基于遥感指数的干旱区内陆河流域土壤盐渍化生态风险评价

石开玉，王 玲，康紫薇，谭述明，杨喜超

（1.石河子大学 理学院，新疆 石河子 832003；2.西华大学 土木建筑与环境学院，四川 成都 610039）

土壤是人类赖以生存和一切社会生产活动的基本条件，由于全球气候变化以及人类活动的剧烈干扰的影响，土壤盐渍化已经成为全球干旱、半干旱及滨海地区最主要和影响最广泛的土地退化问题之一，素有地球“癌症”之称[1]。土壤盐渍化广泛分布在干旱、半干旱绿洲地区，盐渍化程度已经严重威胁到了农业的发展。生态风险评价（Ecological Risk Assessment，ERA）主要结合数学、统计学等风险分析手段以及RS，GIS等先进的空间分析技术来分析、预测和评价具有不确定性的事件或灾害对生态系统及其组分可能造成的损伤[2]。

玛纳斯河流域灌区作为新疆四大灌区之一，属于大陆性温带干旱气候，土壤母质含盐量高，泉水溢出带地下水位较浅，水资源管理的不科学使得地下水位上升，土壤盐渍化给区域土地安全、粮食安全、生态环境稳定带来了严峻挑战。本文针对玛纳斯河流域盐渍化形成因素，引入了生态风险研究理论，在玛纳斯河流域选取土壤类型、地形、植被指数、盐分指数为生态风险评价指标，对玛纳斯河流域构建了生态风险评价模型，对玛纳斯河流域土壤盐渍化风险情况进行了评估与分级。

1 研究区概述

玛纳斯河流域位于亚欧大陆腹地，天山北麓中段，准葛尔盆地南缘，发源于天山北麓中段的冰雪区（见图1），自上游到下游依次冲击形成冲积洪积扇—泉水溢出带—冲积平原—三角洲—湖滨平原，最后汇流到玛纳斯湖（现已干涸）[3]。玛纳斯河流域自20世纪50年代开荒以来，屯垦戍边在农业生产方面取得了巨大的成就。由于初期对水资源利用认识的不足，大水漫灌和泡荒洗盐使得地下水位迅速上升，导致土壤严重积盐。从20世纪八九十年代以来，随着排水系统的健全，在盐渍化土壤治理方面卓有成效[4]。

2 数据来源及方法

2.1 数据准备

研究所用数据包括：（1）2016－8－11成像的Landsat8OLI影像，行列号为144/28、29、30，分辨率为30 m。（2）玛纳斯河流域数字高程模型DEM数据，其分辨率为30 m，遥感数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)。（3）玛纳斯河流域1∶100 000的土壤类型图。

2.2 土壤盐渍化生态风险评价因子获取

玛纳斯河流域土壤盐渍化受人类活动和自然环境的双重影响。土地利用类型是人类活动剧烈程度的有效因子，土壤类型、植被指数、盐分指数和地形是自然环境因子，土壤类型可以明确区分出盐渍化土，植被指数对于土壤盐渍化程度不尽相同，盐分指数可以反映土壤盐分程度以及盐渍土分布状况，地形可以反映不同高度的盐渍化程度。因此，本研究选取土地利用类型、土壤类型、植被指数、盐分指数以及地形作为土壤盐渍化生态风险评价因子（见表1）。

2.2.1 土地利用/土壤类型评价因子

土地利用类型和土壤类型是土壤盐渍化重要的生态风险评价因子。本文基于遥感影像，利用GIS和RS得到土地利用/土壤类型的土壤盐渍化生态风险评价等级分布图。

图1 玛纳斯河流域示意

表1 土壤盐渍化生态风险评价因子及分级

2.2.2 植被指数评价因子

植物叶片组织对蓝光和红光有强烈的吸收，研究表明，不同的土壤类型和程度的土壤盐渍化对作物生长状况的影响不尽相同，因此，可以选择植物在遥感图像上的色调等信息作为研究土壤盐分的信息[5]。

通常NDVI值被定义为：

其中，NIR为近红外波段，波长＜0.7 mm；R为红光波段，波长为0.4～0.7 mm。本研究基于遥感影像数据，利用GIS和RS得到NDVI的土壤盐渍化生态风险评价等级分布图。

2.2.3 盐分指数评价因子

影像数据中选择特征波段中的450 nm和685 nm构建盐分指数（Salinity Index，SI）：

其中，SI为盐分指数，ρ1是蓝色波段的反射率，ρ3为红波段的反射率值[5]。本研究基于遥感影像数据，利用GIS和RS得到SI的土壤盐渍化生态风险评价等级分布图。

2.2.4 地形评价因子

地形评价因子可以反映不同高度的盐渍化程度。本研究基于DEM数据，利用GIS得到DEM的土壤盐渍化生态风险评价等级分布图。

2.3 土壤盐渍化生态风险评价

依据国家环保总局颁布的《生态功能区划暂行规程》[5]，结合玛纳斯河流域土壤盐渍化生态风险评价因子，确定土壤盐渍化各生态风险评价因子的权重，按各因子权重加和为1的原则进行计算，将各个因素权重按照平均考虑，即各因子权重均等于0.25的情况下，利用ArcGIS栅格计算器功能计算玛纳斯河流域的土壤盐渍化生态风险指数。

