孫亞楠 李仙岳 史海濱 馬紅雨 王維剛 菅文浩

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.黃河流域內(nèi)蒙段水資源與水環(huán)境綜合治理自治區(qū)協(xié)同創(chuàng)新中心，呼和浩特 010018；3.呼和浩特市科兆豐水業(yè)勘測設(shè)計有限公司， 呼和浩特 010010)

0 引言

土壤鹽漬化嚴重影響作物生長并間接造成生態(tài)環(huán)境惡化，是威脅生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。我國北方地區(qū)由于干旱、降雨量少、蒸發(fā)大等原因，鹽漬化程度明顯高于濕潤地區(qū)，如內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽漬化面積約占總耕地面積的63.8%，另外由于灌區(qū)排水系統(tǒng)不完善，每年從黃河引入的鹽分遠大于排出灌區(qū)的鹽分[2]，鹽分在灌區(qū)內(nèi)積聚現(xiàn)象仍比較明顯。自1998年以來河套灌區(qū)實施了大規(guī)模續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，與此同時年均凈引水量由52億m3減少到47億m3[3]，使得灌區(qū)水循環(huán)和地下水埋深發(fā)生巨大變化，造成土壤鹽分重分布[4]。而鹽荒地作為耕地生育期 “旱排鹽”的重要區(qū)域[5]，隨著農(nóng)業(yè)大開發(fā)，其面積也逐漸在縮減[6]。這些過程均影響灌區(qū)土壤鹽分的時空重分布，而且農(nóng)業(yè)農(nóng)村部開展的“耕地質(zhì)量提升工程”，內(nèi)蒙古自治區(qū)進行的“改鹽增草(飼)興牧工程”等均需要精確掌握灌區(qū)現(xiàn)有土壤鹽分的時空分布規(guī)律。因此在區(qū)域、空間和時間尺度上對灌區(qū)節(jié)水改造后土壤鹽漬化演變規(guī)律進行分析，這對土壤鹽漬化的有效防治以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在河套灌區(qū)土壤鹽漬化的研究中，主要包括傳統(tǒng)的采樣方法[7-8]、遙感技術(shù)[9]的監(jiān)測方法，其中傳統(tǒng)的區(qū)域?qū)嵉夭蓸臃椒?，盡管精度高，但是耗時長，成本高，取樣不連續(xù)，無法實現(xiàn)對土壤鹽分大范圍、實時動態(tài)的監(jiān)測[10]，而遙感技術(shù)以其宏觀、動態(tài)、信息豐富等特點，已成為了區(qū)域土壤鹽分監(jiān)測的重要手段[11]。基于遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對區(qū)域性土壤鹽分的定量監(jiān)測[12-13]。針對節(jié)水改造工程實施過程的土壤鹽漬化研究中，較多研究主要以傳統(tǒng)采樣方法或基于遙感技術(shù)對短時段節(jié)水改造工程土壤鹽漬化的演變進行了研究[4，14-15]，而對于節(jié)水改造工程實施過程對區(qū)域性土壤鹽漬化空間重分布的影響以及演變機制問題研究較少。

本文對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用土地利用類型和不同季節(jié)的土壤鹽漬化遙感解譯模型，針對節(jié)水改造工程實施進展情況，將2000—2021年劃分為4個時段，從土壤鹽分空間分布狀態(tài)、土壤鹽分指標(biāo)(總儲鹽量及單位儲鹽量)時間演變等方面分析不同節(jié)水改造時期土壤鹽漬化時空演變規(guī)律，并從點尺度和區(qū)域尺度綜合分析土壤鹽漬化對地下水的響應(yīng)，同時結(jié)合灌溉、排水等因素分析土壤鹽漬化的演變機制，為節(jié)水改造工程對土壤鹽漬化的影響研究及土壤鹽漬化防治提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以河套灌區(qū)永濟灌域為研究區(qū)域，邊界坐標(biāo)為107°13′～107°42′E，40°36′～41°13′N，南北長60 km，東西寬40 km，總土地面積1.836×105hm2，現(xiàn)灌溉面積約1.122×105hm2，屬于典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候帶，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，是典型的“無灌溉則無農(nóng)業(yè)”地區(qū)。年均降水量為145 mm，年均蒸發(fā)量為2 275 mm，當(dāng)?shù)赝寥利}漬化問題突出，其中約1/2耕地土壤有不同程度的鹽堿化，土壤中氯化鹽、硫酸鹽和鈉鹽含量較高，鹽分類型復(fù)雜，灌區(qū)的鹽漬化問題始終限制著灌區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[13]。

