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        基于最大似然法的鹽堿化發(fā)展態(tài)勢與治理模式探析

        2019-12-27 08:29:02
        中國農(nóng)村水利水電 2019年12期

        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)。

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