土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測方法及應用

趙劍橋

[摘要]遙感監(jiān)測在實際研究應用中具有適用范圍廣、周期短、監(jiān)測速度快的優(yōu)勢，目前作為主要的檢測方法廣泛應用于土壤鹽漬化監(jiān)測。土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測方法一般有直接方法與間接方法。前者是直接解譯鹽漬化土壤光譜；后者是根據植被特征、土壤溫度、土壤水分、地表阻抗等間接反演土壤的鹽漬化特征。由于兩種方法均有局限性，所以近年來在土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測研究中，單純應用直接或間接方法的并不多見，一般是采用兩者相結合的綜合方法。

[關鍵詞]土壤鹽漬化；遙感監(jiān)測；直接方法；間接方法

[中圖分類號]TP75 [文獻標識碼]A

1 土壤鹽漬化及其成因

土壤鹽漬化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)后使鹽分積累在表層土壤中的過程。鹽漬土是在一定的環(huán)境影響下，氣候變化、地形起伏、水文等自然因素對水和鹽運動作用的結果。在降水稀少、蒸發(fā)強度大、地下水中含有較多可溶性鹽類及比較平坦的地區(qū)，鹽漬化頻繁發(fā)生在地下水位過高或者徑流的低流速且匯聚到一起的地段。地下水位高過臨界深度、土壤強烈蒸發(fā)導致的毛細管作用使水攜帶鹽分向上運動，使其中所含鹽分逐漸在地表停留，當土壤含鹽量過高（超過3%）時，形成鹽漬土。

現(xiàn)今社會土壤鹽漬化惡化加劇，一方面是因為自然原因造成的土地退化，具體表現(xiàn)為土地裸露、植被稀疏，缺少生機，危及用地安全，是世界性資源問題與生態(tài)問題，是需要全球共同應對的環(huán)境危機；另一方面由于土地利用開發(fā)的不科學、不規(guī)范，引起水文地質自然條件惡化，破壞土壤結構進而造成土壤次生鹽漬化，既造成資源的破壞，又降低農業(yè)生產效益，威脅社會經濟和生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展。人類可以通過采用各種措施，改變環(huán)境條件，改善土壤鹽漬化。受各種客觀因素制約，鹽漬化治理比較困難，土壤鹽漬化的治理問題已經成為全球性的研究熱點。

2 土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測方法

遙感監(jiān)測在實際研究應用中具有適用范圍廣、周期短、監(jiān)測速度快的優(yōu)勢，近年來作為主要的檢測方法廣泛應用于土壤鹽漬化監(jiān)測。通過遙感手段獲取有關鹽漬土的光譜曲線、范圍分布等方面的及時有效的信息，對鹽漬化土壤的監(jiān)測以及防治，促進生態(tài)環(huán)境的保護很有意義。隨著高光譜成像技術的發(fā)展，很多學者成功利用其豐富細致的電磁波波段信息，定量化提取土壤鹽分，無論實測高光譜還是高光譜衛(wèi)星影像獲得的數據具備大量空間、輻射和光譜信息，比寬波段遙感監(jiān)測更能探測土壤光譜的細節(jié)變化，提取敏感波段。

此外，通過遙感方法監(jiān)測土壤鹽漬化狀況，在實際研究中都要涉及非遙感數據，包括研究區(qū)的地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖與土壤調查報告、氣象資料（包括逐日降水量和日均氣溫數據等，可從中國氣象數據共享服務網站下載），以及土壤鹽分樣品、土壤含水率和土壤含鹽量等數據。一般通過野外調查及實驗室分析而獲取這些資料。

2.1 直接方法

初期的遙感監(jiān)測土壤鹽漬化是直接解譯鹽漬化土壤光譜。由于鹽漬化土壤有鹽分積累、結晶，形成鹽殼或鹽皮，地表發(fā)白，地表反射率高，有特殊的光譜曲線。當植被覆蓋度低于25%～35%時，土壤的光譜特征差別明顯，鹽分含量越高，光譜反射能力越強，在影像圖中呈淺色或灰白色，易于識別。所以在解譯遙感影像時，根據影像白色色調的多少可以區(qū)分出土壤鹽漬化的不同程度。

扶卿華等認為，直接方法中土壤鹽漬化監(jiān)測的關鍵步驟是數據源選擇、最佳波段選擇與組合、鹽漬化特征信息提取與分析。其中，鹽漬地光譜特征分析是最為重要的步驟，很多學者對鹽漬地光譜特征進行了研究。王穎在北京市野鴨湖濕地土壤鹽漬化遙感監(jiān)測與動態(tài)分析中，利用LandsatTM遙感影像，分析野鴨湖濕地鹽漬化土壤的光譜特征。遙感影像經過穗帽變換，能夠準確反映鹽漬化土壤在影像上的光譜特征，真實反映鹽漬化土壤狀況，其信息保留比較突出。研究表明，在1998～2004年間，野鴨湖濕地土壤鹽漬化整體呈緩慢升高—急速下降—急速升高的趨勢。

近年來學界在應用不同遙感圖像處理識別土壤鹽漬化信息上取得了很多成果。不過隨著對監(jiān)測和制圖要求的提高，直接方法的局限性日益顯現(xiàn)。一是土壤診斷性的光譜信息十分弱，即在量化土壤鹽漬化上突破有限。二是土壤水分、土壤有機質及區(qū)域氣候特征等影響監(jiān)測的準確性。三是土壤光譜易與其他地物光譜混合，在生長季植被覆蓋度過高時，直接影響鹽漬化土壤的光譜特性，使得識別精度下降；而且為了避開植被的影響，監(jiān)測時間也受到限制。

