土壤鹽漬化對濱海濕地生態環境質量的影響
——以黃河三角洲為例

張治梅, 樊彥國, 矯志軍, 管青春

(1.中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院,青島 266580;2.中南大學地球科學與信息物理學院,長沙 410012)

0 引言

濕地被譽為“地球之腎”,是地球上生物生產力最高的生態系統之一,在物質保障、能量循環和生物多樣性維持等諸多方面扮演著重要角色[1]。在全球快速城市化過程中,資源開發、農田開墾、填海造陸等人為活動不可避免地導致濱海濕地土壤鹽漬化問題突出,嚴重影響了當地的生態環境[2-3]。

幾十年來,人們為準確評估土壤鹽漬化做出了巨大努力。現有文獻中土壤鹽漬化評價方法的發展可分為3個主要階段: 樣品分析方法、地球物理勘探測試方法和遙感(remote sensing,RS)技術[4-5]。遙感技術的優勢在于長期對地觀測過程中形成的有價值的歷史數據的存在,為長期、大范圍的土壤鹽漬化動態監測提供數據支撐[6]。其中,利用光學遙感影像獲得光譜指數建立線性非線性和鹽漬化反演模型,與深度學習[7]、特征提取[8]、波段選擇[9]等相比,具有簡單、高效、成本低等優點,因此得到了廣泛應用。目前,許多鹽分指數已被提出并應用于土壤鹽漬化監測,如鹽度指數(salinity index,SI)[10-11]、歸一化鹽度指數(normalized difference salinity index,NDSI)[12-13]、亮度指數(brightness index,BI)[10]、強度指數(intensity index,Int)[14]及植被土壤鹽度指數(vegetation soil salinity index,VSSI)[15]等。

然而,濱海濕地復雜的地貌和土地類型很容易與鹽漬化土壤混淆,如不透水面和灘涂等。由于鹽漬化土壤的所處環境條件復雜,高度異質的光譜和空間特征導致土壤鹽分反演困難[16-18]。現有鹽分指數對環境和觀測條件的變化過于敏感,如氣溶膠、太陽耀斑的類型和厚度[19]等。因此,他們難以適應復雜的環境,無法準確提取鹽漬化土壤。目前,需要構造新的鹽分指數來準確監測復雜環境下的土壤鹽漬化狀況。

此外,對生態環境質量進行準確評價,是生態保護的核心,也是目前濕地生態研究的熱點。根據納入評價指標的數量,現有方法一般可分為單指標法和多指標法2種[20-22]。基于單一指標的方法通常關注生態狀況的一個方面。例如,歸一化植被指數(normalized difference vegetation index,NDVI)[23-24]、地表溫度(land surface temperature, LST)[25]、永久性植被豐度(permanent vegetation fraction, PVF)[26]、葉面積指數(leaf area index, LAI)[27]等,被認為是有效的生態監測方法。雖然單指標法可以實現對生態環境質量快速評價,但由于濱海濕地環境復雜多樣,導致其無法全面評價生態環境質量。

基于多指標的方法已廣泛應用于生態評估。這一方法通常基于多個指標進行綜合考慮[23-24]。基于P-S-R模型框架的生態環境質量評價方法主要考慮3類因素: 景觀變化、景觀生態系統狀態和人類響應[28-29]。這類方法重點考慮了與人類活動相關的指標,如數字高程、地表溫度、道路密度等,但很少涉及生態指標。Zhou等[30],Xu等[31],Firozjaei等[32]提出了基于遙感的生態指數(remote sensing-based ecological index,RSEI),從綠度、濕度、干度和熱度4個方面評估生態。此外,Firozjaei等基于植被-不透水面-土壤(vegetation-impervious surface-soil,V-I-S)模型,從綠度、濕度、干度、熱度和不透水度5個方面評價了洛杉磯和芝加哥等6個城市的地表生態環境狀況[32]。上述方法雖然從不同的角度考慮了多個指標,但忽略了開放水域的影響。顧及水效益的生態環境質量評價指數(water benefit-based ecological index,WBEI)除了包含水生態因子外,還定義了與氣候資源相對應的熱環境以及土地覆蓋[19]。但由于濕地生態系統組成復雜,動態性高,現有的濕地生態環境質量評價方法在植被要素精確監測中面臨難題。

