基于遙感模型SDI的土壤鹽漬化臨界水位研究

王慶明，張 越，鄭榮偉，李恩沖

（1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；4.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311215）

基于遙感模型SDI的土壤鹽漬化臨界水位研究

王慶明1,2，張 越3*，鄭榮偉4，李恩沖2

（1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；4.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311215）

【目的】基于遙感模型快速識別大尺度空間土壤鹽漬化程度并及時預(yù)警，以防止土壤鹽漬化?！痉椒ā客ㄟ^分析歸一化植被指數(shù)（NDVI）、鹽分指數(shù)（SI）和地下水埋深之間的響應(yīng)關(guān)系，探討了一種基于遙感模型SDI（Salinization Detection Index）的土壤鹽漬化臨界地下水位確定方法，并應(yīng)用于民勤綠洲區(qū)。【結(jié)果】①植被NDVI與土壤鹽漬化程度具有指數(shù)關(guān)系，鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)SDI可以綜合反映區(qū)域植被長勢和土壤鹽漬化程度。②SDI和地下水埋深在空間分布上呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明SDI能夠較好地反應(yīng)土壤鹽漬化程度。【結(jié)論】民勤綠洲區(qū)輕度鹽漬化、中度鹽漬化和重度鹽漬化對應(yīng)的地下水埋深分別為4.7、3.2、1.8 m。

土壤鹽漬化；民勤綠洲；遙感模型；臨界地下水位

0 引 言

【研究意義】土壤鹽漬化過程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，鹽分積累在表層土壤的過程[1]。我國鹽漬化土壤分布廣泛，主要存在于蒸發(fā)強(qiáng)烈、地下水位高且含有較多的可溶性鹽類地區(qū)，如西北的甘新漠境鹽漬區(qū)、濱海海侵鹽漬區(qū)等。另外，由于不合理的耕作措施，如灌排系統(tǒng)不配套導(dǎo)致排水受阻，引起地下水位上升，從而產(chǎn)生土壤次生鹽漬化[2]。土壤鹽漬化是導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降、生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因之一，也是影響我國西北綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙之一[3]。根據(jù)植被響應(yīng)識別西北綠洲區(qū)土壤鹽漬化的臨界地下水位，為綠洲區(qū)的地下水修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，對西北生態(tài)建設(shè)具有重要的意義。【研究進(jìn)展】我國關(guān)于土壤鹽漬化的研究已有較長的歷史，對鹽漬土類型的分布、鹽漬化發(fā)生、演化機(jī)理與趨勢都有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識，并在20世紀(jì)70年代開始啟動了多項(xiàng)旱澇鹽堿綜合治理相關(guān)的國家科技攻關(guān)項(xiàng)目，將理論上升到實(shí)踐，取得顯著的成效[4-5]。20世紀(jì)90年代以來，隨著人類用水需求的激增，大規(guī)模超采地下水導(dǎo)致地下水位劇烈下降，部分傳統(tǒng)的鹽漬化區(qū)域得以有效改良[6]。地下水位下降減輕了土壤鹽漬化的危害，但同時也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)問題，尤其在我國西北綠洲區(qū)域，非灌溉區(qū)的生態(tài)植被大規(guī)模枯死，主要原因就是地下水位下降[7-9]。2006年以來，民勤綠洲生態(tài)退化問題得到廣泛關(guān)注，地下水修復(fù)成為綠洲區(qū)域重點(diǎn)解決的問題之一，通過壓減地下水灌溉、生態(tài)補(bǔ)水等措施，地下水位逐步恢復(fù)[10-11]。隨著地下水位回升，西北部分綠洲區(qū)植被重新煥發(fā)生機(jī)，生態(tài)質(zhì)量明顯提高，但西北地區(qū)仍是降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈的干旱內(nèi)陸區(qū)氣候特征，地下水位抬升極易形成土壤鹽漬化[12]，適宜的地下水位恢復(fù)水平是一個值得探討的問題。