2.2 間接方法

間接方法主要是根據植被特征、土壤溫度、土壤水分、地表阻抗等來間接反演土壤的鹽漬化特征，目前大多是依據植被特征來反演。

如前所述，僅依靠直接方法定量監(jiān)測土壤光譜信息，難以正確反映土壤鹽漬化的真實情況，所以為了提高信息提取的精度，應當綜合考慮遙感圖像像元內的土壤與植被信息。利用植被光譜監(jiān)測土壤鹽漬化的理論依據是：在個體水平上，受鹽分脅迫的植物形態(tài)（葉面積、干重、濕重、根長及植被高度等）會發(fā)生適應性變化；在群落水平上，鹽生和耐鹽植物群落的多樣性、蓋度、優(yōu)勢度等，都會隨植物對鹽分的適應性而變化。遙感探測器能夠探知和描述植被這一系列生理生態(tài)響應所產生的特殊光譜反應。

因此，用植被光譜信息間接反演土壤的鹽漬化特征，可以消除直接監(jiān)測土壤光譜信息的局限性，保證土壤鹽漬化監(jiān)測的有效性；同時監(jiān)測時間也不再受到限制，可以在生長季監(jiān)測土壤鹽漬化，確保監(jiān)測的連續(xù)性和及時性；而且植被光譜信息還有助于評估土壤鹽漬化風險。

近年來很多土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測研究是通過地表植被信息間接推斷土壤鹽漬化情況。如王飛等在研究中同時考慮土壤與植被信息，分析歸一化差值植被指數與鹽分指數之間的關系，基于兩者特征空間構建了土壤鹽漬化遙感監(jiān)測指數模型。研究表明，土壤表層含鹽量與該指數模型相關較高，該指數模型能夠很好地區(qū)分研究區(qū)內不同鹽漬化程度地類的分布范圍。陳實等基于MODIS數據，利用歸一化植被指數和鹽分指數的二維特征空間關系，結合鹽漬化對植被信息的間接影響，建立土壤鹽漬化遙感監(jiān)測模型，分析2000～2014年北疆農區(qū)的土壤鹽漬化及其空間動態(tài)變化，研究表明，土壤鹽漬化遙感監(jiān)測指數能夠描述北疆農區(qū)的土壤含鹽量；北疆農區(qū)土壤鹽漬化空間特征呈現(xiàn)總體逆轉、局部嚴重發(fā)展的態(tài)勢。

利用植被特征反演土壤鹽漬化程度，是土壤鹽漬化遙感監(jiān)測研究中普遍使用的方法。但是以植被為間接因素進行土壤鹽漬化監(jiān)測通常集中于地上植被光譜特征，而植被的生物物理特性及根部對土壤鹽漬化的影響程度尚待研究。而且影響植被生長狀況的因素非常復雜，并非僅由土壤的鹽漬化決定，因此間接方法也有其明顯的局限性。

3 結語

實際上，近年來在土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測研究中，單純應用直接或間接方法的并不多見，一般是使用綜合方法，即采用直接與間接相結合的方法，并輔助相關數據信息，通過綜合分析進行土壤鹽漬化的遙感監(jiān)測。綜合方法包含的信息量最全，集中了直接方法與間接方法的長處，彌補了兩種方法的不足，是目前土壤鹽漬化遙感監(jiān)測方法研究中的新方向。但是綜合方法也存在變量過多、實際應用中過于繁瑣復雜的缺陷。

雖然遙感數據的時間、空間、光譜分辨率在提高，土壤鹽漬化遙感監(jiān)測方法不斷發(fā)展，土壤鹽漬化的遙感反演研究也取得了很多成果，但是仍存在諸如主要解析土壤表層鹽分，較少關注整體剖面鹽分動態(tài)；各種信息提取方法結果不確定，其通用性及定量化尚待改進等問題。今后應當進一步研究影響土壤光譜特征的各種客觀自然因素，分析其對鹽漬化信息提取精度的影響，以優(yōu)化鹽漬化估算模型，提高模型預測的精度。同時將遙感與電磁感應技術相結合，研究土壤鹽分時空變異特征，是監(jiān)測土壤鹽分的新方法。

[參考文獻]

[1] 朱庭蕓.灌區(qū)土壤鹽漬化防治[M].北京：農業(yè)出版社，1992：32-38.

[2] 李潭潭.黃河三角洲典型鹽漬區(qū)遙感監(jiān)測研究[D].青島：中國石油大學（華東），2015：1.

[3] 王麗娜.基于高光譜技術的黃河三角洲鹽堿土水鹽含量估測研究[D].泰安：山東農業(yè)大學，2013：1.

[4] 扶卿華，倪紹祥，李開麗.土壤鹽堿化遙感監(jiān)測方法[J].農機化研究，2005（1）：110-112.

[5] 王穎.北京市野鴨湖濕地土壤鹽漬化遙感監(jiān)測與動態(tài)分析[J].城市地質，2008（1）：22-26.

[6] 張婷婷.黃河三角洲土地鹽漬化格局的遙感監(jiān)測及鹽漬化過程的空間分析與評價[D].上海：復旦大學，2011：3-4.

[7] 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].農業(yè)工程學報，2010（8）：168-173.

[8] 陳實，徐斌，金云翔，等.北疆農區(qū)土壤鹽漬化遙感監(jiān)測及其時空特征分析[J].地理科學，2015（12）：1607-1615.

[9] 朱高飛.農田鹽漬化土壤光譜特征及其遙感反演與分類研究[D].烏魯木齊：新疆農業(yè)大學，2013：7.