松嫩平原土地鹽堿化時空動態變化及影響因素分析

王露露，王天亮，高斌，賀懷震，丁曉雯，侯保燈*

松嫩平原土地鹽堿化時空動態變化及影響因素分析

王露露1,2，王天亮3，高斌2，賀懷震3，丁曉雯1，侯保燈2*

（1.華北電力大學 環境科學與工程學院，北京 102206；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080）

【目的】探究黑龍江省松嫩平原土地鹽堿化時空動態變化及其影響因素。【方法】利用遙感數據解譯、土壤反射率反演、相關分析和相對貢獻率分析研究松嫩平原土地鹽堿化面積的時空演化特征并識別土地鹽堿化面積變化的主要影響因素。【結果】松嫩平原2000—2020年土地鹽堿化面積總體呈下降趨勢，下降速率為-13.67 km2/5 a。隨著農作物播種面積與GDP的增加，齊齊哈爾市土地鹽堿化程度加劇；GDP、農作物播種面積和人口數量增多加劇了綏化市鹽堿化程度；哈爾濱市土地鹽堿化正逐步改善，主要影響因素為GDP、農作物播種面積和牲畜數量。【結論】松嫩平原土地鹽堿化面積變化主要促進因素為社會經濟發展、農牧業發展，直接影響因素為氣候變化，在鹽堿地改良與治理過程中，應針對以上因素提出有針對性的治理措施，減少鹽堿化土地面積，提高土地利用效率；同時地下水埋深呈緩慢上升趨勢，因此應建立完備的灌溉和排水設施，以避免土壤次生鹽堿化。

土地鹽堿化；時空變化；遙感解譯；松嫩平原；影響因素

0 引言

【研究意義】土地鹽堿化是世界公認的土地退化特征之一，限制了多數國家的農業可持續發展[1]。據統計，全球受鹽堿化影響的土地面積約為955萬km2，次生鹽堿化土地面積約為77萬km2，超過的鹽堿地為灌溉區[2]。我國是鹽堿地面積較大的國家之一，鹽堿地總面積約為36萬km2，廣泛分布于我國東北和西北地區，其中鹽堿化耕地面積約占全國耕地總面積的7%，嚴重限制了土地資源利用與農業發展[3]。因此，探究鹽堿化成因與主要影響因素對區域鹽堿地的改良與治理具有重要意義。

【研究進展】以往針對土地鹽堿化成因與治理已取得一定進展。陳淑敏等[3]通過測定陜北黃土丘陵溝壑區3個典型溝道土壤的電導率、pH值、粒度以及含水率，分析了土地鹽堿化現狀及其主要影響因素，得出地下水位上升是造成溝道土地發生鹽堿化的主要原因。劉子金等[4]以甘肅省景電灌區為例，構建了適用于干旱荒漠區人工綠洲土壤鹽堿化空間風險的多級模糊評價模型，并根據空間信息提取分析了鹽堿化趨勢。徐子棋等[5]針對松嫩平原鹽堿地成因和特點進行了論述，得出影響土地鹽堿化的自然因素主要包括氣候、水文等，人為因素包括盲目開荒、過度放牧等。邵璽文等[6]針對松嫩平原鹽堿地的特點開展水稻種植研究，為改良和利用鹽堿地提供科學理論依據。Wang等[7]通過分析松嫩平原土地覆蓋的時空變化和水文過程，得出人類活動引起的土地利用類型變化、徑流減少、灌溉和調水量增加是鹽堿地增加的主要原因。馮保清等[8]通過分析內蒙古、寧夏、新疆、甘肅等地的土地鹽堿化現狀和成因，提出鹽堿地治理與改良的對策與建議。