3 结果与分析

3.1 各评价因子之间的相关性分析

土壤盐分的多与少直接影响到土壤盐渍化程度的大与小，本文进行了盐分指数因子与地形因子、植被指数因子的相关性分析。

3.1.1 盐分指数与地形的相关性分析

为了分析盐分指数与地形因子之间的相关性，本文根据研究内容以及盐分指数图（见图2），利用ArcGIS的3D分析模块对盐分指数和研究区DEM高程图中分别提取4道相同剖面，以研究地形对于盐分分布的影响。

图2 研究区的盐分图和数字高程图

在ArcGIS中分别获取4条剖面线上的高程和盐分指数和趋势变化图，其中1号到4号剖面已在图2中标注出。

从图3可以看出，地形在这方向上的总体变化不大，但局部高程变化比较剧烈。盐分指数在0～30 000像元区间变化不大，只在14 000像元附近出现了一个峰值，在30 000～50 000像元区间盐分指数基本上随着高程频繁变化。

由图4可以看出，2号剖面线的两端高程的高差不大，除个别地方变化比较剧烈外，高程基本呈现上升趋势，其他部分的数值变化不大；而盐分指数则呈两端高、中间低的状态，但趋势的基本变化都是盐分指数随着高程的变化呈现负相关，但对于个别的区域，盐分指数与高程的相关性比较小。

图3 1号剖面

图4 2号剖面

由图5可以看出，3号剖面的高程值变化比较大，在这个剖面的盐分指数和高程的相关性不大，但盐分指数较1，2剖面相对较低，有些甚至低于0.1。

图5 3号剖面

由图6可以看出，4号剖面的高程基本呈现逐渐升高的状况，除了个别地方外，而盐分指数与高程的相关性不大，但高程高于1 500 m左右的时候，盐分指数基本都在＜0.1的范围内。

3.1.2 盐分指数与植被指数的相关性分析

随着含盐量在土壤表层不断增加，植被覆盖度降低，植被种类也逐渐向耐盐植被进行过度，当盐分含量增加到一定程度，土壤表层就会出现盐霜甚至结晶盐，导致植被无法生长，植被的覆盖度为零，形成重度盐渍化区域[5]。本文通过密度分析研究植被指数与盐分指数的相关性。

由图7可以看出，在研究区随着盐分指数的增加，植被覆盖度减少；植被指数高的地区一般盐渍化程度较轻。盐分指数密度图中的颜色比较亮、密度高的地方在植被指数密度图中植被指数较低。植被指数高的部分主要集中在玛纳斯河流域的中部位置，而南部山地位置的植被较少，在靠近南部盐分指数高的地区也有植被的存在。盐分指数较高的区域主要集中在玛纳斯河流域的北部区域，北部地区主要是沙漠、裸地的存在，而山地位于南部，盐分指数较低。

图6 4号剖面/m

图7 NDVI和SI的点密度分析图

3.2 土壤盐渍化生态风险评价

栅格计算器计算得到的土壤盐渍化生态风险值在1～4，结合玛纳斯河流域的特点，确定分级标准为4级：低风险区(1≤ERI＜2)、中风险区(2≤ERI＜2.5)、高风险区(2.5≤ERI＜3)、极高风险区(3≤ERI＜4)。得到土壤盐渍化生态风险评价结果（见图8）。

从图8来看，玛纳斯河流域的土壤盐渍化生态风险等级呈现出南北两端差异大，南部的地势明显低于北部；在玛纳斯河流域的北部除沙漠地区外，几乎整个北部呈现高风险区和极高分险区，这是由于这块地区几乎无植被的存在，自然生态条件恶劣，因此导致玛纳斯河流域北部地区的生态风险等级高；在玛纳斯河流域中部地区，大部分呈现中风险区，这是因为玛纳斯河流域中部植被覆盖率高；在玛纳斯河流域南部山体地区，几乎呈现低风险区，这是因为玛纳斯河流域山体部分含盐量小。

4 结语

土壤盐渍化是造成全球中低纬度地区土地退化的问题之一，也是影响农业生产和生态环境建设的重要因子。本研究针对玛纳斯河流域盐渍化的形成因素，将生态风险研究理论引进内陆干旱区内陆河生态系统的盐渍化评价中，筛选了与玛纳斯河流域土壤盐渍化现状相适应的生态风险评价指标体系，构建风险评价模型，并对研究区域土壤盐渍化风险状况进行了分级，得出以下结论。

（1）玛纳斯河流域的盐分指数随着地形剧烈变化；玛纳斯河流域除山地外，盐分指数与地形的高程基本呈负相关，即高程值越大，盐分越小；而在玛纳斯河流域的山地，盐分指数很小，几乎都小于0.1。

（2）玛纳斯河流域的盐分指数随着植被指数的增加而减少；植被指数高的地区一般盐分指数较小；植被指数高的部分主要集中在玛纳斯河流域中部；盐分指数高的部分主要集中在玛纳斯河流域的北部，也就是盐渍土所在部分。

（3）玛纳斯河流域的土壤盐渍化生态风险等级南北两端差异大；在玛纳斯河流域的北部除沙漠地区外，几乎整个北部呈现极高分险区；在玛纳斯河流域中部地区，大部分呈现中风险区；玛纳斯河流域南部山体地区基本呈现低风险区。

图8 土壤盐渍化生态风险评价结果