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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2012 , Vol. 32 >Issue 3: 362 - 367

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.03.362

Orginal Article

Influence of Groundwater on Soil Salinization and Its Reversal Evolvement in Wei-ku Oasis

  • HAN Gui-hong ,
  • ZHANG fei
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  • College of Resource and Environment Sciences, Xinjiang University, Key Laboratory of Oasis Ecology,Ministry of Education, Urumqi,Xinjiang 830046, China

Received date: 2011-01-08

  Request revised date: 2011-04-01

  Online published: 2012-03-25

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本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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Abstract

Based on remote sensing data, and combined with groundwater level observation data, the study do an quantitative research for the relationship between soil salinization and groundwater , and explore the salinization reversal evolvement of Wei-ku oasis. The results show that: 1) the annual ground water lowered 0.05 meters in the study area, with a downward trend from 1997 to 2001 year; there was obviously declined in ground water from 2002 to 2007 year, the rate was 0.175 meters every year, which was mainly caused by human activity, human land cultivation, a lot of drilling and utilization of groundwater resources, and the rise and fall of groundwater caused soil salinization.2) the middle-mild saline land has declined by 63.1 km2 from 1989 to 2001 year; while the severe saline land has increased by 342.47 km2 ;the total area of salt-affected ​​land increased 279.37 km2,the average annual increase of 23.28 km2. From 2001 to 2007 year, the middle- mild saline land has decreased by 155.42 km2;the severe saline land area has increased by 70.80 km2; the total saline area was obviously decreased by 84.62 km2, at an average annual decrease rate of 14.1 km2. 3) the proportion of salinized land area is relatively high when the ground water level is in the range from 2.3 to 2.7 meters, there was a biggish value in 2.4 to 2.5 meters; the proportion is relatively low when the ground water level is in the range from 2.7 to 3.4 meters; 4) Some parts of Wei-ku oasis has already in a reversal evolvement circumstance which is valuable for soil salinization, the ground water table is below threshold(4.66 meters),which would affect the surface salt accumulation, the groundwater mineralization degree is lower than 3 g/L; 5) Salinization reversal evolvement presents temporal and spatial characters ,and gradually occurs from the upper to the lower,and from the inside to the outside of Oasis.

Key words： soil salinization; reversal evolvement; Wei-ku oasis

Cite this article

HAN Gui-hong , ZHANG fei . Influence of Groundwater on Soil Salinization and Its Reversal Evolvement in Wei-ku Oasis[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2012 , 32(3) : 362 -367 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.03.362

干旱区生态状况的诸多因素中,地下水的作用极为重要,研究地下水、土壤盐渍化及其逆向演替过程之间的关系,对生态环境的保护和地下水资源的合理开发具有重要意义。国内外一些学者在土壤盐渍化的发生、演变,盐渍土的形成、分布规律及其分类,盐渍土的水盐动态及盐渍化预测预报等方面取得了重要进展[1~7]。对盐渍土改良的研究多侧重于人工改良,重点在土壤改良剂、水利改良、优化灌溉管理方面[8,9]。对于土壤盐渍化自然良性恢复的研究,提出土壤盐渍化逆向演替的概念,从宏观角度讨论盐渍化逆向演替的影响因子和调控系统[10~12]。本文以典型渭-库绿洲为研究对象,基于遥感数据,结合观测所得地下水位埋深和矿化度数据,分析土壤盐渍化、地下水的时间、空间变化,定量分析地下水对土壤盐渍化的影响,探讨土壤盐渍化的逆向演替过程,为盐渍土的良性发展演化、合理开发盐渍化土地资源提供理论依据和科学指导。

1 研究区概况

渭干河-库车河三角洲绿洲位于新疆南部的塔里木盆地中北部,包括库车、沙雅和新和三个县,研究区属于大陆性暖温带干旱气候,蒸发强烈,降水分布不均,年均降水量为50.0~66.5 mm,年均蒸发量为2 000.7~2 863.4 mm,干旱指数为17.3~21.8,年均温为10.5~11.4℃,≥10℃的年积温为4 515.6℃,气温年较差34.4℃,无霜期为206.5 d/a。本区灌溉水来源主要是渭干河和库车河,此外还有少量的水来自塔里木河、泉水。由于地下水位高,土地下层构成物颗粒细,透水性差,造成该区土壤盐渍化现象比较普遍,主要表现在土壤次生盐渍化面积不断扩大、土壤肥力下降、沙丘移动等。