濱海濕地屬于典型的生態環境脆弱地區,同時濕地土壤變化劇烈,迫切需要研究土壤鹽漬化對濕地生態環境的影響。Bless等[33]通過調查了沿海景觀中的土壤鹽分,提出了鹽分影響土地的水通量概念模型,確定了景觀演變與實際鹽度之間的關系。Kingwell等[34]通過研究農場的景觀形狀及其土壤分布對旱地鹽度的影響,得到景觀像圓柱形部分且土壤均質的地方可為鹽分減少或遏制提供額外動力。然而,現有的研究更傾向于關注土壤鹽分與地表景觀的相互影響[4],很少分析土壤鹽漬化與生態環境間的相互作用。

本研究以黃河三角洲為研究區,通過分析Landsat和實測數據光譜特征,提出虛擬鹽漬化基線,構建基于基線的鹽漬化指數(baseline-based soil salinity index,BSSI),抑制了不透水面和灘涂等復雜環境因素的影響,提高了復雜環境下土壤鹽漬化的監測精度。通過將新型高光譜植被指數(hyperspectral image-based vegetation index,HSVI)改進應用到多光譜衛星,提高對植被要素的精確監測能力,結合WBEI構造優化的顧及水效益的生態環境質量評價指數(optimized water benefit-based ecological index,OWBEI),提高濕地區域的生態質量反演精度。基于本文構建的BSSI和OWBEI,建立土壤鹽漬化對濱海濕地生態環境質量影響分析體系,探究土壤鹽漬化現象對生態環境質量的影響機制。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

黃河三角洲地處萊州灣與渤海灣之間,是中國面積最大、最年輕、生物多樣性最豐富的河口三角洲之一[35],覆蓋區域包括東營市河口區、墾利區和部分利津縣(N37°28′32″～38°9′46″, E118°34′20″～119°19′0″),如圖1所示(http: //bzdt.ch.mnr.gov.cn/)。

黃河三角洲屬暖溫帶季風大陸性氣候,氣候溫和,四季分明,雨熱同期,降水約70%發生在夏季,年平均溫度約為12.1 ℃,年平均降水量約為551.6 mm,但年平均蒸發量約為1 928.2 mm[36]。受海水侵蝕的影響,土壤鹽堿化嚴重。

1.2 遙感數據

本文采用Landsat TM影像和OLI影像作為基礎數據,該數據由美國地質調查局(United States Geological Survey,USGS)(https: //glovis.usgs.gov/)提供(表1)。各年份均根據影像質量和云量篩選,為保證影像數據質量,選取目視清晰且云量小于5%的影像數據[37-38]。將獲取的Landsat影像進行輻射定標、大氣校正、去條帶以及裁剪操作[39-40]。

表1 Landsat影像數據

1.3 實測數據

為了準確應用土壤樣品建立含鹽量和光譜反射率之間的關系,土壤樣品的野外采集時間要求與遙感衛星的成像時間一致。因此數據采集時間為2006年5月3日,采樣點的深度為20～30 cm,在每個采樣點共設置5次重復采樣,共采樣70個樣本點,數據來自國家科技基礎設施平臺國家地球系統科學數據中心(http: //www.geodata.cn/)。

2 研究方法

建立土壤鹽漬化對濱海濕地生態環境質量影響機制分析體系,如圖2所示。

圖2 土壤鹽漬化對濱海濕地生態影響機制分析體系

首先,使用預處理的Landsat影像及實測數據,利用指數法建立回歸模型獲取土壤鹽漬化狀況; 其次,構造OWBEI獲得生態質量狀況; 最后,分析土壤鹽漬化對黃河三角洲濕地生態環境質量的影響機制。

2.1 土壤鹽分反演

本文依據土壤鹽分分類標準,將研究區域土壤鹽分含量(soil salinity content,SSC)分為5個等級(表2): 鹽土、重度鹽漬土、中度鹽漬土、輕度鹽漬土和非鹽漬土[41]。