由于黃河水量的減少，使得以引黃灌溉為主要灌溉方式的河套灌區(qū)開始開展以節(jié)水為目的續(xù)建配套及技術(shù)改造。其中永濟灌域2000—2005年開展了部分渠道的襯砌和建筑物的改建(重建)，在2000—2005年基礎(chǔ)上2005—2010年增加了渠道及排水溝的整治工程，2010—2015年進行了大規(guī)模的渠道襯砌、整治、排水溝的整治以及建筑物的改建(重建)。因此，根據(jù)節(jié)水改造工程實施進展情況，本文將2000—2021年節(jié)水改造工程劃分為4個時段，分別為2000—2005年(節(jié)水改造初期)、2005—2010年(節(jié)水改造中期)、2010—2015年(節(jié)水改造大規(guī)模實施期)和2015—2021年(節(jié)水改造后期)，各節(jié)水改造時段工程實施情況以及工程實施引起的環(huán)境指標(biāo)變化情況如表1所示。在節(jié)水改造工程實施的過程中，環(huán)境指標(biāo)發(fā)生了不同程度的變化，如各時段平均引水量總體呈減小趨勢。平均地下水埋深逐漸增加，其中2015—2021年相比2000—2005年增加16.83%，灌溉水利用系數(shù)也由2000年的0.381提高至2021年的0.490。

表1 不同節(jié)水改造時段工程實施特點Tab.1 Characteristics of project implementation in different water-saving reform periods

1.2 數(shù)據(jù)采集

土壤鹽分采樣選定為春灌前(2017年4月5—10日和2018年4月6—10日)和秋澆前(2017年9月27日—10月2日和2018年10月2—7日)進行，這兩個時段能最大程度避免植被、灌溉等對表層土壤鹽分的影響。土地利用類型采樣時間為2019年4—9月，由于研究區(qū)小麥播種及收獲時間與其他作物差異較大，因此將耕地細分為小麥和耕地兩類，最終確定的土地利用類型分別為小麥、耕地、林地、草地、鹽荒地、水域和居民工礦用地7類。土壤鹽分和土地利用類型采樣點均利用ArcGIS軟件進行網(wǎng)格均勻布設(shè)，實際采樣點則需根據(jù)道路、種植結(jié)構(gòu)、取樣的難易程度等進行調(diào)整，最終土壤鹽分的有效采樣點為90個(圖1a)，采樣深度為0～100 cm，包括0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm共5層，測得各離子含量最終得到全鹽量。土地利用類型采樣點數(shù)共計370個，其中小麥、耕地、林地、草地、鹽荒地、水域和居民工礦用地采樣點個數(shù)分別為57、85、37、37、79、30、45個(圖1b)。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖Fig.1 Distribution maps of sampling points in study area

1.3 分析方法

1.3.1土地利用類型解譯模型

以Landsat時間序列影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用主成分分析方法篩選波段、光譜指數(shù)和紋理特征3種特征變量的特征因子，并基于特征因子組成7種方案，包括單類別方案(波段、光譜指數(shù)、紋理特征)和組合類別方案(波段+光譜指數(shù)、波段+紋理特征、光譜指數(shù)+紋理特征、波段+光譜指數(shù)+紋理特征)，最后針對4—10月分別構(gòu)建不同方案的CART決策樹解譯模型。通過模型精度對比可知，8月基于Landsat數(shù)據(jù)的波段+光譜指數(shù)+紋理特征的CART決策樹模型解譯效果最好，其中波段的特征因子分別為Blue(藍)、Red(紅)、NIR(近紅外)和SWIR2(中紅外)，光譜指數(shù)的特征因子分別為NDVI(歸一化植被指數(shù))、MNDWI(歸一化水體指數(shù))、EBSI(增強型裸土指數(shù))、BI(亮度指數(shù))和RVI(比率植被指數(shù))，紋理特征的特征因子分別為Mean(均值)、Var(方差)、Hom(同質(zhì)性)、Con(對比度)、Dis(非相似性)、Sm(二階矩)和Cor(相關(guān)性)，該模型的總體精度和Kappa系數(shù)分別為80.23%和0.74，耕地、林地、草地、鹽荒地、水域和居民工礦用地的制圖精度分別為96.83%、73.33%、70.00%、65.52%、100%和80.00%，用戶精度分別為76.62%、100%、82.35%、82.61%、100%和80.00%[16]。在各節(jié)水改造時期應(yīng)用模型并將解譯結(jié)果中水域及居民工礦用地剔除，僅保留耕地、林地、草地、鹽荒地作為研究區(qū)土壤鹽分反演的區(qū)域。

