土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測方法及應(yīng)用

趙劍橋

[摘要]遙感監(jiān)測在實(shí)際研究應(yīng)用中具有適用范圍廣、周期短、監(jiān)測速度快的優(yōu)勢，目前作為主要的檢測方法廣泛應(yīng)用于土壤鹽漬化監(jiān)測。土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測方法一般有直接方法與間接方法。前者是直接解譯鹽漬化土壤光譜；后者是根據(jù)植被特征、土壤溫度、土壤水分、地表阻抗等間接反演土壤的鹽漬化特征。由于兩種方法均有局限性，所以近年來在土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測研究中，單純應(yīng)用直接或間接方法的并不多見，一般是采用兩者相結(jié)合的綜合方法。

[關(guān)鍵詞]土壤鹽漬化；遙感監(jiān)測；直接方法；間接方法

[中圖分類號(hào)]TP75 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 土壤鹽漬化及其成因

土壤鹽漬化是指土壤底層或地下水的鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后使鹽分積累在表層土壤中的過程。鹽漬土是在一定的環(huán)境影響下，氣候變化、地形起伏、水文等自然因素對(duì)水和鹽運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果。在降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)度大、地下水中含有較多可溶性鹽類及比較平坦的地區(qū)，鹽漬化頻繁發(fā)生在地下水位過高或者徑流的低流速且匯聚到一起的地段。地下水位高過臨界深度、土壤強(qiáng)烈蒸發(fā)導(dǎo)致的毛細(xì)管作用使水?dāng)y帶鹽分向上運(yùn)動(dòng)，使其中所含鹽分逐漸在地表停留，當(dāng)土壤含鹽量過高（超過3%）時(shí)，形成鹽漬土。

現(xiàn)今社會(huì)土壤鹽漬化惡化加劇，一方面是因?yàn)樽匀辉蛟斐傻耐恋赝嘶?，具體表現(xiàn)為土地裸露、植被稀疏，缺少生機(jī)，危及用地安全，是世界性資源問題與生態(tài)問題，是需要全球共同應(yīng)對(duì)的環(huán)境危機(jī)；另一方面由于土地利用開發(fā)的不科學(xué)、不規(guī)范，引起水文地質(zhì)自然條件惡化，破壞土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)而造成土壤次生鹽漬化，既造成資源的破壞，又降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，威脅社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展。人類可以通過采用各種措施，改變環(huán)境條件，改善土壤鹽漬化。受各種客觀因素制約，鹽漬化治理比較困難，土壤鹽漬化的治理問題已經(jīng)成為全球性的研究熱點(diǎn)。

2 土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測方法

遙感監(jiān)測在實(shí)際研究應(yīng)用中具有適用范圍廣、周期短、監(jiān)測速度快的優(yōu)勢，近年來作為主要的檢測方法廣泛應(yīng)用于土壤鹽漬化監(jiān)測。通過遙感手段獲取有關(guān)鹽漬土的光譜曲線、范圍分布等方面的及時(shí)有效的信息，對(duì)鹽漬化土壤的監(jiān)測以及防治，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)很有意義。隨著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者成功利用其豐富細(xì)致的電磁波波段信息，定量化提取土壤鹽分，無論實(shí)測高光譜還是高光譜衛(wèi)星影像獲得的數(shù)據(jù)具備大量空間、輻射和光譜信息，比寬波段遙感監(jiān)測更能探測土壤光譜的細(xì)節(jié)變化，提取敏感波段。

此外，通過遙感方法監(jiān)測土壤鹽漬化狀況，在實(shí)際研究中都要涉及非遙感數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)的地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖與土壤調(diào)查報(bào)告、氣象資料（包括逐日降水量和日均氣溫?cái)?shù)據(jù)等，可從中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站下載），以及土壤鹽分樣品、土壤含水率和土壤含鹽量等數(shù)據(jù)。一般通過野外調(diào)查及實(shí)驗(yàn)室分析而獲取這些資料。

