王環(huán)波 楊鵬年 劉全明 杜明亮 彭 亮

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電學(xué)校，烏魯木齊 800013；3.新疆水利工程安全與水害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；4.巴音郭楞蒙古自治州水利綜合服務(wù)中心,庫(kù)爾勒 841000)

0 引言

土壤鹽漬化是世界范圍內(nèi)最緊迫的環(huán)境問題之一，已成為世界性的生態(tài)問題，受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1-2]。根據(jù)中國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)，中國(guó)鹽漬土面積約3.6×107hm2,其中西北干旱和半干旱區(qū)鹽漬土面積約占70%[3]，鹽堿化對(duì)環(huán)境健康和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性產(chǎn)生不利影響。因此，深入了解這些地區(qū)土壤鹽漬化及其相關(guān)因子的時(shí)空特征，是有效控制這些地區(qū)鹽漬化的必要條件[4]，可為灌區(qū)的水鹽調(diào)控與鹽漬化治理提供決策依據(jù)。

水鹽運(yùn)移研究始于19世紀(jì)中期，水鹽平衡理論和Darcy定律[5]構(gòu)成了現(xiàn)代土壤水鹽運(yùn)移的基本理論和框架。土壤鹽分空間變異的理論基礎(chǔ)是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)[6]，其最初都是基于水鹽運(yùn)移的微觀機(jī)理研究[7-10]，直到20世紀(jì)70年代，CAMPBELL[11]提出地統(tǒng)計(jì)學(xué)可以很好地解決土壤鹽分的空間變異性問題以來(lái)，水鹽運(yùn)移由理論研究轉(zhuǎn)為較復(fù)雜的田間尺度，并建立了土壤水鹽運(yùn)移的兩域模型[12-13]。隨著土壤水鹽運(yùn)移機(jī)理的深入研究，水鹽運(yùn)移平衡理論與數(shù)值模擬應(yīng)用到水鹽動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)使土壤水鹽運(yùn)移研究進(jìn)入到一個(gè)新階段[14-20]。區(qū)域水鹽運(yùn)移模型[21-22]和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，使得水鹽運(yùn)移的認(rèn)識(shí)更加深入，由定性、預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向定量化[23-26]。遙感和電磁感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用使得大區(qū)域土壤水鹽空間變異性監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)更便捷，在全球和區(qū)域土壤水鹽監(jiān)測(cè)與制圖中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用[27]，高光譜水鹽監(jiān)測(cè)[28]和機(jī)器學(xué)習(xí)[29]等是目前發(fā)展主流，并逐漸由監(jiān)測(cè)、反演[30]傾向定量化研究。上述的研究基本是基于機(jī)理、田間尺度以及區(qū)域定性監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和反演，且大多基于單一的水鹽指標(biāo)進(jìn)行時(shí)空變化研究，然而區(qū)域尺度的次生鹽漬化多是人類活動(dòng)等諸多因素綜合作用導(dǎo)致，涉及地表水、地下水、土壤等多因素相互作用，因此在探討水鹽分異時(shí)，不能只采用單一方法，必須采用多種方法綜合研究。可拓學(xué)是用于解決矛盾問題的新學(xué)科，提供了一種處理問題的新方法。其通過(guò)建立物元、事元和關(guān)系元，并將事物、特征及數(shù)據(jù)作為3要素，來(lái)描述客觀事物[31]，因?yàn)閷哟畏治龇ǖ呐袛嗑仃嚇?biāo)度值確定存在模糊性，研究人員引入了區(qū)間數(shù)判斷矩陣，并將可拓學(xué)理論用來(lái)處理區(qū)間數(shù)判斷矩陣，從而產(chǎn)生了可拓層次分析法[32-33]。其成為廣泛應(yīng)用于研究描述事物性質(zhì)變換過(guò)程的定量化工具。將可拓層次分析法與遙感和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定量化描述水鹽時(shí)空變化特征的研究鮮有報(bào)道。