1.3.2土壤鹽漬化反演模型

以野外實測(Analytical Spectral Devices公司的FieldSpec 4 Hi-Res型地物光譜儀)高光譜數(shù)據(jù)和星載多光譜影像(Landsat)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，提取波段/波長反射率并構(gòu)建光譜指數(shù)，對其進行基礎(chǔ)變換(原始、倒數(shù)、對數(shù)、根式)以及基礎(chǔ)變換的導(dǎo)數(shù)變換(一階、二階導(dǎo)數(shù))。通過多元逐步回歸的方法篩選出各變換下與土壤鹽分顯著相關(guān)的特征光譜指數(shù)，并基于特征光譜指數(shù)構(gòu)建春、秋兩季土壤鹽分的實測高光譜反演模型與多光譜反演模型。在參與建模的同一特征光譜指數(shù)下，實現(xiàn)高光譜模型和多光譜模型融合，使得融合后的模型能顯著提高多光譜數(shù)據(jù)源的精度。結(jié)果表明高-多光譜融合反演模型訓(xùn)練集和驗證集決定系數(shù)R2平均值分別為0.651和0.635，相比多光譜模型分別提高36.19%和35.64%，均方根誤差(RMSE)平均值分別為2.44 g/kg和2.49 g/kg，相比多光譜模型分別降低34.28%和41.72%，表明利用實測高光譜與多光譜數(shù)據(jù)的融合技術(shù)對提高多光譜鹽分的反演精度是可行且有效的[13]。剖面鹽分反演可通過構(gòu)建0～20 cm土層與剖面的關(guān)系從而間接構(gòu)建剖面土壤鹽分與光譜之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽漬化時空演變特征

2.1.1剖面土壤鹽分反演模型構(gòu)建

對野外實際取樣的0～100 cm土層土壤含鹽量進行描述性統(tǒng)計分析(表2)，耕地、鹽荒地中同一土層春季、秋季的土壤鹽分區(qū)間相差不大。鹽荒地各土層的平均含鹽量分別在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之間，各土層的含鹽量均遠大于耕地，分別是耕地土壤含鹽量的6.97、4.59、4.27、3.55、4.12倍。而耕地和鹽荒地的各土層含鹽量的排序一致，由大到小均依次為 0～20 cm、20～40 cm、80～100 cm、40～60 cm、60～80 cm。變異系數(shù)均為0～20 cm最大。

將各土層的含鹽量與0～20 cm土層含鹽量進行相關(guān)性分析，得到各土層含鹽量與0～20 cm含鹽量的擬合曲線(圖2)。多項式擬合效果最好，其中20～40 cm土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量相關(guān)性最好，耕地中二者擬合曲線的R2和RMSE分別為0.722 3和1.13 g/kg，鹽荒地為0.610 2和6.77 g/kg。 其余土層則隨著土層深度的增加與0～20 cm土層含鹽量的擬合效果逐漸降低，分析原因可能是研究區(qū)蒸降比較大，導(dǎo)致土壤鹽分表聚現(xiàn)象較為嚴重，空間分布差異較大，從而使得剖面土壤含鹽量與0～20 cm土層含鹽量難以建立可靠的擬合關(guān)系所致。在土壤剖面含鹽量的反演模型構(gòu)建過程中，僅20～40 cm土層含鹽量與0～20 cm的相關(guān)性較好，能夠進行反演模型構(gòu)建。

表2 耕地和鹽荒地土壤含鹽量描述性統(tǒng)計分析Tab.2 Descriptive statistical analysis of soil salinity in different soil layers of different land types

圖2 各土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量的相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of soil salinity in each soil layer with 0～20 cm salinity