2.1 直接方法

初期的遙感監(jiān)測土壤鹽漬化是直接解譯鹽漬化土壤光譜。由于鹽漬化土壤有鹽分積累、結(jié)晶，形成鹽殼或鹽皮，地表發(fā)白，地表反射率高，有特殊的光譜曲線。當(dāng)植被覆蓋度低于25%～35%時(shí)，土壤的光譜特征差別明顯，鹽分含量越高，光譜反射能力越強(qiáng)，在影像圖中呈淺色或灰白色，易于識(shí)別。所以在解譯遙感影像時(shí)，根據(jù)影像白色色調(diào)的多少可以區(qū)分出土壤鹽漬化的不同程度。

扶卿華等認(rèn)為，直接方法中土壤鹽漬化監(jiān)測的關(guān)鍵步驟是數(shù)據(jù)源選擇、最佳波段選擇與組合、鹽漬化特征信息提取與分析。其中，鹽漬地光譜特征分析是最為重要的步驟，很多學(xué)者對(duì)鹽漬地光譜特征進(jìn)行了研究。王穎在北京市野鴨湖濕地土壤鹽漬化遙感監(jiān)測與動(dòng)態(tài)分析中，利用LandsatTM遙感影像，分析野鴨湖濕地鹽漬化土壤的光譜特征。遙感影像經(jīng)過穗帽變換，能夠準(zhǔn)確反映鹽漬化土壤在影像上的光譜特征，真實(shí)反映鹽漬化土壤狀況，其信息保留比較突出。研究表明，在1998～2004年間，野鴨湖濕地土壤鹽漬化整體呈緩慢升高—急速下降—急速升高的趨勢。

近年來學(xué)界在應(yīng)用不同遙感圖像處理識(shí)別土壤鹽漬化信息上取得了很多成果。不過隨著對(duì)監(jiān)測和制圖要求的提高，直接方法的局限性日益顯現(xiàn)。一是土壤診斷性的光譜信息十分弱，即在量化土壤鹽漬化上突破有限。二是土壤水分、土壤有機(jī)質(zhì)及區(qū)域氣候特征等影響監(jiān)測的準(zhǔn)確性。三是土壤光譜易與其他地物光譜混合，在生長季植被覆蓋度過高時(shí)，直接影響鹽漬化土壤的光譜特性，使得識(shí)別精度下降；而且為了避開植被的影響，監(jiān)測時(shí)間也受到限制。

2.2 間接方法

間接方法主要是根據(jù)植被特征、土壤溫度、土壤水分、地表阻抗等來間接反演土壤的鹽漬化特征，目前大多是依據(jù)植被特征來反演。

如前所述，僅依靠直接方法定量監(jiān)測土壤光譜信息，難以正確反映土壤鹽漬化的真實(shí)情況，所以為了提高信息提取的精度，應(yīng)當(dāng)綜合考慮遙感圖像像元內(nèi)的土壤與植被信息。利用植被光譜監(jiān)測土壤鹽漬化的理論依據(jù)是：在個(gè)體水平上，受鹽分脅迫的植物形態(tài)（葉面積、干重、濕重、根長及植被高度等）會(huì)發(fā)生適應(yīng)性變化；在群落水平上，鹽生和耐鹽植物群落的多樣性、蓋度、優(yōu)勢度等，都會(huì)隨植物對(duì)鹽分的適應(yīng)性而變化。遙感探測器能夠探知和描述植被這一系列生理生態(tài)響應(yīng)所產(chǎn)生的特殊光譜反應(yīng)。

因此，用植被光譜信息間接反演土壤的鹽漬化特征，可以消除直接監(jiān)測土壤光譜信息的局限性，保證土壤鹽漬化監(jiān)測的有效性；同時(shí)監(jiān)測時(shí)間也不再受到限制，可以在生長季監(jiān)測土壤鹽漬化，確保監(jiān)測的連續(xù)性和及時(shí)性；而且植被光譜信息還有助于評(píng)估土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。

