松嫩平原鹽堿化反演及其動態(tài)變化過程

花錦溪, 臧淑英, 那曉東

(哈爾濱師范大學 黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150025)

松嫩平原鹽堿化反演及其動態(tài)變化過程

花錦溪, 臧淑英, 那曉東

(哈爾濱師范大學 黑龍江省普通高等學校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150025)

[目的] 監(jiān)測2000—2013年來松嫩平原鹽堿地時空演變過程，為松嫩平原鹽堿地防治提供理論依據(jù)。 [方法] 以MODIS影像為主要數(shù)據(jù)源，結合野外實測樣點建立回歸模型，對松嫩平原土壤含鹽量進行定量反演。將整個研究時期分為3個時段：時段1(2000—2004年)，時段2(2004—2008年)，時段3(2008—2013年)。[結果] 時段1和時段2鹽堿地面積增加，增加速度為5 109.75和2 240.62 km2/a，同時鹽堿化程度加?。灰?008年為轉折點，時段3鹽堿地面積減少，主要是輕度鹽堿地的減少，但是鹽堿化程度仍在加劇。[結論] 松嫩平原的鹽堿化趨勢不容樂觀，應該采取緊急措施防止鹽堿化程度進一步惡化，保護松嫩平原的生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展。

松嫩平原; 鹽堿化; 反演; 動態(tài)變化

文獻參數(shù)： 花錦溪, 臧淑英, 那曉東.松嫩平原鹽堿化反演及其動態(tài)變化過程[J].水土保持通報，2017,37(1)：155-160.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.028; Hua Jinxi, Zang Shuying, Na Xiaodong. Retrieval of soil salinization process and its dynamic change in Songnen Plain[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：155-160.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.028

土壤鹽堿化是指由于自然和人為因素土壤發(fā)生鹽化、堿化，抑制了農(nóng)作物正常生長，導致土壤肥力下降、農(nóng)作物產(chǎn)量下降，許多土地撂荒，也使得畜牧力下降，嚴重制約經(jīng)濟和社會的發(fā)展。松嫩平原是中國最大的蘇打鹽堿土分布區(qū)[1]，鹽堿地面積占到中國鹽堿地的9.2%[2]，并且有些地方鹽堿地面積還在不斷增加。因此對該區(qū)域鹽堿化土地的監(jiān)測尤為重要，可為相關部門進行鹽堿地的治理提供決策支持。遙感技術以其具有宏觀、快速、省時、省經(jīng)費的優(yōu)點[3]，為大面積實時動態(tài)監(jiān)測鹽堿土狀況提供了可能[4]，在鹽堿地的監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。Dehaan R.L.等[5-6]對5種鹽生植物的光譜進行了歸一化處理，發(fā)現(xiàn)可見光和近紅外波段能夠將鹽生植物與一般植物區(qū)別開。Taylor等[7]基于雷達影像提取鹽漬土，發(fā)現(xiàn)L波段能夠較好的區(qū)分鹽漬土和非鹽漬土。張恒云等[8]基于NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，分析了海濱地區(qū)鹽漬土的分布。劉慶生等[9]基于資源1號衛(wèi)星數(shù)據(jù)與高分辨率全色數(shù)據(jù)，進行了HIS/PCA變換，評估了不同級別鹽漬土狀況。塔西甫拉提[10]基于TM數(shù)據(jù)，依據(jù)鹽堿地地區(qū)主要地物光譜特征建立決策樹提取鹽漬地信息。許迪[11]基于LANDSAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用監(jiān)督分類、NDVI指數(shù)等方法，對寧夏銅峽灌區(qū)作物進行了識別，并分析了土壤鹽堿分布。陳實等[12]基于Landsat 8 OLI遙感影像，結合野外實測樣點構建神經(jīng)網(wǎng)絡得到新疆石河子農(nóng)墾區(qū)的土壤含鹽量，精度為66%。