2 数据源与研究方法

2.1 数据源

本研究主要数据源为研究区1989年9月25日TM影像和2001年8月1日Landsat ETM+影像、2007年9月15日ALOS影像、1:10万的地形图、矢量化等高线图、研究区2004~2010年考察点景观照片以及当地收集的气象、水文、土地利用、地下水位信息等统计资料。

2.2 研究方法

将10 m分辨率的ALOS影像重采样至30 m,以到达与TM、Landsat ETM+在分类结果的统一。采用监督分类方法对遥感影像进行分类提取盐渍地信息,最后结合地形图、行政区划图以及调查资料进行综合分析,获得研究区19 a来土壤盐渍化的分布和变化信息。根据空间模块得出地下水模拟插值图,划定不同深度的地下水,提取不同深度,在ENVI中建立感兴趣区,由此获得各深度对应遥感图像分类图。
在渭—库绿洲按照绿洲外围及绿洲内部布设38眼井长期观测地下水位、矿化度,分析地下水埋深空间变化、时间变化及矿化度变化。

3 地下水对研究区土壤盐渍化的影响

3.1 地下水埋深对研究区土壤盐渍化的影响

王水献等在对新疆焉耆盆地土壤田间水盐试验时发现：土壤盐分变化与地下水埋深动态变化密切相关（负相关系数为0.75）,土壤因蒸发而积盐的过程发生在地下水位从高到低的回降过程中,水位回降越慢,土壤积盐越多（积盐率最高可达50.36％）,导致土壤盐渍化的发生[13]。
研究区地下水年内变化情况如下：由于春灌,地下水位在2~3月份抬升,至4月达到年内最高水位;6~9月间蒸发作用强,也是植物耗水旺盛时期,虽有灌溉,但地下水埋深起伏波动不大;由于冬灌,9~10月份,地下水上升,12月份出现又一峰值;12月以后,由于潜水蒸发和冬季土壤冻结作用,地下水又逐渐下降,一般在次年的2月达到最低值（图1）。
Fig.1 The change figure of groundwater in research area from 1997 to 2007

图1 1997~2007研究区地下水埋深变化

对于地下水埋深的年平均变化,1997~2001年期间具有下降趋势,2002年相对于2001年有上升趋势,2003年变化不大,2003~2006年之间有明显下降趋势。研究区地下水经历水位经历了升降的变化,1997~2001年地下水埋深变化率是0.05 m/a,2003~2007年地下水埋深变化率达到0.175 m/a,地下水埋深下降的幅度较2001年以前变大。其变化主要由人类活动引起,人类大力开垦土地,大量钻井利用地下水资源,而地下水水位的升降引起土壤盐渍化的变化。
研究区1989~2001年中轻度盐渍地面积减少63.1 km2,平均每年减少5.25 km2;2001~2007年中轻度盐渍地面积减少155.42 km2,平均每年减少25.9 km2;1989~2001年重度盐渍地面积增加342.47 km2,平均每年增加28.5 km2;2001~2007年重度盐渍地面积增加70.80 km2,平均每年增加11.80 km2;盐渍地总面积在1989~2001年增加279.37 km2,平均每年增加23.28 km2,2001~2007年减少84.62 km2 ,平均每年减少14.1 km2 (表1);总的来说盐渍地面积增幅明显,特别是重度盐渍地面积的不断增加,盐渍化程度的不断加剧对农业及整个绿洲的危害越来越大。由于盐渍化的发生,土壤肥力水平大大降低,直接影响到耕地的质量,并使农作物的新陈代谢能力及适应性受到抑制,造成植被的死亡或作物的减产。
Table 1 The quantitative statistics of all kinds of saline land

表1 历年各类型盐渍地数量统计

年份（年） 中轻度盐渍化 重度盐渍化 盐渍地总面积
面积（km2）
面积（km2） 面积百分比 （%） 面积（km2） 面积百分比（%）
1989 3819.35 36.63 804.97 7.72 4624.32
2001 3756.25 6.024 1147.44 11.00 4903.69
2007 3600.83 34.53 1218.24 11.684 4819.07
为了获得研究区地下水埋深更加全面的信息,利用渭干河管理处38个灌井多年地下水埋深数据,在空间分析模块中进行kriging插值,得到如下数据（图2）。误差范围是-0.452~0.532,基本上满足对于研究区地下水埋深的趋势预测的要求。
Fig.2 The spatial distribution of simulation about the groundwater