本文以焉耆盆地為研究對(duì)象，將影響次生鹽漬化的地表含鹽量、土壤含鹽量、地表灌水量、地下水埋深、地下水礦化度等多個(gè)指標(biāo)結(jié)合可拓層次分析法與遙感解譯，運(yùn)用ENVI和ArcGIS軟件，將影響鹽漬化的諸多因素標(biāo)準(zhǔn)化處理，定量化揭示區(qū)域尺度水鹽時(shí)空分異進(jìn)程，為焉耆盆地控制鹽漬化提供重要理論依據(jù)，并為定量化揭示區(qū)域尺度水鹽時(shí)空分異進(jìn)程提供一種新的方法。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域是中國(guó)西北干旱區(qū)典型的荒漠盆地綠洲——焉耆盆地，位于東經(jīng)85°30′～87°50′，北緯41°40′～42°30′，是一個(gè)近乎封閉的山間盆地，東西長(zhǎng)約170 km，南北寬約85 km，總面積約1.26×104km2，其中綠洲面積達(dá)8.79×103km2，包括焉耆縣、博湖縣、和靜縣、和碩縣4個(gè)縣 (圖1)。我國(guó)西部最大的淡水水體之一——博斯騰湖位于盆地東南部，海拔1 049 m，是盆地內(nèi)較低區(qū)域，開放水面約1 000 km2。研究區(qū)具有典型的干旱大陸性氣候特征，4—9月蒸發(fā)皿蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的81%。1990—2020年的年平均降水量和蒸發(fā)量分別為90.9 mm和1 969 mm(來(lái)自焉耆氣象站)。焉耆盆地灌溉面積由20世紀(jì)50年代的6.7×103hm2迅速擴(kuò)大到20世紀(jì)末的1.292×105hm2[34]，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)，導(dǎo)致了區(qū)域大面積的水鹽重組、運(yùn)移，次生鹽漬化加劇，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。21世紀(jì)以來(lái)，焉耆盆地灌區(qū)實(shí)施大規(guī)模覆膜滴灌改造工程[35]和地下水開發(fā)利用等治鹽措施。目前，節(jié)水治鹽項(xiàng)目已實(shí)施了20多年，長(zhǎng)期人為干預(yù)下的焉耆盆地水鹽時(shí)空分異特征還沒有進(jìn)行深入研究。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location map of study area

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1典型年選擇

為了更好地反映焉耆盆地灌區(qū)水鹽時(shí)空分異特征，結(jié)合研究區(qū)水土開發(fā)實(shí)際，以2005年灌區(qū)實(shí)施規(guī)?；?jié)水為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，前后共20年為研究時(shí)段，選取初步開始治理鹽漬化的2000年、實(shí)施規(guī)模化覆膜滴灌節(jié)水的2005年、最嚴(yán)格的水資源管理制度落實(shí)5年的2015年、現(xiàn)狀2020年4個(gè)典型年，以上述4個(gè)典型年收集地表含鹽量、土壤含鹽量、地下水礦化度、地表灌水量、地下水埋深、遙感影像數(shù)據(jù)等相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.2數(shù)據(jù)采集與處理

2000年4月18—28日進(jìn)行了野外調(diào)查，共采集淺層地下埋深與水樣189個(gè)，土壤樣品476點(diǎn)位;2005年4月20—28日，共采集淺層地下水埋深與水樣90個(gè)，土壤樣品578點(diǎn)位;2015年4月20—29日，共采集淺層地下水埋深與水樣145個(gè)，土壤樣品142點(diǎn)位;2020年4月14—29日，共采集淺層地下水埋深與水樣92個(gè)，土壤樣品148點(diǎn)位。

采樣過(guò)程遵循以下原則:①盡可能多地選擇歷史采樣點(diǎn)，便于比較。②水樣、土壤樣和地下水埋深在同一采樣點(diǎn)采集。③根據(jù)車輛可達(dá)性設(shè)計(jì)采樣過(guò)程的調(diào)查路線。④用螺旋鉆取土壤，用水位計(jì)測(cè)量潛水埋深。⑤同時(shí)使用便攜式GPS(精度5 m)記錄地理位置。歷史采樣點(diǎn)布局如圖1所示。

