———以黃河三角洲為例

一、典型地物光譜特征分析

濕地被譽(yù)為“地球之腎”，是地球上生物生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一，在物質(zhì)保障、能量循環(huán)和生物多樣性維持等諸多方面扮演著重要角色。在全球快速城市化過(guò)程中，資源開(kāi)發(fā)、農(nóng)田開(kāi)墾、填海造陸等人為活動(dòng)不可避免地導(dǎo)致濱海濕地土壤鹽漬化問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。幾十年來(lái)，人們?yōu)闇?zhǔn)確評(píng)估土壤鹽漬化做出了巨大努力?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中土壤鹽漬化評(píng)價(jià)方法的發(fā)展可分為3個(gè)主要階段：樣品分析方法、地球物理勘探測(cè)試方法和遙感（RS）技術(shù)。遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于長(zhǎng)期對(duì)地觀測(cè)過(guò)程中形成的有價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)的存在，為長(zhǎng)期、大范圍的土壤鹽漬化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

目前，許多鹽分指數(shù)已被提出并應(yīng)用于土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)，如鹽度指數(shù)（SI）、歸一化鹽度指數(shù)（NDSI）、亮度指數(shù)（BI）、強(qiáng)度指數(shù)（Int）及植被土壤鹽度指數(shù)（VSSI）等。然而，濱海濕地復(fù)雜的地貌和土地類型很容易與鹽漬化土壤混淆，如不透水面和灘涂等。由于鹽漬化土壤的所處環(huán)境條件復(fù)雜，高度異質(zhì)的光譜和空間特征導(dǎo)致土壤鹽分反演困難?，F(xiàn)有鹽分指數(shù)對(duì)環(huán)境和觀測(cè)條件的變化過(guò)于敏感，如氣溶膠、太陽(yáng)耀斑的類型和厚度等。因此，他們難以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，無(wú)法準(zhǔn)確提取鹽漬化土壤。目前，需要構(gòu)造新的鹽分指數(shù)來(lái)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)復(fù)雜環(huán)境下的土壤鹽漬化狀況。

此外，對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，是生態(tài)保護(hù)的核心，也是目前濕地生態(tài)研究的熱點(diǎn)。根據(jù)納入評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量，現(xiàn)有方法一般可分為單指標(biāo)法和多指標(biāo)法2種。基于單一指標(biāo)的方法通常關(guān)注生態(tài)狀況的一個(gè)方面。例如，歸一化植被指數(shù)（NDVI）、地表溫度（LST）、永久性植被豐度（PVF）、葉面積指數(shù)（LAI）等，被認(rèn)為是有效的生態(tài)監(jiān)測(cè)方法。雖然單指標(biāo)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量快速評(píng)價(jià)，但由于濱海濕地環(huán)境復(fù)雜多樣，導(dǎo)致其無(wú)法全面評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

基于多指標(biāo)的方法已廣泛應(yīng)用于生態(tài)評(píng)估。這一方法通?；诙鄠€(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。基于P-S-R模型框架的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要考慮3類因素：景觀變化、景觀生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和人類響應(yīng)。這類方法重點(diǎn)考慮了與人類活動(dòng)相關(guān)的指標(biāo)，如數(shù)字高程、地表溫度、道路密度等，但很少涉及生態(tài)指標(biāo)。

濱海濕地屬于典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，同時(shí)濕地土壤變化劇烈，迫切需要研究土壤鹽漬化對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境的影響。本研究以黃河三角洲為研究區(qū)，通過(guò)將新型高光譜植被指數(shù)（HSVI）改進(jìn)應(yīng)用到多光譜衛(wèi)星，提高對(duì)植被要素的精確監(jiān)測(cè)能力，結(jié)合WBEI構(gòu)造優(yōu)化的顧及水效益的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)（OWBEI），提高濕地區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量反演精度。

二、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲地處萊州灣與渤海灣之間，是中國(guó)面積最大、最年輕、生物多樣性最豐富的河口三角洲之一，覆蓋區(qū)域包括東營(yíng)市河口區(qū)、墾利區(qū)和部分利津縣，如圖1所示。

圖1研究區(qū)位置

黃河三角洲屬暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候，氣候溫和，四季分明，雨熱同期，降水約70%發(fā)生在夏季，年平均溫度約為12.1℃，年平均降水量約為551.6mm，但年平均蒸發(fā)量約為1928.2mm。受海水侵蝕的影響，土壤鹽堿化嚴(yán)重。

2.2遙感數(shù)據(jù)

本文采用LandsatTM影像和OLI影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局提供（表1）。各年份均根據(jù)影像質(zhì)量和云量篩選，為保證影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，選取目視清晰且云量小于5%的影像數(shù)據(jù)。將獲取的Landsat影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、去條帶以及裁剪操作。