【切入點】前人在各地區土地鹽堿化成因、現狀及主要影響因素等方面取得了大量研究成果，但利用遙感解譯分析不同程度鹽堿化土地的時空動態變化并識別其主要影響因素的研究相對較少。松嫩平原作為我國土地鹽堿化最嚴重的地區之一[9]，現有耕地面積為8萬km2，其中鹽堿地面積約為0.56萬km2，占耕地總面積的7%[10]，集中分布在松嫩平原低平原區。土地鹽堿化破壞了當地生態平衡，導致土地生產力衰退甚至形成大面積荒漠，直接影響當地畜牧業和農業發展，制約區域農業和社會經濟發展[11-12]。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究利用土地遙感解譯、相關分析和相對貢獻率分析，分析松嫩平原2000—2020年土地鹽堿化的時空動態變化，進而識別土地鹽堿化的成因與主要影響因素，以期提高松嫩平原的土地利用效率。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

松嫩平原位于黑龍江省西部[13-14]，主要分布在大慶市、齊齊哈爾市、綏化市和哈爾濱市，另外還涉及黑河市和伊春市的少部分地區[10]。該區域地處溫帶大陸性季風氣候區，四季分明且干濕分布不均，多年平均氣溫為1～4 ℃，多年平均降水量在400～500 mm之間，降水時空分布不均勻，年蒸發量約為1 200～1 600 mm，蒸發量年際、年內變化波動較大[15]。區域內水資源總量為228億m3，地下水資源量為115億m3，地表水資源量為157億m3。

1.2 遙感影像來源與處理

遙感影像數據采用美國地質調查局的Landsat5 TM和Landsat8 OLI遙感影像。2000、2005、2010年的數據采用Landsat5 TM產品，2015、2020年采用Landsat8 OLI產品。Landsat8 OLI遙感影像中的波段包括了Landsat5 TM波段中的1～5和7波段信息，故遙感反演中選取與Landsat5 TM相對應的波段數據，即Landsat8 OLI遙感影像的2～7波段數據，如表1所示。為了降低遙感影像在獲取過程中的誤差，在實際遙感分析之前，需要對原始遙感影像進行預處理，提高影像質量，以真實還原地表信息[16]。本次遙感影像數據預處理主要包括輻射定標、大氣校正、拼接裁剪[17]。

表1 Landsat8 OLI與Landsat5 TM波段參數

1.3 土壤采樣與鹽堿化遙感反演

土壤樣本來自野外實地采樣，采樣時間為2021年7月26—30日，根據研究區的遙感影像數據和交通道路數據，確定采樣點105個，其中鹽堿化土地區域采樣點為80個，剩余為農田區對照采樣點，具體采樣點位置如圖1所示。為保證取樣精度，以五點法采集土壤樣品，并將混合后的樣品委托具有CMA認證資質的檢測公司進行土壤電導率和水溶性鹽總量的檢測。

圖1 研究區土壤采樣點分布

土地鹽堿化遙感反演通過實測土壤含鹽量和光譜信息的相關分析以及光譜診斷指數的計算，選取有利于表征土壤含鹽量的敏感診斷光譜，利用線性及非線性回歸模型反演土壤含鹽量，以提高遙感影像反演土壤含鹽量精度。

1.4 土地利用遙感解譯

基于ENVI5.6軟件，對預處理后的遙感影像數據進行解譯分析，根據分類目的、影像數據自身特征和分區收集的信息確定分類系統，并利用目視法分辨出鹽堿地、居工地、耕地、草地、林地、水域、未利用土地等多類地物；利用支持向量積方法對不同行政區進行監督分類學習，得到各區劃土地利用分類數據；將監督分類結果與遙感實測影像進行對比分析，并通過非監督分類方法校核解譯結果。

1.5 影響因素數據來源與處理

自然因素和人為因素是影響松嫩平原土地鹽堿化面積變化的2個主要因素。本文通過總結分析以往研究成果，并結合松嫩平原土地鹽堿化現狀，選取GDP、人口數量、農作物播種面積、牲畜數量、地下水資源量、地表水資源量、降水量、蒸發量和年平均氣溫9個影響因素開展研究。GDP、人口數量、農作物播種面積、牲畜數量、地下水資源量、地表水資源量數據來自《黑龍江省統計年鑒》（縣級區數據），降水量、蒸發量、年平均氣溫來自中國氣象局氣象數據中心。對于各項數據中存在的缺失和異常值，本文采用線性插值法進行填充處理。