土壤鹽分含量通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量飽和土壤提取物的電導(dǎo)率(EC,dS/m)來(lái)表征[36]。樣品完全風(fēng)干，通過(guò)2 mm篩去除非土物質(zhì)。在土壤、水質(zhì)量比為1∶5的充足土壤滲濾液的基礎(chǔ)上，使用數(shù)字多參數(shù)測(cè)量?jī)x(DDS-307A型)在室溫(25℃)下測(cè)定土壤電導(dǎo)率，取平均數(shù)據(jù)作為最終值[37]。采用便攜式水質(zhì)檢測(cè)儀(DDBJ-350F型，測(cè)定溫度、溶解性總固體(TDS)含量、pH值)進(jìn)行TDS現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),選取部分樣品送有檢測(cè)資質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)用于結(jié)果比對(duì)。

水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)來(lái)源于巴音郭楞蒙古族自治州水資源公報(bào)。

1.2.3遙感影像數(shù)據(jù)

遙感影像是通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)獲取，按照對(duì)應(yīng)采樣時(shí)段分別選取2000、2005年的LandSat5 TM遙感影像和2015、2020 年的LandSat8 OLI遙感影像，將所獲取的4期影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、圖像配準(zhǔn)、影像融合(解決分辨率不同的問題)、裁剪和影像分類等預(yù)處理。預(yù)處理目的是利于后期鹽堿地斑塊信息的解譯與提取。依據(jù)土壤農(nóng)化分析[38]將典型年實(shí)地采樣表層土壤化驗(yàn)數(shù)據(jù)按照鹽漬化土壤(EC為2～4 dS/m)、中度鹽土(EC為4～8 dS/m)、重鹽土(EC為8～16 dS/m)、極重鹽土(EC大于16 dS/m)4個(gè)等級(jí)分類，并按照GPS定位坐標(biāo)將采樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入ENVI 5.3中，確定各個(gè)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的像元位置，結(jié)合目視解譯將相似像元運(yùn)用ROI工具選中訓(xùn)練樣本，進(jìn)行樣本可分離度檢驗(yàn)后，基于訓(xùn)練樣本，運(yùn)用支持向量機(jī)法對(duì)研究區(qū)鹽漬化進(jìn)行監(jiān)督分類，通過(guò)總精度和Kappa系數(shù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，采用地表鹽度插值分布圖進(jìn)行趨勢(shì)驗(yàn)證，最終劃分為水域、濕地、植被(包含耕地、林草)、鹽漬化土壤、中度鹽土、重鹽土、極重鹽土和其他(未利用地、城居工礦等)共8類。

1.2.4指標(biāo)權(quán)重確定

為了更好地揭示灌區(qū)水鹽時(shí)空分異進(jìn)程，考慮到數(shù)據(jù)的科學(xué)、完備、可獲取性的原則，結(jié)合前人研究成果與研究區(qū)實(shí)際，以灌區(qū)水鹽時(shí)空分異特征為目標(biāo)，構(gòu)建焉耆盆地水鹽時(shí)空分異特征可拓層次結(jié)構(gòu)圖(圖2),將研究區(qū)的水鹽時(shí)空分異(目標(biāo)層)分解為鹽分運(yùn)動(dòng)和水分運(yùn)動(dòng)兩個(gè)元素構(gòu)成水鹽分異的準(zhǔn)則層，準(zhǔn)則層對(duì)下一層(指標(biāo)層)起支配作用，從上至下的支配關(guān)系形成了一個(gè)遞階層次。聘請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域的學(xué)者、灌區(qū)管理人員、技術(shù)員等，依據(jù)已構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)圖，分別對(duì)目標(biāo)層、指標(biāo)層進(jìn)行兩兩重要性判斷，共計(jì) 7 位學(xué)者進(jìn)行打分，結(jié)果以少數(shù)服從多數(shù)的原則進(jìn)行集值統(tǒng)計(jì)[39]，使權(quán)重計(jì)算更加符合實(shí)際。