表2 鹽漬土分類等級

指數法已經被證實可以很好地提取土壤鹽漬化狀況[10-13]。通過研究鹽漬土與其他地類以及鹽漬土不同等級之間的光譜曲線圖,建立虛擬鹽漬化基線,構建新型鹽分指數BSSI,來表征地表土壤鹽分的分布。

圖3顯示了BSSI的構建原則,分為2個步驟: 首先,構建虛擬鹽漬化基線; 然后,計算短波紅外-1(first short-wave infrared,SWIR1)和虛擬鹽漬化基線之間的距離。

圖3 指數構造示意圖

如圖3所示,BSSI計算公式為:

BSSI=RSWIR1-RSWIR1′

,

(1)

RSWIR1′=[(λSWIR2-λSWIR1)RNIR+(λSWIR1-λNIR)RSWIR2]/(λSWIR2-λNIR)

,

(2)

式中:λNIR,λSWIR1和λSWIR2分別為波長為 0.835 μm,1.648 μm和2.206 μm 的光譜帶;RNIR,RSWIR1和RSWIR2分別為近紅外波段、短波紅外-1波段和短波紅外-2波段的反射率。

2.2 生態環境質量評估

本研究針對傳統生態環境質量評價方法繁瑣、低效的指標融合框架,構建一種新的簡單、高效的生態環境質量評價方法(OWBEI),包括生態指標計算和多生態指標融合2部分。

2.2.1 生態指標計算

1)水環境生態指標構建。Jiao等[19]通過研究構建了一個新的指標,即地表潛在水豐度指數(surface potential water abundance index,SPWI)來表征地表潛在水含量的空間分布。SPWI可以有效提高水因子區分效果,讓結果更符合實際,其計算方法為:

,

(3)

式中:RNIR,RSWIR2和RB分別為近紅外波段、短波紅外-2波段和藍光波段的反射率。

潛熱強度可以反映空氣濕度,歸一化木質素指數(normalized difference lignin index,NDLI)可以反映地表潛熱強度[42-43]。因此,本文采用NDLI表示空氣濕度指標,同時更可以表示水要素的生態功能,構建計算公式為:

,

(4)

式中:RG,RR和RSWIR1分別為綠光波段、紅光波段和短波紅外波段-1波段的反射率。

2)土地覆蓋生態指標構建。HSVI在綠地精細化檢測中具有優異表現,既可以有效抑制陰影、藍色彩鋼瓦等因素的影響,又可以有效解決植被指數飽和問題[44]。本文摒棄了HSVI中復雜的陰影抑制項,選擇了更為有效的指數函數結構和非歸一化差值指數結構,并將其應用到植被指數的構造中,構建了基于多光譜數據的HSVI,其計算公式為:

。

(5)

人類活動的另一個直接反映是土地開發狀況。NDSI[45-46]對不透水表面反應良好,同時對裸露土壤敏感[47]。因此本文選擇NDSI作為生態指標之一,其計算公式為:

。

(6)

3)熱環境生態指標構建。為了更全面地反映生態環境狀況,本文選擇LST作為熱環境指標, 使用輻射傳輸方程法反演LST[48]。

通過輻射傳輸方程變形可知,衛星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值LZ的計算公式為[49]:

LZ=[εB(TS)+(1-ε)Ld]τ+Lu

,

(7)

式中:ε為地表比輻射率(land surface emissivity, LSE);TS為地表真實溫度(K);B(TS)為黑體熱輻射亮度;τ為大氣在熱紅外波段的透過率;Lu和Ld分別為大氣上行輻射亮度和大氣下行輻射亮度。黑體在熱紅外波段的輻射亮度B(TS)為:

B(TS)=[LZ-Lu-τ(1-ε)Ld]/τε。

(8)

利用普朗克公式計算獲取地物表面實際溫度TS,公式為:

TS=K2/ln(K1/B(TS)+1)

,

(9)

