基于遙感技術(shù)的內(nèi)蒙古自治區(qū)河套-土默川平原耕地鹽堿化監(jiān)測(cè)

常屹冉，魏嘉誠(chéng)，段 瑞，齊巖軍

（內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪地理信息中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010051）

土壤鹽堿化是當(dāng)前全球性的生態(tài)環(huán)境問題之一，也是我國(guó)干旱、半干旱區(qū)域所面臨的主要生態(tài)問題，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)丶Z食增產(chǎn)、農(nóng)牧民增收及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展。隨著遙感對(duì)地技術(shù)的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到土壤鹽堿化監(jiān)測(cè)中。Metternicht研究了土壤鹽堿化結(jié)殼和其他地表結(jié)殼結(jié)構(gòu)的光譜混淆問題，發(fā)現(xiàn)總體上非鹽堿化結(jié)殼的反射率相對(duì)較低[1]。Taylor 和Dehaan 使用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)鹽堿化土壤進(jìn)行分類研究，發(fā)現(xiàn)個(gè)別波長(zhǎng)處的微弱水吸收特征對(duì)改進(jìn)鹽堿土制圖十分重要[2]。Dwivedi和Rao則分析了鹽堿土遙感分析中的最優(yōu)波段組合問題[3]。國(guó)內(nèi)方面，彭望碌利用TM 數(shù)據(jù)通過纓帽變化對(duì)土壤鹽堿化進(jìn)行了空間分析[4]，關(guān)元秀使用改進(jìn)后的監(jiān)督分類方法提取了黃河三角洲地區(qū)鹽堿分布信息[5]。隨著在軌衛(wèi)星個(gè)數(shù)增加，光譜信息的增多，回訪周期的變短，通過遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤鹽堿化宏觀、動(dòng)態(tài)、快速監(jiān)測(cè)，從而獲取鹽堿化土地的性質(zhì)、空間分布與鹽堿化程度等方面的信息。本文利用遙感技術(shù)對(duì)2006 年—2014 年河套地區(qū)耕地鹽堿化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為地區(qū)“改鹽增糧”工程提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

河套-土默川平原位于北緯40°27′~41°20′，東經(jīng)106°35′~109°53′，巴彥淖爾市轄區(qū)內(nèi)，北抵陰山、南臨黃河、西至磴口縣界、東至烏拉特前旗界、東南至包頭市郊區(qū)。主要區(qū)域包含：磴口縣、杭錦后旗、臨河區(qū)、五原縣、烏拉特前旗、烏拉特中旗，總面積約1.59×104km2，地勢(shì)由西南向東北傾斜，洪積平原面積約占總面積的25%，其他為黃河沖積平原。山地向平地過渡較快，因此丘陵地較少。平地地勢(shì)平坦，高差變化較小。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷拇箨懶园霛駶?rùn)半干旱氣候，四季氣候變化明顯，年溫差大，日溫差也大，年平均氣溫為6.7℃。

2 研究方法

2.1 野外實(shí)測(cè)樣方采集

野外采樣的時(shí)間選擇直接影響到反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。植被茂盛的季節(jié)，遙感影像的大部分區(qū)域無法直接反映土壤表面的反射率值。而在降雨量豐富的季節(jié)，土壤表層的鹽分又會(huì)被淋融到土壤深層。因此鹽漬化采樣中土壤樣品的采集選在每年的春季（4月）和秋季（10月）采集。土壤樣品采集選用多點(diǎn)混合采集方法，在50 m×50 m的采樣單元范圍內(nèi)均勻混合2~4 份表層0~10 cm 的土壤樣本，最后用電導(dǎo)率法求出樣點(diǎn)土壤中可溶鹽分總量。本文以土壤含鹽量作為土壤鹽堿化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見表1），把研究區(qū)耕地土壤鹽堿化程度分為輕度及未鹽堿化、中度鹽堿化和重度鹽堿化3種，研究區(qū)內(nèi)耕地范圍來源地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)。

表1 研究區(qū)土壤鹽堿化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard of soil salinization in study area

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

主要使用了Landsat5TM 和Landsat8 OLI 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其具有7 個(gè)全色波段，多光譜分辨率為30 m，回訪周期為16 d，可以有效地反映研究區(qū)地表特征。通過輻射定標(biāo)、大氣校正，正射校正、幾何校正和投影信息轉(zhuǎn)換等處理，得到覆蓋研究區(qū)2006年、2009年和2014年的春秋兩季遙感影像數(shù)據(jù)。

2.3 反演模型構(gòu)建

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的光譜反射率曲線，可以看出曲線總體形態(tài)和趨勢(shì)是一致的，TM 影像從Band1 到Band4、Band5 呈上升趨勢(shì)，而從Band5 到Band7 呈下降趨勢(shì)；OLI 影像從Band1 到Band5、Band6 呈上升趨勢(shì)，而從Band6 到Band7呈下降趨勢(shì)。通過SPSS 軟件計(jì)算各坡段和樣點(diǎn)鹽度值的相關(guān)性，選取相關(guān)性大的波段。然后對(duì)相關(guān)波段反射率進(jìn)行倒數(shù)、對(duì)數(shù)、對(duì)數(shù)倒數(shù)并對(duì)其進(jìn)行一階、二階導(dǎo)數(shù)微分等15種變換方式。結(jié)果表明，TM 影像的Band5、Band7 和OLI 數(shù)據(jù)的Band5、Band6、Band7 與耕地水溶性全鹽量相關(guān)性比較大，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.671，且變化方式中對(duì)數(shù)倒數(shù)和倒數(shù)的一階微分有效提高了相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)各波段與鹽堿度的相關(guān)性，確定TM影像選用Band5和Band7 進(jìn) 行 鹽 堿 度 反 演，OLI 數(shù) 據(jù) 選 用Band5、Band6 和Band7 進(jìn)行鹽堿度反演，并對(duì)波段進(jìn)行了15 種算法計(jì)算，采用多元回歸線性函數(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建和反演，根據(jù)含鹽量對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行不同程度鹽堿化耕地類型分類。反演結(jié)果見表5，根據(jù)外業(yè)采集的驗(yàn)證樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)定，2006年分類精度為78.1%、2009年為77.6%、2014年為83.6%；精度皆達(dá)到了75%以上，有效支撐了河套-土默川平原耕地鹽堿化監(jiān)測(cè)工作。

