許曉鴻, 劉 肅, 趙英杰, 徐子棋, 楊獻(xiàn)坤, 滕美瑤,2, 王大中, 趙書(shū)軍

(1.吉林省水土保持科學(xué)研究院, 吉林 長(zhǎng)春 130033; 2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 吉林 長(zhǎng)春 130000)

松嫩平原是世界3大蘇打鹽堿地分布區(qū)之一，該區(qū)域鹽堿地總面積約為3.42×106hm2，70%以上為蘇打鹽堿土(主要成分為NaHCO3和Na2CO3)。吉林省西部位于松嫩平原中南部，是松嫩平原蘇打鹽堿地的重要分布區(qū)。近年來(lái)由于氣候變化和高強(qiáng)度的人類活動(dòng)，吉林省西部的土地鹽堿化程度不斷加劇，面積不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，吉林省20世紀(jì)50年代鹽堿地面積約為1.13×106hm2，占該地區(qū)總面積24.26%；2000年該地區(qū)鹽堿地面積增加到1.67×106hm2，占總面積的35.49%。其中，重度鹽堿化土地占鹽堿化土地總面積的比例由1958年的26.9%增加到43.7%[1-2]。土壤鹽堿化是吉林省西部主要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，其導(dǎo)致了該地區(qū)自然環(huán)境的改變和生態(tài)平衡的破壞，使得土地大面積荒漠化，土地資源質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件嚴(yán)重劣化，阻礙了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。而鹽堿化土地是重要的后備土地資源，若加以良好利用可在保障國(guó)家糧食安全中發(fā)揮重要作用[2-4]。因此，研究吉林省環(huán)境因子對(duì)蘇打鹽堿地形成、分布的影響對(duì)于蘇打鹽堿地區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善及蘇打鹽堿地水土資源高效利用具有重要意義。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域做了研究。姚榮江等[5]的研究描述了東北鹽堿地在各縣市內(nèi)的分布狀況。眾多學(xué)者對(duì)松嫩平原蘇打鹽堿地形成、發(fā)展的主要影響因素進(jìn)行研究，結(jié)果表明：影響因素包括自然因素和人為因素兩方面，自然因素包括氣候因素、地形因素、水文因素、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)因素、地質(zhì)因素、地貌因素、植被因素、土壤及母質(zhì)因素等，人為因素包括盲目開(kāi)墾、不合理的灌溉等[3,5-12]。張學(xué)飛等[13]和徐安凱等[14]以典型地區(qū)為代表，研究了松嫩平原蘇打鹽堿地土壤水鹽運(yùn)移的季節(jié)性特征。許多學(xué)者以Landesat/TM影像、地形圖等為數(shù)據(jù)源,利用RS，GIS等技術(shù)手段，對(duì)松嫩平原蘇打鹽堿地1950—2001年面積變化(包括潛在鹽堿化土地、輕度蘇打鹽堿地、中度蘇打鹽堿地和重度蘇打鹽堿地面積)和土地蘇打鹽堿化程度變化做了空間分析，并預(yù)測(cè)該區(qū)域具有代表性地區(qū)(通榆縣)2050年蘇打鹽堿地面積和輕、中、重度蘇打鹽堿地所占蘇打鹽堿地總面積的百分比[6,9-10,15-16]。

以往的研究多集中于吉林省西部蘇打鹽堿地面積變化動(dòng)態(tài)，關(guān)于環(huán)境因子與蘇打鹽堿地形成、變化關(guān)系的文章多為描述性非定量研究，或以小范圍(縣市或典型小區(qū))作代表進(jìn)行相關(guān)分析，而以整個(gè)吉林省為范圍研究環(huán)境因子與蘇打鹽堿地分布的定量化相關(guān)分析研究卻鮮有報(bào)道。本研究擬通過(guò)分析吉林省西部不同高程、離水系不同距離、不同氣象條件與蘇打鹽堿地面積的關(guān)系，研究各環(huán)境因子對(duì)蘇打鹽堿地分布的影響，以期為蘇打鹽堿地的防治、蘇打鹽堿地區(qū)域農(nóng)業(yè)資源合理利用提供理論依據(jù)。

