土壤盐渍化的遥感监测方法及应用

赵剑桥

[摘要]遥感监测在实际研究应用中具有适用范围广、周期短、监测速度快的优势，目前作为主要的检测方法广泛应用于土壤盐漬化监测。土壤盐渍化的遥感监测方法一般有直接方法与间接方法。前者是直接解译盐渍化土壤光谱；后者是根据植被特征、土壤温度、土壤水分、地表阻抗等间接反演土壤的盐渍化特征。由于两种方法均有局限性，所以近年来在土壤盐渍化的遥感监测研究中，单纯应用直接或间接方法的并不多见，一般是采用两者相结合的综合方法。

[关键词]土壤盐渍化；遥感监测；直接方法；间接方法

[中图分类号]TP75 [文献标识码]A

1 土壤盐渍化及其成因

土壤盐渍化是指土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后使盐分积累在表层土壤中的过程。盐渍土是在一定的环境影响下，气候变化、地形起伏、水文等自然因素对水和盐运动作用的结果。在降水稀少、蒸发强度大、地下水中含有较多可溶性盐类及比较平坦的地区，盐渍化频繁发生在地下水位过高或者径流的低流速且汇聚到一起的地段。地下水位高过临界深度、土壤强烈蒸发导致的毛细管作用使水携带盐分向上运动，使其中所含盐分逐渐在地表停留，当土壤含盐量过高（超过3%）时，形成盐渍土。

现今社会土壤盐渍化恶化加剧，一方面是因为自然原因造成的土地退化，具体表现为土地裸露、植被稀疏，缺少生机，危及用地安全，是世界性资源问题与生态问题，是需要全球共同应对的环境危机；另一方面由于土地利用开发的不科学、不规范，引起水文地质自然条件恶化，破坏土壤结构进而造成土壤次生盐渍化，既造成资源的破坏，又降低农业生产效益，威胁社会经济和生态环境良性发展。人类可以通过采用各种措施，改变环境条件，改善土壤盐渍化。受各种客观因素制约，盐渍化治理比较困难，土壤盐渍化的治理问题已经成为全球性的研究热点。

2 土壤盐渍化的遥感监测方法

遥感监测在实际研究应用中具有适用范围广、周期短、监测速度快的优势，近年来作为主要的检测方法广泛应用于土壤盐渍化监测。通过遥感手段获取有关盐渍土的光谱曲线、范围分布等方面的及时有效的信息，对盐渍化土壤的监测以及防治，促进生态环境的保护很有意义。随着高光谱成像技术的发展，很多学者成功利用其丰富细致的电磁波波段信息，定量化提取土壤盐分，无论实测高光谱还是高光谱卫星影像获得的数据具备大量空间、辐射和光谱信息，比宽波段遥感监测更能探测土壤光谱的细节变化，提取敏感波段。

此外，通过遥感方法监测土壤盐渍化状况，在实际研究中都要涉及非遥感数据，包括研究区的地形图、土地利用现状图、土壤图与土壤调查报告、气象资料（包括逐日降水量和日均气温数据等，可从中国气象数据共享服务网站下载），以及土壤盐分样品、土壤含水率和土壤含盐量等数据。一般通过野外调查及实验室分析而获取这些资料。

2.1 直接方法

初期的遥感监测土壤盐渍化是直接解译盐渍化土壤光谱。由于盐渍化土壤有盐分积累、结晶，形成盐壳或盐皮，地表发白，地表反射率高，有特殊的光谱曲线。当植被覆盖度低于25%～35%时，土壤的光谱特征差别明显，盐分含量越高，光谱反射能力越强，在影像图中呈浅色或灰白色，易于识别。所以在解译遥感影像时，根据影像白色色调的多少可以区分出土壤盐渍化的不同程度。

扶卿华等认为，直接方法中土壤盐渍化监测的关键步骤是数据源选择、最佳波段选择与组合、盐渍化特征信息提取与分析。其中，盐渍地光谱特征分析是最为重要的步骤，很多学者对盐渍地光谱特征进行了研究。王颖在北京市野鸭湖湿地土壤盐渍化遥感监测与动态分析中，利用LandsatTM遥感影像，分析野鸭湖湿地盐渍化土壤的光谱特征。遥感影像经过穗帽变换，能够准确反映盐渍化土壤在影像上的光谱特征，真实反映盐渍化土壤状况，其信息保留比较突出。研究表明，在1998～2004年间，野鸭湖湿地土壤盐渍化整体呈缓慢升高—急速下降—急速升高的趋势。

