鹽堿地光譜信息獲取及改良分析

隋敏 臧淑英 任建華

摘要 隨著我國社會的不斷進步以及科學的發(fā)展，如何有效獲取鹽堿地真實信息并且動態(tài)變化對鹽堿化問題的解決至關(guān)重要，綜述了鹽堿化的分布與危害，從當前的遙感數(shù)據(jù)獲取手段出發(fā)，探討了現(xiàn)有的遙感光譜和光譜儀實測獲取光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢與不足以及現(xiàn)有的針對鹽堿地的治理措施，并對未來的鹽堿化問題的信息獲取與解決提出了展望。

關(guān)鍵詞 鹽堿地;分布;危害;光譜信息;獲取手段;改良

中圖分類號 S156.4文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）10-0028-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.10.007

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Spectral Information Acquisition and Improvement of Saline-alkali Land

SUI Min，ZANG Shu-ying，REN Jian-hua （Harbin Normal University，Harbin，Heilongjiang 150025）

Abstract With the continuous progress of our society and the development of science，how to effectively obtain the real information of saline-alkali land and its dynamic changes are crucial to the solution of the salinization problem.This article summarized the distribution and harm of salinization，starting from the current remote sensing data acquisition methods，this paper discussed the advantages and disadvantages of the existing remote sensing spectroscopy and the actual measurement of spectral data obtained by spectrometers，as well as the existing treatment measures for saline-alkali soils，and put forward a prospect for the information acquisition and solution of the salinization problem in the future.

Key words Saline-alkali land;Distribution;Hazard;Spectral information;Acquisition method;Improvement

土壤鹽堿化是一定的氣候、地形、水文地質(zhì)等自然條件對土壤水、鹽運移產(chǎn)生作用的結(jié)果[1]，隨著人口的迅速增長和不合理的人類活動，土壤鹽堿化程度日益加劇且范圍呈現(xiàn)不斷擴大的趨勢[2]。鹽堿土作為一種退化土壤，降低土壤的肥力，影響作物的生長，降低糧食產(chǎn)量，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重威脅[3]，據(jù)統(tǒng)計，世界鹽堿土資源涉及100多個國家，受影響土壤面積多達10億hm2[4]。因此及時獲取土壤理化信息，針對土壤鹽分和pH等進行高效的分析監(jiān)測對解決區(qū)域土壤鹽堿化問題具有重要現(xiàn)實意義，能夠制定更為有效的鹽堿土治理改良措施。筆者綜述了鹽堿土的成因、分布及現(xiàn)有針對鹽堿地的遙感影像光譜手段和光譜儀實測手段，分析了以上2種手段的優(yōu)勢與不足，探討了現(xiàn)有針對鹽堿地的改良措施，并對未來鹽堿地改良措施的優(yōu)化提出了展望，以期為鹽堿地改良與利用提供可行的參考。

1 鹽堿土的分布與危害

1.1 鹽堿土的成因

鹽堿土是各種鹽化土、堿化土的統(tǒng)稱，是指因土壤鹽分含量過高而導致植物無法正常生長的土地[5]，多分布于干旱、半干旱地區(qū)以及濱海地區(qū)。鹽堿化是在氣候、地形、水文等自然條件以及不合理的灌溉措施和農(nóng)藝措施等人類活動綜合影響下形成的[6]。在氣候要素中，以降水和地面蒸發(fā)強度與土鹽漬化的關(guān)系最為密切，干濕情況會直接影響地區(qū)內(nèi)水分狀況及積鹽情況。在干旱地區(qū)或半濕潤、半干旱地區(qū)，蒸發(fā)量和降水量的比值均大于 1，地下水中的可溶性鹽類則會隨上升水流在土壤表面上聚集[7-8];在地形條件中，鹽堿土主要分布在地勢低洼或排水性差的地區(qū)。當水分蒸發(fā)后，留下的水溶性鹽聚集，長時間的積累下土壤中的鹽分含量逐步升高[9];在水文條件下，地下水的礦化度則對土壤的鹽堿化程度起決定作用，地下水礦化度、水溶性鹽分含量和土壤的鹽堿化程度三者呈正相關(guān)。地下水位的高度直接影響土壤表層鹽分聚積程度與鹽分組成[10];而不合理的人類活動則會加劇鹽堿化的進程，土地資源的不當開發(fā)、過度使用以及農(nóng)業(yè)不合理的灌溉方式和過量使用化肥等長期作用下導致土壤鹽堿化加劇[11-12]。