式中,K1和K2為熱紅外波段特定的熱轉換系數。

2.2.2 多生態指標融合

基于熵的融合方法不僅可以消除人為主觀因素的干擾,而且可以解釋生態指標與生態環境之間的交互關系[50-51]。通過計算各評估指標之間蘊含的信息量差異程度,并據此為每個指標賦予適當的權重[52-53]。結合基于熵計算的指標權重,融合多指標獲取OWBEI。

首先,計算每個指標的權重。定義ej為第j個評價指標的熵值,計算公式為:

,

(10)

,

(11)

式中:fij為第i個像素在第j個指標中所占的比例;xij為第j個指標中像素i的反射率;n為第j個指標的像素個數。

其次,定義wj為第j個評價指標的權重,計算公式[54]為:

,

(12)

式中m為指標個數。

最后,在確定各指標及其權重后,采用線性疊加的方法對各指標進行融合,以確保融合結果的準確性,計算公式為:

OWBEI=w1NNDLI+w2NHSVI+w3NSPWI-w4NLST-w5NNDSI

,

(13)

式中:w1,w2,w3,w4和w5分別為OWBEI中NDLI,HSVI,SPWI,LST和NDSI的權重;NNDLI,NHSVI,NSPWI,NLST和NNDSI分別為NDLI,HSVI,SPWI,LST和NDSI歸一化后的結果。

2.3 精度驗證

2.3.1 土壤鹽漬化驗證方法

本文通過與4種常用的方法做對比分析(表3)。并選擇了5個參數進行驗證,包括整體精度(overall accuracy,OA)、Kappa系數(Kappa)、漏分誤差(omission error,EO)和錯分誤差(commission error,EC)[44]。

表3 對比方法

2.3.2 生態環境質量評價驗證方法

本文利用中國生態環境狀況公報給出的各區縣級生態環境質量結果生態環境指數(ecological index,EI)(https: //www.mee.gov.cn/)驗證反演結果的準確性。EI的計算公式為:

(14)

式中:BRI,VCI,WNDI,LSI,PLI和ERI分別為生物豐富度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地壓力指數、污染負荷指數和環境限制指數。

3 結果與分析

3.1 黃河三角洲土壤鹽漬化狀況

3.1.1 土壤鹽漬化結果驗證

鹽漬化土提取結果的精度統計于表4中。通過表4可以得知,SI,SI1和SI2具有最低的OA和Kappa系數,較高EC和EO,其效果較差。相較于其他4種方法BSSI的OA和Kappa最高,表明該方法的精度最高,并且該方法的EC和EO較低。因此,BSSI在土壤鹽漬化反演中顯示出其優勢。

表4 鹽漬土分類精度

3.1.2 土壤鹽漬化空間分布

基于上述土壤鹽漬化反演方法,得到2006年,2012年,2017年和2020年土壤鹽漬化的空間分布(圖4和圖5)。并統計這4年的土壤鹽漬化不同等級所占面積,結果如表5所示。

表5 黃河三角洲土壤鹽漬化面積和比例

(a) 2006年 (b) 2012年 (c) 2017年 (d) 2020年

(a) 2006年 (b) 2012年 (c) 2017年 (d) 2020年

如表5所示,土壤鹽漬化主要分布在黃河入海口舊址和現黃河入海口,與已有對于黃河三角洲鹽漬化研究分布相符合[53-54]。黃河流量減少,海水倒灌,并且黃河下游地下水的水位埋藏較淺,這些都是導致其土壤鹽漬化嚴重的主要原因[36]。另外,人類活動(如,建造鹽池,城市化)造成濱海地區的土壤鹽漬化嚴重[54]。

計算得到2006年研究區非鹽漬化(2 921.67 km2,占總面積的58.15%)占主導地位(圖6)。然而,近40%的面積受到土壤鹽漬化的威脅,其中輕度鹽漬化占5.94%,中度鹽漬化占14.12%,重度鹽漬化占14.99%。同樣地,2012年,2017年和2020年非鹽漬化也都占據主導地位,分別為59.10%,60.94%和59.20%。2012年輕度鹽漬化占4.05%,中度鹽漬化占8.81%,重度鹽漬化占15.73%,鹽土占12.30%。2017年輕度鹽漬化占2.22%,中度鹽漬化占5.74%,重度鹽漬化占14.08%,鹽土占17.02%。2020年輕度鹽漬化占1.95%,中度鹽漬化占4.19%,重度鹽漬化占8.51%,鹽土占26.15%,土壤鹽漬化面積高達2 051.00 km2。