2.1.2基于遙感的土壤鹽分空間分布

選擇每個時段的節(jié)點年份進行土地利用類型和土壤鹽漬化的遙感解譯，即2000、2005、2010、2015、2021年。對各節(jié)水改造時期的土地利用類型的面積(表3)和空間分布情況(圖3)進行分析，耕地占研究區(qū)總面積的48.19%～74.39%，自2000年起總體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，其中2000—2005年變化幅度較小且有減小的趨勢，分析是由于節(jié)水改造工程的實施使得引黃水量減少，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發(fā)展，并使得質(zhì)量較差的耕地棄荒。而2005—2010年耕地面積增幅較大，為39.54%，原因是在不斷的水量空間分>配的調(diào)整下，研究區(qū)耕地的水量進行了重新合理分配，使得耕地進一步擴張。2010—2021年耕地面積仍呈增加的趨勢，但幅度較小且逐漸趨于穩(wěn)定。鹽荒地占研究區(qū)總面積的4.26%～12.35%，主要集中于研究區(qū)的北部、中部區(qū)域，總體上呈逐漸減小的趨勢，且隨著節(jié)水改造的進行，鹽荒地主要集中于研究區(qū)的中東部，其中2000—2005年面積有小幅度的增加，增幅為1.64%，分析是由于部分的耕地棄荒使得鹽荒地面積有所增加。草地面積總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。居民工礦用地面積呈逐漸增加的趨勢，主要集中在臨河市區(qū)范圍內(nèi)且擴張較為顯著。

表3 2000—2021年土地利用類型面積Tab.3 Proportion of each land use types from 2000 to 2021 hm2

圖3 土地利用類型時空分布圖Fig.3 Spatial and temporal distributions of land use types

根據(jù)土壤鹽漬化等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)[17-18]，獲得研究區(qū)土壤各等級鹽漬化的空間分布圖(圖4，圖中從左至右依次為2000、2005、2010、2015、2021年)，在節(jié)水改造各個時期中，土壤鹽漬化等級最高的區(qū)域均位于研究區(qū)的中東部，即鹽荒地中，這與野外實際取樣結(jié)論一致。隨著節(jié)水改造工程的實施，研究區(qū)中鹽漬化程度“南低北高”的空間分布狀態(tài)逐漸明顯，分析原因主要與地下徑流及地形條件有關(guān)，研究區(qū)南部地勢高于北部，地下徑流由南至北排泄，且土壤質(zhì)地由南至北逐漸變細，從而導(dǎo)致排水不暢，加劇了鹽分向北部的積聚[13]。另外，由于研究區(qū)近年來發(fā)展了一定面積的井渠灌，導(dǎo)致南部地下水埋深增加，這對南部表層鹽分的積聚起到削弱的作用[12]。

圖4 0～40 cm土壤鹽漬化時空分布圖Fig.4 Spatial and temporal distributions of soil salinization in 0～40 cm

對不同時期、不同土層深度的各等級鹽漬化面積所占比例進行統(tǒng)計(表4)，2000年0～20 cm春秋兩季土壤鹽漬化均以輕度和中度為主，二者平均占比分別為36.49%和34.48%，且秋季土壤鹽漬化程度小于春季。2005—2010年時，春秋兩季0～40 cm土層土壤鹽漬化程度增加，主要表現(xiàn)為重度鹽化土(主要鹽漬化等級)所占比例增加，其中春季0～20 cm和20～40 cm相比2000年重度鹽化土比例分別平均增加106.98%和806.38%，秋季0～20 cm和20～40 cm相比2000年重度鹽化土比例平均增加44.26%和190.60%。2010—2015年土壤鹽漬化程度逐漸減輕，主要鹽漬化等級向等級小的方向轉(zhuǎn)移，2015—2021年，土壤鹽漬化程度減輕程度較為明顯，其中春季0～20 cm土壤雖然仍以中度和重度鹽化土為主，但二者所占比例呈降低趨勢，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土層則均以輕度和中度鹽化土為主，輕度和中度鹽化土所占比例之和相比2005—2010年分別平均增加15.02%、-2.62%和6.26%。

2.1.3土壤鹽分時空演變

以土壤鹽漬化的空間分布圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件統(tǒng)計耕地、林地、草地和鹽荒地中各斑塊的面積以及對應(yīng)的平均含鹽量，計算不同節(jié)水改造時期不同土層的總儲鹽量和單位儲鹽量指標(biāo)，從而量化土壤鹽分的積累情況，計算公式為[4,19-20]

(1)

(2)

其中

Si=10-3QirhhAi

(3)