傳統(tǒng)的土壤鹽漬化數(shù)據(jù)多來自野外調(diào)查，人力成本高、組織困難，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，觀測資料越來越豐富，為土壤鹽分分級制圖、定量反演和動態(tài)監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。遙感數(shù)據(jù)以其監(jiān)測范圍大，獲得資料速度快、信息量大、周期短、成本較低、受地面條件限制少等優(yōu)勢[13-14]，在區(qū)域土壤鹽漬化研究中得到廣泛應(yīng)用。在遙感數(shù)據(jù)的支持下，已經(jīng)發(fā)展了多種土壤鹽分反演方法，遙感反演的基礎(chǔ)是電磁波與介質(zhì)之間的相互作用，可見光近紅外波段、熱紅外波段和微波波段均被用于土壤鹽分反演。通常認(rèn)為遙感圖像紅和藍(lán)波段確定的SI指數(shù)能較好地反映土壤鹽漬化程度[15-16]。Khan等[17]發(fā)現(xiàn)Landsat-ETM+第三波段對土壤鹽分程度具有較強(qiáng)的敏感性響應(yīng)，在不同的研究區(qū)域也證實(shí)了鹽漬化指數(shù)可以較好的反映土壤鹽漬化程度。史曉艷等[18]在瑪納斯河流域農(nóng)灌區(qū)應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)，分析了歸一化鹽分指數(shù)指標(biāo)（NDSI）等10個指標(biāo)之間的關(guān)系，構(gòu)建了不同鹽漬化程度土壤的函數(shù)表達(dá)式。國內(nèi)外研究表明植被覆蓋度、優(yōu)勢度、多樣性及其分布與土壤含鹽量具有高度相關(guān)性[19]。王飛等[20]綜合分析了歸一化植被指數(shù)（NDVI）和鹽分指數(shù)（SI）二者的關(guān)系，并構(gòu)建了NDVI-SI特征空間概念。陳實(shí)等[15]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)系建立了土壤鹽漬化遙感監(jiān)測模型，對北疆農(nóng)區(qū)鹽漬化狀況進(jìn)行監(jiān)測分析。王爽等[21]篩選了敏感性光譜波段與Landsat-TM多光譜遙感影像進(jìn)行結(jié)合構(gòu)建了最佳的土壤鹽漬化監(jiān)測模型。

【切入點(diǎn)】自20世紀(jì)90年代開始，民勤綠洲地下水嚴(yán)重超采，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)瀕臨崩潰[22]，民勤綠洲面積減少了289萬km2，兩大沙漠幾近合攏。2006年國務(wù)院通過《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》后，經(jīng)過長達(dá)十余年的治理修復(fù)，民勤綠洲重新煥發(fā)生機(jī)，青土湖重現(xiàn)水面，地下水位止跌回升，部分保護(hù)區(qū)域內(nèi)溢出自流泉，未來隨著綠洲生態(tài)進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，是否會重現(xiàn)土壤鹽漬化等問題逐漸受到關(guān)注?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取我國西北地區(qū)民勤綠洲為研究區(qū)，分析民勤綠洲植被生態(tài)、土壤鹽漬化程度和地下水埋深的關(guān)系，提出民勤綠洲地下水位恢復(fù)的適宜臨界水位識別方法，既服務(wù)于民勤綠洲的生態(tài)修復(fù)規(guī)劃，也為西北干旱內(nèi)陸區(qū)類似問題提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

民勤綠洲（東經(jīng)103°02′—104°02′E，北緯38°05′—39°06′N）地處石羊河流域下游，河西走廊東北段，東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍（圖1）。民勤縣年均降水量119.45 mm，年均蒸發(fā)量2 675.6 mm，晝夜溫差15.5 ℃，年均氣溫2.53 ℃，日照時間3 142.2 h，無霜期152 d，屬于典型的干旱內(nèi)陸氣候，在地下水埋深淺的區(qū)域極易形成土壤鹽漬化。民勤縣總面積為1.59×104km，其中綠洲面積僅占9.66%，其余均為沙漠或荒漠化土地[23]。民勤綠洲以灌溉農(nóng)業(yè)為主，根據(jù)位置分布劃分為4個主要灌區(qū)，分別是昌寧灌區(qū)、環(huán)河灌區(qū)、南湖灌區(qū)和民勤灌區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法原理

