寒地鹽堿地時空動態(tài)變化分析
——以黑龍江省安達市為例*

王 婷，辛 蕊，陸忠軍※，張有智，付 斌，黃 楠，劉 凱

（1. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所，哈爾濱 150086；2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086）

0 引言

土壤鹽堿化是備受全球關(guān)注的環(huán)境熱點問題，造成耕地質(zhì)量下降、草場退化等，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)脆弱和資源利用率下降，又被稱之為“不毛之地”，鹽堿地的動態(tài)監(jiān)測是鹽堿地治理的前提。相比于傳統(tǒng)的鹽堿地研究方法，遙感技術(shù)更加省時、快速。近年來，利用遙感技術(shù)與ArcGIS相結(jié)合對鹽堿地進行動態(tài)監(jiān)測已成為研究熱點。楊佳佳等［1］基于環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星（HJ-1A）高光譜數(shù)據(jù)，利用最小二乘法回歸模型對大慶鹽堿地多種指標(biāo)進行反演，并采用決策二叉樹方法對試驗區(qū)鹽堿地進行了等級劃分。高會等［2］以1992年、2011 年TM 影像位數(shù)據(jù)源，采用監(jiān)督分類，提取鹽堿耕地信息，分析鹽堿耕地空間分布特征。王俊枝等［3］以第一次地理國情普查數(shù)據(jù)和Landsat TM/OLI、GF-1衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，對2006—2014年耕地鹽堿化進行動態(tài)監(jiān)測，對不同鹽堿化程度農(nóng)田植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）時空變化特征進行分析。韓霽昌等［4］通過實驗測定土壤理化性質(zhì)分析鹽堿地利用的障礙因子，研究鹽堿地利用障礙因子的高光譜特征，建立其遙感定量反演模型。我國松嫩平原是世界最大的三大鹽堿地分布區(qū)之一，也是次生鹽堿發(fā)生最頻繁的區(qū)域，鹽堿地總面積約為2.9萬km2，占我國鹽堿地總面積的9.2%。因此，對松嫩平原鹽堿地進行監(jiān)測，為鹽堿地治理提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支撐。鄒濱等［5］利用RS和GIS技術(shù)分析了區(qū)域內(nèi)1992—2001年土地鹽堿化演化特征，并在此基礎(chǔ)上利用條件約束空間分析測算模型對松嫩平原西部通榆縣未來49年內(nèi)的土地鹽堿化演化趨勢進行了預(yù)測。劉世梁等［6］等基于2000年、2005年和2010年TM影像解譯獲取的土地利用數(shù)據(jù)與2000—2012 年增強型植被指數(shù)（EVI）的序列數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)景觀格局方法分析大安市鹽堿地的動態(tài)變化?；ㄥ\溪等［7］以MODIS影像為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)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。

安達市位于松嫩平原中部，受自然因素和人為因素的干擾，土地鹽堿化現(xiàn)象明顯，存在大量鹽堿地。文章以安達市為研究區(qū)，基于Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)，分析近20 年鹽堿地時空分布特征，并因地制宜的提出相關(guān)治理建議，以期為鹽堿地的治理和開發(fā)利用提供參考依據(jù)，對建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)和促進區(qū)域發(fā)展有重要意義。

1 研究區(qū)概況

安達市地處黑龍江省西南部松嫩平原腹地（圖1），地理坐標(biāo)為（124°53'～125°55'E，46°01'～47°01'N），與大慶市接壤，與蘭西縣、青岡縣、肇州縣等比鄰，行政區(qū)下轄13 鎮(zhèn)1 鄉(xiāng)。區(qū)域土地總面積為3 646.56 km2，其中耕地面積為1 489.41 km2，主要種植作物為玉米［8］，草地面積為1 219.40 km2，林地面積為299.49 km2。研究區(qū)屬于北溫帶大陸性半干型季風(fēng)性氣候，年降雨量少，蒸發(fā)量大，降雨集中在6—9月，年平均降雨量為429 mm。年均氣溫為3.2℃，年均日照2 596 h，無霜期116 d。土壤類型以草甸土和黑土為主。地貌類型為松花江、嫩江沖積一級階地。研究區(qū)海拔在134～212 m之間，地勢平坦，雨季排水不暢，導(dǎo)致土壤鹽漬化嚴重。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the study area

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文研究運用到的數(shù)據(jù)情況如下表，遙感數(shù)據(jù)主要來源于對地觀測數(shù)據(jù)共享中心下載5 月和6 月的TM 影像，云量均小于5%；土地利用數(shù)據(jù)來源于土地利用數(shù)據(jù)來源GOLBELAND30全球地理信息平臺，DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于安達市統(tǒng)計年鑒。

