黃河三角洲土壤鹽分養(yǎng)分空間分異規(guī)律研究

劉玉斌 韓美 劉延榮 潘彬 倪杰

摘要：以黃河三角洲新生濕地為研究區(qū)域，以Landsat-8遙感影像與實(shí)測土壤含鹽量、總氮、總磷含量為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，引入植被和土壤相關(guān)指數(shù)，構(gòu)建反演模型并定量反演新生濕地土壤含鹽量、總氮、總磷含量，探討其空間分布規(guī)律。結(jié)果表明：土壤含鹽量回歸模型中，由6個(gè)波段地表反射率（B1-.B6）和6個(gè)光譜指數(shù)（RVI、SMI、GVSB、GRABS、ARVI、EVI）共12個(gè)因子建立的反演模型最優(yōu)；總氮含量回歸模型中，以B5、B6、SMI、NDVI、MSAVI、GVSB、GRABS、ARVI、EVI、RVI為自變量建立的模型精度最高；總磷含量回歸模型中，以7個(gè)波段地表反射率（B1～B7）和1個(gè)光譜指數(shù)（SBI）共8個(gè)因子建立的反演模型最優(yōu)。黃河三角洲新生濕地總氮含量整體上呈現(xiàn)出由河道兩側(cè)向外遞減，高值區(qū)多集中于河道兩側(cè)，低值區(qū)多為近海灘涂地區(qū)；土壤含鹽量呈現(xiàn)出由海向陸遞減、由河道兩側(cè)向外遞增的趨勢，黃河三角洲新生濕地總磷整體上呈現(xiàn)由海向陸遞增、由河道向外遞減的趨勢，1976-1996年形成的濕地的土壤含鹽量和總磷含量整體上明顯高于1996年后新生濕地的。河水、地下水和海水復(fù)雜的相互作用主導(dǎo)了黃河三角洲濕地鹽分的空間分異規(guī)律。

關(guān)鍵詞：土壤含鹽量；土壤養(yǎng)分；空間分布；黃河三角洲

中圖分類號：TV856；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.02.016

土壤是地球陸地表面具有肥力并能生長綠色植物的疏松層，具有為植物生長提供并協(xié)調(diào)營養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力[1]。土壤不僅是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是地球表層系統(tǒng)自然地理環(huán)境的重要組成部分[2]。全球性氣候變化已使得中低緯度區(qū)域的土壤鹽漬化問題日益突出，尤其是在沿海地區(qū)，海水入侵極易引起土壤鹽漬化，影響區(qū)域環(huán)境[3]。對區(qū)域土壤鹽漬化類型、程度和空間分布進(jìn)行監(jiān)測十分必要，而遙感監(jiān)測是當(dāng)前快速獲取土壤信息的最具潛力和最廣泛采用的手段。

遙感定量反演就是根據(jù)地面實(shí)測點(diǎn)信息與所對應(yīng)的遙感影像像元值（地表反射率）建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，定量反演或推算某些地面實(shí)況（地學(xué)或生物學(xué)信息）。國內(nèi)外對土壤鹽分監(jiān)測研究起初基于地理統(tǒng)計(jì)學(xué)分析土壤含鹽量與土壤營養(yǎng)元素，遵循由點(diǎn)到線、再由線到面的順序，推測分析其空間分布規(guī)律[4-6]；遙感監(jiān)測研究始于20世紀(jì)70年代，利用遙感影像數(shù)據(jù)研究土壤的鹽堿化情況，主要根據(jù)含鹽土壤和鹽生植物的光譜特征目視解譯遙感影像或采用監(jiān)督分類的方法提取鹽堿土信息，經(jīng)歷了從目視解譯到基于數(shù)字圖像處理的計(jì)算機(jī)自動分類的過程[7-9]；隨著遙感技術(shù)、GIS技術(shù)和GPS技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，提取鹽漬土、營養(yǎng)元素信息常用方法主要有主成分回歸模型、線性與非線性模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及多源數(shù)據(jù)集成建模等[10-12]。國內(nèi)外學(xué)者在鹽漬化土壤光譜特征、遙感數(shù)據(jù)源和遙感信息提取等方面開展了大量研究，取得了豐碩成果，而準(zhǔn)確估算土壤含鹽量、土壤養(yǎng)分對于生態(tài)修復(fù)工作具有重要的理論和指導(dǎo)意義，有必要開展深入研究。