1.6 研究方法

1）最大信息系數（）

是由Reshef等[18]提出的一種新型相關性分析方法，適用于線性和非線性數據，具有計算復雜度低、魯棒性高的優點。該系數按0～0.09、0.1～0.3、0.3～0.5、0.5～1.0依次劃分為4個級別，分別對應不相關、弱相關、中等相關和強相關。

2）多元線性回歸法

由于各影響因素之間的單位、范圍等各不相同，因此需要對原始數據進行無量綱化處理[19]，使各變量值標準化。本文采用多元線性回歸法定量計算各影響因素對土地鹽堿化面積變化的相對貢獻率[20-21]，計算式為：

式中：為因變量進行無量綱化處理的標準值；123…X為自變量進行無量綱化處理的標準值；為驅動因子個數；a為第個驅動因子無量綱化后對應的回歸系數；p為第個驅動因子的相對貢獻率。

2 結果與分析

2.1 土地鹽堿化時間特征分析

綜合土壤反射率反演模型，利用監督分類與非監督分類方法，對預處理后的遙感影像數據進行土地利用遙感解譯，得到2000、2005、2010、2015年和2020年松嫩平原土地利用遙感解譯數據，如圖2所示。

圖2 松嫩平原不同時期各類鹽堿化土地空間分布

利用ArcGIS 10.2軟件提取不同時期松嫩平原各類鹽堿化土地面積，得到2000、2005、2010、2015年和2020年不同時期各類鹽堿地面積，如表2所示；對不同類型鹽堿化土地面積進行分類統計，如圖3所示。由表2與圖3可知，2000—2010年，鹽堿化土地面積減少了404.22 km2，2010—2020年鹽堿化土地面積呈先增加后減少的趨勢；2000—2020年鹽堿化土地面積呈減少趨勢，減小速率為-13.67 km2/5 a。

表2 松嫩平原不同時期各類鹽堿化土地面積

圖3 松嫩平原不同時期各類鹽堿化土地面積變化

2.2 土地鹽堿化空間特征分析

由圖2可知，松嫩平原鹽堿地基本分布在大慶市全域、齊齊哈爾市和綏化市的西南部以及哈爾濱市的西部。為進一步了解土地鹽堿化的分布情況，對各類鹽堿化土地按地市進行分類統計，得到松嫩平原各行政區內不同時期鹽堿化土地面積（表3），土地鹽堿化變化趨勢如圖4所示。

表3 松嫩平原各行政區不同時期鹽堿化土地面積

圖4 松嫩平原各行政區不同時期各類鹽堿化土地面積變化

齊齊哈爾市不同時期鹽堿化土地總面積的平均值為537.23 km2，其中重度、中度和輕度鹽堿化土地面積平均值分別為72.65、191.95 km2和272.63 km2。從歷史趨勢來看，齊齊哈爾市重度和中度鹽堿地面積呈增加趨勢，而輕度鹽堿地面積呈減少趨勢。

大慶市不同時期鹽堿化土地總面積平均值為1 185.12 km2，其中重度、中度和輕度鹽堿化土地面積平均值分別為226.26、338.39 km2和620.47 km2。從歷史趨勢來看，大慶市的鹽堿化土地總面積呈減小趨勢，主要體現在中度和重度鹽堿地面積總體減少，在2000年處于高值狀態，在2020年處于低值狀態。雖然大慶市輕度鹽堿化土地面積呈緩慢增加趨勢，且在2015年面積達到極大值781.21 km2，但中度鹽堿化和重度鹽堿化面積均呈減小趨勢，說明大慶市鹽堿化程度沒有明顯改良。