表1 數(shù)據(jù)來源Table 1 Data sources

2.2 數(shù)據(jù)處理

對下載好的影像進行預(yù)處理，首先運用ERDAS對下載的TM影像進行1～7波段的合成；然后應(yīng)用ENIV5.3對合成的影像進行增強處理。通過輻射定標(biāo)將影像的DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值；通過FLAASH 大氣校正模塊工具消除大氣分子等散射對地物反射的影響。最后，利用ArcGIS提取出安達市影像區(qū)域，進行鹽堿地信息提取。

2.3 鹽堿地信息提取

依據(jù)研究區(qū)影像的地物光譜信息，采用人機交互和非監(jiān)督分類方法對鹽堿地信息進行提取。基于安達市TM影像、土地利用圖、地貌圖和GPS實地考察資料，建立鹽堿地解譯標(biāo)志（表2）。通過假彩色合成對影像進行增強處理。運用最大似然法進行非監(jiān)督分類，將分類后的結(jié)果與原影像進行對比，受“同譜異物”的影響，提取的鹽堿地信息存在一定誤差［9］。該文運用混淆矩陣法對提取的鹽堿地信息進行評價，分類的精度為88%，滿足研究要求。

表2 鹽堿地解譯標(biāo)志Table 2 Interpretation marks of saline-alkali soil

該文通過野外采樣點進行精度驗證，將驗證點與鹽堿地分布矢量圖進行空間疊加，計算分布在各類鹽堿地的點數(shù)。2022年共采集驗證點150個，其中非鹽堿地50個，輕度鹽堿地40個，中度鹽堿地45個，重度鹽堿地15個。非鹽堿地、輕度鹽堿地、中度鹽堿地、重度鹽堿地精度分別為92.16%、93.35%、90.65%、91.72%，總精度為92.46%。

3 結(jié)果分析

3.1 鹽堿地時空變化

研究區(qū)的鹽堿地總體分布情況呈片狀集中分布，呈現(xiàn)由北向南的發(fā)展趨勢。輕度鹽堿地主要分布在草地周圍；重度鹽堿地多分布在水系周邊，并存在鹽堿化較嚴重的鹽堿泡；中度鹽堿地主要集中在重度鹽堿地周圍。由表3得出，2002年和2022年的鹽堿地總面積分別為938.54 km2、857.20 km2，占研究區(qū)總面積的25.74%和23.51%。兩個時段的輕度鹽堿地面積占總鹽堿地面積的39.31%和38.64%，面積變化率為-11.39%。中度鹽堿地面積占總鹽堿地面積的32.03%和41.70%，面積變化率為18.90%。重度鹽堿地面積占總鹽堿地面積的28.66%和19.66%，面積變化率為-37.33%。總體來看，20年間研究區(qū)鹽堿化情況有所減輕。

表3 鹽堿地面積統(tǒng)計情況Table 3 Statistics of saline-alkali land area

圖2 鹽堿地空間分布Fig.2 Spatial distribution of saline-alkali land

3.2 鹽堿地轉(zhuǎn)移分析

通過ArcGIS面積統(tǒng)計工具得出2002—2022年研究區(qū)各類型鹽堿地轉(zhuǎn)移情況，由表4可知，近20 年研究區(qū)鹽堿地轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)多元化，土地鹽堿化程度整體有所減輕。2002—2022 年，有48.33 km2鹽堿地轉(zhuǎn)化為非鹽堿地。輕度鹽堿地有21.08 km2轉(zhuǎn)移到中度鹽堿地。中度鹽堿地有16.96 km2轉(zhuǎn)移到輕度鹽堿地，有8.03 km2轉(zhuǎn)移到重度鹽堿地；重度鹽堿地有33.44 km2轉(zhuǎn)移到輕度鹽堿地，有67.63 km2轉(zhuǎn)移到中度鹽堿地?？傮w來看，研究區(qū)鹽堿地面積減少81.34 km2，鹽漬化程度有一定程度的減輕。

表4 2002—2022鹽堿地轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Saline-alkali land transfer matrix from 2002 to 2022

3.3 鹽堿地重心遷移

根據(jù)ArcGIS重心遷移模型計算研究區(qū)鹽漬化土地的坐標(biāo)，分析安達鹽堿地空間動態(tài)變化。近20 年鹽堿地重心較為穩(wěn)定，集中在安達的中西部。2002 年鹽堿地重心坐標(biāo)為（125°40'52″E，46°50'45″N），2022年移至（124°54'33″E，46°30'44″N），總體向西南方向遷移了8 km。綜上所述，研究區(qū)土地鹽堿化程度有東北向西南遷移，但由于針對鹽堿化較輕的土地采取治理措施，該時段的鹽堿化程度整體有所減輕［10］。