圖2 可拓層次結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Chart of extension hierarchy structure

1.3 研究方法

在收集研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用可拓層次分析法首先確定各指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用正態(tài)QQ圖分析工具對(duì)各時(shí)期地表含鹽量、土壤含鹽量、地下水埋深、地下水礦化度、地表灌水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，并選定最優(yōu)插值方法。用ENVI 5.3進(jìn)行遙感解譯、監(jiān)督分類，將采樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入ENVI 5.3中，確定各個(gè)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的像元位置，結(jié)合目視解譯將相似像元運(yùn)用ROI工具選中訓(xùn)練樣本，進(jìn)行樣本可分離度檢驗(yàn)后，基于訓(xùn)練樣本，運(yùn)用支持向量機(jī)(SVM)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行監(jiān)督分類。在ArcGIS 10.6軟件中用空間插值法，獲取各指標(biāo)的空間分布柵格圖件，運(yùn)用重分類將各柵格圖件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。再用ArcGIS 10.6軟件中的Spatial Analyst工具進(jìn)行空間插值分析獲得典型年的水鹽分異時(shí)空分布特征圖，最后將各指標(biāo)分別按照一定的分類標(biāo)準(zhǔn)劃分為1～10 共10類標(biāo)準(zhǔn)化處理，再分別乘以影響鹽漬化的各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行空間嵌套疊加分析，以獲取灌區(qū)區(qū)域尺度的水鹽當(dāng)量[40]時(shí)空分異進(jìn)程。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)調(diào)查問卷和專家打分結(jié)果，運(yùn)用可拓層次分析法計(jì)算得出影響土壤鹽漬化主要指標(biāo)權(quán)重，地下水埋深為0.325、地下水礦化度為0.282、土壤含鹽量為0.198、地表含鹽量為0.184、地表灌水量為0.031，由此可見地下水埋深是驅(qū)動(dòng)區(qū)域尺度土壤鹽漬化的主要指標(biāo)，其次是地下水礦化度、土壤含鹽量、地表含鹽量和地表灌水量，主要指標(biāo)中地表灌水量影響最小。這主要是由于西北干旱區(qū)降雨稀少蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水是鹽分運(yùn)移的主要載體，地下水埋深直接影響鹽分的空間分布。另外除土壤母質(zhì)本身外，地下水埋深和礦化度是土壤鹽分的主要來(lái)源，對(duì)土壤鹽漬化的影響進(jìn)程貢獻(xiàn)最大。土壤含鹽量和地表含鹽量是衡量土壤鹽漬化的主要表征指標(biāo)，直接反映了區(qū)域土壤鹽漬化程度，屬于鹽漬化進(jìn)程的時(shí)空特征響應(yīng)，對(duì)土壤鹽漬化進(jìn)程的影響相對(duì)減弱，地表灌水量主要影響著耕作層深度，即微觀尺度鹽分再分布過(guò)程，因此對(duì)區(qū)域尺度水鹽運(yùn)移的影響最弱。該研究結(jié)果與鄧寶山等[25]、董新光等[34]、徐存東等[40]研究得出的結(jié)論一致，能夠準(zhǔn)確反映出研究區(qū)土壤鹽漬化實(shí)際情況。

2.2 主要指標(biāo)時(shí)空分布特征

2.2.1地表含鹽量

依據(jù)實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，對(duì)典型年遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，總精度與Kappa系數(shù)見表1，精度均在90%以上，分類結(jié)果的準(zhǔn)確性較高[41-42]，研究區(qū)各時(shí)期鹽漬化分類面積見表2，各時(shí)期地表鹽分遙感影像分類結(jié)果見圖3。

表1 支持向量機(jī)分類精度Tab.1 Support vector machine classification accuracy

表2 研究區(qū)內(nèi)各時(shí)期土地鹽漬化分類面積Tab.2 Classified area of land salinization in each period in study area

圖3 各時(shí)期地表鹽分遙感影像分類結(jié)果Fig.3 Classification results of remote sensing images of surface salt in each period

