韓麗娜

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

土壤鹽漬地變化主要是區(qū)域人類活動影響產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境變化，已成為當(dāng)前重要的生態(tài)問題，得到廣泛關(guān)注和研究[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，58%的鹽漬地變化主要發(fā)生在干旱地區(qū)的主要灌區(qū)內(nèi)，而土壤鹽漬地變化最為直接的影響在于農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出量，我國旱區(qū)農(nóng)業(yè)受到土壤鹽漬地影響較大。對區(qū)域水鹽時(shí)空變化的分析對于灌區(qū)土壤鹽漬地變化評估十分有效[2]。傳統(tǒng)對于灌區(qū)水鹽分析主要通過實(shí)地調(diào)查，結(jié)合采樣土壤鹽分分析，對其水鹽變化進(jìn)行表征，這種方式存在一定的以點(diǎn)代面的局限，不能很好的表征整個區(qū)域水鹽時(shí)空的變化[3]。近些年來，遙感數(shù)據(jù)逐步在水利領(lǐng)域得到應(yīng)用[4-9]，通過波段反射率的分析提取相應(yīng)指標(biāo)，從而對其空間變化特征進(jìn)行反演[10-15]。但遙感數(shù)據(jù)在灌區(qū)水鹽空間變化特征中的分析應(yīng)用還較少，為此本文結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，以遼寧西部旱區(qū)某灌區(qū)為研究實(shí)例，通過遙感數(shù)據(jù)對其區(qū)地表鹽分、土壤含鹽量、地下水礦化度、地表灌水量、地下水埋深等5個指標(biāo)進(jìn)行空間反演，從而分析其對區(qū)域土壤鹽漬地變化的影響。研究成果對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境修復(fù)規(guī)劃具有重要的參考價(jià)值。

1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像預(yù)處理的目的是增強(qiáng)遙感影像信息表達(dá)能力，使遙感影像更為清晰，目標(biāo)物體的標(biāo)志更明顯突出，提高信息提取精度。遙感影像預(yù)處理包括輻射校正、幾何校正、圖像增強(qiáng)處理。

1.1 光譜增強(qiáng)處理

選用Landsat5衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量3個指標(biāo)的提取，首選需要對各波段數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜增強(qiáng)處理，結(jié)合光譜特征向量分析方法對7個成分進(jìn)行光譜增強(qiáng)處理，處理分析結(jié)果見表1。

從分析結(jié)果可看出，7個成分中第一和第二成分的方差百分比最高，隨后方差百分比逐步降低，可見通過光譜增強(qiáng)處理后，其光譜波段主要集中在前兩個成分中，從其特征向量可看出，前兩個成分下其方差特征向量總體變幅較小，而從第三個成分到第七個成分，其特征向量的變幅逐步加大，但通過光譜增強(qiáng)處理后，波段特征性得到加強(qiáng)。

1.2 遙感影像波段選擇試驗(yàn)

波段選擇是提取各指標(biāo)要素的關(guān)鍵，通過光譜信息統(tǒng)計(jì)、不同波段方差分析以及相關(guān)分析對波段進(jìn)行選擇，選擇試驗(yàn)結(jié)果見表2—4。

亮度差和標(biāo)準(zhǔn)差是評價(jià)各波段光譜信息的最佳指標(biāo)，從表2中分析結(jié)果可看出，第一波段標(biāo)準(zhǔn)差和亮度差最大，在5個波段中屬于最佳波段，而第4波段中亮度差和標(biāo)準(zhǔn)差最低，屬于最低波段，因此主要選取第一波段進(jìn)行指標(biāo)的光譜特征的分析。從各波段的協(xié)方差分析結(jié)果可看出，第一波段和第二波段的總協(xié)方差值最大，其次為第二波段和第三波段的協(xié)方差值。從各波段的相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果可看出，第一波段和第二波段由于協(xié)方差值較大，因此其相關(guān)系數(shù)也較大，隨著波段的遞增，其相關(guān)系數(shù)也逐步降低。綜合以上分析結(jié)果，建議主要以第一波段和第二波段進(jìn)行地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量指標(biāo)的特征分析。

表1 區(qū)域不同指標(biāo)光譜增強(qiáng)處理結(jié)果

表2 各指標(biāo)波段光譜信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 不同波段協(xié)方差分析結(jié)果

表4 不同波段相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

1.3 光譜特征處理

在波段選擇的基礎(chǔ)上，對地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量3種指標(biāo)進(jìn)行光譜特征的分析，處理分析結(jié)果見表5。