表1Landsat影像數(shù)據(jù)

2.3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為了準(zhǔn)確應(yīng)用土壤樣品建立含鹽量和光譜反射率之間的關(guān)系，土壤樣品的野外采集時(shí)間要求與遙感衛(wèi)星的成像時(shí)間一致。因此數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2006年5月3日，采樣點(diǎn)的深度為20~30cm，在每個(gè)采樣點(diǎn)共設(shè)置5次重復(fù)采樣，共采樣70個(gè)樣本點(diǎn)，數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家科技基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

三、研究方法

建立土壤鹽漬化對(duì)濱海濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響機(jī)制分析體系，如圖2所示。

圖2土壤鹽漬化對(duì)濱海濕地生態(tài)影響機(jī)制分析體系

首先，使用預(yù)處理的Landsat影像及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用指數(shù)法建立回歸模型獲取土壤鹽漬化狀況;其次，構(gòu)造OWBEI獲得生態(tài)質(zhì)量狀況;最后，分析土壤鹽漬化對(duì)黃河三角洲濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響機(jī)制。2.1土壤鹽分反演本文依據(jù)土壤鹽分分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域土壤鹽分含量（soilsalinitycontent，SSC）分為5個(gè)等級(jí)（表2）：鹽土、重度鹽漬土、中度鹽漬土、輕度鹽漬土和非鹽漬土。

表2鹽漬土分類等級(jí)

指數(shù)法已經(jīng)被證實(shí)可以很好地提取土壤鹽漬化狀況。通過(guò)研究鹽漬土與其他地類以及鹽漬土不同等級(jí)之間的光譜曲線圖，建立虛擬鹽漬化基線，構(gòu)建新型鹽分指數(shù)BSSI，來(lái)表征地表土壤鹽分的分布。圖3顯示了BSSI的構(gòu)建原則，分為2個(gè)步驟：首先，構(gòu)建虛擬鹽漬化基線;然后，計(jì)算短波紅外-1（firstshort-waveinfrared，SWIR1）和虛擬鹽漬化基線之間的距離。

圖3指數(shù)構(gòu)造示意圖

如圖3所示，BSSI計(jì)算公式為：

式中：λNIR，λSWIR1和λSWIR2分別為波長(zhǎng)為0.835μm，1.648μm和2.206μm的光譜帶;RNIR，RSWIR1和RSWIR2分別為近紅外波段、短波紅外-1波段和短波紅外-2波段的反射率。

四、結(jié)果與分析

4.1 黃河三角洲土壤鹽漬化狀況

4.1.1 土壤鹽漬化結(jié)果驗(yàn)證

鹽漬化土提取結(jié)果的精度統(tǒng)計(jì)于表3中。通過(guò)表3可以得知，SI，SI1和SI2具有最低的OA和Kappa系數(shù)，較高EC和EO，其效果較差。相較于其他4種方法BSSI的OA和Kappa最高，表明該方法的精度最高，并且該方法的EC和EO較低。因此，BSSI在土壤鹽漬化反演中顯示出其優(yōu)勢(shì)。

表3鹽漬土分類精度

4.1.2 土壤鹽漬化空間分布

基于上述土壤鹽漬化反演方法，得到2006年，2012年，2017年和2020（年土壤鹽漬化的空間分布圖4和圖5）。并統(tǒng)計(jì)這4年的土壤鹽漬化不同等級(jí)所占面積，結(jié)果如表5所示。

圖4地表假彩色圖像

圖5土壤鹽漬化等級(jí)圖

如表4所示，土壤鹽漬化主要分布在黃河入?？谂f址和現(xiàn)黃河入?？?，與已有對(duì)于黃河三角洲鹽漬化研究分布相符合。黃河流量減少，海水倒灌，并且黃河下游地下水的水位埋藏較淺，這些都是導(dǎo)致其土壤鹽漬化嚴(yán)重的主要原因。另外，人類活動(dòng)（如，建造鹽池，城市化）造成濱海地區(qū)的土壤鹽漬化嚴(yán)重。計(jì)算得到2006年研究區(qū)非鹽漬化（2921.67km2，占總面積的58.15%）占主導(dǎo)地位（圖6）。然而，近40%的面積受到土壤鹽漬化的威脅，其中輕度鹽漬化占5.94%，中度鹽漬化占14.12%，重度鹽漬化占14.99%。同樣地，2012年，2017年和2020年非鹽漬化也都占據(jù)主導(dǎo)地位，分別為59.10%，60.94%和59.20%。2012年輕度鹽漬化占4.05%，中度鹽漬化占8.81%，重度鹽漬化占15.73%，鹽土占12.30%。