以2019年成像的Landsat-ETM+遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行鹽漬化研究，空間分辨率為30 m，遙感圖像參照民勤綠洲1∶10 000地形圖進(jìn)行幾何精校正，幾何校正誤差在半個像元內(nèi)，采用6S模型對研究區(qū)進(jìn)行大氣校正。根據(jù)影像成像月份用算術(shù)平均法合并到月尺度。地下水埋深數(shù)據(jù)來自2019年民勤綠洲63眼地下水位觀測井的逐月觀測數(shù)據(jù)，為和遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對比，將地下水埋深數(shù)據(jù)按反距離加權(quán)差值法在綠洲范圍內(nèi)插值后重分類位30 m×30 m的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖1 民勤縣行政區(qū)及民勤綠洲邊界Fig.1 Minqin county administrative region and Minqin oasis boundary

王飛等[20]提出一種基于歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）和鹽分指數(shù)（Salinization Index,SI）的特征空間，并用鹽漬化監(jiān)測指數(shù)（Salinization Detection Index,SDI）表示，很好的反應(yīng)了區(qū)域的鹽漬化程度，本研究借鑒這一思路，首先建立民勤綠洲的SDI，然后和綠洲的地下水埋深進(jìn)行匹配分析，定義出不同鹽漬化程度的臨界地下水埋深。

根據(jù)遙感波段計(jì)算歸一化植被指數(shù)（NDVI）和鹽分指數(shù)（SI）計(jì)算式為：

式中：ρ1、ρ3、ρ4分別為Landsat-ETM+相應(yīng)波段反射率值。

為方便數(shù)據(jù)比較，將初步得到植被指數(shù)和鹽分指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化方法如下：

式中：Y為變量X歸一化后的數(shù)值；X為需要?dú)w因的變量；Xmax和Xmin分別為研究區(qū)X變量的最大值和最小值。

式中：SDI為鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)。

參考已有研究的SDI可將土壤鹽漬化程度進(jìn)行分類[18-19]，當(dāng)SDI＜0.399時，為非鹽漬化土壤；當(dāng)0.399≤SDI＜0.763時，為輕度鹽漬化土壤；當(dāng)0.763≤SDI＜0.974時，為中度鹽漬化土壤；當(dāng)0.974≤SDI時，為重度鹽漬化土壤。

2 結(jié)果與分析

2.1 NDVI-SI特征空間分布

選用2019年9月成像的Landat-ETM+進(jìn)行鹽漬化分析，這一時期植被的生物量最大，且在作物灌溉后期，停止灌溉后鹽分開始向地表富集。民勤綠洲NDVI空間分布如圖2所示，植被在民勤綠洲灌區(qū)內(nèi)外均有分布，灌區(qū)內(nèi)植被質(zhì)量顯著優(yōu)于灌區(qū)外圍，環(huán)河灌區(qū)植被NDVI最大，民勤灌區(qū)植被NDVI由西南向東北遞減，與灌溉渠系的走向一致。SI指數(shù)空間分布如圖3所示，由于昌寧灌區(qū)部分區(qū)域成像質(zhì)量不高，計(jì)算的SI指數(shù)出現(xiàn)缺失值，因昌寧的地下水埋深較大，鹽漬化發(fā)生的可能性較低，本研究未做分析。SI指數(shù)與NDVI在空間分布上呈相反關(guān)系，NDVI較小的區(qū)域，SI指數(shù)較大，即鹽漬化程度較高，說明植被NDVI和土壤鹽漬化負(fù)相關(guān)。

圖2 民勤綠洲NDVI分布Fig.2 NDVI distribution in Minqin oasis

圖3 民勤綠洲SI分布Fig.3 SI distribution in Minqin oasis

在民勤綠洲均勻抽取2 000個樣點(diǎn)，通過值提取的方式獲取空間上對應(yīng)的NDVI和SI值，如圖4所示，NDVI和SI呈現(xiàn)出較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.79。式（4）中SDI物理含義如圖5所示，由于B點(diǎn)的NDVI最優(yōu)、土壤鹽漬化程度最弱，任何一點(diǎn)離B點(diǎn)越遠(yuǎn)表示土壤含鹽量越高，植被質(zhì)量越差。在特征空間上某點(diǎn)C，C點(diǎn)能綜合反映植被質(zhì)量和土壤鹽漬化信息，C點(diǎn)到B點(diǎn)距離即SDI，故可通過SDI反映區(qū)域植被和土壤鹽漬化程度。

