松嫩平原土壤濕度空間分布特征研究

董若琳

（哈爾濱師范大學地理科學學院，黑龍江 哈爾濱150000）

土壤鹽漬化是一個可溶性鹽在土壤表層積累的現象或過程，也被稱作鹽堿化。在干旱、半干旱和半濕潤區域土壤鹽漬化是土地退化表現形式中最常見的，當前己成為全世界共同關注的環境性問題，也是全人類面臨的資源問題和生態問題[1]。土壤中的可溶性鹽（例如Na+，Cl-）的含量升高是全世界農業生產的主要威脅。即使少量存在，可溶性鹽也會導致土壤肥力下降，同時還會抑制農作物正常生長，從而導致農作物產量大大降低[2]。這使得許多土地被擱置，畜牧力下降，并且嚴重制約了經濟和社會的發展，導致生態環境惡化[3]。因此，對土壤鹽度的監測尤為重要。

以往的研究發現，影響鹽堿地光譜特征的環境因素很多，如土壤有機質、土壤類型、土地利用、降雨量、溫度、蒸散量、植被覆蓋度等[4-5]。為了提高鹽度監測的精度，許多研究將這些因素與遙感圖像的光譜特征相結合，建立了鹽度反演模型。研究結果表明，綜合影響遙感影像光譜特征的環境指標可以提高鹽度反演的精度。然而，很少有人關注土壤濕度對鹽度反演精度的影響。土壤濕度也是影響土壤鹽堿化的一個重要因素，并且它的變化是降雨、氣溫、蒸散等因素變化的表現結果。所以，監測土壤濕度的變化是更直接更有效的一種綜合表現形式。

因此，本研究的主要目的是探討土壤濕度的時空變化。一方面，了解土壤濕度的空間分布，有可能提高土壤鹽堿化反演的精度；另一方面，土壤濕度是監測土地生產力的重要指標之一，它與農作物及植被的生長發育狀況都是密切相關的，因此通過遙感技術深入挖掘土壤濕度的信息，對于土壤的進一步退化以及維護區域生態的可持續發展具有重要意義，同時為為政府及農業部門防災減災、確保生態農業安全提供有力的理論支持。

1 原理與方法

由于植被蒸騰和土壤水分蒸發能夠使地表溫度降低[6]，所以很多學者以此為切入點對三者的空間關系進行了研究。Sandholt[7]等研究發現，在地表溫度(LST)- 歸一化差異植被指數(NDVI)的特征空間中存在許多等值線，并且在將特征空間簡化為三角形后（圖1），他們提出了溫度植被干旱指數（TVDI），其表達式為：

式中，TVDI 為溫度植被干旱指數；Ts 為任意像元地表溫度；Tsmin為最小地面溫度，對應的是濕邊；Tsmax為最大地面溫度，對應的是干邊。Tsmin和Tsmax隨著不同植被覆蓋條件而變化，因此將Tsmin和Tsmax進行線性擬合得到方程：

其中a1、b1、a2、b2分別為干邊和濕邊的擬合系數。

圖1 溫度植被干旱指數(TVDI)特征空間示意圖

得到土壤濕度空間分布圖后，進一步根據國家水利部制定的干旱等級標準，將研究區劃分為5 個不同濕度梯度的區域。

2 研究區與數據源

2.1 研究區概況

松嫩平原位于中國黑龍江省西南部，處于大興安嶺、小興安嶺與長白山脈及松遼分水嶺之間（119°45'～129°36'E,42°50'～49°18'N），總面積約為23.75×104km2。該地區地處半干旱- 半濕潤地帶，屬于溫帶大陸性氣候[8]。氣候是松嫩平原蘇打鹽堿地形成的關鍵性因素。冬季氣候寒冷干燥，夏季氣候高溫多雨，降水的季節性變化造成了土壤雨季脫鹽和旱季積鹽交替變化, 加快了土壤鹽分在表層聚集的過程[9]（圖2）。

2.2 數據來源及處理

圖2 研究區概況

本研究選取2015 年4 月20 日的Landsat-8 OLI 影像。該數據源來自美國地質調查局（United States Geological Survey，USGS http://glovis.usgs.gov/），在網站上可以免費下載，可下載的數據基本能覆蓋全球。于2015 年4 月下旬進行野外數據采集，時間基本與遙感影像的獲取時間同步。根據空間分布、代表性和可訪問性選擇了42 個30m*30m 的樣地，用土壤濕度計測定土壤濕度SM值，然后將土樣裝袋后密封并編號，同時用GPS進行精確定位。為保證采樣的精確性，我們采用了四點取樣法。取一個中間樣點并在其四周以10m 為間隔再取三個樣點，角度為120 度。這樣做可以使采樣點具有均勻性和代表性。

3 結果與分析

利用干、濕邊擬合出的方程結合從影像中提取出的TVDI 空間分布圖，進行土壤濕度的建模及反演（公式4，R2= 0.7491）。對比溫度植被干旱指數和土壤濕度可以得到兩者呈現負相關關系，即TVDI 值越小，土壤濕度值越大。

在TVDI 反演得到的土壤濕度空間分布圖中提取出與采樣點位置相對應的數值，再同野外實測的數值進行相關性分析，有95%的采樣點的相關系數通過了0.01 水平（雙側）顯著性檢驗，表明用TVDI 反演的結果能夠較好的反映土壤濕度的情況（圖4）。

4 結論

松嫩平原地形平坦、面積廣闊，土壤肥沃，是中國主要的商品糧生產基地之一。 然而隨著全球氣候的變化和人為干擾的加劇，松嫩平原河湖面積縮減、極端水文事件頻發、土壤鹽堿化程度日益加劇、農業干旱綜合態勢較為嚴峻，嚴重威脅國家糧食安全。因此，土壤濕度的監測顯得尤為重要。研究結果表明：a.結合Landsat-8 OLI 影像提取的溫度植被干旱指數，可以較準確地獲取土壤濕度的空間分布特征。b.受溫度、降水、土壤類型、植被覆蓋度等多種因素影響，松嫩平原土壤濕度呈由西南向東北逐漸變濕的趨勢。c.將TVDI 值與野外實測得到的土壤濕度值進行相關性分析發現二者呈負相關關系，即隨著土壤濕度值的增加，TVDI 值呈現出減小的趨勢。

圖3 基于土壤濕度分級的干旱等級圖