由圖3和表2可知，2000年盆地鹽漬化的分布較為稀疏，主要分布在盆地西北部和東部，大部分以輕度鹽漬化為主，2000—2005年間，鹽漬化現(xiàn)象有所增加，其中中度鹽漬化面積斑塊有所增加，盆地周邊尤其是博斯騰湖的東側(cè)和北側(cè)極重鹽土面積很明顯；2005—2015年間盆地鹽漬化面積大幅萎縮，重鹽土和極重鹽土面積明顯減少，只有少部分圍繞在博斯騰湖的北側(cè)和東側(cè)；2015—2020年間中度鹽土和重鹽土面積略有所增加，區(qū)域內(nèi)鹽漬化整體趨于穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。

2.2.2土壤含鹽量

本研究土壤鹽分通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量飽和土壤提取物的電導(dǎo)率(EC,dS/m)來(lái)表征，圖4為各時(shí)期土壤含鹽量分布圖。2000—2005年間，整個(gè)盆地的鹽漬化呈略微增加的趨勢(shì)，從圖4可以明顯看出，2005年博斯騰湖西北側(cè)濕地上方的土壤含鹽量4～8 dS/m的區(qū)域明顯萎縮，然而博斯騰湖南側(cè)和北側(cè)環(huán)湖土壤含鹽量8～16 dS/m和大于16 dS/m的區(qū)域有所擴(kuò)張。這主要是由于2003年是豐水年，博斯騰湖水位達(dá)到歷史高水位(近1 049 m)，之后開始持續(xù)下降到2014年的1 045.18 m后開始回升，湖濱周圍的地下水位先上升后下降，而土壤鹽分變化與地下水埋深動(dòng)態(tài)變化呈顯著負(fù)相關(guān)，卻非同步升降，當(dāng)?shù)叵滤婚_始回落，土壤因蒸發(fā)開始積鹽，即土壤因蒸發(fā)而積鹽的過(guò)程發(fā)生在地下水位回落的過(guò)程中，直到水位降至臨界深度以下[34]；2005—2015年間盆地內(nèi)鹽漬化區(qū)域呈大幅減少趨勢(shì)，除了和靜縣內(nèi)部隊(duì)農(nóng)場(chǎng)區(qū)域鹽漬化略有增加，主要是因耕地棄荒，沒有進(jìn)行耕種洗鹽，加之這一區(qū)域地勢(shì)較低，又屬于潛水溢出帶，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使得這一區(qū)域土壤積鹽有所增加，盆地內(nèi)其他區(qū)域都呈明顯萎縮狀態(tài)。2015—2020年間盆地內(nèi)鹽漬化變化不明顯，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，主要是這一時(shí)期政府部門嚴(yán)格控制開荒和開采地下水，并嚴(yán)格實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”，人類活動(dòng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 各時(shí)期土壤含鹽量分布圖Fig.4 Spatial interpolation results of soil salinity in each period

總體看，研究區(qū)鹽漬化經(jīng)歷了2000—2005年擴(kuò)張、2005—2015年顯著減少、2015—2020年趨于穩(wěn)定3個(gè)階段，研究區(qū)的土壤含鹽量表現(xiàn)為環(huán)湖濱高的分布特征，這主要是由于研究區(qū)博斯騰湖地勢(shì)較低，整個(gè)研究區(qū)是相對(duì)封閉型水文地質(zhì)單元，加之湖區(qū)又是灌區(qū)的地下水排泄區(qū)，從而導(dǎo)致了環(huán)湖地下水位相對(duì)較高，土壤鹽漬化現(xiàn)象明顯。

2.2.3地下水埋深

圖5 各時(shí)期地下水埋深分布圖Fig.5 Spatial interpolation results of groundwater depth in each period