1 資料來(lái)源和研究方法

1.1 資料來(lái)源

利用遙感圖進(jìn)行人工解譯，并通過(guò)GIS 10.2軟件進(jìn)行吉林省蘇打鹽堿地分布圖的繪制；使用GIS 10.2對(duì)2013年的1∶200 000吉林省水系圖進(jìn)行矢量化，并做不同距離緩沖區(qū)，獲得吉林離水系不同距離蘇打鹽堿地分布情況；在GIS 10.2中將吉林省縣(市)行政邊界圖層與吉林省蘇打鹽堿地分布圖疊加，得知吉林省分布有蘇打鹽堿地的地區(qū)為白城、大安、洮南市、通榆縣、鎮(zhèn)賚縣、德惠市、九臺(tái)區(qū)、農(nóng)安縣、榆樹(shù)市、梨樹(shù)縣、雙遼市、四平市、長(zhǎng)嶺縣、扶余市、乾安縣和前郭縣，并獲得這16個(gè)地區(qū)蘇打鹽堿地面積(但因德惠區(qū)、九臺(tái)區(qū)、榆樹(shù)市3個(gè)地區(qū)蘇打鹽堿地面積較小，且行政區(qū)不在吉林省西部地區(qū)，故不列入分析)。在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載這16個(gè)城市(國(guó)家級(jí)氣象站)的1981—2010年累年平均氣象數(shù)據(jù)。利用GIS 10.2將吉林省2010年的1∶200 000等高線地形圖矢量化并生成DEM，對(duì)高度、坡度信息進(jìn)行分析。

1.2 研究方法

為了探討不同環(huán)境因子對(duì)吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響，本研究利用SPSS 18.0軟件對(duì)離水系不同距離、氣象條件、地形條件與蘇打鹽堿地面積進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 離水系不同距離對(duì)吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響

以吉林省水系為軸線，繪制不同距離緩沖區(qū)，在ArcGIS軟件中將吉林省水系不同距離緩沖區(qū)圖層與吉林省蘇打鹽堿地分布圖層疊加分析，所得各距離緩沖區(qū)內(nèi)蘇打鹽堿地面積見(jiàn)表1。由表1可知，吉林省西部蘇打鹽堿地總面積為2.20×109m2，除30 000 m以內(nèi)的緩沖區(qū)外,蘇打鹽堿地的面積及蘇打鹽堿地占相應(yīng)緩沖區(qū)總面積百分比隨著離水系距離的增加而減少。例如，距水系40 000，50 000，60 000 m的蘇打鹽堿地面積分別為1.55×109m2,1.18×109m2,8.21×109m2，蘇打鹽堿地占緩沖區(qū)的面積百分比分別為3.74%，3.17%，2.35%。這說(shuō)明吉林省西部水系具有一定的礦化度，水流攜帶的鹽分在周圍的土壤中積累，且距離越近，劇烈積累鹽分的土壤面積越大。離水系距離在30 000 m的緩沖區(qū)內(nèi)鹽堿地面積并不遵循這個(gè)結(jié)果，原因有可能是洪水能夠季節(jié)性淹沒(méi)水系附近區(qū)域，促進(jìn)土壤水鹽下行，且水系周圍的地形有利于徑流的排泄，能夠減少土壤鹽分的積累。

通過(guò)對(duì)18組離水系距離和相應(yīng)緩沖區(qū)蘇打鹽堿地面積數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到表2。由表2可知，在11種回歸曲線中，除S曲線的擬合效果不顯著(sig.>0.05)外，其他曲線均具有顯著意義(sig.<0.05)。其中，三次曲線的擬合度最好(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。因此，吉林省西部離水系距離與蘇打鹽堿地面積最適合用三次曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。由此，回歸方程為：

y= 1.12×10-5x3-1.78x2+

5.86×104x+1.39×109

(1)