總的來說，以往的研究具有重要的指導意義，但多是小尺度范圍的研究，鮮有大尺度研究；多是對鹽堿土進行定性研究，很少有定量的研究。本文擬以松嫩平原為研究區(qū)，對能表征土樣鹽分信息的土壤電導率EC值和MODIS影像光譜反射率進行相關分析，逐步回歸建立統(tǒng)計模型，推算整個松嫩平原的土壤含鹽量，基于決策樹分類將鹽堿地分為輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地。通過4期反演數(shù)據(jù)分析近年來松嫩平原鹽堿地的空間分布、面積變化、程度變化和重心轉移。

1 研究區(qū)概況

松嫩平原位于黑龍江省西南部和吉林省西北部，地理坐標為119°45′—129°36′E,42°50′—49°18′N,行政區(qū)劃主要包括黑龍江省的35個縣和吉林省的20個縣，總面積約2.38×105km2。本區(qū)地處半干旱—半濕潤的交錯地帶，屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均降水量為400～500 mm，集中在夏季，并且由東南向西北遞減，年平均蒸發(fā)量為1 250～1 650 mm，蒸發(fā)量大而降水少使得氣候干旱。松嫩平原是由松花江和嫩江沖積而成的平原，海拔150～200 m，地勢低洼，排水不暢，為土壤積鹽提供了地形條件。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源與處理

2013年11月和2015年4月2次對松嫩平原鹽堿地進行野外采樣。采樣點選取土壤表層0—20 cm的土壤，并將土樣編號用GPS精確定位。為了保證采樣的精確性，采用五點取法，取一個中間樣點并在其四周以20 m為間隔采取4個樣點，保證樣點的均勻性和代表性。在實驗室對所采土樣進行風干、研磨，測定土壤電導率(electrical concluctivity,EC, μS/cm)值、pH值。共采得120個樣點。剔除受到降水等因素影響的15個樣點，其余樣點對中間樣點和周圍的4個樣點取平均值，得到21個有效值(表1)，其中11個點用來建模，剩下的10個點用來驗證。

表1 實測數(shù)據(jù)野外實測樣點含鹽量

2.2 遙感數(shù)據(jù)

本研究采用的數(shù)據(jù)源來自NASA提供的MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)衛(wèi)星植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1?？臻g分辨率為250 m。它有全球免費、光譜范圍廣、數(shù)據(jù)接收簡單、更新頻率高等優(yōu)點，特別是在大尺度研究中顯現(xiàn)出優(yōu)勢。MODIS數(shù)據(jù)不僅在監(jiān)測全球地表覆蓋變化、全球生產(chǎn)力、氣候變化、生態(tài)環(huán)境和自然災害等方面具有重要意義，還在海洋、陸地、云層、大氣溫度等方面廣泛應用[13]。

根據(jù)松嫩平原地理位置，選取軌道號為H26 V04和H27 V04的MOD13 Q1遙感影像。根據(jù)實際采樣點的時間，選取2000年第145 d，2004年第145 d，2008年第145 d，2013年第145 d的MODIS NDVI 16 d合成數(shù)據(jù)，共8景遙感影像。這個時期地表一般沒有積雪覆蓋，植被較少，鹽堿土完全裸露，確保從影像中得到的是裸土的光譜信息。

此類產(chǎn)品屬于MODIS的4級遙感影像數(shù)據(jù)，已經(jīng)經(jīng)過了輻射校正和幾何校正，在此基礎上還需要進行重要的預處理。利用MRT對MODIS數(shù)據(jù)進行批處理，輸出red，blue，NIR，MIR波段，投影為Albers equal area(雙標準緯線等積圓錐投影)，利用松嫩平原矢量邊界對得到的影像掩膜處理，提取出松嫩平原的范圍。由于受到外界環(huán)境與傳感器成像的影響，對影像進行高斯低通濾波去噪，提高反演準確性。