由圖5可知，2000年盆地內(nèi)大部分區(qū)域地下水埋深在1～3 m和5～10 m；2005年地下水埋深逐漸減小，以博斯騰湖為中心向外，湖濱<1 m、1～2 m、2～3 m、3～5 m、5～10 m的區(qū)域均有所增加，并且埋深10～20 m的區(qū)域大幅減少，大于50 m區(qū)域消失，這主要是由于2000—2005年間人類活動(dòng)大量開墾荒地進(jìn)行地面大水漫灌，使得盆地內(nèi)地下水位不斷升高；2005—2020年間地下水埋深逐年增大，這主要是由于2005年大規(guī)模實(shí)施覆膜滴灌節(jié)水措施，原有的灌溉水量可以灌溉更多的土地，這期間盆地內(nèi)耕地面積不斷擴(kuò)大，加之大量開采地下水灌溉，使得地下水逐年下降，到2020年盆地內(nèi)大部分區(qū)域埋深在5～10 m、10～20 m，博斯騰湖北部的和碩縣和南部的博湖縣博湖鄉(xiāng)地下水埋深主要以大于20 m的區(qū)域?yàn)橹?；另外盆地西部因供水開采，出現(xiàn)大于50 m埋深的區(qū)域。

2.2.4地下水礦化度

圖6為各時(shí)期地下水礦化度分布圖，2000—2020年間地下水礦化度總體呈減小趨勢(shì)。2000—2005年期間盆地內(nèi)以博斯騰湖為中心向外呈梯度遞減，環(huán)湖濱區(qū)域基本是礦化度大于5 000 mg/L和3 000～5 000 mg/L區(qū)域，2005年之后大于5 000 mg/L的區(qū)域逐漸縮減至基本消失，2015年后盆地內(nèi)以博斯騰湖為界西部和北部大部分區(qū)域?yàn)榈V化度小于1 000 mg/L 和1 000～2 000 mg/L的區(qū)域，東部和南部基本為1 000～2 000 mg/L和2 000～3 000 mg/L區(qū)域。總體上地下水礦化度呈現(xiàn)不斷降低且趨于穩(wěn)定，并且是西北低東南高的趨勢(shì)，主要原因是盆地地勢(shì)西北高東南低，湖區(qū)是盆地內(nèi)低點(diǎn)，呈現(xiàn)匯水聚鹽的特點(diǎn)。

圖6 各時(shí)期地下水礦化度分布圖Fig.6 Spatial interpolation results of groundwater salinity in each period

2.2.5地表灌水量

由圖7可知，2000—2005年期間整個(gè)灌區(qū)灌水量有所減少并呈逐漸均勻態(tài)勢(shì)，這主要是由于陸續(xù)實(shí)施了覆膜滴灌節(jié)水；2005—2015年間，單位面積灌水量分布呈大幅減少趨勢(shì)，主要原因是規(guī)?；咝Ч?jié)水實(shí)施后，節(jié)約出的水量可以用于灌溉更多的耕地，這一時(shí)期耕地面積不斷擴(kuò)大；2015—2020年間，最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”落實(shí)，盆地內(nèi)進(jìn)行了退地減水和輪耕制度，并實(shí)施了縣域間的水權(quán)置換等措施調(diào)控地表水和地下水的利用措施，既滿足灌溉均勻度又合理地解決地區(qū)水資源不均的狀況?？傮w看盆地內(nèi)，以博斯騰湖為界，西部和北部灌水量多，這主要是受地形和土地類型影響，盆地內(nèi)的大部分耕地在湖西部和北部區(qū)域地表灌水量多，湖南部和東部只有少部分耕地并且土地類型主要以沙灘、戈壁為主，所以地表灌水量相對(duì)少。

圖7 各時(shí)期地表灌水量分布圖Fig.7 Spatial interpolation results of irrigation water in each period

圖8 各時(shí)期水鹽總當(dāng)量空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of total water-salt equivalent values in each period