3 成果與分析

3.1 鹽堿化耕地面積變化分析

通過反演分類后，獲得研究區(qū)2006年、2009年和2014年不同程度鹽堿耕地面積，對(duì)比發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)耕地鹽堿化以非和輕度化為主，其次為中度，重度最少，不同程度鹽堿化耕地內(nèi)部占比相對(duì)穩(wěn)定。

從轉(zhuǎn)移面積上來看：①非鹽堿和輕度鹽堿地面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但鹽堿耕地面積增加。2006 年—2009 年，非和輕向中度鹽堿耕地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積大致一致，但重度鹽堿耕地增加面積大于重度鹽堿耕地改良面積。2009年—2014年，非和輕度向中度鹽堿耕地轉(zhuǎn)移面積較大，轉(zhuǎn)移出1 284.04 km2，并有45.69 km2的耕地變?yōu)榉歉?。重度鹽堿耕地改良面積大于轉(zhuǎn)入重度鹽堿耕地的面積。②非和輕與中度鹽堿耕地轉(zhuǎn)換最為劇烈，且中度鹽堿耕地面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。③重度鹽堿耕地呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。2006 年—2009 年重度鹽堿耕地與中度鹽堿耕地之間轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出面積幾乎一致，但非鹽堿和輕度鹽堿地轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積，造成重度鹽堿耕地面積增加。2009年—2014年，重度鹽堿耕地轉(zhuǎn)出面積皆大于轉(zhuǎn)入面積，使得重度鹽堿耕地面積減少。但是非耕地鹽堿化土地被開墾是重度鹽堿耕地主要增加方式，其中2006年—2009年開墾面積可達(dá)110.93 km2。

變化速率上來看：2006 年—2009 年耕地鹽堿化速度為386.47 km2/a，2009 年—2014 年為386.11 km2/a。其中非和輕度到重度的速度從169.75 km2/a降低到129.3 km2/a，耕地惡化的速度大幅減少。

表2 2006年—2014年不同程度鹽堿化耕地面積變化的轉(zhuǎn)移距陣Tab.2 The shift distance matrix of cultivated land area change with different de‐grees of salinization from 2006 to 2014 km2

3.3 鹽堿化耕地變化熱點(diǎn)分析

對(duì)研究區(qū)2006年—2009年和2006年—2014年的鹽堿化耕地位置變化和面積進(jìn)行變化熱點(diǎn)分析可以發(fā)現(xiàn)：磴口縣和烏拉特前旗鹽堿程度最大，臨河區(qū)、五原縣次之，烏拉特中旗和杭錦后旗較好。2006 年—2009 年除了烏拉特前旗和臨河區(qū)內(nèi)非和輕度鹽堿地有所增加、中度鹽堿耕地減少，其他旗縣非和輕度鹽堿地都在減少、中度鹽堿耕地都在增加；除了磴口縣外，其他旗縣重度鹽堿耕地面積都在增大。2009年—2014 年除了烏拉特前旗和烏拉特中旗內(nèi)非和輕度鹽堿地有所增加，其他旗縣非和輕度鹽堿地都在減少；全監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的中度鹽堿耕地面積都在增加；除了磴口縣外，其他旗縣重度鹽堿耕地面積都在減少。

圖1 2006年—2014年鹽堿化耕地變化熱點(diǎn)Fig.1 Hot spots of saline-alkali cultivated land change from 2006 to 2014

4 結(jié)論與討論

本文探討了運(yùn)用Landsat 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)河套-土默川平原耕地鹽堿化情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過野外樣點(diǎn)實(shí)測(cè)鹽度值與光譜反射率曲線的15種變化方式進(jìn)行相關(guān)性分析，采用多元回歸線性函數(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建和反演，并根據(jù)含鹽量對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行不同程度鹽堿化耕地類型分類，通過精度評(píng)定，整體分類精度優(yōu)于77.6%。可以有效的支撐區(qū)域鹽堿化監(jiān)測(cè)，并為其他干旱半干旱區(qū)域鹽堿化監(jiān)測(cè)提供思路。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，河套平原2006 年—2014 年，非鹽堿地和輕度鹽堿耕地面積呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢(shì)，中度鹽堿耕地面積呈現(xiàn)先降后增的趨勢(shì)，而重度鹽堿耕地面積呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，表明該地區(qū)鹽堿化耕地面積正在逐年增大，但是耕地鹽堿化程度有所降低。分析導(dǎo)致該變化的主要原因是自然鹽堿地變化和人為治理相互作用的結(jié)果。因此，建議加強(qiáng)河套平原農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，維護(hù)灌區(qū)內(nèi)排干系統(tǒng)，加大節(jié)水灌溉、深松深翻、平地縮塊、秸稈還田、上膜下秸、薄膜滴灌等技術(shù)的推進(jìn)。并針對(duì)不同程度（輕、中、重）鹽堿耕地，突破傳統(tǒng)僅以排鹽洗鹽來改良鹽堿的方法，探索種植耐鹽堿植物等生物改良技術(shù)和化學(xué)改良技術(shù)，為全面治理鹽堿土地提供技術(shù)支撐。