xù)發(fā)展和促進(jìn)區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義。

1 研究方法

本文在對灌區(qū)土壤鹽漬化信息進(jìn)行分類時(shí)，為避免分類結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，在實(shí)地調(diào)研判斷鹽堿地大致分布區(qū)域的基礎(chǔ)上，利用遙感技術(shù)對土壤鹽漬化信息進(jìn)行提取。遙感分類主要有監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類，監(jiān)督分類中最大似然分類是在兩類或者多類判決當(dāng)中，用統(tǒng)計(jì)的方法根據(jù)最大似然比貝葉斯判決準(zhǔn)則法來建立非線性判別函數(shù)集而進(jìn)行分類的一種圖像分類方法，流程見圖1。

圖1 鹽堿化信息提取流程圖Fig.1 Flow chart of salinization information extraction

該方法通過假設(shè)遙感圖像的每個(gè)波段數(shù)據(jù)都為正態(tài)分布，每類地物數(shù)據(jù)在空間中構(gòu)成特定的點(diǎn)群，根據(jù)各類已知數(shù)據(jù)，可以構(gòu)造出各地物類型的概率分布函數(shù)。該方法是基于貝葉斯準(zhǔn)則的分類方法，是一種非線性分類，其錯(cuò)誤概率最小，也是目前應(yīng)用較廣泛成熟的一種監(jiān)督分類方法[11]。其判別函數(shù)為：

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

(1)

式中：p(i|n)為類別i中具有特征向量n的像元概率；p(i)是類別i的先驗(yàn)概率。通過假定地物光譜特征服從正態(tài)分布，上式貝葉斯判別準(zhǔn)則可表示為：

(2)

通過取對數(shù)的形式，并去掉多余項(xiàng)，得出類別i的K維最大似然辨識函數(shù)：

(3)

計(jì)算不同類別的最大似然辨識函數(shù)，對于不同的地物類別i和j，如果有Mj(n)≤Mi(n)，則將像元分配給類別i。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

寧夏紅寺堡灌區(qū)，地處寧夏干旱帶大羅山腳下，處于牛首山、大羅山和煙筒山之間，屬山間盆地，為大陸性氣候，夏季干旱少雨，降水量多集中在7-9月3個(gè)月，多年平均降水量240 mm，年蒸發(fā)量為1 280 mm。地理位置介于東經(jīng)105°45′～106°30′，北緯37°10′～37°29′，主要由苦水河河谷平原、紅寺堡洪積平原和羅山古洪積扇構(gòu)成，整個(gè)地勢呈現(xiàn)東南向西北傾斜，坡度1/50～1/150，地面高程1 200～1 450 m。灌區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，呈樹枝狀由東南向西流向黃河[12]。該灌區(qū)是一個(gè)高揚(yáng)程梯級提灌灌區(qū)，工程從2003年開始揚(yáng)水灌溉，經(jīng)過15年的灌溉和發(fā)展，已有灌溉耕地面積4.85 萬hm2，梯級揚(yáng)水灌溉工程的建設(shè)將本地原來因缺水荒蕪?fù)恋刈兂闪肆继颷13]。近年來，灌區(qū)部分耕地因灌區(qū)無配套的排水系統(tǒng)，農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，長期粗放的灌溉模式和管護(hù)不當(dāng)，造成部分已建成灌排設(shè)施垮塌、渠道淤積嚴(yán)重，特別是當(dāng)?shù)仄毡椴捎玫拇笏嗄Ｊ?，?dǎo)致灌區(qū)內(nèi)部分耕地出現(xiàn)了嚴(yán)重的次生鹽堿化現(xiàn)象(圖2)，灌區(qū)內(nèi)部分土壤鹽堿化程度已經(jīng)威脅到了作物正常的生長[14]。

創(chuàng)新科技管理體制機(jī)制。協(xié)助相關(guān)司局繼續(xù)指導(dǎo)做好科研機(jī)構(gòu)的分類改革，加強(qiáng)非營利性科研機(jī)構(gòu)建設(shè)，協(xié)調(diào)有關(guān)部門，努力解決轉(zhuǎn)企改制科研機(jī)構(gòu)的遺留問題。健全完善人才培養(yǎng)、選拔和任用機(jī)制，造就一批具有世界前沿水平的科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。繼續(xù)加強(qiáng)水利科技管理機(jī)構(gòu)自身建設(shè)。