近年來很多土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測研究是通過地表植被信息間接推斷土壤鹽漬化情況。如王飛等在研究中同時(shí)考慮土壤與植被信息，分析歸一化差值植被指數(shù)與鹽分指數(shù)之間的關(guān)系，基于兩者特征空間構(gòu)建了土壤鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)模型。研究表明，土壤表層含鹽量與該指數(shù)模型相關(guān)較高，該指數(shù)模型能夠很好地區(qū)分研究區(qū)內(nèi)不同鹽漬化程度地類的分布范圍。陳實(shí)等基于MODIS數(shù)據(jù)，利用歸一化植被指數(shù)和鹽分指數(shù)的二維特征空間關(guān)系，結(jié)合鹽漬化對(duì)植被信息的間接影響，建立土壤鹽漬化遙感監(jiān)測模型，分析2000～2014年北疆農(nóng)區(qū)的土壤鹽漬化及其空間動(dòng)態(tài)變化，研究表明，土壤鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)能夠描述北疆農(nóng)區(qū)的土壤含鹽量；北疆農(nóng)區(qū)土壤鹽漬化空間特征呈現(xiàn)總體逆轉(zhuǎn)、局部嚴(yán)重發(fā)展的態(tài)勢。

利用植被特征反演土壤鹽漬化程度，是土壤鹽漬化遙感監(jiān)測研究中普遍使用的方法。但是以植被為間接因素進(jìn)行土壤鹽漬化監(jiān)測通常集中于地上植被光譜特征，而植被的生物物理特性及根部對(duì)土壤鹽漬化的影響程度尚待研究。而且影響植被生長狀況的因素非常復(fù)雜，并非僅由土壤的鹽漬化決定，因此間接方法也有其明顯的局限性。

3 結(jié)語

實(shí)際上，近年來在土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測研究中，單純應(yīng)用直接或間接方法的并不多見，一般是使用綜合方法，即采用直接與間接相結(jié)合的方法，并輔助相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過綜合分析進(jìn)行土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測。綜合方法包含的信息量最全，集中了直接方法與間接方法的長處，彌補(bǔ)了兩種方法的不足，是目前土壤鹽漬化遙感監(jiān)測方法研究中的新方向。但是綜合方法也存在變量過多、實(shí)際應(yīng)用中過于繁瑣復(fù)雜的缺陷。

雖然遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間、光譜分辨率在提高，土壤鹽漬化遙感監(jiān)測方法不斷發(fā)展，土壤鹽漬化的遙感反演研究也取得了很多成果，但是仍存在諸如主要解析土壤表層鹽分，較少關(guān)注整體剖面鹽分動(dòng)態(tài)；各種信息提取方法結(jié)果不確定，其通用性及定量化尚待改進(jìn)等問題。今后應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究影響土壤光譜特征的各種客觀自然因素，分析其對(duì)鹽漬化信息提取精度的影響，以優(yōu)化鹽漬化估算模型，提高模型預(yù)測的精度。同時(shí)將遙感與電磁感應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，研究土壤鹽分時(shí)空變異特征，是監(jiān)測土壤鹽分的新方法。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 朱庭蕓.灌區(qū)土壤鹽漬化防治[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1992：32-38.

[2] 李潭潭.黃河三角洲典型鹽漬區(qū)遙感監(jiān)測研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2015：1.

[3] 王麗娜.基于高光譜技術(shù)的黃河三角洲鹽堿土水鹽含量估測研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：1.

[4] 扶卿華，倪紹祥，李開麗.土壤鹽堿化遙感監(jiān)測方法[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（1）：110-112.

[5] 王穎.北京市野鴨湖濕地土壤鹽漬化遙感監(jiān)測與動(dòng)態(tài)分析[J].城市地質(zhì)，2008（1）：22-26.

[6] 張婷婷.黃河三角洲土地鹽漬化格局的遙感監(jiān)測及鹽漬化過程的空間分析與評(píng)價(jià)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2011：3-4.

[7] 王飛，丁建麗，伍漫春.基于NDVI-SI特征空間的土壤鹽漬化遙感模型[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010（8）：168-173.

[8] 陳實(shí)，徐斌，金云翔，等.北疆農(nóng)區(qū)土壤鹽漬化遙感監(jiān)測及其時(shí)空特征分析[J].地理科學(xué)，2015（12）：1607-1615.

[9] 朱高飛.農(nóng)田鹽漬化土壤光譜特征及其遙感反演與分類研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：7.