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荒漠土壤盐渍化遥感监测与开垦方案分析

彭杰  
【摘要】:盐渍化土壤是干旱区半干旱区最主要的后备耕地资源,监测盐渍化土壤的分布范围与面积、盐渍化程度与时空变异特征,对盐渍化土壤的管理与开发利用及生态修复具有重要意义。本研究以新疆南部温宿县境内的空台里克冲积扇为研究区,利用卫星遥感影像、数字高程模型(DEM)、地面调查数据和室内高光谱数据,采用偏最小二乘法(PLSR)、随机森林(RF)、Cubist、分区+PLSR和分区+Cubist建模方法,研究了盐渍化土壤的高光谱特征、表层土壤和不同深度剖面土壤盐渍化的遥感监测与数字制图,并探讨了盐渍化土壤的合理开垦利用。研究结果表明:(1)土壤高光谱特征对盐分含量的响应是土壤盐渍化卫星遥感监测的基本理论和依据,但不同区域的盐渍化土壤由于盐分组成差异,其高光谱特征响应机制不同。本研究利用研究区土壤提纯的盐分配置的14个不同盐分含量土样和研究区内采集的225个表层土样,采用差值运算分析了不同盐分含量土样的高光谱特征,并利用光谱响应函数将室内高光谱数据模拟为Landsat8卫星多光谱数据,应用PLSR、RF和Cubist三种方法构建了基于模拟多光谱数据的电导率反演模型。研究结果表明,土壤盐分会引起光谱曲线形态和反射率的变化,光谱曲线间的F值和光谱角θ值随盐分含量差异的增加而增大,盐分含量与土壤反射率呈正相关关系。研究区的盐渍土具有明显的吸收和反射特征,在445 nm、510 nm、900 nm、1410 nm、1940 nm、2210 nm和2330 nm为明显吸收谷特征,2130 nm为明显反射峰特征。不同模型对土壤电导率的预测性能存在较大差异,PLSR、RF和Cubist三种模型中,Cubist具有最高的预测精度,其预测集的决定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和相对分析误差(RPD)分别为0.86、4.17dS m~(-1)、3.97 dS m~(-1)和3.09。(2)在研究区,植被覆盖区与裸土区的盐渍化指示因子存在明显差异,盐渍化指示因子与土壤电导率的相关性在这两种区域存在正负差异性,严重限制了盐渍化指示因子的遥感监测潜力。针对这一问题,本研究采用分区建模的思路,有效的提高了土壤盐渍化的遥感监测精度。研究结果表明,Cubist、分区+PLSR、分区+Cubist的分区模型预测精度明显高于RF和PLSR全局模型。应用分区+Cubist这一优选模型反演了研究区1990-2017年不同年份的土壤电导率分布数据,统计结果表明,不同时期的土壤盐渍化具有较强的空间变异性,研究区南部盐渍化程度明显重于北部,且因为人类开垦活动,自2010年来盐渍化程度呈现明显下降的趋势;研究区的盐渍化程度在不同年份间具有明显差异,2007年的盐渍化程度明显要重于其他年份,而1994年的盐渍化程度相对较轻。同时,也统计了研究区不同年份的电导率平均值与不同时间尺度(日、旬、月、季、年)气象因子之间的相关性,结果表明研究区土壤电导率平均值与降水量呈现负相关关系,而与温度和蒸发量则呈正相关关系;此外,季尺度的气象数据与研究区电导率平均值的相关性要优于日、旬、月和年尺度。(3)土壤盐分分布在水平和垂直剖面都存在极大的异质性,而卫星遥感仅能获取地表盐渍化光谱信息,大面积区域的剖面土壤盐分监测一直是土壤盐渍化遥感监测领域所面临的难题。针对这一难题,本研究综合利用地形、地表温和多时相卫星多光谱信息等多源数据,构建了不同深度剖面土壤电导率的Cubist反演模型。研究结果表明,采用长时间序列光谱指数极大值或极小值可有效降低干旱、病虫害等偶发因素对土壤剖面盐渍化遥感监测的干扰。在此基础上,结合地形和地表温数据,可实现研究区大面积剖面土壤盐分的卫星遥感监测,根据这一思路所构建的剖面土壤电导率的Cubist模型在不同深度均具有较高的预测精度,不同深度剖面土壤电导率Cubist模型的预测集R~2为0.80-0.90,RMSE为2.97-5.08dS m~(-1),MAE为2.28-3.92 dS m~(-1),RPD为2.10-3.10。(4)冲洗定额是盐渍化土壤开垦方案制定的基本依据,对盐渍化土壤利用的合理规划具有重要意义,但如何获取大面积区域的面源冲洗定额数据是当前研究的难题之一。本研究利用卫星遥感技术来获取剖面土壤电导率,并结合列果斯塔也夫经验公式来计算冲洗定额数据,获得整个研究区的冲洗定额数据。统计结果表明,研究区盐渍土改良所需的耗水量为34.01×10~8-62.90×10~8 m~3,而研究区内现有可利用的地表径流水资源量仅为1.29×10~8 m~3/年,很难满足开垦和耕种的耗水量需求,如全部开垦耕种,需开采大量地下水进行补给,从而引发生态环境问题。因此,需合理规划开垦年限和开垦面积。综合考虑可利用水资源量、农作物需水量和盐渍土改良排盐对塔里木河水质的影响,遵循优先开垦盐渍化程度轻的土壤这一基本原则,分析结果表明研究区在1-2年内仅可规划种植棉花约1.98×10~4 hm~2,或种植玉米约3.05×10~4 hm~2,或种植小麦约2.44×10~4 hm~2,以确保盐渍土改良的排水不会造成塔里木河河水含盐量高于农田灌溉水质的含盐量标准上限2.0 g L~(-1)。本研究探明了南疆典型荒漠区域盐渍化土壤的高光谱特征;优选了一套适合南疆荒漠土壤盐渍化监测的遥感因子;综合利用地形、地表温和多时相卫星多光谱信息等多源数据实现了剖面土壤盐分的遥感监测;并针对南疆盐渍化土壤大规模盲目开垦问题,提出了一种基于水资源限制的开垦方案优化思路。研究结果为南疆荒漠盐渍化土壤的遥感监测和合理利用提供了科学的方法和思路,也为其他类似区域的相关研究提供了一定借鉴。


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