式中h——土層厚度，m

rh——土層厚度h的土壤容重，kg/m3

表4 不同時期0～40 cm土壤鹽漬化面積所占比例Tab.4 Proportion of soil salinization in different periods in 0～40 cm %

n——斑塊總數(shù)，個

Ai——第i個斑塊面積，m2

Qi——第i個斑塊平均含鹽量，g/kg

Si——第i個斑塊儲鹽量，萬t

S——該層土壤總儲鹽量，萬t

Su——該層土壤單位儲鹽量，kg/m2

2.1.3.1總儲鹽量

計算各土地利用類型(耕地、林地、草地和鹽荒地)中不同節(jié)水改造時期、不同土層深度的總儲鹽量(圖5)，0～20 cm土壤中春、秋兩季的總儲鹽量分別在1.244×106～1.489×106t和1.113×106～1.396×106t之間，平均總儲鹽量分別為1.350×106t和1.201×106t，平均值為1.276×106t。而20～40 cm不同時期土壤中，春、秋兩季的平均總儲鹽量相比0～20 cm分別減少18.73%和21.11%。0～20 cm和20～40 cm秋季土壤的總儲鹽量相比春季平均減少11.00%和13.60%。

圖5 節(jié)水改造各時期不同土層的總儲鹽量Fig.5 Total salt storage of different soil layers in different periods of water-saving transformation

隨著節(jié)水改造工程的進行，研究區(qū)春、秋兩季0～40 cm土層儲鹽量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，2010年達到最大值，其中0～20 cm春、秋兩季總儲鹽量分別為1.489×106t和1.396×106t(圖5a)，20～40 cm春、秋兩季總儲鹽量相比0～20 cm分別降低16.56%和22.98%。至2021年，春、秋兩季平均總儲鹽量仍大于2000年，0～20 cm和20～40 cm分別增加5.74%和19.21%。綜上研究結(jié)果表明，隨著節(jié)水改造的進行，研究區(qū)春、秋兩季0～40 cm 各土層深度的總儲鹽量均呈先增加后減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在2010年，但隨著節(jié)水改造工程的實施，土壤總儲鹽量不斷地減少，但總體仍高于2000年總體水平。

以耕地和鹽荒地這兩種土壤鹽分差異較大的土地利用類型為例進行總儲鹽量分析(圖6)，不同時期耕地0～20 cm土層中，春、秋兩季的總儲鹽量分別在6.52×105～1.080×106t和5.62×105～1.036×106t之間，平均值分別為8.95×105t和7.96×105t，20～40 cm土層中，春、秋兩季的平均總儲鹽量相比0～20 cm土層分別減少16.91%和21.81%。不同時期鹽荒地0～20 cm土層中，總儲鹽量分別在9.22×104t～1.884×105t和8.65×104～1.840×105t之間，平均值分別為1.287×105t和1.213×105t，二者相差不大，20～40 cm土層中，春、秋兩季的平均總儲鹽量相比0～20 cm土層分別減少27.25%和32.30%，與耕地情況對比可知，鹽荒地中20～40 cm的總儲鹽量與0～20 cm的總儲鹽量差值大于耕地情況，分析是由于鹽荒地中鹽分的表聚情況較為嚴重，表面形成大量的鹽分結(jié)皮，且沒有灌溉水的淋洗，從而導(dǎo)致0～20 cm與20～40 cm 土壤的儲鹽量有較大的差異。

圖6 耕地、鹽荒地不同土層深度的總儲鹽量Fig.6 Total salt storage at different soil depths of agricultural land and wasteland

耕地中不同土層的總儲鹽量呈先增后減的變化趨勢(圖6a)，2010年為峰值，分析原因可能為節(jié)水改造初期，由于引水量的減少，原有耕地灌水量縮減，加之由于經(jīng)濟發(fā)展等原因，2005—2010年耕地面積擴張幅度較大，使得單位面積所灌水量進一步縮減，從而導(dǎo)致0～40 cm的土壤儲鹽向下層淋洗不充分，體現(xiàn)為2000—2010年耕地土壤儲鹽量增加，而隨著節(jié)水改造工程的不斷實施，灌水量在空間的分配逐漸趨于合理，表層土壤鹽分相比前一時期向下層的淋洗量增加，體現(xiàn)為2010—2021年耕地土壤儲鹽量減少。鹽荒地0～20 cm土層在節(jié)水改造過程中呈減小的趨勢(圖6b)，尤其是2005—2010年，原因可能為隨著節(jié)水改造工程的進行，引黃水量減少且渠系水利用系數(shù)提高，灌溉水向地下水補給量減少，導(dǎo)致地下水埋深逐漸增加，地下水中鹽分對鹽荒地表層土壤的補給量逐漸減少，另外，由于鹽荒地常年不進行灌溉，耕地的土壤鹽分在水力梯度下向鹽荒地移動，但相比節(jié)水改造前，耕地灌水量減少，會導(dǎo)致同等條件下耕地鹽分向鹽荒地運移量隨之減少，在上述條件的綜合作用下導(dǎo)致鹽荒地0～20 cm儲鹽量逐漸減少。鹽荒地20～40 cm土層儲鹽量在2000—2005年出現(xiàn)小幅度增加，原因可能為該時期地下水埋深減小幅度較小，20～40 cm土層鹽分仍受到地下水中鹽分的影響。