式中：x——離水系距離(m)；y——相應(yīng)緩沖區(qū)中鹽堿地的面積(hm2)。

表2 吉林省西部蘇打鹽堿地面積與離水系不同距離的回歸模型

2.2 氣象因子對(duì)吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響

通過(guò)ArcGIS軟件將吉林省各(市)縣城行政邊界圖層與吉林省鹽堿地圖層疊加后可知，吉林省共有16個(gè)(市)縣城分布有蘇打鹽堿地，分別是白城、大安、洮南、通榆、鎮(zhèn)賚、德惠、九臺(tái)、農(nóng)安、榆樹(shù)、梨樹(shù)、雙遼、四平、長(zhǎng)嶺、扶余、乾安和前郭。其中，德惠、九臺(tái)、榆樹(shù)3個(gè)地區(qū)蘇打鹽堿地面積較小，且行政區(qū)不屬于吉林省西部，故不列入分析。吉林省西部各(市)縣城蘇打鹽堿地面積及氣象條件(1981—2010年累年平均)見(jiàn)表3。由表3可知，吉林省西部蘇打鹽堿地分布面積最大的(市)縣城是通榆縣，面積為5.48×109m2。

對(duì)吉林省西部各(市)縣城蘇打鹽堿地面積及氣象條件進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表4。表4的結(jié)果顯示，與蘇打鹽堿地面積呈顯著相關(guān)的氣象因子分別為累年年平均風(fēng)速(R=0.716，sig.<0.05)、累年平均年降水量(R=-0.597，sig.<0.05)、累年年最多降水量(R=-0.652，sig.<0.05)。與蘇打鹽堿地面積相關(guān)度最高的氣象因子為累年年平均風(fēng)速。且累年年平均風(fēng)速與蘇打鹽堿地面積呈正相關(guān)，累年平均年降水量和累年年最多降水量與蘇打鹽堿地面積呈負(fù)相關(guān)，即吉林省西部蘇打鹽堿地分布面積隨著累年年平均風(fēng)速的提高而增加，隨著累年平均年降水量和累年年最多降水量的升高而減少。這說(shuō)明累年年平均風(fēng)速的提高能夠促進(jìn)大氣和土壤水分蒸發(fā)，促進(jìn)土壤鹽分向地表運(yùn)動(dòng)、積累，且大風(fēng)能將鹽堿成分帶入非鹽堿化土壤或鹽堿化較輕的土壤，從而增加蘇打鹽堿地面積；年降水量、年最多降水量的增加,使得空氣濕度和土壤濕度升高，且降水有利于鹽分淋洗，能夠抑制蘇打鹽堿地的形成。

表3 吉林省西部各城市蘇打鹽堿地面積及氣象條件

表4 吉林省西部蘇打鹽堿地面積和氣象因子相關(guān)系數(shù)

注：*為在置信度(雙測(cè))為0.05時(shí)，相關(guān)性是顯著的； **為在置信度(雙測(cè))為0.01時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

由于氣象因子綜合作用于土壤鹽堿化，因此在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多因子回歸分析，以討論與各氣象因子對(duì)鹽堿地分布的整體作用。由于與吉林省西部蘇打鹽堿地分布呈顯著相關(guān)(sig.<0.05)的3個(gè)氣象因子(累年年平均風(fēng)速、累年平均年降水量、累年年最多降水量)之間的相關(guān)性均未達(dá)到0.9，故將均帶入進(jìn)行回歸分析。利用軟件對(duì)吉林省西部13個(gè)縣(市)的蘇打鹽堿地面積和氣象因子進(jìn)行多元回歸模型擬合。得出吉林省西部蘇打鹽堿地面積和各氣象因子的多元擬合模型，擬合結(jié)果達(dá)顯著水平(sig.=0.015<0.05)，其擬合決定系數(shù)R2=0.671，說(shuō)明這3個(gè)氣象因子能夠解釋67.1%的吉林省西部蘇打鹽堿地分布規(guī)律。擬合的模型為：

y= 3.37×109x1-3.23×106x2-

9.15×106x3-3.78×109

(2)