2.3 分析方法

基于國內(nèi)外研究與實測鹽堿土光譜特征分析，鹽堿土在可見光、近紅外及中紅外波段比較敏感，隨著鹽堿化程度的加重光譜反射率愈強，是確定鹽堿化程度的最佳波段。因此，本文選取MODIS影像的藍光、紅光、近紅外和中紅外波段為反演波段。

2.3.1 相關分析 相關分析是對土壤含鹽量與反射率關系的描述，采用Pearson相關系數(shù)[14]找到相關性最強的波段。其公式為：

(1)

對實測采樣點EC值與對應點各波段的反射率值進行相關分析，結果表明EC值與藍光、紅光波段的反射率值在0.01水平顯著相關，相關系數(shù)達到0.856，0.727，而近紅外、中紅外相關性較低。

本研究還嘗試對藍光、紅光、近紅外、中紅外波段反射率的幾種變換形式(倒數(shù)、對數(shù)、對數(shù)的倒數(shù))與含鹽量進行相關分析，藍光波段反射率的變換形式與土壤EC值均在0.01水平顯著相關，但是相關系數(shù)卻有所降低；紅光波段反射率的變換形式在0.05水平與土壤EC值顯著相關，顯著性降低相關系數(shù)也降低；近紅外、中紅外波段反射率的變換形式與土壤EC值的相關性均不顯著。表明基于藍光、紅光波段的反射率值與EC值進行建模是最優(yōu)的。

2.3.2 逐步回歸分析 逐步回歸[2]是將變量逐個引入方程，并進行統(tǒng)計檢驗，當引入的變量變得不再顯著時，將其剔除。反復進行，直到無法選入也無法剔除，即所得的僅包含顯著變量，建立最優(yōu)方程。

數(shù)學模型為：

Y=A+B1X1+B2X2+…+BmXm

(2)

利用n=(i=1,2,3，…，m)組觀測值(X11，X21，…，Xm1)及最小二乘原理求出上式待定系數(shù)B1，B2,…，Bm。

參考上面的相關分析，選取藍光波段、紅光波段的反射率值與土壤電導率EC值進行逐步回歸分析。建立回歸模型：

Y=-534.603+1.39×B1blue

(3)

式中：B1blue——MODIS影像藍光波段的反射率值;Y——能表征土壤鹽分信息的電導率EC值(μS/cm)。

模型的R2為73.5%，驗證精度達到71.43%，表明該模型具有一定的可靠性和準確性。

2.3.3 決策樹分類 決策樹分類是人們?yōu)榱俗龀瞿撤N決策而進行的一系列判斷過程，它由一個根結點、一系列內(nèi)部結點和終極結點組成。一個結點只有一個父結點和2個或多個子結點。每個子結點代表一種分類屬性，對應于遙感影像的分類即為不同類別的光譜、紋理等特征，每個終極結點代表一種地物類型。

參考Shi等[15]對鹽分土壤的分類標準及松嫩平原鹽堿土特征，按照EC值將鹽堿地分為輕度鹽堿地(660～1 360 μS/cm)、中度鹽堿地(1 360～2 040 μS/cm)和重度鹽堿地(>2 040 μS/cm)。

3 結果與分析

3.1 空間分布

根據(jù)逐步回歸，建立模型，推算整個松嫩平原土壤鹽堿化狀況，得到松嫩平原土壤鹽堿程度反演結果。松嫩平原鹽堿化土地主要分布在平原的西部地區(qū)，被嫩江和松花江分割成南北2大片，并且西南重于東北。南片以吉林省大安、乾安、長嶺、通榆、鎮(zhèn)賚、前郭、松原等縣市為集中分布區(qū)；北片以黑龍江省杜爾伯特蒙古族自治縣、大慶、肇源、肇州、齊齊哈爾等市縣為集中分布區(qū)。輕度鹽堿地成片分布，在鹽堿地中所占比重最多，從輕度到重度鹽堿地面積逐漸減少。重度鹽堿地多分布在江、河邊沿或者城鎮(zhèn)周邊地區(qū)，還存在許多鹽堿化程度相當高的堿泡。中度鹽堿地多分布在重度鹽堿地周圍呈現(xiàn)同心圓狀。