本文以典型的鹽堿化土壤區(qū)新生黃河三角洲為研究對象，采用Landsat-8 OLI遙感數(shù)據(jù)，以現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)為支撐，以遙感影像數(shù)字圖像處理技術(shù)為主要技術(shù)手段，將傳統(tǒng)的野外土壤調(diào)查與遙感調(diào)查結(jié)合起來，在對影像進(jìn)行預(yù)處理、特征選擇的基礎(chǔ)上，分析波段、植被及土壤相關(guān)指數(shù)與土壤鹽分的相關(guān)性，通過野外實(shí)測土壤數(shù)據(jù)與遙感影像反射率數(shù)據(jù)定量反演土壤的含鹽量、總氮、總磷含量，以期為黃河三角洲的土壤鹽漬化遙感監(jiān)測和預(yù)測研究、濕地生態(tài)修復(fù)和保護(hù)提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一，是我國暖溫帶最年輕、最廣闊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是世界上土地面積自然增長最快的自然保護(hù)區(qū)[13]。黃河三角洲位于東經(jīng)118°07′-119°18′、北緯36°55′-38°12′，以墾利縣的寧海鎮(zhèn)為頂點(diǎn)，呈東南至淄脈河河口與西北至套爾河之間的扇形區(qū)。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫11.7～12.6℃，年降水量530～630mm，年水面蒸發(fā)量1750～2430mm。黃河尾間淤積、延伸、抬高、擺動、改道的規(guī)律性演變塑造了崗、坡、洼相間排列的復(fù)雜微地貌。黃河三角洲土壤類型主要有潮土和鹽土，另外還分布少量的褐土、石灰性砂姜黑土和水稻土；縱向上，順黃河而下依次分布著潮土和鹽土；橫向上，由黃河或黃河故道兩側(cè)向外延伸，土壤鹽化程度逐漸加重，土壤類型依次為潮土、鹽化潮土、潮鹽土[14]。本文研究區(qū)特指1976年黃河改道后黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的新生濕地。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 土壤數(shù)據(jù)采集與分析

實(shí)地采樣時(shí)間為2015年10月，采樣點(diǎn)的選擇結(jié)合研究區(qū)的地形圖、土壤圖以及土地利用類型等輔助信息進(jìn)行，所選樣點(diǎn)基本覆蓋研究區(qū)的主要濕地類型并符合隨機(jī)分布規(guī)律，且樣點(diǎn)的選擇遵循由海向陸、沿黃河及一些道路兩側(cè)交通便利、采樣方便的原則，樣點(diǎn)分布位置見圖1。利用GPS定位儀記錄樣方地理坐標(biāo)，挖取0～10cm表層土壤作為本次研究的土樣，裝入塑料袋內(nèi)、貼上標(biāo)簽以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)室分析，共采集62個(gè)土壤樣本。

委托山東省分析測試中心對土壤樣本進(jìn)行檢測，主要檢測土壤中的水溶性鹽、總氮、總磷含量，檢測結(jié)果見表1。

2.2 遙感數(shù)據(jù)獲取與處理

選取中等空間分辨率的Landsat-8 OLI系列遙感數(shù)據(jù)（7個(gè)波段的反射率B1～B7），條帶號為Path 121、Row 34，空間分辨率為30m，成像時(shí)間為2015年10月27日，遙感影像數(shù)據(jù)時(shí)間上與實(shí)地采樣時(shí)間一致，且為無云日，以便地面土壤鹽分含量反演。數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，此數(shù)據(jù)是經(jīng)初步幾何校正后的遙感數(shù)據(jù)，因此只需進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正即可。遙感影像通常是用無量綱的數(shù)字量化值記錄信息的，輻射定標(biāo)可將量化值轉(zhuǎn)換為定量分析常用的輻射亮度值；大氣校正消除大氣和光照等因素對地物反射的影響和大氣散射的影響，獲得地物真實(shí)反射率。采用ENVI5.1輻射定標(biāo)和大氣校正模塊，選擇定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正。選取差別較大的植被和土壤光譜指數(shù)NDVI、DVI ，ARVI、EVI、MSAVI、GVSB、GRABS、SBI、RVI、SMI作為反演模型的待選指標(biāo)（見表2）。

2.3 研究方法

回歸分析是最基本的定量分析方法，多元線性回歸是研究兩個(gè)或兩個(gè)以上自變量與一個(gè)因變量之間關(guān)系的回歸分析方法。各種現(xiàn)象普遍是由多種相互聯(lián)系的因素造成的，由多個(gè)自變量的最優(yōu)組合來預(yù)測因變量更符合實(shí)際，因此本研究采用多元線性回歸，模型如下[15]：

Y=β0+β1X1+β2X2+…+βnXn+μ式中：Y為被解釋變量；X1、X2、…、Xn為自變量；n為自變量的數(shù)量（n≥2）；β0、β1、…、βn為待定回歸系數(shù)；μ為隨機(jī)誤差。