圖2 紅寺堡灌區(qū)鹽堿地Fig.2 Saline-alkali land in Hongsipu Irrigation District

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用遙感數(shù)據(jù)為紅寺堡灌區(qū)1994年8月、2003年8月、2008年8月和2015年9月4期空間分辨率為30 m的TM衛(wèi)星影像；1994年景電灌區(qū)全面建成，景電二期灌區(qū)建成并開始全面灌溉，灌區(qū)總灌溉面積達(dá)到3.47 萬hm2，年提水量2.66 億m3；2001年景電一期灌區(qū)完成續(xù)建配套工程，灌區(qū)的總灌溉面積達(dá)到3.85 萬hm2，年提水量3.22 億m3；2008年二期灌區(qū)開始續(xù)建配套工程，灌溉面積4.80 萬hm2，年均提水量4.51 億m3；2015年代表灌區(qū)現(xiàn)狀，灌區(qū)總灌溉面積為6.05 萬hm2，年提水量為4.60 億m3。輔助數(shù)據(jù)為2015年紅寺堡灌區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、工程地勢圖、谷歌地球、實(shí)地考察等輔助資料。

3 鹽堿化發(fā)展態(tài)勢分析

以紅寺堡灌區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖為基準(zhǔn)，利用ENVI軟件對三期TM衛(wèi)星影像進(jìn)行預(yù)處理，并利用ArcGIS監(jiān)督分類模塊中的最大似然法對研究區(qū)土壤鹽漬化信息進(jìn)行提取[15]，最終確定灌區(qū)耕地，輕度鹽堿地，中度鹽堿地，重度鹽堿地和其他五類，鹽堿地分類結(jié)果見圖3。1994-2015年四期分類結(jié)果總體精度分別為90.00%、90.28%、88.47%和90.83%，Kappa系數(shù)分別為0.873 5、0.877 3、0.862 1和0.884 5，符合總體精度達(dá)到80%以上的要求。灌區(qū)鹽堿地面積變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

由圖3可知，1994年灌區(qū)內(nèi)土地類型主要為耕地，鹽堿地零星分布在耕地周圍，在西北角分布稍多，但不影響耕作用地。至2003年灌區(qū)開始灌溉前大部分土地有荒地變位耕地，此后隨著人工灌溉的大面積發(fā)展，區(qū)域內(nèi)內(nèi)鹽堿地已經(jīng)出現(xiàn)大面積的積聚現(xiàn)象，在最南端較為明顯，并且早期的一些耕地面積已發(fā)展為輕度鹽堿地。至2008年已經(jīng)有大片的耕地發(fā)展為鹽堿地或者荒地，耕地面積逐漸縮小，局部區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)地表返鹽的現(xiàn)象，2015年灌區(qū)鹽堿地積聚現(xiàn)象更加明顯，相比2008年的鹽堿地分布狀況，在研究區(qū)最西端、東南端和中東側(cè)已經(jīng)發(fā)展為大面積帶狀分布，一部分重度鹽堿地已經(jīng)發(fā)展為鹽荒地，且原有耕地面積顯著減少。1994-2015年灌區(qū)鹽堿地總面積占灌區(qū)總面積從13.44%增長到21.75%，并且鹽堿地占用耕地面積逐年增加。

圖3 土地覆蓋解譯結(jié)果Fig.3 Land cover interpretation results

表1 研究區(qū)1994-2015年土地利用/覆蓋變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of land use/cover change in the study area from 1994 to 2015

由表1知，灌區(qū)鹽堿地面積逐步累積增長。1994-2003年期間，輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地面積年均增長率分別為1.35%、1.88%、1.84%；2003-2008年輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地面積年均增長率分別為0.17%、2.18%、1.49%；2008-2015年輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地面積年均增長率分別為5.57%、5.39%、4.31%；由1994-2015年的鹽堿地面積和耕地面積的對比可知，研究區(qū)耕地逐漸發(fā)展為鹽堿地，且仍在持續(xù)發(fā)展， 2003-2015年的同類型鹽堿地面積年均增長率均呈現(xiàn)增大趨勢表明近年鹽堿地的發(fā)展速度還在增加，其中輕度鹽堿地面積增速最快，中度其次，重度最慢。

4 鹽堿化成因調(diào)查與分析

(1)干旱荒漠氣候是紅寺堡灌區(qū)鹽堿土形成的先決條件。干旱少雨，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙較多是紅寺堡區(qū)典型溫帶大陸性氣候的特點(diǎn)，夏季干旱少雨，多年平均降水量240 mm，年蒸發(fā)量為1 280 mm[16]，氣象因素見表2。日照時(shí)間長，晝夜溫差大，降水稀少，使土壤表層的鹽分難以淋溶；由于蒸發(fā)的強(qiáng)烈作用，致使地下水毛管上升，將水分散失到空中，將鹽分聚積在土壤表層，隨著鹽分的不斷積累，即會造成土壤鹽堿化。