图2 地下水模拟插值空间分布

根据结果可以看出：绿洲中心部位地下水位较低,而在绿洲的东南及东北方向地下水位相对较高,达到2.3 m,主要由于东南方向得到塔里木河流域的补给,东北方向地势较低。
通过1989、2001、2007年各深度对应遥感图像分类图分析得出：1989年,在地下水埋深2.3~2.6 m区间,盐渍地面积（含中轻度和重度盐渍地）都约占50%以上,其中以2.3~2.4 m区间最高,约占60%;在地下水埋深2.6~3.4 m区间,盐渍地面积占30%以下,此区间多以非盐渍地居（图3a）多。
2001年,在地下水埋深2.3~2.7 m区间,盐渍地面积（含中轻度和重度盐渍地）都约占50%以上,其中以2.4~2.5 m区间最高,约占70%;在地下水埋深2.7~3.4 m区间,盐渍地面积占30%以下,此区间多以非盐渍地居多,仅在地下水埋深3.3~3.4 m区间非盐渍地较少,此处主要原因是靠近山区,其他类型占具一定比例（图3b）。
2007年,在地下水埋深2.3~2.7 m区间,盐渍地面积（含中轻度和重度盐渍地）都约占50%以上,其中以2.4~2.5 m区间最高,约占80%;在地下水埋深2.7~3.4 m区间,盐渍地面积占30%以下,此区间多以非盐渍地居多（图3c）。
综上对三期对应遥感图像分类分析：在地下水埋深2.3~2.7 m区间,盐渍地面积占的比例较高,其中2.4~2.5 m区间,盐渍化土壤面积所占比例都较高;在地下水埋深2.7~3.4 m区间,盐渍地面积占的比例相对较小。因此,本研究区地下水埋深在2.7 m以上土壤盐渍化分布较多,而2.4~2.5 m区间是研究区不同埋深地下水处出现土壤盐渍化最多的区域。
Fig.3 The corresponding figure of different groundwater table and remote sensing

图3 研究区不同埋深地下水遥感图像分类对应

3.2 地下水矿化度

渭库绿洲日益扩大的水资源利用活动,加剧了地下水与地表水之间的转化频率和强度,使得区域地下水与地表水化学特征发生明显改变。最明显的标志是地下水与地表水体矿化度显著升高,尤其是沙雅县塔北灌区地下水的矿化度呈现递增趋势,矿化度已升高1~3 g/L,在灌区东南、西南一带,地下水的矿化度更是升高到3~10 g/L。沙雅总排干中下段以南,包括塔里木牧场、一牧场、帕曼一线地下水矿化度均在3~5 g/L以上[14]。
地下水矿化度的年均变化,1997~1999年期间有所下降,2000年明显上升,2001年相对于2000年变化不大,2001~2002年明显降低,2002~2007年之间有上下浮动不大,其中2006年有所升高。总体上看,矿化度年均变化不明显,从1997年3.71到2007年3.27,浮动很小,2001年变化稍大。地下水矿化度和埋深情况在变化趋势上基本一致（图4）。
Fig.4 The change figure of interannual groundwater and salinity

图4 地下水埋深、矿化度年际变化

由38 个口监测井的矿化度数据来看位于灌区上缘和内部监测井的水质稳定,而矿化度增加的监测井都位于地下水下泄区的冲积扇下部和扇缘地区。即地下水矿化度的空间变化是从灌区上缘向侧缘及下缘逐渐增加,监测井水质的变化趋势和盐渍地的空间变化趋势基本一致。
潜水蒸发是土壤盐分积累的主要动力,地下水位越高矿化度越大,土壤盐碱化越重。在干旱区地下水矿化度多大于3 g/L,加之地下水位埋藏较浅和灌溉不当,多发生土壤盐渍化,且中强盐渍化面积分布较大[15,16]。

4 地下水对土壤盐渍化逆向演替过程的影响

由于土壤盐渍化的发生过程是一个可逆反应,且时刻处于动态平衡之中。因此,在一定的条件下,盐渍化会自然地向良性方向发展。这种土壤盐渍化的恢复过程被称之为土壤盐渍化逆向演替[10,11]。找出促进其逆反应的催化剂,使反应最大限度地朝着逆反应方向进行,土壤盐渍化就会自然地良性恢复。而在这些催化剂中,地下水的作用不容忽视。