圖4 民勤綠洲NDVI-SI關(guān)系Fig.4 NDVI-SI Relationship in Minqin Oasis

圖5 SDI示意圖及分類Fig.5 SDI index schematic and classification

2.2 地下水埋深空間分布及年內(nèi)變化

民勤綠洲地下水埋深分布如圖6所示，民勤綠洲4個主要灌區(qū)中，昌寧灌區(qū)和南湖灌區(qū)屬于2個獨(dú)立灌區(qū)，無地表水系，不受上游來水影響，地下水補(bǔ)給來源為降雨和地下側(cè)向補(bǔ)給，地下水灌溉是主要排泄項(xiàng)。其中昌寧灌區(qū)平均地下水埋深在35 m左右，且無地表水補(bǔ)給，地下水埋深仍呈上升趨勢，鹽漬化威脅較低；南湖灌區(qū)地下水埋深較淺，目前平均地下水埋深低于6 m，且有上升趨勢，有可能出現(xiàn)鹽漬化問題。環(huán)河灌區(qū)目前平均地下埋深在5 m左右，是上游來水進(jìn)入民勤綠洲（紅崖山水庫）的主要通道，河道來水通過沿途滲漏補(bǔ)給地下水，地下水埋深較淺，也是發(fā)生鹽漬化的高風(fēng)險區(qū)域。民勤灌區(qū)是民勤綠洲的主要灌區(qū)，民勤灌區(qū)地勢由西南到東北逐漸降低，地下水埋深在西南地區(qū)超過30 m，而在東北地區(qū)最淺處僅為5 m左右，未來隨著民勤灌區(qū)地下水修復(fù)，地下水流場依然由西南向東北，因此，東北部地區(qū)地下水位上升速度更快，遭受鹽漬化的風(fēng)險也更大。從地下水埋深年內(nèi)分布來看（圖7），1—4月地下水埋深最淺，5月開始隨著灌溉開始，地下水位逐漸下降，由于民勤綠洲降雨量遠(yuǎn)小于抽取地下水灌溉用水量，汛期對地下水的補(bǔ)給也微乎其微，因此7—9月地下水埋深最大，10月后隨著灌溉期的結(jié)束以及青土湖的生態(tài)補(bǔ)水的實(shí)施地下水位開始回升[23]。環(huán)河和南湖灌區(qū)地下水埋深較淺，且地下水補(bǔ)給較多，7—9月份地下水埋深變化幅度小于其他灌區(qū)。

圖6 民勤綠洲2019年綠洲區(qū)地下水埋深分布Fig.6 Groundwater depth distribution in Minqin oasis in 2019

圖7 民勤綠洲地下水埋深年內(nèi)變化Fig.7 Annual variation of groundwater depth in Minqin oasis

圖8 不同采樣點(diǎn)SDI和地下水埋深關(guān)系Fig.8 Relationship between SDI index of different sampling points and groundwater depth

2.3 地下水埋深與SDI關(guān)系

根據(jù)觀測井位置分布選擇了48個采樣點(diǎn)抽取地下埋深和鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)（SDI）值，用來驗(yàn)證SDI值和地下水埋深如圖8所示。在48個采樣點(diǎn)比較中，SDI值和地下水埋深具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，SDI不斷增加，地下水埋深越來越淺，圖8中A、B、C分別對應(yīng)民勤灌區(qū)西北部和東北部地區(qū)，3個點(diǎn)SDI和地下水埋深有較好的響應(yīng)關(guān)系，鹽漬化分布與實(shí)地調(diào)查結(jié)果基本一致。根據(jù)采樣點(diǎn)的分布，土壤鹽漬化空間分布表現(xiàn)為灌區(qū)外圍土壤鹽漬化程度高于灌區(qū)內(nèi)部，民勤灌區(qū)東北部地勢較低土壤鹽漬化程度高于灌區(qū)西部，環(huán)河灌區(qū)因灌溉渠系滲漏形成一定的壓鹽效果，雖然地下水位較高，但土壤鹽漬化并不嚴(yán)重。不同地下水埋深和SDI臨界值對應(yīng)關(guān)系見表1，民勤綠洲區(qū)輕度鹽漬化、中度鹽漬化和重度鹽漬化對應(yīng)的地下水埋深分別為4.7、3.2 m和1.8 m。

