基于遥感技术的内蒙古自治区河套-土默川平原耕地盐碱化监测

常屹冉，魏嘉诚，段 瑞，齐岩军

（内蒙古自治区测绘地理信息中心，内蒙古自治区 呼和浩特 010051）

土壤盐碱化是当前全球性的生态环境问题之一，也是我国干旱、半干旱区域所面临的主要生态问题，严重影响着当地粮食增产、农牧民增收及现代农业和畜牧业的发展。随着遥感对地技术的发展，被广泛应用到土壤盐碱化监测中。Metternicht研究了土壤盐碱化结壳和其他地表结壳结构的光谱混淆问题，发现总体上非盐碱化结壳的反射率相对较低[1]。Taylor 和Dehaan 使用高光谱数据对盐碱化土壤进行分类研究，发现个别波长处的微弱水吸收特征对改进盐碱土制图十分重要[2]。Dwivedi和Rao则分析了盐碱土遥感分析中的最优波段组合问题[3]。国内方面，彭望碌利用TM 数据通过缨帽变化对土壤盐碱化进行了空间分析[4]，关元秀使用改进后的监督分类方法提取了黄河三角洲地区盐碱分布信息[5]。随着在轨卫星个数增加，光谱信息的增多，回访周期的变短，通过遥感技术可以实现对土壤盐碱化宏观、动态、快速监测，从而获取盐碱化土地的性质、空间分布与盐碱化程度等方面的信息。本文利用遥感技术对2006 年—2014 年河套地区耕地盐碱化情况进行监测，为地区“改盐增粮”工程提供数据支撑。

1 研究区域概况

河套-土默川平原位于北纬40°27′~41°20′，东经106°35′~109°53′，巴彦淖尔市辖区内，北抵阴山、南临黄河、西至磴口县界、东至乌拉特前旗界、东南至包头市郊区。主要区域包含：磴口县、杭锦后旗、临河区、五原县、乌拉特前旗、乌拉特中旗，总面积约1.59×104km2，地势由西南向东北倾斜，洪积平原面积约占总面积的25%，其他为黄河冲积平原。山地向平地过渡较快，因此丘陵地较少。平地地势平坦，高差变化较小。该区域属于典型的大陆性半湿润半干旱气候，四季气候变化明显，年温差大，日温差也大，年平均气温为6.7℃。

2 研究方法

2.1 野外实测样方采集

野外采样的时间选择直接影响到反演结果的准确性。植被茂盛的季节，遥感影像的大部分区域无法直接反映土壤表面的反射率值。而在降雨量丰富的季节，土壤表层的盐分又会被淋融到土壤深层。因此盐渍化采样中土壤样品的采集选在每年的春季（4月）和秋季（10月）采集。土壤样品采集选用多点混合采集方法，在50 m×50 m的采样单元范围内均匀混合2~4 份表层0~10 cm 的土壤样本，最后用电导率法求出样点土壤中可溶盐分总量。本文以土壤含盐量作为土壤盐碱化分级标准（见表1），把研究区耕地土壤盐碱化程度分为轻度及未盐碱化、中度盐碱化和重度盐碱化3种，研究区内耕地范围来源地理国情普查数据。

表1 研究区土壤盐碱化分级标准Tab.1 Classification standard of soil salinization in study area

2.2 遥感数据处理

主要使用了Landsat5TM 和Landsat8 OLI 卫星数据，其具有7 个全色波段，多光谱分辨率为30 m，回访周期为16 d，可以有效地反映研究区地表特征。通过辐射定标、大气校正，正射校正、几何校正和投影信息转换等处理，得到覆盖研究区2006年、2009年和2014年的春秋两季遥感影像数据。

2.3 反演模型构建

统计研究区域样点数据的光谱反射率曲线，可以看出曲线总体形态和趋势是一致的，TM 影像从Band1 到Band4、Band5 呈上升趋势，而从Band5 到Band7 呈下降趋势；OLI 影像从Band1 到Band5、Band6 呈上升趋势，而从Band6 到Band7呈下降趋势。通过SPSS 软件计算各坡段和样点盐度值的相关性，选取相关性大的波段。然后对相关波段反射率进行倒数、对数、对数倒数并对其进行一阶、二阶导数微分等15种变换方式。结果表明，TM 影像的Band5、Band7 和OLI 数据的Band5、Band6、Band7 与耕地水溶性全盐量相关性比较大，相关系数可达0.671，且变化方式中对数倒数和倒数的一阶微分有效提高了相关系数。