近年来学界在应用不同遥感图像处理识别土壤盐渍化信息上取得了很多成果。不过随着对监测和制图要求的提高，直接方法的局限性日益显现。一是土壤诊断性的光谱信息十分弱，即在量化土壤盐渍化上突破有限。二是土壤水分、土壤有机质及区域气候特征等影响监测的准确性。三是土壤光谱易与其他地物光谱混合，在生长季植被覆盖度过高时，直接影响盐渍化土壤的光谱特性，使得识别精度下降；而且为了避开植被的影响，监测时间也受到限制。

2.2 间接方法

间接方法主要是根据植被特征、土壤温度、土壤水分、地表阻抗等来间接反演土壤的盐渍化特征，目前大多是依据植被特征来反演。

如前所述，仅依靠直接方法定量监测土壤光谱信息，难以正确反映土壤盐渍化的真实情况，所以为了提高信息提取的精度，应当综合考虑遥感图像像元内的土壤与植被信息。利用植被光谱监测土壤盐渍化的理论依据是：在个体水平上，受盐分胁迫的植物形态（叶面积、干重、湿重、根长及植被高度等）会发生适应性变化；在群落水平上，盐生和耐盐植物群落的多样性、盖度、优势度等，都会随植物对盐分的适应性而变化。遥感探测器能够探知和描述植被这一系列生理生态响应所产生的特殊光谱反应。

因此，用植被光谱信息间接反演土壤的盐渍化特征，可以消除直接监测土壤光谱信息的局限性，保证土壤盐渍化监测的有效性；同时监测时间也不再受到限制，可以在生长季监测土壤盐渍化，确保监测的连续性和及时性；而且植被光谱信息还有助于评估土壤盐渍化风险。

近年来很多土壤盐渍化的遥感监测研究是通过地表植被信息间接推断土壤盐渍化情况。如王飞等在研究中同时考虑土壤与植被信息，分析归一化差值植被指数与盐分指数之间的关系，基于两者特征空间构建了土壤盐渍化遥感监测指数模型。研究表明，土壤表层含盐量与该指数模型相关较高，该指数模型能够很好地区分研究区内不同盐渍化程度地类的分布范围。陈实等基于MODIS数据，利用归一化植被指数和盐分指数的二维特征空间关系，结合盐渍化对植被信息的间接影响，建立土壤盐渍化遥感监测模型，分析2000～2014年北疆农区的土壤盐渍化及其空间动态变化，研究表明，土壤盐渍化遥感监测指数能够描述北疆农区的土壤含盐量；北疆农区土壤盐渍化空间特征呈现总体逆转、局部严重发展的态势。

利用植被特征反演土壤盐渍化程度，是土壤盐渍化遥感监测研究中普遍使用的方法。但是以植被为间接因素进行土壤盐渍化监测通常集中于地上植被光谱特征，而植被的生物物理特性及根部对土壤盐渍化的影响程度尚待研究。而且影响植被生长状况的因素非常复杂，并非仅由土壤的盐渍化决定，因此间接方法也有其明显的局限性。

3 结语

实际上，近年来在土壤盐渍化的遥感监测研究中，单纯应用直接或间接方法的并不多见，一般是使用综合方法，即采用直接与间接相结合的方法，并辅助相关数据信息，通过综合分析进行土壤盐渍化的遥感监测。综合方法包含的信息量最全，集中了直接方法与间接方法的长处，弥补了两种方法的不足，是目前土壤盐渍化遥感监测方法研究中的新方向。但是综合方法也存在变量过多、实际应用中过于繁琐复杂的缺陷。

虽然遥感数据的时间、空间、光谱分辨率在提高，土壤盐渍化遥感监测方法不断发展，土壤盐渍化的遥感反演研究也取得了很多成果，但是仍存在诸如主要解析土壤表层盐分，较少关注整体剖面盐分动态；各种信息提取方法结果不确定，其通用性及定量化尚待改进等问题。今后应当进一步研究影响土壤光谱特征的各种客观自然因素，分析其对盐渍化信息提取精度的影响，以优化盐渍化估算模型，提高模型预测的精度。同时将遥感与电磁感应技术相结合，研究土壤盐分时空变异特征，是监测土壤盐分的新方法。

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