遥感与水文模型融合的干旱绿洲流域尺度土壤盐渍化数值模拟

Numerical modelling of soil salinity by considering outer space of oasis and plain area as an integral shall enhance soil salinity prediction capability, meanwhile, the contribution of natural and human induced factors can also be analyzed in long time series. However, most of previous studies examined landscapes with salinities far in excess of the range where nearly all agriculture occurs, thus has little commercial value for food production or land rehabilitation. A physically based distributed hydrological model MIKE SHE was setup based on multi-source remote/proximal sensing data and parameter inversion method in the delta oasis of Weigan-Kucha river. We would like to focus on exploring the potential of using multi-factor data mining and multi-variable geostatistical model in estimating soil electrical conductivity and assessing the spatial and temporal changes in soil salinity using AD module and empirical statistic methods respectively. Secondly, the optimal model was adopted to predict water and salinity dynamics over the past 50 years in watershed scale. Wavelet analysis was incorporated to reveal the pattern of soil salinity and its control factors in different scale. Lastly, with reference to previous land management policy and climate change hypothesis, different levels of natural and human affected environmental conditions were predefined to predict the extent and evolution of saline areas over the next 50 years so as to provide some basic information to decision makers.

绿洲外围与平原结合的流域土壤盐渍化数值模拟有助于提高农业产区土壤盐渍化预警能力，分析长时间序列范围内自然和人为因素对土壤盐渍化变化的贡献率。然而，以往研究大都集中于绿洲外围，对农业生产和土地恢复的价值有限。本项目以渭干河-库车河流域为研究区，采用遥感陆面参数反演方法结合星-空-地多源数据构建分布式水文模型。重点探讨多因子数据挖掘模型和多变量地统计模型在土壤电导率参数化方面的可行性和溶质运移模块与经验统计分析法分别估算土壤盐渍化变化的潜力。其次，采用最优模型方法实现流域尺度过去50年土壤水和盐渍化数值模拟。结合小波尺度分析方法，揭示干旱区土壤盐渍化空间分布规律和关键控制因素。最后，参考气候变化假设和过往耕作管理方式，设置不同自然和人为影响梯度，模拟未来50年土壤盐渍化演变趋势，为关相农业生产管理决策提供基础信息。

本项目以渭干河-库车河流域为研究区，采用遥感陆面参数反演方法结合星-空-地多源数据成功搭建了分布式水文模型MIKE SHE。分别采用多因子数据挖掘模型和多变量地统计模型对土壤电导率进行了参数化。然后以这些参数和多源遥感数据为基础，耦合溶质运移模块对绿洲土壤盐渍化动态进行了数值模拟。此外，对土壤盐渍化长时间尺度的发生发展进行了预测分析。结果表明：①多因子数据挖掘模型和多变量地统计模型在土壤电导率参数化方面潜力巨大，在此基础上进行土壤电导率参数和多源遥感数据融合的MIKE SHE模型可以进行渭库绿洲尺度上的土壤盐渍化数值模拟。②经过参数率定后土壤盐渍化模拟结果的误差在绿洲内部较低（所有点不同年份平均绝对误差分别在1.5和1以内，平均误差偏差在0.13和0.08以内），而在绿洲外部较高。③在时间尺度上，基于现有土地利用方式下未来30年绿洲内部土壤盐渍化呈现先快速增加，后缓慢增加，然后稳定在较高水平。而绿洲外围则在整个模拟区间均表现出增加态势。④不同气候模式下，气温每升高1摄氏度，土壤盐渍化相应的提高10%。⑤在土壤盐渍化空间变异方面，塔里木盆地环境条件相对简单，气候、土壤等自然因子变异不大。从约470km到480km的尺度上土壤盐渍化变异与蒸散发和地表温度显著相关，且两者表现出很好的协同性。准葛尔盆地土壤盐渍化分异相对复杂，在约334km的尺度上，土壤盐渍化空间变异与地表温度具有较好相关性，两者也表现出较好的协同性。⑥在过去18年中准噶尔盆地耕地面积平均以641.3km²/year的速度扩张，而塔里木盆地耕地面积平均以271.3km²/year的速度扩张，并且没有任何暂停的迹象；耕地扩张最快的时期为2008-2013年，耕地扩张最显著的区域为塔城地区、昌吉以西绿洲和阿克苏绿洲。本项目研究结果为农业生产管理决策提供重要决策基础，直接服务于干旱区生态修复以及智慧农业应用，因此具有十分重要的现实意义。