相關(guān)性分析是指對兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量進(jìn)行分析，從而衡量兩個(gè)變量間的相關(guān)密切程度。相關(guān)系數(shù)大小表示變量之間的相關(guān)性強(qiáng)弱，常用的相關(guān)系數(shù)有Pearson簡單相關(guān)系數(shù)、Kendall tua-b一致性相關(guān)系數(shù)和Spearman等級相關(guān)系數(shù)[16]，本文采用Pearson簡單相關(guān)系數(shù)，其計(jì)算公式為式中：xi、yi為變量的第i個(gè)樣本值；n為樣本數(shù)量。

預(yù)測吻合度G作為預(yù)測精度的一個(gè)衡量指標(biāo)，其值越大，對應(yīng)的預(yù)測模型精度越高，計(jì)算公式[17]如下：式中：y（i）為第i個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)測值；y（i）為第i個(gè)采樣點(diǎn)預(yù)測值；y為實(shí)測平均值；n為點(diǎn)位個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果分析

地表含鹽量的不同導(dǎo)致其在遙感影像上的表現(xiàn)也不同，各波段地表反射率（B1～B7）、各種植被和土壤指數(shù)在影像上能間接反映遙感像元中鹽分含量。研究區(qū)植被覆蓋會干擾土壤光譜對土壤鹽分含量、總氮、總磷含量的響應(yīng)關(guān)系，植被指數(shù)的引入能更好地反映土壤的含鹽量，利用SPSS軟件通過相關(guān)性分析篩選出土壤的含鹽量和總氮、總磷含量反演模型的指標(biāo)。

研究區(qū)土壤反射率與土壤鹽分含量存在較好的相關(guān)關(guān)系。在建立回歸模型之前，利用黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)土地利用類型矢量數(shù)據(jù)，將建筑用地、道路以及水域面積剔除。利用SPSS建立多元線性回歸模型，并預(yù)留12個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，篩選出土壤鹽分和養(yǎng)分的多元線性最優(yōu)模型。研究表明：土壤含鹽量多元線性回歸模型中，以6個(gè)波段地表反射率（B1～B6）和6個(gè)光譜指數(shù)（RVI、SMI、GVSB、GRABS、ARVI、EVI）為自變量建立的模型相關(guān)系數(shù)最大（R=0.663），預(yù)測吻合度達(dá)68.63%，模型精度較高，模型形式為

Y=589.80-19.49B1-67.62B2+290.73B3-619.22B4+423.63B5-549.95B6-36.76RVI-126.48SMI+116.93GVSB-87.57GRABS-67.74ARVI+111.33EVI

總氮含量多元線性回歸模型中，以B5、B6、SMI、NDVI、MSAVI、GVSB、GRABS、ARVI、EVI、RVI為自變量建立的模型相關(guān)系數(shù)最大（R=0.633），預(yù)測吻合度為63.22%，模型精度較高，模型形式為

Y=-14.60-23.19B5+16.68B6+3.71SMI+9.66NDVI+35.01MSAV1-4.90GVSB+1.20GRABS-15.57ARVI-6.41EV1-0.31RVI

總磷含量多元線性回歸模型中，以B1～B7、SBI為自變量建立的模型相關(guān)系數(shù)最大（R=0.664），預(yù)測吻合度達(dá)69.78%，模型形式為

Y=-0.797-4.059E1-6.466B2-1.505B3+1.604B4-2.290B5-1.962B6+6.519B7+0.244SBI

將最優(yōu)回歸模型代入ENV15.1中的Band Math進(jìn)行計(jì)算，生成土壤含鹽量、總氮、總磷含量空間分布圖，并在ArcGIS中按自然間斷點(diǎn)分級法（Jenks）自動劃分5個(gè)等級（見表3、圖2和圖3）。

由圖2可以看出，黃河三角洲濕地含鹽量整體上呈現(xiàn)由河道兩岸向外側(cè)遞增的趨勢，低值區(qū)多分布于黃河河道兩側(cè)和地勢較高的地區(qū)，高值區(qū)多集中于近海沿岸和地勢較低的地區(qū)。通過ArcGIS 10.1的柵格統(tǒng)計(jì)分析可知，黃河三角洲新生濕地0～10cm土層中水溶性鹽平均含量為12.27g/kg。黃河河水、地下水和海水復(fù)雜的相互作用主導(dǎo)了黃河三角洲濕地含鹽量的空間分異規(guī)律，地勢因素對土壤鹽分空間分布的影響比較顯著，人為的道路修筑對土壤鹽分的影響也不容忽視。1996年黃河人為改道后黃河主河道流經(jīng)1996年后新生的濕地，主要受淡水影響，而黃河不再流經(jīng)1976-1996年形成的濕地，淡水影響作用減弱，海水影響作用加強(qiáng)，因此1976-1996年形成的濕地整體上含鹽量明顯高于1996年后新生濕地的。在黃河河道附近的生境中，淡水影響使土壤鹽分含量較低；而在靠近海灘的區(qū)域，海水侵襲帶來的鹽分，在海水與土壤的相互作用過程中進(jìn)入土壤，導(dǎo)致了土壤的高含鹽量。在黃河入?？诟浇臑┩?，由于海水受到黃河淡水的沖淡稀釋，因此土壤鹽分含量較低。