3.2 面積變化

依據(jù)松嫩平原鹽堿化反演結果圖，對松嫩平原不同類型鹽堿化土地的面積進行匯總分析(表1)?？傮w上看，2000—2013年松嫩平原除重度鹽堿地面積有所增長外，輕度和中度鹽堿地減少，總鹽堿化土地面積減少。從15 165.57 km2減少到12 941.5 km2，平均每年減少158.86 km2。整個松嫩平原鹽堿化土地面積占區(qū)域國土面積的比例由7.02%減少到6.04%。輕度、中度鹽堿地分別減少了1 446.25，1 146.25 km2，重度鹽堿地增加了28.27 km2，增幅達到36.87%。從行政區(qū)域看，乾安縣、通榆縣、長嶺縣等地鹽堿化面積最大，占到全縣國土面積的40%以上。

表1 2000—2013年松嫩平原不同類型鹽堿化土地面積 km2

時段1鹽堿地面積迅速增加，以1 277.44 km2/a的速率增加，其中輕度鹽堿地增加幅度最大，凈增加5 279.44 km2，在鹽堿化土地中所占的比例增加了3.2%，中度鹽堿地減少492.5 km2，重度鹽堿地增加了322.81 km2。時段2鹽堿化土地面積仍在增加，輕度、中度鹽堿地分別增加了1 946.93，439.19 km2，重度鹽堿地略有減少，在鹽堿化土地中降低了0.8%。時段3鹽堿化土地面積迅速減少，主要是由于輕度、中度鹽堿化土地面積的減少，特別是輕度鹽堿化土地減少速度達到1 734.35 km2/a，但是在這一時期重度鹽堿地仍在增加。說明2008年以后松嫩平原全面禁牧及“中國北方鹽堿地節(jié)水灌溉水鹽調(diào)控機理及治理開發(fā)技術研究與示范”項目啟動[16]等一系列鹽堿地治理措施的采取，使鹽堿地面積有所減少，特別是鹽堿化程度較輕的土地得到了有效控制。

3.3 程度變化

利用ArcGIS區(qū)域面積統(tǒng)計模塊對得到的4期鹽堿化數(shù)據(jù)進行分析，得到2000—2013年松嫩平原不同類型鹽堿化土地轉移矩陣(表2)。

近13 a來松嫩平原鹽堿地格局發(fā)生了明顯的改變，3個時段呈現(xiàn)出時段性特征，總體上鹽堿化程度有所惡化。乾安縣和杜爾伯特蒙古自治縣土壤鹽堿化程度最嚴重，重度鹽堿地面積達到93.75和63 km2。