4.1 地下水埋深

从理论上讲,只要潜水存在着蒸发,即使蒸发量小,也会有引起土壤表层积盐的可能。只有当潜水埋深达到潜水蒸发极限深度,即潜水蒸发量趋近于零的深度。这时潜水才不会对土壤表层积盐造成影响。应用零通量面(ZFP)方法计算出研究区附近的潜水蒸发极限深度为4.66 m[17],表明潜水埋深大于4.66 m时,潜水蒸发量为零,此时潜水不会引起土壤表层积盐。据此,本文将地下水影响地表盐渍化的水位临界值定为4.66 m。本文选择研究区38口常年观测井中具有典型代表性的8口观测井：绿洲内部的1、7、12、35号井,分别位于绿洲上部、中上部、中部、下部; 15、18、23号井位于绿洲荒漠交错带,绿洲中游;30号井位于绿洲外围。
1997~2007年,18号井地下水位下降速度最快,由1997年的2.61 m持续下降为2007年的6.13 m,下降3.52 m,下降速率为0.32 m/a,尤其2004~2007的4 a内下降2.26 m,下降速率达到0.565 m/a。1号和7号井地下水位下降速度次之,分别由1997年的3.57 和2.68 m下降到6.12和5.29 m,每年平均下降0.23 m,都降到水位临界值以下。35号地下水位下降速度最慢,1997~2007年变化平缓,由1.76 m下降到2.1 m,每年下降0.03 m。1号井在2004年最先达到潜水蒸发极限深度,2005年18号井达到极限深度,7号井和12号井2006年地下水埋深分别达到4.89和4.76 m（图5）,因此,绿洲平原区上部最早达到潜水蒸发极限深度,绿洲荒漠交错带最晚,平原区中部居中。

4.2 地下水矿化度

渭-库绿洲平原区上部和中部地下水均为淡水,绿洲沙漠交错带、绿洲外围的地下水是咸水。有研究表明西部干旱区绿洲土壤脱盐的地下水矿
Fig.5 The change figure of groundwater of Monitoring Well

图5 监测井地下水埋深变化

化度临界值为3 g/L[18]。绿洲荒漠过渡带15号井的地下水矿化度年际变化最显著,1997~2007年基本持续上升,在0.15~4.4 g/L之间大幅度起伏,2007年出现峰值6.3 g/L,2000年矿化度达到临界值以上。18号井是7个监测井地下水矿化度值最高的,常年矿化度均超过了临界值,平均矿化度高达7.9 g/L。平原区上部1号井的地下水矿化度最低,多年来无显著变化,除了个别年份外,矿化度基本低于1 g/L。位于平原区中部的12号井的地下水矿化度年际变化不大,在0.03~0.34 g／L之间波动,1997年出现峰值1.79 g/L。平原区下部35号井的地下水矿化度随时间变化在0.6~1.1g/L之间起伏。绿洲荒漠交错带23号井的矿化度变化不大,常年矿化度均在临界值以上。绿洲外围30号井的矿化度变化比较显著,年际变化在0.1~1.4 g/L之间波动,常年矿化度也均在临界值以上。从整体看,8个监测井地下水矿化度的年际变化均呈略下降趋势。渭-库绿洲地下水矿化度的空间变化与干旱区从洪积扇上部向绿洲平原区地下水矿化度逐渐增加的规律一致（图6）。
Fig.6 The change figure of salinity of Monitoring Well

图6 监测井地下水矿化度年际变化

8个监测井地下水位呈下降趋势,在2003年以后出现低于影响地表盐渍化的水位临界值;地下水矿化度的多年变化也基本呈下降趋势,且低于土壤脱盐的地下水矿化度临界值。这两个影响土壤次生盐渍化重要因素的状况表明：研究区已处于有利于土壤盐渍化逆向演替的环境,只是各采样地点处于这种环境的时间有差异。

5 结论与讨论

1) 在地下水埋深2.3~2.7 m区间,盐渍地面积占的比例较高,其中2.4~2.5 m区间,盐渍化土壤面积所占比重都较高,在地下水埋深2.7~3.4 m区间,盐渍地面积占的比例相对较小。
2) 渭-库绿洲地下水矿化度低于3 g/L。平原区上部、中部、绿洲沙漠交错带地下水位分别在2004、2006、2005年降至潜水零通量面(4.66 m)以下。各采样地点已于上述各年份分别进入有利于土壤盐渍化逆向演替的环境,研究区正经历土壤盐渍化逆向演替过程。
3) 渭-库绿洲土壤盐渍化逆向演替发生的空间顺序是：平原区上部、平原区中部、绿洲荒漠交错带、绿洲外围。

The authors have declared that no competing interests exist.

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