表1 SDI與地下水埋深關(guān)系Table 1 Simulation of soil surface mechanical parameter

3 討 論

土壤鹽漬化是制約西北綠洲區(qū)生態(tài)健康發(fā)展的主要因素之一，建立考慮植被生長質(zhì)量的土壤鹽漬化評價指標(biāo)，通過遙感數(shù)據(jù)快速識別大范圍土壤鹽漬化程度是目前研究的熱點(diǎn)。鹽分指數(shù)SI是最常見的反映土壤鹽漬化程度的指標(biāo)，但是SI指數(shù)僅考慮土壤信息，不能反映地表植被的特征，在評價耐鹽植被豐富的區(qū)域時，結(jié)果可能與實(shí)際不符。許多學(xué)者利用與土壤鹽分密切相關(guān)的植被建立特征空間來提取土壤鹽漬化信息，提高了評價的精度。盧晶等[24]建立SI和改進(jìn)型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSDI）特征空間；丁建麗等[25]構(gòu)建了土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSDI）和濕度指數(shù)（WI）的特征空間；哈學(xué)萍等[26]選取SI和地表反射率構(gòu)建特征空間等。上述研究均表明基于特征空間理論建立的模型能夠更好地應(yīng)用于干旱區(qū)土壤鹽漬化監(jiān)測。本研究采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）和鹽漬化指數(shù)（SI）構(gòu)建了反映旱區(qū)土壤鹽漬化的指標(biāo)SDI，在方法體系上與前人研究是一致的。在此基礎(chǔ)上，本研究將SDI和地下水埋深建立聯(lián)系，綜合考慮了植被生長狀態(tài)、土壤鹽漬化程度等信息，作為合理調(diào)控地下水位的一個參考依據(jù)，適合在大尺度空間快速識別土壤鹽漬化中應(yīng)用。

文中建立了SDI和地下水埋深之間的關(guān)系，確定了民勤綠洲區(qū)輕度、重度和重度鹽漬化對應(yīng)的地下水埋深臨界值，經(jīng)實(shí)地采樣點(diǎn)的驗(yàn)證，結(jié)果大致合理，但研究中并未考慮土壤空間異質(zhì)性的影響，即便在民勤綠洲區(qū)內(nèi)部，不同地方土壤性質(zhì)、植被類型等條件不同，土壤鹽漬化的臨界埋深也會發(fā)生變化。另外，地下水位監(jiān)測井的密度、遙感影響的分辨率不同也會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，增加了研究的不確定性。盡管如此，本研究提出的土壤鹽漬化臨界地下水埋深，能夠代表民勤綠洲大部分區(qū)域的土壤鹽漬化特點(diǎn)，可為民勤綠洲區(qū)調(diào)控地下水位帶來有價值的參考。

受遙感影像質(zhì)量、精度和野外采樣點(diǎn)數(shù)量的限制，本文研究確定民勤綠洲土壤鹽漬化與地下水埋深的定量關(guān)系是否適用于其他區(qū)域還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。但本文探討的方法對我國西北內(nèi)陸綠洲區(qū)適宜地下水埋深的確定有積極的意義，可對西北地區(qū)生態(tài)修復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）干旱綠洲植被質(zhì)量與土壤鹽漬化有較好的相關(guān)關(guān)系，SI越大，NDVI越小，二者關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)擬合，通過SI和NDVI的特征空間建立鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)SDI能夠綜合反映區(qū)域植被和土壤鹽漬化程度。

2）民勤綠洲地下水埋深在0.9～40 m之間，不同地區(qū)地下水埋深差異很大，環(huán)河灌區(qū)、南湖灌區(qū)和民勤灌區(qū)東北部地區(qū)地下水埋深較淺，土壤鹽漬化風(fēng)險較大，地下水埋深年內(nèi)分布主要受灌溉影響，7—9月地下埋深最大。

3）鹽漬化遙感監(jiān)測指數(shù)SDI與地下水埋深有明顯的響應(yīng)關(guān)系，通過SDI可劃分出不同程度土壤鹽漬化對應(yīng)地下水埋深，民勤綠洲區(qū)輕度、中度和重度鹽漬化對應(yīng)的地下水埋深分別為4.7、3.2 m和1.8 m。本研究基于遙感和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了植被質(zhì)量、土壤鹽分和地下水埋深三者關(guān)系，提出不同鹽漬化程度對應(yīng)的地下水埋深，可為民勤綠洲制定合理地下水位恢復(fù)閾值提供科學(xué)依據(jù)。

[1]李建國,濮勵杰,朱明,等.土壤鹽漬化研究現(xiàn)狀及未來研究熱點(diǎn)[J].地理學(xué)報(bào),2012,67(9):1 233-1 245.