綏化市不同時期鹽堿化土地面積平均值為923.55 km2，其中重度、中度和輕度鹽堿化土地面積平均值分別為150.77、453.38 km2和319.40 km2。從歷史趨勢來看，綏化市重度、中度和輕度鹽堿地面積均呈增加趨勢，鹽堿地總面積呈增加趨勢。

哈爾濱市不同時期鹽堿化土地面積平均值為59.93 km2，其中重度、中度和輕度鹽堿化土地面積平均值分別為27.20、10.13 km2和22.60 km2。從歷史趨勢來看，哈爾濱市重度和輕度鹽堿地面積均呈減少趨勢，中度鹽堿地面積呈增加趨勢，鹽堿地總面積呈減少趨勢，說明哈爾濱市的土地鹽堿化情況正在逐步改善，但在2020年哈爾濱市重度、中度和輕度鹽堿地面積出現了一定的回彈，說明哈爾濱市鹽堿化土地在改善過程中依然存在進一步惡化風險。

2.3 土地鹽堿化影響因素分析

1）自然因素與人為因素

自然因素主要包括構造運動、地質地貌、水文、氣候。構造運動、地質地貌以及早期的巖漿運動對松嫩平原土壤含鹽量起決定性作用，東高西低的地勢決定了土壤鹽分的運移方向、水文條件決定了土壤鹽分運移的動力。該地區存在較多有利于積鹽的洼地，如一些古河道洼地等特定的區域，在沒有水分供給和持續蒸發作用下，形成了鹽堿化沼澤[5]。氣候因素是松嫩平原鹽堿地形成的關鍵因素之一。該區域地處半濕潤-半干旱中的溫帶大陸性季風氣候區，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，形成了土壤雨季脫鹽和旱季積鹽的交替變化特征，加快了鹽分在土壤表層的積聚過程。同時，該地區冬季氣溫處于0 ℃以下，凍融作用加劇了鹽分在地表的積聚過程[5]。

人為因素是松嫩平原土地鹽堿化面積變化的主要影響因素之一。由于人類對自然環境的過度干預，如過量施加化肥、采用粗放的耕作方式、大水漫灌、修建水庫、引水渠、過度放牧和破壞地面植被等行為，使得土地鹽堿化程度進一步加劇。過度的引水灌溉農業、水庫蓄水、渠道輸水等，人為增加地表水對地下水的補給，導致局部地區地下水位上升，極易引發土地次生鹽堿化。

2）關鍵影響因素分析

基于最大信息系數法，定性分析松嫩平原4個主要行政區的土地鹽堿化面積變化與GDP、人口數量、農作物播種面積、牲畜數量、地下水資源量、地表水資源量、降水量、蒸發量、年平均氣溫9個影響因素的相關關系。應用Python軟件得到變量間的最大信息系數，如表4所示。

表4 鹽堿化面積與影響因素的相關系數

由表4可知，齊齊哈爾市、大慶市土地鹽堿化面積變化與GDP、人口、農作物播種面積、牲畜數量、地表水資源量、蒸發量呈強相關，與地下水量、降水量、氣溫呈中等相關；綏化市土地鹽堿化面積變化與GDP、人口、農作物播種面積、牲畜數量、地下水資源量、降水量、氣溫呈強相關，與地表水資源量、蒸發量呈中等相關；哈爾濱市土地鹽堿化面積變化與GDP、人口、農作物播種面積、牲畜數量、降水量、氣溫呈強相關，與地下水資源量、地表水資源量、蒸發量呈中等相關。

對研究數據進行無量綱化處理，并利用多元線性回歸法定量計算松嫩平原的GDP、人口數量、農作物播種面積、牲畜數量、地下水資源量、地表水資源量、降水量、蒸發量、年平均氣溫9個影響因素對土地鹽堿化面積變化的相對貢獻率，如表5所示。農作物播種面積、GDP和人口數量對齊齊哈爾市土地鹽堿化面積變化的貢獻率分別達到19.96%、18.49%和15.75%；地下水資源量、降水量、蒸發量對大慶市土地鹽堿化面積變化的貢獻率分別為13.94%、15.63%和15.00%；GDP、人口數量、農作物播種面積對綏化市土地鹽堿化面積變化的貢獻率分別為14.33%、15.77%和16.35%；GDP、農作物播種面積、牲畜數量對哈爾濱市土地鹽堿化面積變化的貢獻率較大，貢獻率分別為18.03%、19.63%和18.77%。