(2)母巖和母質(zhì)含鹽是紅寺堡灌區(qū)鹽堿土形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。紅寺堡灌區(qū)主要成土母質(zhì)是紅土母質(zhì)(表3)，其分布在灌區(qū)內(nèi)侵蝕較嚴(yán)重的丘陵地帶，呈紅棕色，多為黏土或重壤土，部分為次生紅土，土壤含鹽量較高[17]。因此，灌區(qū)提水灌溉后，由于土壤母質(zhì)含鹽量較高，有效土層薄，灌溉水深層入滲將土層內(nèi)鹽分大量溶解，鹽分隨水分蒸發(fā)進(jìn)入耕作層，產(chǎn)生土壤鹽堿化。

表2 紅寺堡灌區(qū)氣候因素表Tab.2 Climate factors of Hongsibao Irrigation District

表3 紅寺堡灌區(qū)土壤母質(zhì)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轉(zhuǎn)化是灌區(qū)鹽堿土形成的主要?jiǎng)恿?。紅寺堡灌區(qū)在發(fā)展提水灌溉工程前，地下水供排處于平衡狀態(tài)，地下水位相對穩(wěn)定。灌區(qū)提水后，田間灌水和灌溉渠系的滲漏，導(dǎo)致地下水位上升(圖4)。地下水自土壤表層蒸發(fā)散失到空中，土壤中的鹽分滯留在土壤表層中。地下水位和鹽分不斷上升和積累，從量變到質(zhì)變，將導(dǎo)致土壤的沼澤化和鹽堿化。另外，人為灌溉因素是紅寺堡灌區(qū)次生鹽堿土形成的重要條件。研究區(qū)的人工灌溉改變了當(dāng)?shù)厮}平衡，是引起土壤鹽漬化的外因。隨著灌溉面積逐年增大，灌水量逐年增加，在大水漫灌的灌溉模式下，使灌區(qū)地下水位迅速上升，強(qiáng)烈的潛水蒸發(fā)使地下水中的鹽分迅速在表層土壤中富集，使非鹽化土壤產(chǎn)生了次生鹽漬化。同時(shí)，灌區(qū)在灌溉過程中的有灌無排也是土壤鹽漬化日益嚴(yán)重的重要因素。

圖4 紅寺堡灌區(qū)地下水埋深變化圖Fig.4 Groundwater depth variation map in Hongsibao Irrigation District

(4)地形、地貌是紅寺堡灌區(qū)鹽堿土形成的強(qiáng)化因素。灌區(qū)開發(fā)后，地表水和地下水從上游向下游流動(dòng)的過程中，礦化度會逐漸升高，土壤鹽堿化程度也由低到高[18]。由于田間和渠道滲漏，土壤重力水將大量增加，并向低洼地區(qū)匯集，表土有明顯鹽化作用的土壤一般位于平原中相對低平的地區(qū)，造成地表水出流滯緩，排泄不暢，致使該地區(qū)地下水位上升，在地勢低洼處造成大面積的鹽沼地和棄耕地。

5 綜合治理措施與效果

從紅寺堡灌區(qū)的鹽堿地成因分析可知，粗放的灌溉模式和自然環(huán)境條件是造成灌區(qū)鹽堿地發(fā)展的兩大要素，該區(qū)域鹽堿地的治理和水鹽調(diào)控需綜合考慮灌溉入滲條件、地下水轉(zhuǎn)化過程、區(qū)域土壤質(zhì)地、土體滲透條件等要素，完善排水工程體系的整治措施，同時(shí)要考慮從調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)化學(xué)等非工程治理技術(shù)入手，因地制宜地通過灌區(qū)的水鹽調(diào)控和綜合治理模式可延緩耕地鹽堿化的態(tài)勢。

5.1 排水工程措施

通過分析對可在灌區(qū)實(shí)施的明溝排水，深埋、淺埋暗管排水等技術(shù)形式的影響因素和制約條件，制定了4種類型的工程排水方案。

(1)透水性差水位埋深較淺型。該類型區(qū)域地下水埋深小于3 m，田間無排水工程，僅依靠天然溝道排出部分地下水，加之土壤通透性差，排水能力弱，基巖埋深淺，土壤處于積鹽狀態(tài)，1 m以下存在弱風(fēng)化相對不透水層，從排水工程長效持久性考慮，該區(qū)域以明溝排水形式為主以控制地下水位。

(2)透水性好，地下水位埋深較深型。該類為地下水埋深大于5 m堿化土壤區(qū)。該區(qū)域在現(xiàn)狀大水漫灌100～120 m3/(次·hm2)的灌溉定額下，地下水埋深仍然大于5 m，地下水排泄方式主要以地下徑流為主，蒸發(fā)微弱，處于脫鹽狀態(tài)，由于其地下水埋深較深，地下水本身不會對植被生長產(chǎn)生抑制和影響，沖洗改良水亦不會對地下水埋深產(chǎn)生較大影響，故該區(qū)域不采取排水措施，以其他改良措施為主要治理措施。