表2 2000—2013年松嫩平原不同類型鹽堿化土地轉移矩陣 km2

時段1輕度鹽堿地和重度鹽堿地明顯增加，增量為5 279.44，322.81 km2；中度鹽堿地有所減少，減少量為492.50 km2。鹽堿化發(fā)展的速度和面積遠大于逆化的速度和面積，12 654.57 km2的非鹽堿地轉化為鹽堿地，鹽堿地范圍擴張。輕度鹽堿地的增加主要來自于非鹽堿地，面積為4 799.87 km2，占輕度鹽堿地增加的91%，非鹽堿地發(fā)展為輕度鹽堿地的面積遠大于輕度鹽堿地逆轉為非鹽堿地的面積；中度鹽堿地與非鹽堿地、重度鹽堿地的轉化基本保持平衡，有少部分轉化為輕度鹽堿地；重度鹽堿地的增加主要來源于非鹽堿地和輕度鹽堿地，面積為311.38，86.69 km2?？傮w來說，該時段研究區(qū)鹽堿地總面積增加，鹽堿化程度加劇。時段2輕度鹽堿地持續(xù)增加，主要來源于非鹽堿地，面積為7 658.81 km2，而輕度鹽堿地到非鹽堿地的面積只有5 419.44 km2，非鹽堿地發(fā)展為輕度鹽堿地的面積大于其逆向轉化。輕度鹽堿地發(fā)展為中度鹽堿地的面積為720.13 km2，占到中度鹽堿地的56%。鹽堿化發(fā)展的總面積為12 996.27 km2，遠大于逆向轉化的面積8 367.75 km2。這一時段松嫩平原鹽堿化程度加重。時段3中2008年是一個重大的轉折點，輕度、中度鹽堿地出現(xiàn)了大幅度逆轉，鹽堿地逆轉為非鹽堿地的面積達到時段2的2倍多，但是重度鹽堿地仍在增加，主要來自于非鹽堿地和中度鹽堿地。這是由于2008年以來采取的一系列措施取得了一定成效，特別是對鹽堿化程度較輕的土地使其逆轉，輕度鹽堿地面積迅速減少，但是對于一部分鹽堿化程度較高的其鹽堿度仍在惡化，有待進一步制定一系列新政策加強治理。

3.4 重心轉移

為了進一步了解鹽堿化土地的空間動態(tài)變化，基于ArcGIS平臺，利用重心遷移模型[17]計算不同類型鹽堿化土地的重心坐標，其原理與地理學中的人口分布重心相似，數(shù)學模型為：

(4)

(5)

式中：Xtm，Ytm——第t年m類型鹽堿地重心的經(jīng)、緯度坐標；n——第t年m類型鹽堿地的斑塊數(shù)；Xmi，Ymi——m類型鹽堿地第i個斑塊的幾何中心經(jīng)、緯度坐標；Ctmi——第t年m類型鹽堿地第i個斑塊的面積。

本研究將鹽堿地分為3個類型，不同類型的重心賦以不同的權重值：輕度鹽堿地重心權重值為0.2,中度鹽堿地重心權重值為0.3，重度鹽堿地重心權重值為0.5。第t年的鹽堿化重心的經(jīng)緯度即為：

Xt=0.2Xt1+0.3Xt2+0.5Xt3

(6)

Yt=0.2Yt1+0.3Yt2+0.5Yt3

(7)

式中：Xt,Yt——第t年鹽堿化重心的經(jīng)、緯度坐標；Xt1,Xt2,Xt3——第t年輕、中、重度鹽堿地重心的經(jīng)度坐標；Yt1,Yt2,Yt3——第t年輕、中、重度鹽堿地重心的緯度坐標。

鹽堿地重心的遷移距離表明了鹽堿地在其變化方向的幅度[18]，一般計算公式為：

Ds-k=C×〔(YS-YK)2+(Xs-Xk)2〕1/2

(8)

式中：s,k——2個不同的年份；Ds-k——s和k在2 a間鹽堿地重心遷移距離；XS,YS——s年鹽堿地重心的經(jīng)、緯度坐標；Xk，Yk——k年某類型鹽堿地重心的經(jīng)、緯度坐標；C——把經(jīng)緯度換算成平面坐標(km)的系數(shù)，其值為111.111。

通過上式計算得到3個時段松嫩平原鹽堿地重心變化。鹽堿化土地的重心分布與松嫩平原實際鹽堿化土地的空間分布完全一致，說明鹽堿化土地重心變化能夠說明鹽堿化土地的空間變化。近13 a來，松嫩平原鹽堿地重心比較穩(wěn)定，集中在吉林省的大安、通榆一帶，總體向東北方向遷移。時段1鹽堿地重心均位于大安縣境內(nèi)，遷移距離為33.29 km；時段2重心向東北方向遷移至通榆縣，遷移距離增大，達到43.80 km；時段3重心又向西南方向折回，遷移距為20.12 km。時段1和時段2鹽堿地面積增大，鹽堿化程度加劇，從西南向東北方向擴張，時段3大量鹽堿化較輕的土地得到了一定治理，該時段鹽堿化程度有所緩和，呈現(xiàn)向西南方向的收縮趨勢。

