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玛纳斯河流域土壤盐渍化过程和格局特征及盐渍土改良模式探讨

王海江  
【摘要】:新疆地处西北边睡,是国家生态屏障之所在,大部分地域生态环境基础脆弱,尤其是内陆河流域的原生盐渍化较为普遍。玛纳斯河流域位于新疆天山北麓,是新疆最发达的经济区之一,也是我国西北干旱区生态脆弱带的重要组成部分。随着城市的建设和工农业的发展,对水资源需求量与日俱增,水资源的配置、土地利用方式的改变和节水新技术的应用使得该地区水盐平衡及驱动机制产生了新的特点。本文以玛纳斯河流域农灌区为研究对象,通过对多年的背景数据资料收集整理,结合不同时期遥感影像,分析了研究区近40年的土壤盐渍化过程和格局特征;采用多点位长期监测数据,明确了土壤盐渍化的主控因素和作用机制,结合EM38电磁感应技术和遥感技术反演了区域土壤剖面盐分的分布,综合自然条件和人为因素实现了农灌区水盐运动类型单元的划分,并对典型单元的盐分动态做了预测和改良模式探讨。具体结论如下: (1)玛纳斯河流域水土资源的演变过程和格局特征。通过大量数据资料的收集整理,结合1976、1989、1998和2010年四期遥感影像,灌区耕地面积由1976年的3477.99km2增加到2010年的4868.56km2,70年代-90年代耕地面积呈增加趋势,90年代后耕地面积趋于稳定,林地、草地面积则不同程度的减少,林地由1976年的674.19km2减少到2010年的489.34km2,草地近40年减少了近70%,变化最为剧烈,建设用地也呈现出较大趋势的增加,在时间尺度上土地利用类型的变化是流域土壤盐渍化格局变化的主要原因。水资源开发利用以地表水为主,80年代后各级灌溉渠系和防渗工程进行了积极建设,2000年后形成了渠系、水库和竖井结合的灌溉新技术。土地利用方式的改变和人为灌溉措施的发展对农灌区水盐平衡及盐渍土格局特征产生较大影响,目前,整个农灌区的盐渍土主要分布在山前冲洪积扇缘带、北部的冲积平原区域和地势低洼的沙漠边缘地带。 (2)地貌类型是影响农灌区土壤盐渍化的主要因素,冲积洪积扇缘部土壤盐分含量最高,其垂直剖面上表现出表层和底层盐分含量均较高中间层较低的特征;不合理灌溉方式造成地下水埋深变浅,对灌区土壤盐渍化发生的驱动作用明显,土壤盐分含量和地下水埋深的决定系数达到0.61。土地利用类型中耕地土壤盐分含量最低,荒地土壤盐分含量最高,林地土壤盐分含量高于草地,荒地土壤剖面表现出明显的表、底层盐分含量高,中间较低的分布特征;1年、3年、5年、8年和10年的农田呈现出种植年限越长土壤盐分含量越低的趋势,8年和10年的各土层盐分含量差异不显著;地下水埋深在临界水位以下时,灌溉定额越大对土壤剖面盐分的淋洗作用越明显,农田生育期的灌水和土壤盐分动态变化的趋势相反,灌水后耕层土壤盐分含量明显降低;灌区内大多是防渗渠,渠系对局部地区土壤盐分也有影响,但作用区域不大。 (3)利用EM38测定表观电导率与不同生育时期、不同土层的盐分含量均存在较高的拟合精度,其R2均大于0.8,利用EM38对典型盐渍化样区土壤剖面盐分进行测定,半变异特征参数块金值C0/基台值(Co+C)范围在2.13%-35.07%,表层0-20cm土壤大多为中度空间自相关性,底层属于强空间自相关。通过高光谱技术获取盐渍化土样特征,经连续统去除变换提取与盐分含量相关性较大的波段分别为483nm、597nm、694nm、815nm、969nm、1373nm、1694nm和1849nm,构建的光谱指数S12与0-80cm土层盐分含量相关性显著,R2为0.71;典型样区试验中盐分光谱指数与EM38测定盐分含量(0-80cm均值)的拟合效果较好,最优拟合方程为Y=0.1082X-6.3946,其决定系数R2为0.83,由实测光谱指数与区域遥感影像结合反演土壤剖面盐分含量,反演盐分值与EM38拟合值的R2为0.49,达到极显著相关。 (4)依据玛纳斯河流域影响水盐运动的地学综合条件和人为因素,对区域水盐运动类型单元进行了划分,划分为强上行类型、弱上行类型、上下行相对均衡类型、弱下行类型、稳定下行类型和风沙土弱下行类型。 (5)针对区域水盐运动类型单元中强上行和弱上行类型建立了典型单元土壤水盐动态的BP-ANN预测模型,并评价了模型的预测精度。利用相关性分析对影响土壤盐渍化的各因子进行了筛选,确定地下水埋深、月蒸发量、地下水矿化度、人为灌溉和种植年限五个因子为BP人工神经网络输入因子,土壤盐分含量为输出因子,建立了水盐动态的非线性BP人工神经网络预测模型,预测值与误差值在允许范围内,预测精度较好。 (6)对研究区盐分强上行运动类型单元农田进行各改良模式对比试验,第1年不同改良措施脱盐率均不大,最高的根区隔盐处理脱盐率为17.25%,第2年各处理脱盐效果明显提升,其农业改良措施、根区隔盐、暗管排盐和化学改良措施的脱盐率分别为31.24%、64.14%、53.62%和37.61%;根区隔盐和暗管排盐措施能够显著的降低整个耕层土壤盐分,各土层土壤脱盐率均大于50%,农业措施在各土层间脱盐率差异不大,表层脱盐率为45.42%,盐分减少量略高于底层;化学改良表现出表层脱盐效果显著优于底层,0-40cm土层平均脱盐率达55.32%。


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