表5 各指標(biāo)不同波段下的光譜特征采樣點(diǎn)分析結(jié)果

從表5中可看出，地表鹽分指標(biāo)下其波段統(tǒng)計(jì)值在12～63之間變化，波段光譜特征變幅較大。而土壤含鹽量主要表征為土壤10cm以下的含鹽量，通過光譜增加處理后，可實(shí)現(xiàn)其波段的提取，從其不同波段下統(tǒng)計(jì)值可看出，總體在14～61之間變化，可滿足指標(biāo)光譜特征的有效提取。從地表灌水量處理分析結(jié)果可看出，不同波段下其光譜特征值總體在19～57之間變化，由于地表灌水量的光譜特性加強(qiáng)，因此其光譜特征值變幅相比于其他指標(biāo)較小。

2 研究實(shí)例

2.1 灌區(qū)及數(shù)據(jù)概況

本文以遼寧西部某灌區(qū)為研究實(shí)例，灌區(qū)總灌溉面積為2435hm2，區(qū)域干旱且降雨偏少，降雨主要集中在夏季，多年平均降水量為500～650mm。受到人類活動影響，灌區(qū)的土壤鹽漬較為明顯，通過遙感數(shù)據(jù)分析，區(qū)域鹽漬面積有逐年增長的變化趨勢，土壤鹽漬已經(jīng)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生較為明顯的制約。為了對灌區(qū)水鹽空間變化進(jìn)行有效表征，本文主要選取地表鹽分、土壤含鹽量、地下水礦化度、地表灌水量、地下水埋深等5個指標(biāo)進(jìn)行分析，選取灌區(qū)4個典型年份作為代表性進(jìn)行分析，分別為1995年、2005年、2010年、2015年，分別選用Landsat5衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過遙感數(shù)據(jù)處理方法，提取地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量3個指標(biāo)空間演變過程，地下水礦化度及地下水埋深通過采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)插值分析得到。

2.2 指標(biāo)提取精度分析

結(jié)合采樣點(diǎn)提取的指標(biāo)數(shù)據(jù)，對遙感數(shù)據(jù)分析的指標(biāo)精度進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表6。

從表6中可分析出，采用遙感數(shù)據(jù)對地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量進(jìn)行提取后，各代表年份的總體精度可在55%～67%之間，相關(guān)系數(shù)均可在0.55以上，總體精度較高，且隨著年份的遞增，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)質(zhì)量也在逐步提高，使得其指標(biāo)提取的精度在逐步提高。

表6 遙感提取指標(biāo)的精度分析結(jié)果

2.3 灌區(qū)土壤含鹽量空間分布特征

結(jié)合不同代表年份的遙感數(shù)據(jù)，對其代表年份的土壤含鹽量空間分布特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1所示，并對不同等級土壤含鹽量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表7。

表7 各代表年份不同等級土壤含鹽量的面積百分比劃分結(jié)果 單位：%

對4個代表年份的土壤含鹽量進(jìn)行了空間分析，從土壤含鹽量空間變化特征可分析出，土壤含鹽量總體呈現(xiàn)東高西低的變化趨勢。隨著代表年份的增加，土壤含鹽量在0～1.0%之間的變幅較大，而在2.0%～2.5%之間的總體變幅較小。從表7中可分析出，土壤含鹽量在1.5%～2.5%的從1995年開始，面積比例逐年減少，而含鹽量在0.5%～1.0%區(qū)域面積比例從2005年開始逐年遞增。

圖1 不同代表年份土壤含鹽量空間特征分析結(jié)果

圖2 不同代表年份地下水礦化度空間特征分析結(jié)果

2.4 灌區(qū)土壤含鹽量空間分布特征

結(jié)合地下水礦化度監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對其代表年份的地下水礦化度空間分布特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示，并對不同等級地下水礦化度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表8。

表8 各代表年份不同等級地下水礦化度的面積百分比劃分結(jié)果 單位：%

對4個代表年份的地下水礦化度進(jìn)行了空間分析，從地下水礦化度空間變化特征可分析出，其地下水礦化度總體呈現(xiàn)南高北低的變化趨勢。隨著代表年份的增加，地下水礦化度在1.0～3.0g/L之間的變幅較大，而在0～1.0g/L之間的總體變幅較小。從表8中可分析出，地下水礦化度在0～1.0g/L的從2005年開始，面積比例逐年減少，而地下水礦化度3.0～5.0g/L區(qū)域面積比例從1995年開始逐年遞增。

2.5 灌區(qū)地表灌水量空間分布特征

結(jié)合地表灌水量遙感數(shù)據(jù)，對其代表年份的地表灌水量空間分布特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示，并對不同等級地表灌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表9。

表9 各代表年份不同等級地表灌水量的面積百分比劃分結(jié)果 單位：%

對4個代表年份的地表灌水量進(jìn)行了空間分析，從地表灌水量空間變化特征可分析出，其地表灌水量總體呈現(xiàn)東高西低的變化趨勢。隨著代表年份的增加，地表灌水量在(20～50)×104m3之間的變幅較大，而在(90～110)×104m3之間的總體變幅較小。從表9中可分析出，地表灌水量在(70～90)×104m3的從2005年開始，面積比例遞減十分明顯，而地表灌水量在(20～50)×104m3區(qū)域面積比例從2005年開始顯著遞增。