表5 土地鹽堿化面積變化影響因素貢獻率

結合相關分析和相對貢獻率分析可知，農作物播種面積與GDP對齊齊哈爾市土地鹽堿化面積變化影響顯著且貢獻率較大，是齊齊哈爾市土地鹽堿化面積變化的主要影響因素；降水量和蒸發量對大慶市土地鹽堿化面積變化影響顯著且貢獻率大，是大慶市土地鹽堿化面積變化的主要影響因素；GDP、人口數量、農作物播種面積對綏化市土地鹽堿化面積變化影響顯著且貢獻率較大，是綏化市土地鹽堿化面積變化的主要影響因素；GDP、農作物播種面積、牲畜數量對哈爾濱市土地鹽堿化面積變化影響顯著且貢獻率大，是哈爾濱市土地鹽堿化面積變化的主要影響因素。

3 討論

本研究通過遙感解譯方法得到的輕度、中度和重度鹽堿化土地分布，大慶市土地鹽堿化面積在2015年出現拐點，總體呈先升后降的變化趨勢，該結論與劉福全等[22]的結論相似。在2015年前，由于社會經濟、農牧業發展等原因，加速了土地鹽堿化的生成，2015年后鹽堿化土地改良與治理力度加強，鹽堿地面積顯著減小。但土壤采樣時間在7月末，處于雨季，沒有考慮降水對土壤含鹽量的影響，對土壤反射率反演模型結果存在一定影響，在后續研究工作中應進一步考慮該因素的影響，提升反演模型精度。

本研究采用的最大信息系數法相比于Pearson法、Spearman法等具有適用范圍廣、復雜度低、魯棒性高的優點。通過計算各影響因素對松嫩平原土地鹽堿化面積變化的貢獻率，發現齊齊哈爾市土地鹽堿化面積變化的主要影響因素是農作物播種面積與GDP；大慶市土地鹽堿化面積變化的主要影響因素為降水量和蒸發量；GDP、人口數量、農作物播種面積對綏化市土地鹽堿化面積變化影響顯著且貢獻率較大，是綏化市土地鹽堿化面積變化的主要影響因子；GDP、農作物播種面積、牲畜數量是哈爾濱市土地鹽堿化面積變化的主要影響因素。為進一步解析自然和人為影響因素對鹽堿化程度的影響機理，選擇降水、蒸發和地下水埋深3個因子進行深入分析。

2000—2020年，松嫩平原春夏季降水量和強降水量的變化情況如圖5和圖6所示。春季降水量總體呈增加趨勢，但降水量少，夏季降水量總體呈增加趨勢且降水量大，形成了明顯的春季“返鹽”和夏季“脫鹽”現象；同時，強降水量總體呈增加趨勢，強降水導致的入滲或徑流使土壤中的鹽分被帶入深層土壤或流向地勢低的地區，減緩了土地鹽堿化程度。

圖5 松嫩平原春季、夏季降水量變化

圖6 松嫩平原強降水量變化情況

松嫩平原2000—2020年春夏季蒸發量總體均呈下降趨勢（圖7）。春季地表水蒸發強烈，且降水量少，促進春季“返鹽”，因此在蒸發量減少且降水增多的情況下，“返鹽”現象會減緩。