LI Jianguo,PU Lijie,ZHU Ming,et al.The present situation and hot issues in the salt-affected soil research[J].Acta Geographica Sinica,2012,67(9):1 233-1 245.

[2]郭全恩,南麗麗,李保國,等.咸水灌溉對鹽漬化土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2018,37(3):66-71.

GUO Quanen,NAN Lili,LI Baoguo,et al.Effects of saline water irrigation on salinization soil organic and inorganic carbon[J].Journal of Irrigation and Drainage,2018,37(3):66-71.

[3]樊自立,馬英杰,馬映軍.中國西部地區(qū)耕地土壤鹽漬化評估及發(fā)展趨勢預(yù)測[J].干旱區(qū)地理,2002(2):97-102.

FAN Zili,MA Yingjie,MA Yingjun.Assessment and prediction of developing trend of soil salinization of the cultivated land in west China[J].Arid Land Geography,2002(2):97-102.

[4]石元春,辛德惠.黃淮海平原的水鹽運(yùn)動和旱澇鹽堿的綜合治理[M].石家莊:河北人民出版社,1983.

SHI Yuanchun,XIN Dehui.Water and salt movement and comprehensive management of drought,flood and saline alkali in Huanghuaihai Plain[M].Shijiazhuang:Hebei Peoples Publishing House,1983.

[5]王佳麗,黃賢金,鐘太洋,等.鹽堿地可持續(xù)利用研究綜述[J].地理學(xué)報(bào),2011,66(5):673-684.

WANG Jiali,HUANG Xianjin,ZHONG Taiyang,et al.Review on Sustainable Utilization of Salt-affected Land[J].Acta Geographica Sinica,2011,66(5):673-684.

[6]鐘瑞森,郝麗娜,包安明,等.干旱內(nèi)陸河灌區(qū)地下水位調(diào)控措施及其效應(yīng)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2011,31(4):65-71.

ZHONG Ruisen,HAO Lina,BAO Anming,et al.Regulation measures of groundwater level and their effects in arid inland river irrigation regions[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2011,31(4):65-71.

[7]王化齊,蔡煥杰,張鑫.石羊河下游民勤綠洲恢復(fù)地下水位生態(tài)需水量研究[J].水土保持通報(bào),2006,26(1):44-49.

WANG Huaqi,CAI Huanjie,ZHANG Xin.Ecological water demand for restoration of groundwater level in minqin oasis in lower reach of shiyang river[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2006,26(1):44-49.

[8]李生潛,張彥洪,馬雁萍,等.石羊河流域盆地地下水動態(tài)變化特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2018,32(12):147-153.

LI Shengqian,ZHANG Yanhong,MA Yanping,et al.Analysis of groundwater dynamic changes in Shiyang river basin[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2018,32(12):147-153.

[9]樊自立,陳亞寧,李和平,等.中國西北干旱區(qū)生態(tài)地下水埋深適宜深度的確定[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(2):1-5.

FAN Zili,CHEN Yaning,LI Heping,et al.Determination of suitable ecological groundwater depth in arid areas in northwest part of China[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2008,22(2):1-5.

[10]王文科,宮程程,張?jiān)谟?等.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)研究現(xiàn)狀與展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2018,33(7):702-718.

WANG Wenke,GONG Chengcheng,ZHANG Zaiyong,et al.Research status and prospect of the subsurface hydrology and ecological effect in arid regions[J].Advances in Earth Science,2018,33(7):702-718.

[11]于昕冉.巴丹吉林沙漠湖泊區(qū)水位動態(tài)特征及補(bǔ)給來源研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2020.