(a) 2006年 (b) 2012年 (c) 2017年 (d) 2020年

受自然因素(如降水、氣溫、土壤條件)和社會經濟因素(如人口、城市化、政策等)的影響不同,不同地區土壤鹽漬化程度不同。2006—2020年非鹽漬化面積較穩定,保持在60%左右,輕度鹽漬化和中度鹽漬化呈現下降趨勢。然而,隨著人類活動的增加,該區的荒地被不透水表面所取代,從而導致鹽土的面積呈現上升趨勢,年增長率約1.5%。

3.2 黃河三角洲濕地生態環境質量狀況

本文選取的2006年到2020年河東區和墾利區的EI與OWBEI對比結果如表6所示。由表6可知,河口區2006年到2020年EI結果與OWBEI結果一致都為較差。墾利區2006年到2017年的EI結果與OWBEI一致都為一般,但2020年EI結果為一般,OWBEI結果為較差存在誤差。綜上,EI的結果與OWBEI結果總體一致。

表6 2006年到2020年EI與OWBEI對比結果

3.3 黃河三角洲土壤鹽漬化對生態環境質量的影響

土壤鹽漬化的變化會產生一系列的物理和化學作用。以現黃河入海口為例(圖6、圖7和圖8),結合各生態指標變化情況(圖9)分析土壤鹽漬化的變化對生態環境質量狀況的影響機制。

(a) 2006年 (b) 2012年 (c) 2017年 (d) 2020年

(a) 2006年 (b) 2012年 (c) 2017年 (d) 2020年

圖9 現黃河入海口各生態指標的平均值

如圖7所示,2006—2020年非鹽漬化面積波動不大,輕度鹽漬化、中度鹽漬化和重度鹽漬化面積不斷減少。然而,鹽土面積卻在增加,相應位置的生態環境質量也較周圍較差(圖8)。2009年以來國家相繼出臺各種政策,對黃河三角洲地區的鹽漬化進行治理,有計劃地對荒堿地進行開發治理及改造中低產田。從圖9可知,經過治理該區的2006—2012年該區的植被數量得到了升高,植被的顯著增加導致地表水分蒸發減緩并且空氣濕度也顯著升高,總體生態環境質量明顯上升。因此,由于土地鹽漬化使得多數生態指標都朝向有利的方向發展,如LST和NDLI,最終導致整體生態環境改善。

然而,2012—2020年該區由于鹽土面積的增加,植被數量驟減,導致地表水分蒸發加快并且空氣濕度也顯著降低,最終導致黃河入海口的總體生態質量狀況下降。圖9中的NDSI和OWBEI也證實了這一結論。

綜上可知,土壤鹽漬化作為濱海濕地的突出特征對生態環境質量影響明顯,在未來濕地治理方面應更加注重對土壤鹽漬化的問題的解決,以期間接改善濱海濕地的生態狀況。

4 結論

本文通過構造虛擬鹽漬化基線,增強了鹽漬化土壤的光譜特征,有效抑制濱海濕地不透水面、裸土等復雜地物的影響。BSSI的構建有效提高了地表鹽漬化反演精度,為土壤鹽漬化監測提供了一種新的可靠指數。此外,本文將HSVI應用到多光譜領域,解決了WBEI在濕地區域植被監測不準確問題,建立新型濕地生態評價方法OWBEI,提高濕地區域生態環境反演精度。

BSSI和OWBEI的結合形成了一整套土壤鹽漬化對濱海濕地生態環境質量影響機制分析體系。分析掌握土壤鹽漬化對濱海濕地生態環境質量的影響機制,為濱海濕地的區域治理提供科學的數據支撐。未來將在此工作的基礎上將研究內容遷移到鄱陽湖濕地以驗證不同濕地在該體系上的適用性。