圖7 松嫩平原春季、夏季蒸發量變化

松嫩平原2010—2020年地下水埋深年際變化如圖8所示。松嫩平原地下水埋深總體呈逐漸變淺趨勢，但是變化幅度較小，使得地下水位升高緩慢。地下水位及地下水的礦化度是影響土地鹽堿化的關鍵因素，地下水位高，礦化度大，則容易積鹽，諸如農業生產中常見的大水漫灌或低洼地區只灌不排，會導致地下水位快速上升，易形成土地次生鹽堿化。因此，松嫩平原作為主要的糧食生產基地，應當建立完備的灌溉和排水設施。

圖8 松嫩平原地下水埋深年際變化

4 結論

1）2000—2020年，松嫩平原土地鹽堿化面積呈減少趨勢，減小速率為-13.67 km2/5 a。

2）齊齊哈爾市、綏化市鹽堿地總面積呈增加趨勢，鹽堿化程度加劇；大慶市土地鹽堿化面積和重度鹽堿化面積均大于其他3個行政區，土地鹽堿化面積基數大。

3）松嫩平原土地鹽堿化面積變化的主要促進因素是社會經濟和農牧業發展，同時氣候變化也對土地鹽堿化存在一定影響。

4）松嫩平原春、夏季降水量、強降水量呈增加趨勢，春夏季蒸發量總體呈減小趨勢，使得春季“返鹽”減緩，夏季“脫鹽”增強；地下水埋深總體上呈緩慢變小趨勢，因此需建立完備的灌溉和排水設施，避免次生鹽堿化。

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Spatiotemporal Dynamics of Soil Salinity and Its Determinants in Songnen Plain

WANG Lulu1,2, WANG Tianliang3, GAO Bin2, HE Huaizhen3, DING Xiaowen1, HOU Baodeng2*

(1. School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;3. Heilongjiang Water Conservancy Design Institute, Harbin 150080, China)

【Objective】Soil salinization is a dynamic process, affected by numerous factors. Understanding its spatiotemporal variation in a region and catchment is important for management. In this paper, we present the soil salinity dynamics and its determinants in Songnen Plain of Heilongjiang province.【Method】The calculation was based on remote sensing imagery of the region acquired from 2000—2020. We used correlation analysis and relative contribution rate analysis to map the spatiotemporal distribution of soil salinity in this region.【Result】On average, areas affected by salt in the region had decreased from 2000 to 2020, at a rate of 2.73 km2/a. But this is mainly due to the reduced soil salinization in some regions, as other regions actually had seen an increase in soil salinization. In particular, soil salinization in Qiqihar had increased because of the increase in cropped lands and GDP. Suihua also saw soil salinity rising due to increased plant areas and population. In contrast, soil salinity in Daqing and Harbin had decreased, due to the increase in surface water resources and decrease in evaporation for Daqing, and the change in cropped land and livestock industry for Harbin.【Conclusion】Change in soil salinization from 2000 to 2020 in Songnen Plain varied, with some areas seeing an increase and others witnessing a decline. In addition to climate change, other reasons underlying such variations in soil salinization include economic development, change in cropping systems and livestock industry. To ameliorate soil salinization and improve land quality, this region should consider improving irrigation and drainage facilities and controlling the groundwater depth not exceeding a critical level.

land salinization; space-time change; remote sensing interpretation; Songnen Plain; influence factors

1672 - 3317（2023）04 - 0108 - 08

P237

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022339

王露露, 王天亮, 高斌, 等. 松嫩平原土地鹽堿化時空動態變化及影響因素分析[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(4): 108-115.

WANG Lulu, WANG Tianliang, GAO Bin, et al. Spatiotemporal Dynamics of Soil Salinity and Its Determinants in Songnen Plain[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(4): 108-115.

2022-06-18

中國科學院戰略性先導科技專項項目（XDA28020501）；黑龍江省松嫩平原水利綜合規劃專題研究項目（SJY-TRDC-2021）

王露露（1996-），女。碩士研究生，主要從事氣候變化對水資源的影響研究。E-mail: 2012087826@qq.com

侯保燈（1988-），男。高級工程師，主要從事水文水資源研究。E-mail: houbaodeng@163.com

責任編輯：韓 洋