根据各波段与盐碱度的相关性，确定TM影像选用Band5和Band7 进 行 盐 碱 度 反 演，OLI 数 据 选 用Band5、Band6 和Band7 进行盐碱度反演，并对波段进行了15 种算法计算，采用多元回归线性函数进行模型构建和反演，根据含盐量对反演结果进行不同程度盐碱化耕地类型分类。反演结果见表5，根据外业采集的验证样方数据进行精度评定，2006年分类精度为78.1%、2009年为77.6%、2014年为83.6%；精度皆达到了75%以上，有效支撑了河套-土默川平原耕地盐碱化监测工作。

3 成果与分析

3.1 盐碱化耕地面积变化分析

通过反演分类后，获得研究区2006年、2009年和2014年不同程度盐碱耕地面积，对比发现区内耕地盐碱化以非和轻度化为主，其次为中度，重度最少，不同程度盐碱化耕地内部占比相对稳定。

从转移面积上来看：①非盐碱和轻度盐碱地面积呈现减少趋势，但盐碱耕地面积增加。2006 年—2009 年，非和轻向中度盐碱耕地转入和转出面积大致一致，但重度盐碱耕地增加面积大于重度盐碱耕地改良面积。2009年—2014年，非和轻度向中度盐碱耕地转移面积较大，转移出1 284.04 km2，并有45.69 km2的耕地变为非耕地。重度盐碱耕地改良面积大于转入重度盐碱耕地的面积。②非和轻与中度盐碱耕地转换最为剧烈，且中度盐碱耕地面积呈现增加趋势。③重度盐碱耕地呈现先增加后减少的趋势。2006 年—2009 年重度盐碱耕地与中度盐碱耕地之间转入、转出面积几乎一致，但非盐碱和轻度盐碱地转入面积大于转出面积，造成重度盐碱耕地面积增加。2009年—2014年，重度盐碱耕地转出面积皆大于转入面积，使得重度盐碱耕地面积减少。但是非耕地盐碱化土地被开垦是重度盐碱耕地主要增加方式，其中2006年—2009年开垦面积可达110.93 km2。

变化速率上来看：2006 年—2009 年耕地盐碱化速度为386.47 km2/a，2009 年—2014 年为386.11 km2/a。其中非和轻度到重度的速度从169.75 km2/a降低到129.3 km2/a，耕地恶化的速度大幅减少。

表2 2006年—2014年不同程度盐碱化耕地面积变化的转移距阵Tab.2 The shift distance matrix of cultivated land area change with different de‐grees of salinization from 2006 to 2014 km2

3.3 盐碱化耕地变化热点分析

对研究区2006年—2009年和2006年—2014年的盐碱化耕地位置变化和面积进行变化热点分析可以发现：磴口县和乌拉特前旗盐碱程度最大，临河区、五原县次之，乌拉特中旗和杭锦后旗较好。2006 年—2009 年除了乌拉特前旗和临河区内非和轻度盐碱地有所增加、中度盐碱耕地减少，其他旗县非和轻度盐碱地都在减少、中度盐碱耕地都在增加；除了磴口县外，其他旗县重度盐碱耕地面积都在增大。2009年—2014 年除了乌拉特前旗和乌拉特中旗内非和轻度盐碱地有所增加，其他旗县非和轻度盐碱地都在减少；全监测区内的中度盐碱耕地面积都在增加；除了磴口县外，其他旗县重度盐碱耕地面积都在减少。

图1 2006年—2014年盐碱化耕地变化热点Fig.1 Hot spots of saline-alkali cultivated land change from 2006 to 2014

4 结论与讨论

本文探讨了运用Landsat 系列卫星数据对河套-土默川平原耕地盐碱化情况进行了监测。通过野外样点实测盐度值与光谱反射率曲线的15种变化方式进行相关性分析，采用多元回归线性函数进行模型构建和反演，并根据含盐量对反演结果进行不同程度盐碱化耕地类型分类，通过精度评定，整体分类精度优于77.6%。可以有效的支撑区域盐碱化监测，并为其他干旱半干旱区域盐碱化监测提供思路。

监测结果表明，河套平原2006 年—2014 年，非盐碱地和轻度盐碱耕地面积呈现持续减少的趋势，中度盐碱耕地面积呈现先降后增的趋势，而重度盐碱耕地面积呈现先增后降的趋势，表明该地区盐碱化耕地面积正在逐年增大，但是耕地盐碱化程度有所降低。分析导致该变化的主要原因是自然盐碱地变化和人为治理相互作用的结果。因此，建议加强河套平原农业基础设施建设，维护灌区内排干系统，加大节水灌溉、深松深翻、平地缩块、秸秆还田、上膜下秸、薄膜滴灌等技术的推进。并针对不同程度（轻、中、重）盐碱耕地，突破传统仅以排盐洗盐来改良盐碱的方法，探索种植耐盐碱植物等生物改良技术和化学改良技术，为全面治理盐碱土地提供技术支撑。