YU Xinran.Research on Water level dynamic characteristics and water recharge sources of the lake area in the badain jaran desert[D].Lanzhou:Lanzhou University,2020.

[12]史海濱,楊樹青,李瑞平,等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水鹽運(yùn)動與鹽漬化防治研究展望[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2020,39(8):1-17.

SHI Haibin,YANG Shuqing,LI Ruiping,et al.Soil water and salt movement and soil salinization control in Hetao irrigation district:crrent state and future prospect[J].Journal of Irrigation and Drainage,2020,39(8):1-17.

[13]陶金梅,徐貴陽,翁永玲,等.土壤鹽分遙感反演研究進(jìn)展[J].土壤科學(xué),2020,8(4):190-195.

TAO Jinmei,XU Guiyang,WONG Yongling,et al.Progress in remote sensing soil salinization[J].Hans Journal of Soil Science,2020,8(4):190-195.

[14]關(guān)元秀,劉高煥.區(qū)域土壤鹽漬化遙感監(jiān)測研究綜述[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2001,16(1):40-44.

GUAN Yuanxiu,LIU Gaohuan.A Review of regional soil salinization monitoring by remote sensing[J].Remote Sensing Technology and Application,2001,16(1):40-44.

[15]陳實(shí),徐斌,金云翔,等.北疆農(nóng)區(qū)土壤鹽漬化遙感監(jiān)測及其時空特征分析[J].地理科學(xué),2015,35(12):1 607-1 615.

CHEN Shi,XU Bin,JIN Yunxiang,et al.Remote sensing monitoring and spatial-temporal characteristics analysis of soil salinization in agricultural area of Northern Xinjiang[J].Scientia Geographica Sinica,2015,35(12):1 607-1 615.

[16]馮娟,丁建麗,楊愛霞,等.干旱區(qū)土壤鹽漬化信息遙感建模[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2018,36(1):266-273.

FENG Juan,DING Jianli,YANG Aixia,et al.Remote sensing modeling of soil salinization information in arid areas[J].Agricultural Research in the Arid Areas,2018,36(1):266-273.

[17]KHAN N M,SATO Y.Monitoring hydro-salinity status and its impact in irrigated semi-arid areas using IRS-1B LISS-II data[J].Asian Journal.of Geoinformation,2001,1(3):63-73.

[18]史曉艷,李維弟,余露,等.瑪納斯河流域農(nóng)灌區(qū)土壤鹽漬化遙感定量評價[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2018,37(11):69-75.

SHI Xiaoyan,LI Weidi,YU Lu,et al.Using remote sensing to evaluate soil salinization distribution over the irrigation areas in the Manas River Basin[J].Journal of Irrigation and Drainage,2018,37(11):69-75.

[19]TAYLOR R L D R.Field-derived spectra of salinized soils and vegetation as indicators of irrigation-induced soil salinization[J].Remote Sensing of Environment,2002,80(3):406-417.

[20]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),2010,26(8):168-173.

WANG Fei,DING Jianli,WU Manchun.Remote sensing monitoring models of soil salinization based on NDVI-SI feature space[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2010,26(8):168-173.

[21]王爽,丁建麗,王璐,等.基于地表光譜建模的區(qū)域土壤鹽漬化遙感監(jiān)測研究[J].干旱區(qū)地理(漢文版),2016,39(1):190-198.

WANG Shuang,DING Jianli,WANG Lu,et al.Remote sensing monitoring of soil salinization based on surface spectral modeling[J].Arid Land Geography,2016,39(1):190-198.

[22]黃航行,李思恩.1968―2018年民勤地區(qū)參考作物需水量的年際變化特征及相關(guān)氣象影響因子研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2019,38(12):63-67.

HUANG Hangxing,LI Sien.Study on interannual variation characteristics of referene crop water requirement and related meteorological influencing factors in Minqin Area from 1968 to 2018[J].Journal of Irrigation and Drainage,2019,38(12):63-67.

[23]刁維杰,趙勇,翟家齊,等.1987—2017年民勤綠洲面積時空演變規(guī)律及驅(qū)動因素解析[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2019,38(10):106-113.

DIAO Weijie,ZHAO Yong,ZHAI Jiaqi,et al.Temporal spatial evolution and driving force analysis of Minqin Oasis during 1987—2017[J].Journal of Irrigation and Drainage,2019,38(10):106-113.