4 討論與結論

本研究以松嫩平原為研究區(qū)，基于MODIS影像可見光、近紅外、中紅外波段的反射率值及其變換形式(反射率的倒數(shù)、對數(shù)、對數(shù)的倒數(shù))與野外采樣點EC值進行相關分析，結果表明藍光波段和紅光波段的反射率值與EC值顯著相關且相關性最高，進一步進行逐步回歸分析，建立模型Y=-534.603+13 890.717×B1blue，R2為73.5%，驗證精度達到71.43%。根據(jù)模型反演出整個松嫩平原的鹽堿土鹽分含量，將其劃分為3個等級：輕度鹽堿地、中度鹽堿地和重度鹽堿地。結果表明，松嫩平原的鹽堿地主要分布在平原的西南地區(qū)。2000,2004,2008和2013年松嫩平原鹽堿地面積為15 165.57，20 275.32，22 515.94，12 941.5 km2。3個時段中，時段1和時段2鹽堿地面積均增加且鹽堿化程度不斷加劇，時段3鹽堿地面積減少但是鹽堿化程度仍在加劇。鹽堿化重心比較穩(wěn)定，無明顯遷移。本研究首次利用MODIS數(shù)據(jù)對近年來松嫩平原的鹽堿化狀況進行宏觀、定量研究，結果具有一定的可信度，達到監(jiān)測近年松嫩平原鹽堿地動態(tài)變化的目的。

本研究存在的不足之處是進行線性回歸建模，非線性模型的預測精度可能會有所提高。另一方面，由于松嫩平原面積較大，未能覆蓋全區(qū)域。

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Retrieval of Soil Salinization Process and Its Dynamic Change in Songnen Plain

HUA Jinxi1, ZANG Shuying1, NA Xiaodong1

(KeyLaboratoryofRemoteSensingMonitoringofGeographicEnvironment,CollegeofHeilongjiangProvince,HarbinNormalUniversity,Harbin,Heilongjiang150025，China)

[Objective] The objective of the study is to monitor the spatio-temporal evolution of saline soil in Songnen Plain and provide a theoretical basis for the prevention and treatment of saline soil in this region. [Methods] We established a regression model based on MODIS images and the field measured samples to retrieve soil salt content on Songnen Plain quantitatively. Study period can be divided into three sub-periods: period one(2000—2004), period two(2004—2008) and period three(2008—2013). [Results] The area of saline-alkali land increased and salinization was becoming worse in period one and two, and the rate of increase reached 5 109.75 km2/a and 2 240.62 km2/a respectively. After the turning point in 2008, the area of saline-alkali land(mainly the light saline-alkali land) decreased in period three, but the salinization degree was still growing. [Conclusion] Songnen Plain salinization is not optimistic, we should take emergent measures to prevent the further salinization and to ensure the healthy development of eco-environment of Songnen Plain.

Songnen Plian; salinization; retrieve; dynamic change

2016-03-22

2016-09-13

國家自然科學基金面上項目“氣候變暖背景下東北多年凍土退化對溫室氣體排放的影響”(41571199); 黑龍江省自然科學基金(D201409); 國家自然科學基金青年項目(41001243); 黑龍江省普通高校青年骨干學術項目(1253G034); 哈爾濱師范大學碩士研究生創(chuàng)新基金重點項目(HSDSSCX2015-11)

花錦溪(1991—),女(漢族),山西省太原市人,碩士研究生,研究方向為生態(tài)環(huán)境遙感應用研究。E-mail:huajinxi121@163.com。

臧淑英(1963—),女(漢族),黑龍江省哈爾濱市人,博士,教授,博士生導師,主要從事LUCC與3S綜合應用研究。E-mail:zsy6311@163.com。

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1000-288X(2017)01-0155-06

TP75, X171