1.2 鹽堿土的分布

據(jù)統(tǒng)計，世界鹽堿地面積達9.5億hm2，涉及達100多個國家與地區(qū)，廣泛分布于全球各地，而受鹽堿化影響的土地占農(nóng)業(yè)用地的20%，且以1.0×106～1.5×106 hm2/a速度增長[4，13-14]。世界各地區(qū)鹽堿地分布見表1。

中國作為世界上國土面積第三的疆域大國，國土廣闊，氣候類型多樣。鹽堿土主要分布在東部沿海濱海海水浸漬鹽漬區(qū)，主要集中于黃海蘇北濱海平原、東海的浙江上海沿海一帶，成因主要受海水倒灌入侵積鹽和生物積鹽作用;東北濕潤半濕潤鹽漬區(qū)，包括松嫩平原、松遼平原、三江平原這3個單元，形成過程與草甸過程緊密聯(lián)系，多為堿化蘇打鹽漬土;西北內(nèi)陸干旱漠境鹽堿區(qū)，包括甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古西部和新疆北部，該區(qū)鹽堿土面積廣布，類型多樣，以大量石膏和碳酸鎂積累為顯著特征;黃河中游半干旱鹽堿區(qū)，包括黃河河套平原、黃土高原以及鄂爾多斯高平原大部，該區(qū)主要受地形地貌主導，鹽堿土呈條帶狀分布，多為現(xiàn)代積鹽的硫酸鹽-氯化物以及白僵土等[15-16]。

1.3 鹽堿土的危害

鹽堿地受自然條件影響以及人為因素的制約，長時間作用下，鹽分在土壤表層與內(nèi)部不斷積累，導致土壤質(zhì)量下降，在土壤內(nèi)部使得透氣性、透水性差以及降低好氧微生物的活性，從而會改變土壤的理化性質(zhì)，減緩植物對水分的吸收，影響農(nóng)作物的生長，造成減產(chǎn)、低產(chǎn)。同時，由于鹽堿地土壤中鹽離子濃度較高，會滯緩植物對水分的吸收，破壞植物生長機能，使其無法正常生長，甚至出現(xiàn)大面積死亡現(xiàn)象，造成森林和草原大面積退化，加劇荒漠化，將嚴重危害生態(tài)系統(tǒng)安全。除以上對自然環(huán)境的影響外，由于鹽堿土改變了土壤的理化特性，鹽漬土對社會中工程建設(shè)的危害也是多方面的，鹽漬土地基對工程的危害或造成由其浸水后的溶陷、含硫酸鹽地基的鹽脹和鹽漬土地基對基礎(chǔ)和其他地下建筑的腐蝕[17-19]。部分地區(qū)甚至存在土地溶陷等現(xiàn)象，不僅對工程施工造成不良影響，還能引起工業(yè)用地不能有效利用，造成巨大的經(jīng)濟損失。