2.3 研究區(qū)水鹽時(shí)空疊加

由于影響焉耆盆地灌區(qū)水鹽時(shí)空分異的指標(biāo)量綱不同，在進(jìn)行疊加分析前，將前期各指標(biāo)的插值時(shí)空分布圖在ArcGIS中按照1～10分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類，以消除量綱影響。其中，將地下水埋深由深到淺劃分(由淺到深分類后對(duì)新值取反)，其余地表含鹽量、土壤含鹽量、地下水礦化度、地表灌水量等各指標(biāo)分別按照由小到大和由高到低劃分；然后根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重，將各時(shí)期的插值分布圖在柵格計(jì)算器中分別乘以各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行疊加計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，2000—2020年間，盆地內(nèi)水鹽當(dāng)量較高的區(qū)域主要是環(huán)博斯騰湖，其當(dāng)量始終在4以上。其中，2000—2005年間，環(huán)湖區(qū)水鹽當(dāng)量4～6和6～8的區(qū)域隨著時(shí)間的推移有所增加；2005—2015年間，水鹽當(dāng)量8～10的區(qū)域消失，水鹽當(dāng)量6～8的區(qū)域大幅縮減，水鹽當(dāng)量4～6的區(qū)域也呈現(xiàn)出萎縮態(tài)勢(shì)，可見這一時(shí)間段內(nèi)水鹽當(dāng)量明顯減??；2015—2020年間，水鹽當(dāng)量2～4的區(qū)域明顯增加，水鹽當(dāng)量4～6的區(qū)域也明顯減小，但是在盆地東部又出現(xiàn)了水鹽當(dāng)量8～10的區(qū)域，水鹽當(dāng)量6～8的區(qū)域有所增加，這與這一時(shí)期的湖水水位抬升以及實(shí)施“三條紅線”、地下水保護(hù)利用、退地減水等一系列的政策緊密相關(guān)，另外與盆地的地勢(shì)密切相關(guān)，該區(qū)域是盆地內(nèi)的低點(diǎn)且是博斯騰湖大湖的末端，水流循環(huán)不暢容易集鹽，湖區(qū)東側(cè)又是戈壁荒灘，蒸發(fā)強(qiáng)烈容易滋生鹽漬化?？傮w上分析，研究區(qū)水鹽當(dāng)量呈西低東高，環(huán)博斯騰湖區(qū)高并且向外遞減的格局。從時(shí)間發(fā)展的角度看呈現(xiàn)逐漸減小并趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，東部呈略有增加的趨勢(shì)。

3 討論

本研究借助ENVI、ArcGIS軟件，結(jié)合可托層次分析法，利用遙感和實(shí)地采樣等多元數(shù)據(jù)，定量化揭示長(zhǎng)期人為干預(yù)下的焉耆盆地水鹽時(shí)空分異特征，焉耆盆地的鹽漬化經(jīng)歷了規(guī)模化節(jié)水前的擴(kuò)張、規(guī)模化節(jié)水治鹽后的大幅萎縮和現(xiàn)狀趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。該研究填補(bǔ)了大區(qū)域尺度上，長(zhǎng)期人為影響下的水鹽時(shí)空分異進(jìn)程。