(3)透水性好水位埋深較淺型，該區(qū)土壤透水性良好。地下水埋深2～3 m(灌溉期會有上浮)，采用深埋暗管排水方式控制地下水位，加速土壤脫鹽的同時(shí)更好地抑制土壤返鹽。

(4)排水體系較為完善型。該類型地下水埋深1～2 m，田間明溝排水工程較為完善；針對明溝排水區(qū)，因其已有較為完善的排水系統(tǒng)，考慮盡量利用現(xiàn)狀排渠，對達(dá)不到排水標(biāo)準(zhǔn)的排渠進(jìn)行疏通、整治，在農(nóng)溝間距超過200 m區(qū)域農(nóng)溝間增設(shè)明溝1條，以控制區(qū)域地下水穩(wěn)定在臨界水深以下。

5.2 綜合治理模式

(1)對于輕度鹽堿化的區(qū)域，采用排水措施和灌溉措施相結(jié)合的模式，完善明溝和暗管排水系統(tǒng)，引進(jìn)先進(jìn)的灌溉技術(shù)如噴灌、滴灌等，加強(qiáng)灌溉水的利用率，合理調(diào)控土壤中的水鹽運(yùn)動(dòng)，控制地下水位的同時(shí)加速土壤表層脫鹽。

(2)對于中度鹽堿化的區(qū)域，在排水、灌溉措施的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)業(yè)和生物改良技術(shù)，通過營造防護(hù)林和種植鹽生植物擴(kuò)大地表植被覆蓋、增加土壤肥力對土壤環(huán)境進(jìn)行改善，降低土體與大氣間的水熱交換速率，通過減少土壤表面積鹽的動(dòng)力來達(dá)到減輕鹽堿化程度的效果。

(3)對于重度鹽堿化區(qū)域，由于其改善周期較長，并且難度較高，在改造過程中采取先易后難的改良方式，將排水、灌溉與農(nóng)業(yè)措施相結(jié)合，生物與化學(xué)措施相結(jié)合的治理模式，以期取得較好的鹽堿地改良效果。

5.3 預(yù)期治理效果

通過以上措施以期在5年時(shí)間內(nèi)，指導(dǎo)和鼓勵(lì)農(nóng)戶科學(xué)種田、注重土壤條件改善，推廣秸稈還田0.37 萬hm2(連續(xù)5年實(shí)施)，增施有機(jī)肥推廣面積0.51 萬hm2(連續(xù)5年實(shí)施)，灌區(qū)內(nèi)牧草種植輪作比重不小于20%，推廣深翻30 cm+深松20 cm耕作模式0.35 萬hm2(連續(xù)5年實(shí)施)，灌區(qū)地下水位可明顯降低，中壤土區(qū)域地下水控制在1.5 m以下，重壤土區(qū)域地下水位控制在1 m以下；重度、中度鹽堿化治理到輕度以下，并控制現(xiàn)狀鹽土及堿土范圍鹽堿化不再繼續(xù)加重，土壤pH值控制在8.5以下；高效節(jié)水灌比例由12.2%增加到75.2%，節(jié)約灌溉用水1 907.3 萬m3，滿足灌區(qū)0.71 萬hm2農(nóng)田洗鹽需求；提高項(xiàng)目區(qū)內(nèi)灌溉保證率，灌區(qū)內(nèi)新增調(diào)蓄能力208.3 萬m3，解決灌區(qū)短期停水情況下農(nóng)業(yè)灌水需求。

6 結(jié) 語

(1)通過對紅寺堡灌區(qū)土壤鹽漬化信息進(jìn)行提取，最終將灌區(qū)土地類型分為耕地、輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地和其他五類。由灌區(qū)土地類型面積變化可知，鹽堿地面積逐年累積增加，由1994年的13.44%增加到2015年的21.75%；耕地面積相應(yīng)的由1994年的38.07%縮小為2015年的36.55%，且研究區(qū)鹽堿地仍在持續(xù)發(fā)展，其中輕度鹽堿地面積增速最快，中度其次，重度最慢。

(2) 灌區(qū)鹽堿地的形成既有復(fù)雜的自然因素，也有人為因素。干旱荒漠氣候是紅寺堡灌區(qū)鹽堿土形成的先決條件，地表水和地下水的補(bǔ)給是紅寺堡灌區(qū)鹽堿土形成的主要?jiǎng)恿?，灌區(qū)在長期的人為灌溉過程中的有灌無排也是土壤鹽漬化日益嚴(yán)重的重要因素。

(3)鹽堿地治理必須堅(jiān)持“水利先行，綜合治理”的原則，大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉措施，完善排水設(shè)施建設(shè)，同時(shí)積極配合其他措施改善農(nóng)田氣候，增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，改善土壤物理性狀，增加土壤透水性，促進(jìn)土壤脫鹽。保證鹽堿地的有效改良和合理利用是取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的前提，更是促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

□