2 光譜信息獲取手段

2.1 遙感影像 20世紀70年代起國外學者開始將衛(wèi)星遙感應(yīng)用于土壤鹽堿化的監(jiān)測，到90年代日趨完善，21世紀以來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，擁有精細光譜分辨率、納米級連續(xù)光譜的光譜遙感實現(xiàn)了對鹽堿化土壤快速、無損的測量[20]。其中，利用遙感手段所獲取的土壤反射率數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于土壤鹽分的獲取分析。Chen等[21]利用Landset7 ETM+與Landset8 OLI數(shù)據(jù)提取反射光譜，通過改進后的植被指數(shù)來判別土壤鹽堿化程度，并在此基礎(chǔ)上建立了中國黃河三角洲墾利區(qū)的季節(jié)SCC反演模型，發(fā)現(xiàn)了長三角鹽堿化土壤的季節(jié)鹽分動態(tài)變化過程并繪制了土壤鹽分季節(jié)變化圖。Moreira等[22]將混合光譜分析應(yīng)用于Landset8 OLI與Hyperion遙感影像，使用鹽度指數(shù)對比分析了2種影像對巴西東北部鹽堿土與非鹽堿土的識別能力，結(jié)果表明，Hyperion遙感數(shù)據(jù)對土壤鹽分的估算誤差更小，識別精度更高。Nawar等[23]借助Landset7 ETM+數(shù)據(jù)與土壤電導率重建了土壤反射光譜，利用偏最小二乘回歸與多元自適應(yīng)回歸樣條模型來估算埃及西奈半島埃爾蒂娜平原土壤鹽分，結(jié)果表明多元自適應(yīng)回歸樣條模型R2達0.70，模型精度高，適合高鹽地區(qū)土壤鹽分的估算與制圖。El Hafyani等[24]利用Landset8 OLI數(shù)據(jù)與土壤電導率構(gòu)建了摩洛哥的塔菲拉勒特平原土壤鹽度指數(shù)的多元線性回歸模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同波段的模型精度較高，決定系數(shù)R2在0.53～0.75，表明該方法在此研究區(qū)對土壤鹽度判定具有一定的適用性。再屯古麗·亞庫普等[25]針對中國新疆于田綠洲利用四極化ALOS-2 和PALSAR2數(shù)據(jù)，采用多元回歸模型、地理加權(quán)回歸模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了土壤含鹽量、含水量及pH的雷達后向散射系數(shù)定量反演模型，結(jié)果表明三層BP模型鹽分反演精度最高，相對分析誤差（RPD）達5.53，說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效反演研究區(qū)內(nèi)的鹽分信息。

隨著科技的不斷發(fā)展，從遙感衛(wèi)星上獲取的遙感影像更加便捷且精度更高，同時能夠針對地面狀況進行實時動態(tài)的影像采集。影像優(yōu)勢有大范圍和長時間兩方面。針對已經(jīng)獲取的影像可以進行解析和判讀，分析地面的鹽堿土分布以及鹽堿化程度，但是精度較低，這是由于遙感影像受天氣云量的動態(tài)影響以及地面的植被遮擋，精度相比較與地面實測低、可控性差。因此針對影像進行校正處理以及光譜信息進行變換后可以達到較好的反演結(jié)果。