由圖3可以看出，黃河三角洲新生濕地總氮含量整體上呈現(xiàn)出由河道兩側(cè)向外遞減的趨勢，高值區(qū)多集中于河道兩側(cè)，低值區(qū)多為近海灘涂地區(qū)；黃河三角洲新生濕地總磷含量整體上呈現(xiàn)由海向陸遞增、由河道向外遞減的趨勢，這種趨勢很微弱，1996年后新生濕地的總磷含量整體上明顯低于1976-1996年形成的濕地的。通過ArcGIS 10.1的柵格統(tǒng)計(jì)分析可知：黃河三角洲新生濕地0～10cm土層中營養(yǎng)元素總氮、總磷平均含量分別為0.41、0.46g/kg。黃河三角洲濱海濕地系統(tǒng)中磷主要是陸源磷，隨黃河水流輸入，伴隨著泥沙的沉積而保留在淤積土層中；植物的分解輸入是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤營養(yǎng)元素氮的主要來源，黃河三角洲新生濕地的土壤營養(yǎng)元素氮隨生物量增加而增加。從濕地類型來看，蘆葦和怪柳濕地營養(yǎng)元素含量較高：蘆葦濕地的植物再生產(chǎn)能力強(qiáng)且生物量大，表層積累大量枯枝落葉，腐殖化作用明顯，營養(yǎng)元素易于積累；檉柳濕地離海岸線較近，養(yǎng)分除來源于植物枯落物外，還受外源輸入的影響，如受潮汐作用，海水中藻類、動植物殘?bào)w會滯留在土壤表層，故營養(yǎng)元素含量高[5]。黃河三角洲新生濱海濕地土壤養(yǎng)分的水平分布規(guī)律與濱海濕地植物群落、土壤鹽分狀況、營養(yǎng)元素的化學(xué)性質(zhì)及潮汐等關(guān)系密切，不同濕地植物對養(yǎng)分的吸收與釋放能力也是決定養(yǎng)分水平分布的重要因素之一，總的來說，黃河三角洲濱海濕地中營養(yǎng)元素含量處于較低水平[5，18]。

4 結(jié)論

在土壤含鹽量回歸模型中，以B1～B6、RVI、SMI、GVSB、GRABS、ARVI、EVI為自變量的模型相關(guān)系數(shù)最大（R=0.663），預(yù)測吻合度達(dá)68.63%，模型精度較高，模型最優(yōu)；總氮含量回歸模型中以B5、B6、SMI、NDVI、MSAVI、GVSB、GRABS、ARVI、EVI、RVI為自變量的模型相關(guān)系數(shù)最大（R=0.633），預(yù)測吻合度為63.22%，模型精度較高，模型最優(yōu)；在總磷含量回歸模型中，以B1～B7、SBI為自變量的模型相關(guān)系數(shù)最大（R=0.664），預(yù)測吻合度達(dá)69.78%，模型精度較高，模型最優(yōu)。在建立回歸模型之前將水域、道路等非植被覆蓋區(qū)做了剔除處理，提高了模型精度，在一定程度上揭示了濕地土壤鹽分、養(yǎng)分空間分布規(guī)律，但所建模型僅考慮實(shí)測數(shù)據(jù)與遙感影像反射率的關(guān)系，忽視多種因素（如地形、地下水埋深等）的影響，反演模型還需進(jìn)一步改進(jìn)。

黃河三角洲新生濕地總氮含量整體上呈現(xiàn)出由河道兩側(cè)向外遞減的趨勢，高值區(qū)多集中于河道兩側(cè)，低值區(qū)多為近海灘涂地區(qū)；黃河三角洲新生濕地總磷含量整體上呈現(xiàn)由海向陸遞增、由河道向外遞減的趨勢，1996年后新生濕地的總磷含量整體上明顯低于1976-1996年形成的濕地的；土壤含鹽量呈現(xiàn)出由海向陸遞減的趨勢，由河道兩側(cè)向外遞增的趨勢，低值區(qū)多分布于黃河河道兩側(cè)和地勢較高的地區(qū)，高值區(qū)多集中于近海沿岸和地勢較低的地區(qū)，1996年黃河人為改道后新生的濕地主要受淡水影響，而1976-1996年形成的濕地主要受海水影響，故1976-1996年形成的濕地土壤含鹽量整體上明顯高于1996年后新生濕地的。0～10cm土層中水溶性鹽、總氮、總磷平均含量分別為12.27、0.41、0.46g/kg。河水、地下水和海水復(fù)雜的相互作用主導(dǎo)了黃河三角洲濕地鹽分的空間分異規(guī)律。

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