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(xué)地理科學(xué)學(xué)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(xiàn)象或過程，也被稱作鹽堿化。在干旱、半干旱和半濕潤區(qū)域土壤鹽漬化是土地退化表現(xiàn)形式中最常見的，當(dāng)前己成為全世界共同關(guān)注的環(huán)境性問題，也是全人類面臨的資源問題和生態(tài)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要威脅。即使少量存在，可溶性鹽也會導(dǎo)致土壤肥力下降，同時還會抑制農(nóng)作物正常生長，從而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量大大降低[2]。這使得許多土地被擱置，畜牧力下降，并且嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化[3]。因此，對土壤鹽度的監(jiān)測尤為重要。

以往的研究發(fā)現(xiàn)，影響鹽堿地光譜特征的環(huán)境因素很多，如土壤有機(jī)質(zhì)、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(jiān)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(jié)合，建立了鹽度反演模型。研究結(jié)果表明，綜合影響遙感影像光譜特征的環(huán)境指標(biāo)可以提高鹽度反演的精度。然而，很少有人關(guān)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(xiàn)結(jié)果。所以，監(jiān)測土壤濕度的變化是更直接更有效的一種綜合表現(xiàn)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(jiān)測土地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一，它與農(nóng)作物及植被的生長發(fā)育狀況都是密切相關(guān)的，因此通過遙感技術(shù)深入挖掘土壤濕度的信息，對于土壤的進(jìn)一步退化以及維護(hù)區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，同時為為政府及農(nóng)業(yè)部門防災(zāi)減災(zāi)、確保生態(tài)農(nóng)業(yè)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(fā)能夠使地表溫度降低[6]，所以很多學(xué)者以此為切入點(diǎn)對三者的空間關(guān)系進(jìn)行了研究。Sandholt[7]等研究發(fā)現(xiàn)，在地表溫度(LST)- 歸一化差異植被指數(shù)(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(shù)（TVDI），其表達(dá)式為：

式中，TVDI 為溫度植被干旱指數(shù)；Ts 為任意像元地表溫度；Tsmin為最小地面溫度，對應(yīng)的是濕邊；Tsmax為最大地面溫度，對應(yīng)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(jìn)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(shù)。

圖1 溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)特征空間示意圖

得到土壤濕度空間分布圖后，進(jìn)一步根據(jù)國家水利部制定的干旱等級標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)劃分為5 個不同濕度梯度的區(qū)域。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)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(qū)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(guān)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(jié)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(shù)據(jù)來源及處理

圖2 研究區(qū)概況

本研究選取2015 年4 月20 日的Landsat-8 OLI 影像。該數(shù)據(jù)源來自美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS http://glovis.usgs.gov/），在網(wǎng)站上可以免費(fèi)下載，可下載的數(shù)據(jù)基本能覆蓋全球。于2015 年4 月下旬進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，時間基本與遙感影像的獲取時間同步。根據(jù)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(jì)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(jìn)行精確定位。為保證采樣的精確性，我們采用了四點(diǎn)取樣法。取一個中間樣點(diǎn)并在其四周以10m 為間隔再取三個樣點(diǎn)，角度為120 度。這樣做可以使采樣點(diǎn)具有均勻性和代表性。

3 結(jié)果與分析

利用干、濕邊擬合出的方程結(jié)合從影像中提取出的TVDI 空間分布圖，進(jìn)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(shù)和土壤濕度可以得到兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)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(diǎn)位置相對應(yīng)的數(shù)值，再同野外實(shí)測的數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，有95%的采樣點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)通過了0.01 水平（雙側(cè)）顯著性檢驗(yàn)，表明用TVDI 反演的結(jié)果能夠較好的反映土壤濕度的情況（圖4）。

4 結(jié)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(chǎn)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(fā)、土壤鹽堿化程度日益加劇、農(nóng)業(yè)干旱綜合態(tài)勢較為嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅國家糧食安全。因此，土壤濕度的監(jiān)測顯得尤為重要。研究結(jié)果表明：a.結(jié)合Landsat-8 OLI 影像提取的溫度植被干旱指數(shù)，可以較準(zhǔn)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(shí)測得到的土壤濕度值進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著土壤濕度值的增加，TVDI 值呈現(xiàn)出減小的趨勢。

圖3 基于土壤濕度分級的干旱等級圖