2.2 室外實測

室外實測主要依靠光譜儀進行，使用光譜儀在不同的環(huán)境下照射地面獲取反射的光譜信息，除從航空和航天遙感平臺上獲取高光譜數(shù)據(jù)外[26]，地面光譜儀作為一種重要的數(shù)據(jù)獲取手段，也被廣泛用于與遙感數(shù)據(jù)進行比較驗證及土壤理化性質(zhì)的定量分析等研究中，現(xiàn)有的科學研究普遍所使用的光譜儀型號主要是ASD和SVC，這2種儀器均配備有光譜儀傳感器鏡頭以及自帶的原始光譜處理軟件，可以進行簡單的原始光譜預處理，同時能夠應(yīng)用于多種室內(nèi)外不同場景。地基高光譜測量試驗主要包括室內(nèi)測量與室外測量2種類型[27-29]。其中，室內(nèi)測量試驗主要指在光學暗室條件下，利用光譜儀傳感器鏡頭照射土樣來獲取光譜數(shù)據(jù)，一般測量高度以近土壤表面為主;室外實測中測量高度主要取決于地面植被覆蓋狀況，同時還受到土壤表面狀況、天氣條件及研究尺度等因素的影響[30]。Farifteh等[31]在荷蘭特賽爾島田間采集粉砂質(zhì)黏土、砂壤土、砂土3種質(zhì)地不同的鹽堿化土壤，在暗室利用ASD光譜儀設(shè)置試驗高度3 cm獲取土壤光譜數(shù)據(jù)，比較不同質(zhì)地土壤的鹽堿化程度及其光譜信息，結(jié)果表明，隨著土壤中鹽分濃度的增加，波段在1 300 nm 以上觀測到的吸收特征變寬，最大反射率位置向短波長方向偏移，總反射率呈比例變化。Srivastava等[32]在印度哈里亞納邦稻麥種植區(qū)獲取鹽堿土，在暗室內(nèi)使用ASD光譜儀設(shè)置試驗高度5 cm獲取數(shù)據(jù)，分析表明土壤鹽分在光譜1 390～2 400 nm對鹽度變化最為敏感，反射率一階微分處理后的偏最小二乘模型對土壤鹽分的預測精度R2 達 0.93。Moreira等[33]在巴西北部灌溉鹽堿土獲取土樣在暗室內(nèi)使用ASD光譜儀在7 cm 高度下測量了原始土壤以及加入石膏后土樣含鹽量的光譜響應(yīng)，結(jié)果表明石膏對灌溉區(qū)鹽堿土的改良效果明顯。Fu等[34]以中國新疆天山準噶爾盆地為研究區(qū)，使用ASD光譜儀采集15 cm 下室外土壤樣品的光譜數(shù)據(jù)，并結(jié)合粒子群優(yōu)化概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對土壤鹽分進行定量分析，進而區(qū)別和判定人類活動在研究區(qū)內(nèi)的不同干擾強度對鹽堿土的影響。Bai等[35]使用SVC光譜儀在室外測量了10 cm試驗高度下的土樣光譜，同時結(jié)合HJ-1A 衛(wèi)星遙感影像建立了最佳土壤鹽堿化反演模型，并用此模型實現(xiàn)了大尺度下松嫩平原北部扎龍濕地土壤鹽分與pH 的高精度定量反演。Bouaziz等[36]在突尼斯東南部土壤表面8 cm 距離上收集了土壤樣本的光譜數(shù)據(jù)，同時結(jié)合該區(qū)域的Landset影像，并對數(shù)據(jù)進行了主成分分析與集群分析處理，以期提供有關(guān)多光譜數(shù)據(jù)與地面真實性之間相互關(guān)系的大量信息，從而有助于更好地理解多光譜數(shù)據(jù)與地面實況測量之間的相互關(guān)系，實現(xiàn)對受鹽污染土壤狀況的監(jiān)測。

使用地物光譜儀照射研究區(qū)地面獲取的光譜信息精度高、針對性強，且反射率數(shù)據(jù)在采集過程中受干擾也較少，同時不僅局限于鹽分，對土壤內(nèi)部的理化性質(zhì)如有機質(zhì)、金屬等都可以進行判讀，但是由于機器的便攜性差，不能大范圍進行推廣。所獲取的光譜數(shù)據(jù)在時間尺度上較小，反映的是較短時間內(nèi)一定區(qū)域下的土壤狀況，因此大多的地面實測光譜試驗所獲取的光譜數(shù)據(jù)僅作為地面參考數(shù)據(jù)與遙感影像進行比較或者直接加入到模型中進行運算研究。

3 改良措施

鹽堿土改良的根本目的是改善土壤理化特性，為作物提供良好的生長發(fā)育環(huán)境，以實現(xiàn)作物的高產(chǎn)高效[37]，提升土壤質(zhì)量，減緩土壤鹽堿化的進程。除上文提到的遙感影像和光譜儀實測的手段，利用遙感影像與光譜儀器來獲取土壤信息進行分析與監(jiān)測，可以提供精準的鹽堿化信息，下面針對實際地面應(yīng)用中的鹽堿化改良措施進行綜述，主要分為生物措施、工程措施和農(nóng)業(yè)措施，結(jié)合國內(nèi)外已有的研究成果取得的進展進行分析。