3.2 鹽堿地景觀特征變化

借助Fragstas 和ArcGIS 對安達鹽堿地景觀格局指數(shù)進行分析，近20年研究區(qū)鹽堿地斑塊數(shù)量有所減少，雖然斑塊密度變化較小，但仍可見安達市鹽漬化程度減輕。最大斑塊指數(shù)有所減少，較大且嚴重的鹽堿地斑塊破碎化為多個零星地塊，景觀存在一定程度破碎化。聚合度指數(shù)的減少和分離度指數(shù)增加，說明鹽堿地由少數(shù)聚集的大斑塊變?yōu)槎鄠€零散的小斑塊，進一步說明了研究區(qū)鹽堿地景觀呈現(xiàn)一定破碎化趨勢。

表5 鹽堿地景觀格局指數(shù)Table 5 Landscape pattern index of saline-alkali land

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

土地鹽堿化是自然因素和社會經(jīng)濟因素共同作用的結(jié)果。通過對2002—2022安達鹽堿地時空變化分析，鹽堿化較嚴重的地區(qū)主要集中在耕地邊緣。土地鹽堿化主要與氣候、植被覆蓋等因素相關(guān)。安達屬于大陸干旱性氣候，降雨量少，蒸發(fā)量大，加之植被覆蓋率減少，造成區(qū)域內(nèi)干旱現(xiàn)象嚴重，鹽堿化現(xiàn)象凸顯。近年來，安達水域面積減少，也是土地鹽堿化的主要誘因［11］。水域周圍氣溫較高，地下水位上漲。同時水域蒸發(fā)量大，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)鹽堿化現(xiàn)象嚴重。另外，鹽堿化現(xiàn)象與人為因素也密切相關(guān)。主要由于人類不合理利用，表現(xiàn)為不合理灌溉，排水設(shè)施不完善等。人們對次生鹽堿化發(fā)生的警惕性不高，在生產(chǎn)的同時，不注意排灌設(shè)施和用水管理，導(dǎo)致鹽堿地面積增大。從2002—2022 年整體變化看，鹽漬化現(xiàn)象有所減輕，主要由于在安達采取土壤鹽堿化治理措施。鹽堿地的治理應(yīng)從保證社會—生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，因地制宜的進行治理。因此，安達市鹽堿地治理應(yīng)從以下幾個方面進行。

（1）生態(tài)恢復(fù)措施。安達鹽堿地主要是草地鹽堿化，恢復(fù)草地的生態(tài)功能是鹽堿地治理的重要環(huán)節(jié)。對輕度鹽堿地進行播種牧草，通過牧草的生態(tài)修復(fù)能力使鹽堿化程度有所改善。對中度和重度鹽堿地進行圍封禁止放牧、人工干預(yù)，恢復(fù)牧草的生態(tài)功能［12］。另一方面，種植防護林可以調(diào)節(jié)氣候、改善土壤滲透性，使鹽堿地得到治理。

（2）耕地開墾。鹽堿地作為重要的耕地后備資源，將鹽堿地開墾為耕地，通過實行以種植水稻為主的復(fù)合農(nóng)業(yè)，達到治理鹽堿地的目的。

4.2 結(jié)論

（1）利用遙感技術(shù)監(jiān)測鹽堿地安達市土地鹽堿地動態(tài)變化。結(jié)果表明：近20年土地鹽堿化程度呈減緩趨勢，鹽堿地總面積減少81.3 km2。鹽堿地總體分布情況呈片狀集中分布，呈現(xiàn)由北向南的發(fā)展趨勢。斑塊數(shù)減少20塊，聚合度減少，分離度增加，景觀格局呈現(xiàn)破碎化趨勢。

（2）不同類型鹽堿地呈動態(tài)變化，輕度鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為非鹽堿地，中度鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為輕度鹽堿地，重度鹽堿地主要轉(zhuǎn)移為中度鹽堿地。由于采取一系列生態(tài)修復(fù)和改良利用措施，重度鹽堿地面積及程度均有所減輕。但部分中度鹽堿地受人文和治理程度的影響，鹽堿化面積有所增加。

（3）兩個時段的鹽堿地重心坐標(biāo)分別為（125°40'52″E，46°50'45″N）和（124°54'33″E，46°30'44″N），總體向西南遷移8 km，鹽堿化程度由東北向西南遷移。