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滨海平原区土壤盐分反演及时空演变研究

潘肖燕  
【摘要】:土壤盐渍化严重制约着农业可持续发展和生态安全,快速获取土壤盐分含量、特征及时空演变信息可以为农作物有效土层盐渍化的改善和修复提供科学依据。针对滨海平原区盐渍土特性,选取黄骅市作为研究区,以OLI/Landsat-8遥感图像为数据源,将短波红外波段引入到传统的植被指数和盐分指数中,并分别提出了对应的改进型指数;针对植被、盐分两方面的传统指数和改进型指数,分别采用多元逐步回归和支持向量机方法构建盐分反演模型,并对预测结果进行验证对比分析,以便筛选出最佳指数和最优土壤盐分反演模型;最后基于最优指数模型对研究区2014-2018年的土壤盐渍化程度进行空间特征和时空演变分析。主要的研究结论如下:(1)通过基本组合算法引进短波红外波段后,指数与土壤含盐量之间的相关系数整体提高了 0.01~0.44,相关性大幅度提升;指数间的方差膨胀因子减少4.06~107.14,绝大多数改进后指数间的VIF值小于10,大幅度减少了指数间的多重共线性;基于SVM盐分反演模型,改进后的RPD值提高了 0.49,模型预测能力从一般提升到较好,改进后预测值与实测值样点均匀分布在1:1线上及两侧,更趋近于线性分布,表明在传统指数的基础上引进短波红外波段可以有效的提高区域土壤含盐量的反演精度。(2)土壤含盐量与传统型指数、改进型指数间的灰色关联度趋势大致相同,其中均以SI3、SI、SI-T及NDSI这4个指数与土壤含盐量的关联度较高,说明盐分指数变化趋势与该地区土壤含盐量的变化趋势相似度更高,更适用于土壤含盐量的预测。对比SMLR和SVM模型,SVM的R2提高0.03~0.22,RMSE降低0.18~1.29,RPD提高了 0.85,说明在基于OLI/Landsat-8遥感影像下,SVM模型明显优于SMLR模型,预测拟合效果更好,更适用于滨海平原区土壤含盐量的预测。(3)基于OLI/Landsat-8多光谱遥感影像的ESI3、ESI、ESI-T和ENDSI指数作为SVM模型相关变量,对土壤盐分空间分布精度检验及分析,结果表明:研究区土壤含盐量预测值介于0.39~36.38 g·kg-1,而实测值介于0.35~38.09g·kg-1,均值分别为3.02 g·kg-1、3.29 g·kg-1,二者差值较小,统计结果极为一致,说明反演结果准确可靠。研究区内土壤盐分形成明显的东西分化趋势,即西部平原区盐分等级较低,主要以非盐渍土和轻度盐渍土为主,东部沿海地区盐分等级较高,主要为盐土,其空间分布状况与实地情况相一致;土壤含盐量预测与实测结果相同的面积为1512.82 km2,占研究区总面积的63.25%,表明在要求准确无误的预测下精度可高达63.25%,模型反演效果较好。该研究在一定程度上为提高滨海平原区土壤盐分反演精度,快速准确获取盐渍土动态变化及其合理规划利用提供科学依据。(4)研究区2014-2018年的土壤盐渍化明显呈现出减缓趋势,其中非盐渍土和中度盐渍土保持稳定趋势,轻度盐渍土区域呈大幅度增加趋势,而重度盐渍土和盐土都存在减少趋势。2018年统计结果表明,中度盐渍土与盐土仍然占据很大比重,严重抑制农作物的健康生长,加重该区域高质量耕地和优产粮食的压力。通过不同盐渍化程度的土壤转移矩阵分析发现,轻度盐渍土、中度盐渍土、重度盐渍土及盐土都主要转变为非盐渍土,小部分非盐渍土主要转化为轻度盐渍土,说明近5年来研究区土壤盐渍化程度得到较好的缓解,环境生态状况呈现出向好趋势。综上,本研究旨在提高滨海盐渍土的盐分预测能力,达到辅助实地化学实验测量甚至替代实地测量的效果,对实现盐分状况的快速获取,指导农用地的合理利用和管理具有现实意义。


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