3.1 生物改良措施

生物措施是當前鹽堿土改良方法中最經(jīng)濟、有效和可持續(xù)的方法之一[38]，包括耐鹽堿植物（作物）的種植、耐鹽綠肥作物、微生物菌肥等，能夠達到脫鹽持久、穩(wěn)定且有利于水土保持以及生態(tài)平衡的效果[39]，具有投入少、規(guī)模大、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點。于英釵等[40]引入蚯蚓與叢枝菌根真菌相互作用于玉米植物中研究對濱海鹽堿地的改良作用，結(jié)果表明，添加蚯蚓和接種菌根真菌均能降低土壤pH 和水溶性全鹽含量，提高玉米對土壤養(yǎng)分的吸收。Bao等[41]對吉林西部地區(qū)的鹽堿地進行了硫氧化菌改善土壤性能的室內(nèi)試驗研究，結(jié)果表明，硫氧化菌處理適合pH 7.5～8.0 的土壤，50 mL 硫氧化菌對鹽堿地土壤的改善效果最好。Yue等[42]在鹽漬土壤上栽培菊芋改變了土壤的理化和酶學性質(zhì)，鹽堿土中根際土壤和塊狀土壤的這兩部分在鹽分的快速變化上有顯著差異;微生物物種能夠積極響應(yīng)鹽脅迫，在鹽漬土改良可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。蔡樹美等[43]采用田間定位試驗，設(shè)置菜蚓共作和花菜單作2個處理，在原位改良2 年后比較了土壤物理指標、生物學性質(zhì)指標等的變化，結(jié)果表明，菜蚓共作處理較花菜單作處理使土壤EC 值、鹽分和堿化度分別下降 24.1%、19.0% 和19.1%，花菜產(chǎn)量提高23.1%;與花菜單作相比，菜蚓共作改變了 0～80 cm 各土層水鹽分布變化特征，增加土壤養(yǎng)分含量、緩解土壤鹽堿化、提高土壤微生物數(shù)量是提升灘涂鹽堿地土壤生態(tài)質(zhì)量的有效措施。 因此借助生物措施，針對不同作物施用微生物以及耐鹽堿作物等或者二者結(jié)合處理均可以達到較理想的效果，從而能夠達到降低土壤的鹽堿化、提升作物產(chǎn)量的目的。

3.2 工程改良措施

土壤鹽堿化問題的產(chǎn)生本質(zhì)是“水鹽運移”的過程，因此工程改良措施主要是通過建立完善的排灌系統(tǒng)，借助井、溝、渠等配套措施，鉆灌水井、修筑臺田、埋設(shè)暗管等，達到灌水適當、排水及時的效果[44]，從而達到排出鹽分、減緩鹽分積累的目的。Zhang等[45]構(gòu)建了模擬平臺與人工河岸在海岸帶鹽堿地的不同脫鹽效果，結(jié)果表明，隨著平臺高度的增加，場地也隨之增加，土壤脫鹽效果越來越顯著;通過延長處理時間，可以使低臺地鹽堿地得到充分的處理，從而提高了鹽堿地的處理效率。楊岳[46]通過暗管排水研究發(fā)現(xiàn)，疏勒河流域鹽堿地脫鹽率、排鹽量增加，土壤鹽分含量下降，作物長勢良好，產(chǎn)量增加。馬鳳嬌等[47]結(jié)合河北省黃驊市實際年降水量，在濱海鹽堿荒地和鹽堿低產(chǎn)田開展暗管改堿技術(shù)，結(jié)果表明，雨季（6—9月）降水量對大面積的輕度鹽堿地淋洗脫鹽效果非常顯著，因此未來推廣實施暗管改堿工程時有必要考慮虧缺灌溉對自然降水淋鹽的補充效果。