2.6 灌區(qū)地下水埋深空間分布特征

結(jié)合地下水埋深監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其代表年份的地下水埋深空間分布特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖4，并對不同等級地下水埋深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表10。

表10 各代表年份不同等級地下水埋深的面積百分比劃分結(jié)果 單位：%

對4個代表年份的地下水埋深進(jìn)行了空間分析，從地下水埋深空間變化特征可分析出，其地下水埋深總體呈現(xiàn)北高南低的變化趨勢，這主要和區(qū)域降水補(bǔ)給有關(guān)，區(qū)域降水量總體呈現(xiàn)北高南低空間分布，使得區(qū)域地下水埋深也相應(yīng)變化。隨著代表年份的增加，地下水埋深在6～8m之間的變幅較大，而在3～5m之間的總體變幅較小。從表9中可分析出，地下水埋深在8～10m的從2005年開始，面積比例遞增顯著，其他等級地下水埋深變化程度較弱。

2.7 灌區(qū)水鹽總當(dāng)量空間特征

結(jié)合水鹽分析數(shù)據(jù)，對其代表年份的水鹽總當(dāng)量值空間分布特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示，并對不同等級水鹽總當(dāng)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表11。

表11 各代表年份不同等級水鹽總當(dāng)量值的面積百分比劃分結(jié)果 單位：%

圖4 不同代表年份地下水埋深空間特征分析結(jié)果

圖5 不同代表年份水鹽總當(dāng)量值空間特征分析結(jié)果

對4個代表年份的水鹽總當(dāng)量值進(jìn)行了空間分析，從水鹽總當(dāng)量值空間變化特征可分析出，其水鹽總當(dāng)量值總體呈現(xiàn)南高北低的變化趨勢，這主要和區(qū)域農(nóng)作物分布有關(guān)，區(qū)域農(nóng)作物主要分布在北部區(qū)域，使得區(qū)域水鹽總當(dāng)量值也相應(yīng)變化。隨著代表年份的增加，水鹽總當(dāng)量值在5.0～7.5之間的變幅較大，而在1.5～2.5之間的總體變幅較小。從表11中可分析出，水鹽總當(dāng)量值在5.0～7.5的從2005年開始，面積比例逐步遞增，水鹽總當(dāng)量值在7.5～9.0的從2005年開始，面積比例逐步遞減。

圖6 不同代表年份土壤鹽漬化程度空間特征分析結(jié)果

2.8 灌區(qū)土壤鹽漬化程度空間特征

在以上指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，對其代表年份的土壤鹽漬空間分布特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6所示，并對土壤鹽漬程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表12。

表12 各代表年份不同土壤鹽漬程度的面積百分比劃分結(jié)果 單位：%

對4個代表年份的土壤鹽漬程度進(jìn)行了空間分析，從土壤鹽漬程度空間變化特征可分析出，重度鹽漬化區(qū)域主要分布在西南部區(qū)域，這區(qū)域土壤鹽含量也較高，輕度鹽漬化區(qū)域主要分布在東北部區(qū)域，這部分區(qū)域水鹽含量較低，而中度鹽漬化變化范圍較為廣泛。隨著代表年份的增加，重度土壤鹽漬程度區(qū)域有所增加，而輕度土壤鹽漬區(qū)域面積有所減少。從表12中可分析出，輕度土壤鹽漬區(qū)域面積比例從1995年開始，逐步遞減，而重度鹽漬面積比例在2010年出現(xiàn)高值，總體呈現(xiàn)遞增變化。

3 研究結(jié)論

(1)地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量指標(biāo)遙感波段統(tǒng)計(jì)最大值應(yīng)在57～63之間，且應(yīng)以第一、二波段為主，含鹽量主要表征為土壤10cm以下的含鹽量。

(2)基于土壤鹽漬化程度空間結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤鹽漬化程度區(qū)劃分析，為區(qū)域生態(tài)修復(fù)提高重要規(guī)劃依據(jù)，在規(guī)劃時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地表鹽分和地下水礦化度對土壤鹽漬化的影響。

(3)提出一種基于多因子空間疊加分析區(qū)域土壤鹽漬化程度的新方法，解決傳統(tǒng)方法以點(diǎn)代面且因子較為單一的局限。

(4)針對現(xiàn)狀年的土壤鹽漬化進(jìn)行分析，在以后的研究中，還應(yīng)結(jié)合因子趨勢預(yù)測結(jié)果，對其未來土壤鹽漬化變化趨勢進(jìn)行分析。