[24]盧晶,張緒教,葉培盛,等.基于SI-MSAVI特征空間的河套灌區(qū)鹽堿化遙感監(jiān)測研究[J].國土資源遙感,2020,32(1):169-175.

LU Jing,ZHANG Xujiao,YE Peisheng,et al.Remote sensing monitoring of salinization in Hetao irrigation district based on SI-MSAVI feature space[J].Remote Sensing for Land and Resources,2020,32(1):169-175.

[25]丁建麗,瞿娟,孫永猛,等.基于MSAVI-WI特征空間的新疆渭干河-庫車河流域綠洲土壤鹽漬化研究[J].地理研究,2013,32(2):223-232.

DING Jianli,QU Juan,SUN Yongmeng,et al.The retrieval model of soil salinization information in arid region based on MSAVI-WI feature space:A case study of the delta oasis in Weigan-Kuqa watershed[J].Geographical Research,2013,32(2):223-232.

[26]哈學(xué)萍,丁建麗,羅江燕,等.基于SI-Albedo特征空間的干旱區(qū)鹽漬化土壤信息提取研究：以克里雅河流域綠洲為例[J].土壤學(xué)報(bào),2009,46(3):381-390.

HA Xueping,DING Jianli,LUO Jiangyan,et al.SI-ALbedo space based extraction of salinization information in arid area[J].Acta Pedologica Sinica,2009,46(3):381-390.

A Remote Sensing Model to Determine the Critical Groundwater Depth for Soil Salinization

WANG Qingming1,2,ZHANG Yue3*,ZHENG Rongwei4,LI Enchong2
(1.State Key Laboratory of Hydrology-water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210024,China;2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;3.General Institute of Water Conservancy and Hydropower Planning and Design,Ministry of Water Resources,Beijing 100120,China;4.Zhejiang Tongji Vocational College of Science And Technology,Hangzhou 311215,China)

【Objective】Evaporation of groundwater via capillary rise could result in solute accumulation in the proximity of the soil surface,which increases steadily when the groundwater table rises above a critical depth.Knowing this critical depth is crucial for water and salt management but difficult to determine in situ as it depends not only on groundwater depth but also on soil textures and other factors.The purpose of this paper is to propose a remote-sensing method to estimate this critical depth.【Method】Based on remote sensing images and ground-truth data,we first calculated the relationship between the normalized difference vegetation index (NDVI),soil salinization index (SI) and groundwater depth.We then proposed a salinization detection index (SDI) to determine the critical groundwater depth and validated it against data measured from a field at Minqin oasis.【Result】①There was an exponential relationship betweenNDVIandSI;SDIcorrectly described the relationship between vegetation health and soil salinization across the studied region.②The spatial distribution ofSDIand groundwater depth were inversely correlated,indicating thatSDIcan be used as a proxy of soil salinization.Critical groundwater depth associated with mild,moderate and severe soil salinization was 4.7 m,3.2 m and 1.8m respectively.【Conclusion】We proposed a remote sensing model to estimate soil salinity and the critical groundwater depth,above which a further rise in groundwater table would cause soil salinization.Application of the model to field data showed that it is accurate and reliable to predict soil salinization and the critical groundwater depths associated with different levels of soil salinization.

soil salinization; Minqin oasis; remote sensing model; critical groundwater depth

TV62；TV882.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021160

OSID：

王慶明,張?jiān)?鄭榮偉,等.基于遙感模型SDI的土壤鹽漬化臨界水位研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2022,41(3):98-104.

WANG Qingming,ZHANG Yue,ZHENG Rongwei,et al.A Remote Sensing Model to Determine the Critical Groundwater Depth for Soil Salinization[J].Journal of Irrigation and Drainage,2022,41(3):98-104.

1672-3317（2022）03-0098-07

2021-04-16

水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“一帶一路”水與可持續(xù)發(fā)展科技基金資助項(xiàng)目（2018491011）

王慶明（1987-），河北邯鄲人。高級工程師，主要從事水文水資源研究。

張?jiān)剑?991-），女，河南鄭州人。工程師，主要從事水利規(guī)劃研究。E-mai:zhangyue@giwp.org.cn

責(zé)任編輯：白芳芳