式中：y——蘇打鹽堿地面積(hm2);x1——累年年平均風(fēng)速(m/s)；x2——累年年最多降水量(mm)；x3——累年年最多降水量(mm)。

2.3 地形對(duì)吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響

2.3.1 海拔高度對(duì)吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響 圖1為吉林省蘇打鹽堿地在不同海拔高度的分布特征。由圖1可見(jiàn)，吉林省西部蘇打鹽堿地均分布于地勢(shì)較低處，海拔范圍為100～290 m，且海拔125～176 m內(nèi)蘇打鹽堿地分布得較為集中，面積為1.94×1010m2，占吉林省西部蘇打鹽堿地總面積的88.33%。海拔132 m處分布的蘇打鹽堿地最多，面積為6.8×108m2，且海拔高于132 m時(shí)和低于132 m時(shí)，均符合海拔高度與132 m越接近，蘇打鹽堿地分布面積越大的規(guī)律，例如，海拔高度110，115，120 m處蘇打鹽堿地面積分別為7.38×106，9.80×106，3.51×107m2；海拔高度135，140，145 m處蘇打鹽堿地面積分別為6.47×108，5.38×108，4.59×108m2。對(duì)吉林省海拔高度與相應(yīng)海拔高度上蘇打鹽堿地面積進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.521，且達(dá)到顯著水平(sig.<0.05)。這說(shuō)明吉林省西部蘇打鹽堿地分布與海拔高度有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在海拔不低于132 m處隨著海拔高度的升高，蘇打鹽堿地的面積呈減少趨勢(shì)，且吉林省西部海拔最低處(132 m以下)不是最利于積鹽處。

利用189組吉林省西部海拔高度與相應(yīng)海拔高度蘇打鹽堿地面積數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，在所得11組不同擬合曲線中，三次曲線與觀測(cè)值的擬合度最好(R2=0.554,sig.=0.00<0.05)。因此，吉林省西部蘇打鹽堿地與海拔高度的關(guān)系最適合用三次曲線進(jìn)行建模，且回歸方程為：

y= 766.91x3-4.56×105x2+

8.47×107x-4.70×109

(3)

式中：y——吉林省西部不同海拔蘇打鹽堿地面積(hm2)；x——海拔高度(m)。

2.3.2 坡度對(duì)吉林省西部蘇打鹽堿地分布的影響 圖2為吉林省蘇打鹽堿地在不同坡度區(qū)域的分布狀況。由圖2可知，吉林省西部蘇打鹽堿地均分布于坡度較平緩的地形內(nèi)，坡度范圍為0°～14.5°。其中，98.62%的蘇打鹽堿地分布在坡度為0°～7.25°。且除了坡度為0°～1.45°范圍(蘇打鹽堿地面積為5.64×109m2)內(nèi)，蘇打鹽堿地的分布面積隨著坡度的增加而減少，如，坡度為1.46°～2.9°,4.35°～5.8°,7.25°～8.7°范圍內(nèi)的蘇打鹽堿地面積分別為8.97×109，1.80×109，2.56×108m2。這說(shuō)明吉林省西部在坡度不小于1.45°處，地形坡度越緩，越不易于降水、徑流將鹽分帶走，越有利于土壤鹽分的積累，故蘇打鹽堿地的面積就越大，且地勢(shì)最平緩處(坡度范圍為0°～1.45°)并不最有利于鹽堿化發(fā)生。