安徽農(nóng)業(yè)科學2021年

3.3 農(nóng)業(yè)改良措施

農(nóng)業(yè)改良措施也是建立在“鹽隨水來，鹽隨水去”的水鹽運移規(guī)律基礎(chǔ)上的，通過不同農(nóng)藝耕作方式，抑制或減少土壤水分的蒸發(fā)，減輕鹽分的表聚，淡化耕作層，進而達到改良的目的[48]。它主要包括合理的耕作與栽培技術(shù)，通過翻耕、耙地、鎮(zhèn)壓、中耕等田間作業(yè)，或者施用不同的土壤表層試劑如石膏等覆蓋在土壤上創(chuàng)造良好的表層結(jié)構(gòu)，促進脫鹽。通過合理灌溉、施肥和地表覆蓋等措施，增加土壤墑情，抑制鹽分表聚，為作物高產(chǎn)創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。Wang等[49]就松嫩平原西部土地整理項目進行研究，表明改善灌排系統(tǒng)、春季使用合理的土地平整措施和科學的耕作方式，更好地改善鹽漬化土壤。Li等[50]根據(jù)黃河三角洲沿岸鹽堿土特征，采用煙氣脫硫、石膏和腐殖酸作為土壤改良劑，通過單施和聯(lián)合施進行了土壤改良淋溶試驗，結(jié)果表明在保證灌溉量的基礎(chǔ)上，煙氣脫硫石膏與腐殖酸的聯(lián)合應(yīng)用是改善黃河三角洲沿海鹽堿土的一種有潛力的方法。趙蘭坡等[51]通過田間試驗進行蘇打鹽堿土改良研究，結(jié)果表明，采用地膜覆蓋能夠提高玉米的出苗率，促進玉米生長;田間條件下，施用改良劑和扭膜對玉米出苗率及苗期生長均有良好作用，但玉米產(chǎn)量則以硫酸鋁加扭膜的處理最高。

4 展望

由于土壤本身具有巨大的異質(zhì)性，鹽堿土雖然廣泛分布[51]，受各地區(qū)自身長時間的當?shù)氐乩憝h(huán)境的特征影響，差異巨大。針對鹽堿地所采用的研究手段不同，施用改良措施不同，因此改良結(jié)果各異。經(jīng)過多年的科研發(fā)展，高新技術(shù)的層出不窮，針對鹽堿化的問題從科研角度上出發(fā)需要加強將遙感影像與地面實測相結(jié)合，不斷提升遙感影像精度。光譜數(shù)據(jù)處理手段從發(fā)展分數(shù)階微分的前期預處理到使用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行反演，分析不同研究方法的不同效果，從而提供更為精準、全面的鹽堿化動態(tài)信息，為改良措施提供準確的土壤信息。從治理手段分析單一鹽堿地改良措施不能發(fā)揮最大的效用、達到優(yōu)良效果，要綜合多種措施，因地制宜合理規(guī)劃，以達到最佳治理效果。

從科研角度出發(fā)，提升對鹽堿化的重視程度，嘗試多種手段進行試驗，從而獲取精準的鹽堿土信息，并且關(guān)注鹽堿化的動態(tài)變換過程，為鹽堿化的治理提供科學的準確信息。從政府的角度出發(fā)，做好轄區(qū)內(nèi)的土地利用統(tǒng)計，充分分析轄區(qū)內(nèi)鹽堿土的狀況與變化。施行科學的有針對性的改良措施。在今后的鹽堿地治理中隨著國內(nèi)外研究的不斷深入，土地信息的獲取日漸精準完善，針對鹽堿土的治理將形成完善的信息獲取—政策制定的合理系統(tǒng)。但是為發(fā)揮最大的效用、達到治理鹽堿化的效果，要綜合多種措施，因地制宜地采用不同的措施，減緩鹽堿化進程，維護良好生態(tài)環(huán)境。

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