表4黃河三角洲土壤鹽漬化面積和比例

2017年輕度鹽漬化占2.22%，中度鹽漬化占5.74%，重度鹽漬化占14.08%，鹽土占17.02%。2020年輕度鹽漬化占1.95%，中度鹽漬化占4.19%，重度鹽漬化占8.51%，鹽土占26.15%，土壤鹽漬化面積高達(dá)2051.00km2。受自然因素（如降水、氣溫、土壤條件）和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素（如人口、城市化、政策等）的影響不同，不同地區(qū)土壤鹽漬化程度不同。2006—2020年非鹽漬化面積較穩(wěn)定，保持在60%左右，輕度鹽漬化和中度鹽漬化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。然而，隨著人類活動(dòng)的增加，該區(qū)的荒地被不透水表面所取代，從而導(dǎo)致鹽土的面積呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，年增長(zhǎng)率約1.5%。

4.2 黃河三角洲濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況

本文選取的2006年到2020年河?xùn)|區(qū)和墾利區(qū)的EI與OWBEI對(duì)比結(jié)果如表5所示。由表5可知，河口區(qū)2006年到2020年EI結(jié)果與OWBEI結(jié)果一致都為較差。墾利區(qū)2006年到2017年的EI結(jié)果與OWBEI一致都為一般，但2020年EI結(jié)果為一般，OWBEI結(jié)果為較差存在誤差。綜上，EI的結(jié)果與OWBEI結(jié)果總體一致。

表52006年到2020年EI與OWBEI對(duì)比結(jié)果

4.2 黃河三角洲濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況

土壤鹽漬化的變化會(huì)產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)作用。以現(xiàn)黃河入?？跒槔▓D6、圖7和圖8），結(jié)合各生態(tài)指標(biāo)變化情況（圖9）分析土壤鹽漬化的變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的影響機(jī)制。

圖7土壤鹽漬化等級(jí)圖

圖8OWBEI結(jié)果

如圖7所示，2006—2020年非鹽漬化面積波動(dòng)不大，輕度鹽漬化、中度鹽漬化和重度鹽漬化面積不斷減少。然而，鹽土面積卻在增加，相應(yīng)位置的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也較周圍較差（圖8）。2009年以來(lái)國(guó)家相繼出臺(tái)各種政策，對(duì)黃河三角洲地區(qū)的鹽漬化進(jìn)行治理，有計(jì)劃地對(duì)荒堿地進(jìn)行開(kāi)發(fā)治理及改造中低產(chǎn)田。

圖9現(xiàn)黃河入?？诟魃鷳B(tài)指標(biāo)的平均值

從圖9可知，經(jīng)過(guò)治理該區(qū)的2006—2012年該區(qū)的植被數(shù)量得到了升高，植被的顯著增加導(dǎo)致地表水分蒸發(fā)減緩并且空氣濕度也顯著升高，總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯上升。因此，由于土地鹽漬化使得多數(shù)生態(tài)指標(biāo)都朝向有利的方向發(fā)展，如LST和NDLI，最終導(dǎo)致整體生態(tài)環(huán)境改善。然而，2012—2020年該區(qū)由于鹽土面積的增加，植被數(shù)量驟減，導(dǎo)致地表水分蒸發(fā)加快并且空氣濕度也顯著降低，最終導(dǎo)致黃河入?？诘目傮w生態(tài)質(zhì)量狀況下降。圖9中的NDSI和OWBEI也證實(shí)了這一結(jié)論。綜上可知，土壤鹽漬化作為濱海濕地的突出特征對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響明顯，在未來(lái)濕地治理方面應(yīng)更加注重對(duì)土壤鹽漬化的問(wèn)題的解決，以期間接改善濱海濕地的生態(tài)狀況。

五、結(jié)論

本文通過(guò)構(gòu)造虛擬鹽漬化基線，增強(qiáng)了鹽漬化土壤的光譜特征，有效抑制濱海濕地不透水面、裸土等復(fù)雜地物的影響。BSSI的構(gòu)建有效提高了地表鹽漬化反演精度，為土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)提供了一種新的可靠指數(shù)。此外，本文將HSVI應(yīng)用到多光譜領(lǐng)域，解決了WBEI在濕地區(qū)域植被監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確問(wèn)題，建立新型濕地生態(tài)評(píng)價(jià)方法OWBEI，提高濕地區(qū)域生態(tài)環(huán)境反演精度。BSSI和OWBEI的結(jié)合形成了一整套土壤鹽漬化對(duì)濱海濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響機(jī)制分析體系。

分析掌握土壤鹽漬化對(duì)濱海濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響機(jī)制，為濱海濕地的區(qū)域治理提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。未來(lái)將在此工作的基礎(chǔ)上將研究?jī)?nèi)容遷移到鄱陽(yáng)湖濕地以驗(yàn)證不同濕地在該體系上的適用性。

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審核編輯 黃宇