圖1 吉林省西部不同海拔高度蘇打鹽堿地分布

方程類型R2Fsig．參數(shù)估計(jì)值常數(shù)b1b2b3線性0．2769．210．004．67×109-1．80×106——對(duì)數(shù)0．2458．000．001．73×109-3．09×109——倒數(shù)0．1842．290．00-1．44×1094．65×1010——二次0．2836．630．001．91×1091．28×106-7．89×103—三次0．5576．540．00-4．69×1098．47×107-4．56×105766．91復(fù)合0．3495．350．005．63×1090．97——冪0．2356．680．001．09×1018-4．83——S0．1328．940．0012．77625．18——增長(zhǎng)0．3495．350．0022．45-0．03——指數(shù)0．3495．350．005．63×109-0．03——Logistic0．3495．350．001．78×10-101．03——

圖2 吉林省西部不同坡度蘇打鹽堿地分布

3 討 論

水文地質(zhì)與水化學(xué)條件對(duì)土壤鹽堿化發(fā)生起著重要的驅(qū)動(dòng)作用，其主要影響因子為地下水礦化度、潛水埋深和地表、地下徑流強(qiáng)度[12]。松嫩平原地下水埋藏較淺(約為1.5～3 m)，礦化度較高(常為2～5 g/L，最高可達(dá)10 g/L)[5]，且該地區(qū)三面環(huán)山，中間地勢(shì)低平，具有廣闊的閉流區(qū)和數(shù)條無(wú)尾河，零散分布有眾多湖泡，故水文地質(zhì)與水化學(xué)條件有利于地表積鹽[5,13]。本研究結(jié)果顯示，吉林省西部除距離水系30 000 m范圍內(nèi)，其他區(qū)域均符合蘇打鹽堿地面積隨著離水系距離增加而減少的規(guī)律，且三次擬合曲線的擬合度較好(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。這說(shuō)明離水系距離對(duì)蘇打鹽堿地分布具有重要影響，地表徑流攜帶的鹽分在距水系30 000～35 000 m范圍內(nèi)積累得最為集中，在此范圍之外，隨距離增加，鹽分積累強(qiáng)度降低。30 000 m范圍之內(nèi)不符合這個(gè)規(guī)律的原因有可能是離水系較近處地形有利于水鹽排泄。江紅南等[17]對(duì)新疆庫(kù)車縣鹽堿地的研究也有相似結(jié)論：水文條件對(duì)鹽堿化發(fā)生具有穩(wěn)定而重要的作用，距水系距離對(duì)鹽堿化發(fā)生有顯著的相關(guān)度。

氣候在松嫩平原蘇打鹽堿化中起了關(guān)鍵性的控制作用。其中，影響土壤鹽堿化最為明顯的氣象因子包括降水、地面蒸發(fā)強(qiáng)度、凍融時(shí)間、大風(fēng)日數(shù)等[12,18-20]。松嫩平原屬于半干旱—半濕潤(rùn)季風(fēng)寒溫帶氣候區(qū)，干燥度約為1.3，年平均降水400 mm，70%～80%集中于7—9月，全年水面蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，風(fēng)沙天氣較多(平均風(fēng)速3級(jí)以上)，日照時(shí)間較長(zhǎng)(約為2 850～2 950 h)[10,21]。東北地區(qū)每年的凍土期長(zhǎng)達(dá)半年，凍土深度可達(dá)1.2～1.5 m[5]。因此，該區(qū)域的氣候條件有利于土壤鹽分的表聚。本研究結(jié)果表明，氣象因子對(duì)吉林省西部蘇打鹽堿地的分布起著顯著的影響作用，且影響因子按照相關(guān)度從大到小排序分別是：累年年平均風(fēng)速>累年年最多降水量>累年平均年降水量。且累年年平均風(fēng)速與蘇打鹽堿地面積呈正相關(guān)，后2個(gè)因子與蘇打鹽堿地面積呈負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明大風(fēng)能夠促進(jìn)大氣、土壤中水分的蒸發(fā)，促進(jìn)了鹽分表聚，且大風(fēng)能將鹽分帶到非鹽堿化區(qū)域或鹽堿度較低區(qū)域，造成鹽堿地面積擴(kuò)大；降水對(duì)鹽分有淋溶、沖洗作用，空氣濕度的增加能夠抑制土壤的蒸發(fā)作用，從而抑制表土積鹽。另外，全球氣候變化也影響了松嫩平原蘇打鹽堿化，如近50 a來(lái)氣溫上升0.6 ℃，降水量減少17.91%，這種氣候干暖化加速了松嫩平原蘇打鹽堿化的發(fā)展[9]。