2.1.3.2單位儲鹽量

圖7 不同土層深度的單位儲鹽量Fig.7 Unit salt storage at different soil depths

計算不同時期、不同土層深度單位儲鹽量(圖7)，0～20 cm土層中，春、秋兩季的單位儲鹽量分別在0.806～0.973 kg/m2和0.702～0.888 kg/m2之間，平均值分別為0.870 kg/m2和0.777 kg/m2，20～40 cm單位儲鹽量相比0～20 cm土層分別降低21.49%和30.76%。隨著節(jié)水改造工程的進行，土壤的單位儲鹽量呈先增加后減小的趨勢，不同節(jié)水改造時期0～40 cm土層的春季單位儲鹽量平均值分別為0.696、0.765、0.861、0.804、0.757 kg/m2，秋季分別為0.629、0.683、0.787、0.684、0.626 kg/m2。

以耕地和鹽荒地為例進行單位儲鹽量的分析(圖8)，不同時期、不同土層深度的耕地單位儲鹽量平均值為0.653 kg/m2，鹽荒地則為0.895 kg/m2，鹽荒地的單位儲鹽量在各時期均大于耕地，0～20 cm土層中，春、秋季鹽荒地的單位儲鹽量分別是耕地的1.43、1.52倍，20～40 cm土層中，分別是耕地的1.25、1.23倍，即相比20～40 cm土壤，0～20 cm土層耕地和鹽荒地的單位儲鹽量相差幅度更大。

圖8 耕地、鹽荒地不同土層深度的單位儲鹽量Fig.8 Unit salt storage at different soil depths of agricultural land and wasteland

在節(jié)水改造工程實施過程中，耕地和鹽荒地的單位儲鹽量在2000—2010年呈逐漸增加的趨勢，其中，0～20 cm土層中，耕地、鹽荒地單位儲鹽量平均增幅分別為26.14%和8.44%(圖8)，20～40 cm土層中，耕地、鹽荒地單位儲鹽量平均增幅分別為25.08%和24.46%。2010—2021年單位儲鹽量逐漸減小，其中，0～20 cm土層中，耕地、鹽荒地單位儲鹽量平均降幅分別為12.92%和13.91%，20～40 cm 土層中，耕地、鹽荒地單位儲鹽量平均降幅分別為17.82%和18.20%。

2.2 土壤鹽漬化對地下水的響應(yīng)

2.2.1點尺度

根據(jù)地下水點位對相應(yīng)的春、秋兩季0～20 cm的含鹽量反演值進行提取，并分析鹽分與地下水的點尺度響應(yīng)關(guān)系(圖9)，不同時期土壤鹽漬化均隨著地下水埋深的增加而減少，滿足對數(shù)關(guān)系，春季、秋季0～20 cm土壤含鹽量與地下水埋深的對數(shù)擬合關(guān)系中R2分別為0.744和0.672，均達到0.05顯著相關(guān)水平，其中秋季的土壤含鹽量與地下水埋深的擬合效果差于春季，R2降低9.68%，分析是秋季土壤因灌溉或種植作物所致。

圖9 地下水埋深與0～20 cm土層含鹽量的關(guān)系Fig.9 Relationship between groundwater depth and soil salinity of 0～20 cm