本文研究表明地下水埋深是影響區(qū)域鹽漬化的主要因素，人類活動(dòng)是次生鹽漬化直接驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[43-44]，2000—2005年焉耆盆地人口增加了近3萬(wàn)人，為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)生活，農(nóng)業(yè)擴(kuò)張耕地面積增加了約1 000 hm2，大量引水灌溉，這一時(shí)期膜下滴灌還沒有規(guī)?；茝V，前期修建的水平排水工程沒有充分發(fā)揮作用，原始的漫灌造成地下水位抬升，是造成鹽漬化面積增加的主要原因。灌溉水經(jīng)過(guò)土體滲濾作用后回流補(bǔ)充造成的短期內(nèi)地下水位上升稀釋了淺層地下水的礦化度。2005—2015年鹽漬化面積大幅減少的主要原因：①2000年前后規(guī)?；藿ǖ乃脚潘こ贪l(fā)揮了排鹽作用。②灌區(qū)內(nèi)大規(guī)模實(shí)施的覆膜滴灌節(jié)水工程，覆膜減少了地表蒸發(fā)量，節(jié)水灌溉由原來(lái)的澆地改為澆作物，灌溉定額減小的同時(shí)減少了灌溉回流入滲量。③鼓勵(lì)開采地下水灌溉，控制地下水位防止次生鹽漬化，再加上冬灌或春灌洗鹽措施使得盆地內(nèi)的土壤處于持續(xù)脫鹽狀態(tài)。另外，長(zhǎng)期大量開采地下水灌溉，地下水位呈現(xiàn)灌溉季節(jié)下降非灌溉時(shí)期回升，打破了地下水原有的平衡，擾動(dòng)并加速了地下水流動(dòng)與更新，因此地下水位總體上呈下降趨勢(shì)，地下水礦化度總體上呈現(xiàn)減小并趨于穩(wěn)定。2015—2020年間，研究區(qū)內(nèi)節(jié)水灌溉面積達(dá)90%以上，輸水渠系防滲、水平排水等相關(guān)水利配套工程較為完善，同時(shí)這一時(shí)期實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理，地下水指標(biāo)管控、退地減水等措施的實(shí)施，造成了地下水位有所回升，礦化度呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，中度鹽土和重鹽土面積略有所增加，鹽漬化面積基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。本文大區(qū)域尺度研究的結(jié)果與楊強(qiáng)軍等[45]在焉耆盆地耕地土壤鹽分時(shí)空變化特征研究結(jié)果一致，并與文獻(xiàn)[30，46-49]在田間尺度上的研究結(jié)果一致，說(shuō)明隨膜下滴灌應(yīng)用時(shí)間增長(zhǎng)，鹽分整體降低到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，僅在表層受灌水蒸發(fā)影響出現(xiàn)波動(dòng)，田間剖面土壤鹽分下降趨勢(shì)明顯并趨于穩(wěn)定[48]?？傮w來(lái)看，規(guī)?；材さ喂喙?jié)水加上有效的冬春灌洗鹽，以及合理開發(fā)利用地下水等措施，可有效控制地下水位，還有助于加速地下水循環(huán)，降低礦化度，同時(shí)有效減少了潛水蒸發(fā)造成的土壤鹽漬化。

本文僅選取了2000、2005、2015、2020年4個(gè)典型年的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)存在不連續(xù)性，并且歷史采樣數(shù)量差異較大，不能全面表達(dá)水鹽時(shí)空分異情況。因此，未來(lái)的水鹽分異特征研究需構(gòu)建水鹽實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)探討基于深度學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)多指標(biāo)疊加分析焉耆盆地綠洲灌區(qū)鹽漬化可知，該地區(qū)鹽漬化經(jīng)歷了2000—2005年擴(kuò)張、2005—2015年顯著減少、2015—2020年趨于穩(wěn)定3個(gè)階段，鹽漬化嚴(yán)重的區(qū)域主要是博斯騰湖濱，尤其是博斯騰湖北側(cè)的和碩縣和西側(cè)的博湖縣，但盆地內(nèi)鹽漬化發(fā)展總體趨于減輕并處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)可拓層次分析法確定的影響區(qū)域尺度水鹽時(shí)空分異進(jìn)程的各主要指標(biāo)權(quán)重由大到小依次為：地下水埋深(0.325)、地下水礦化度(0.282)、土壤含鹽量(0.198)、地表含鹽量(0.184)、地表灌水量(0.031)，表明地下水埋深和礦化度是影響干旱綠洲灌區(qū)區(qū)域鹽漬化發(fā)展進(jìn)程的主要因素。

(3)基于遙感數(shù)據(jù)并借助ENVI、ArcGIS平臺(tái),結(jié)合可拓層次分析法，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)序列水鹽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)的整合處理與分析，提出了一種適合區(qū)域尺度水鹽分異驅(qū)動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行耦合疊加的方法，實(shí)現(xiàn)了全方位展現(xiàn)區(qū)域水鹽時(shí)空分異進(jìn)程可視化，可為研究區(qū)域水鹽時(shí)空分異發(fā)展態(tài)勢(shì)提供有益借鑒，為焉耆盆地的水鹽調(diào)控、預(yù)防土壤鹽漬化提供理論依據(jù)。