地形、地貌能夠決定降雨的重分配，影響地上、地下徑流，促進(jìn)母質(zhì)的重分配，從而影響了土壤積鹽的速度和強(qiáng)度[19-20,22]。東北地區(qū)經(jīng)過(guò)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，地形較為平坦，不利排水，且該區(qū)堆積物土質(zhì)較粘，滲透性差，造成地表積水，因此降水、徑流帶來(lái)的鹽類隨之積累下來(lái)[5,21]。本研究結(jié)果表明吉林省西部蘇打鹽堿地的分布與海拔、坡度具有顯著關(guān)系。且在海拔高度不低于132 m，坡度不小于1.45°處，吉林省西部蘇打鹽堿地分布面積隨海拔升高而降低，隨坡度增加而降低。這說(shuō)明地勢(shì)較低平處地下水埋藏較淺，出流狀況較差，且蘇打鹽(Na2CO3，NaHCO3)溶解度較高，在溶解后，隨著徑流移動(dòng)到地勢(shì)較低平處并積累。前人研究具有相似結(jié)論。許多研究結(jié)果表明，鹽堿地多分布于地勢(shì)低洼處，且鹽堿地面積隨著海拔高度的升高而減少，隨著地勢(shì)坡度的增加而減少[20,23-25]。曹穩(wěn)根[22]的研究結(jié)果認(rèn)為，溶解度較低的鹽分多積累于地勢(shì)較高的區(qū)域，溶解度較高的鹽分多積累于地勢(shì)較低的區(qū)域。另外，吉林省西部海拔低于132 m，坡度小于1.45°的地形范圍內(nèi)，蘇打鹽堿地分布并不遵循上述規(guī)律，且海拔最低、坡度最小處蘇打鹽堿地分布面積并不是最多，而海拔132 m，坡度1.45°附近蘇打鹽堿地分布面積最大。有學(xué)者認(rèn)為，這是因?yàn)橛昙镜貏?shì)低洼處被淹沒(méi)，中心低洼處的水鹽隨下行水流淋洗到地下水或向周圍地勢(shì)稍高處移動(dòng)。因此，中心低洼處不是鹽分積累最劇烈處，而其周圍地勢(shì)稍高地鹽分積累才最為劇烈[26]。

4 結(jié) 論

(1) 離水系距離顯著影響吉林省西部蘇打鹽堿地分布，水系30 000 m緩沖區(qū)外蘇打鹽堿地面積隨離水系距離增加而減少，且離水系距離與蘇打鹽堿地面積的關(guān)系呈三次曲線(R2=0.957，sig.=0.00，<0.05)。

(2) 與蘇打鹽堿地面積呈顯著相關(guān)的氣象因子分別為累年年平均風(fēng)速、累年年最多降水量、累年平均年降水量。其中累年年平均風(fēng)速與蘇打鹽堿地面積呈正相關(guān)，而其余2個(gè)因子與蘇打鹽堿地面積呈負(fù)相關(guān)。

(3) 海拔高度和坡度是影響吉林省西部蘇打鹽堿地分布的重要地形因素，且隨著海拔高度的升高、坡度的增加，蘇打鹽堿地面積不斷減少。

本研究是以遙感圖像定性解譯蘇打鹽堿地分布，因此，以后還應(yīng)對(duì)土壤鹽堿化程度進(jìn)行定量測(cè)定并分析不同環(huán)境因子對(duì)輕、中、重度蘇打鹽堿地分布的影響。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)該區(qū)域年內(nèi)不同月份及年際氣象因子與蘇打鹽堿地分布變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以闡述氣象因子對(duì)蘇打鹽堿地變化趨勢(shì)的影響。

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