2.2.2區(qū)域尺度

利用區(qū)域尺度對各等級鹽漬化程度土壤所處的地下水埋深區(qū)間進行研究，可降低由于點尺度采樣點的數(shù)量和位置的主觀因素對結(jié)果的影響，區(qū)域尺度的研究主要根據(jù)不同時期不同等級鹽漬化空間分布圖與地下水埋深空間分布圖，對單位面積斑塊范圍內(nèi)的輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深進行計算，并繪制其概率密度曲線(圖10)，當(dāng)某一鹽漬化等級的地下水埋深在[μ-2σ,μ+2σ](μ表示地下水埋深的平均值，σ表示地下水埋深的標(biāo)準(zhǔn)差)之內(nèi)時，則表明該地下水埋深區(qū)間內(nèi)發(fā)生該等級鹽漬化的面積占該等級鹽漬化總面積的95%，即表明絕大多數(shù)數(shù)據(jù)均在此范圍內(nèi)，所以本文將[μ-2σ,μ+2σ]作為各等級鹽漬化的地下水埋深區(qū)間。結(jié)果表明，不同節(jié)水改造時期的土壤同一等級鹽漬化下地下水埋深平均值的標(biāo)準(zhǔn)差均較小，如輕度鹽化土中，多年春季、秋季的地下水埋深平均值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.037 m和0.069 m，說明平均地下水埋深反映整體地下水?dāng)?shù)據(jù)可靠。不同節(jié)水改造時期中，低等級鹽漬化的地下水概率密度曲線位于埋深較大的位置，如節(jié)水改造過程中春季、秋季輕度鹽化土的地下水埋深區(qū)間分別為1.803～2.965 m和1.619～2.728 m，隨著鹽漬化等級的增加，地下水埋深概率密度曲線逐漸向埋深小的區(qū)域移動，如春季中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深的區(qū)間分別為1.837～2.667 m、1.606～2.591 m、1.260～2.284 m，秋季中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深的區(qū)間分別為1.395～2.569 m、1.238～2.356 m、0.984～2.256 m，即地下水埋深越小，發(fā)生高等級鹽漬化的風(fēng)險越大，地下水埋深與土壤鹽漬化呈負相關(guān)關(guān)系。春、秋兩季輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值分別為2.351、2.144、1.953、1.752 m，同等級鹽漬化下，秋季地下水埋深小于春季，其中輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值相比春季分別小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。

圖10 研究區(qū)不同等級鹽漬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 討論

土壤剖面鹽分的反演研究中，現(xiàn)研究方法主要包括傳統(tǒng)采樣方法[21]、電磁感應(yīng)技術(shù)[22]和遙感估測方法[23]。如丁建麗等[24]基于遙感特征空間理論，構(gòu)建了Landsat-TM數(shù)據(jù)的指數(shù)模型，得到了區(qū)域土壤鹽分的空間變化特征。王瑾杰等[25]基于GF-1數(shù)據(jù)計算了植被指數(shù)、土壤指數(shù)等多種指標(biāo)，構(gòu)建了0～100 cm的土壤剖面電導(dǎo)率線性回歸模型，模擬效果較好。然而現(xiàn)有研究均將區(qū)域作為整體或僅對單一地類進行區(qū)域土壤剖面鹽分的建模，當(dāng)將研究區(qū)作為整體時，以河套灌區(qū)為例，耕地和鹽荒地的土壤鹽分區(qū)間存在較大的差異，如鹽荒地0～20 cm的土壤鹽分含量是耕地的4倍甚至更多[26]，且耕地、鹽荒地土壤表聚程度具有顯著差異，從而導(dǎo)致剖面土壤與表層土壤的相關(guān)關(guān)系不同，所以在構(gòu)建剖面鹽分的線性模型時將對模型的模擬精度產(chǎn)生直接的影響。本文針對耕地和鹽荒地這兩種土壤鹽分具有顯著差異的地類進行剖面土壤與表層土壤的相關(guān)性分析，能夠在一定程度上提高模型的精度，但深度大于40 cm的土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量的相關(guān)性較差，今后需綜合考慮研究區(qū)的地形因子、地下水等多重指標(biāo)，從而構(gòu)建精度更高、土層深度更大的剖面鹽分反演模型，為土壤剖面鹽分的遙感定量監(jiān)測提供幫助。

根據(jù)本文研究結(jié)果可知，節(jié)水改造工程實施的過程中，2000—2010年土壤鹽漬化程度呈增加趨勢，2010—2021年土壤鹽漬化呈減輕趨勢。原因為節(jié)水改造初期，研究區(qū)的渠系引水量相對較大，且灌溉水利用效率還處于較低的水平，一方面，通過渠系滲漏對地下水的補給量較大，使得地下水埋深變淺；另一方面，由于河套灌區(qū)獨特的灌溉方式，使得大量的灌溉水入滲到地下水中，進一步抬高了地下水位。大量鹽分通過灌溉水進入到地下水中，使得地下水礦化度逐漸增大，同時由于研究區(qū)排水不暢等問題，灌區(qū)鹽分存儲在地下水中，而地下水礦化度與土壤中的鹽分存在顯著的交互作用，在研究區(qū)土壤與作物強烈的蒸發(fā)蒸騰作用下，地下水中的鹽分隨毛管水上升到土壤表面，導(dǎo)致土壤表層鹽分加劇。此外，在2005—2010年研究區(qū)耕地面積出現(xiàn)大幅度擴張，2010年相比2005年耕地面積增加39.54%，使得耕地單位面積的灌水量減少，致使積聚在表層的土壤鹽分向下層淋洗的強度減弱。綜上分析，原積聚在表層的土壤鹽分無法向下層淋洗且又有新的鹽分積聚，使得研究區(qū)在2000—2010年期間土壤鹽漬化程度加劇。而隨著節(jié)水改造工程的不斷推進，研究區(qū)的引水量減少，且由于渠道襯砌等節(jié)水改造措施使得灌溉水利用效率提高，從而導(dǎo)致地下水的補給量也隨之減少，地下水埋深逐漸增加，潛水蒸發(fā)量呈逐年下降的趨勢[27]，且下降幅度逐年增加，隨著潛水蒸發(fā)量的減少，地下水中的鹽分向上運移作用減弱，地下水?dāng)y帶上升至土壤表層的鹽分也隨之減少。

淺層地下水的波動是土壤表層鹽分累積的關(guān)鍵過程[28-29]，有研究表明地下水埋深與土壤鹽分存在一定的相關(guān)性[30]，如張江輝[31]、管孝艷等[32]研究發(fā)現(xiàn)土壤鹽分隨地下水埋深的增加逐漸減小，影響較為顯著，二者滿足指數(shù)關(guān)系。針對河套灌區(qū)的研究中，黃權(quán)中等[12]發(fā)現(xiàn)4月土壤鹽分與地下水埋深滿足對數(shù)關(guān)系。竇旭等[33]研究發(fā)現(xiàn)耕地、鹽荒地土壤鹽分與地下水的關(guān)系分別滿足指數(shù)關(guān)系和線性關(guān)系。本文采用點尺度和區(qū)域尺度多種方式更加全面地研究了鹽漬化土壤對地下水的響應(yīng)，為適宜地下水埋深的研究提供了依據(jù)，結(jié)果表明0～20 cm土壤鹽分與地下水埋深呈對數(shù)關(guān)系，春、秋兩季輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值分別為2.351、2.144、1.953、1.752 m，秋季地下水埋深平均值相比春季分別小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)鹽荒地中各土層的土壤含鹽量均大于耕地，為耕地的3.55～6.97倍，耕地、鹽荒地剖面各土層僅20～40 cm土層含鹽量與0～20 cm土層含鹽量相關(guān)性滿足要求，耕地中二者擬合曲線的R2和RMSE分別為0.722 3和1.13 g/kg，鹽荒地為0.610 2和6.77 g/kg。這表明僅20～40 cm土壤含鹽量能夠通過構(gòu)建與0～20 cm土層含鹽量的關(guān)系從而構(gòu)建與光譜的關(guān)系。

(2)隨著節(jié)水改造工程的實施，土壤鹽漬化程度南低北高的空間分布狀態(tài)逐漸明顯，鹽漬化等級最高的區(qū)域均為鹽荒地，2005—2010年土壤鹽漬化程度增加，主要表現(xiàn)為0～40 cm春季、秋季的重度鹽化土(主要鹽漬化等級)所占比例相比2000年分別平均增加106.98%～806.38%和44.26%～190.60%，2010—2015年土壤鹽漬化程度逐漸減輕，主要鹽漬化等級向等級小的方向轉(zhuǎn)移，2015—2021年，土壤鹽漬化程度減輕程度較為明顯，主要表現(xiàn)為春季0～20 cm中度、重度鹽化土所占比例之和(主要鹽漬化等級)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土層輕度、中度鹽化土所占比例之和(主要鹽漬化等級)相比2005—2010年分別增加15.02%、-2.62%和6.26%。

(3)隨著節(jié)水改造工程的進行，春、秋兩季0～40 cm土層儲鹽量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，2010年達到最大值，其中0～20 cm春、秋兩季總儲鹽量分別為1.489×106t和1.396×106t，20～40 cm 春、秋兩季總儲鹽量相比0～20 cm分別降低16.56%和22.98%。至2021年，春、秋兩季平均總儲鹽量仍大于2000年，0～20 cm和20～40 cm分別增加5.74%和19.21%。

(4)不同時期土壤含鹽量與地下水埋深滿足對數(shù)關(guān)系，春季、秋季土壤含鹽量與地下水埋深的R2分別為0.744和0.672。春、秋兩季輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的地下水埋深平均值分別為2.351、2.144、1.953、1.752 m，輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土的秋季地下水埋深平均值相比春季分別小7.85%、8.27%、12.16%和9.88%。