干旱区区域土壤盐渍化监测研究进展及其未来热点∗

刘勤，王宏卫，丁建丽，柴春梅

(新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046)

0 引言

土壤盐渍化是世界性资源问题和生态问题，制约着土地的可持续利用与生态环境的稳定.在干旱区，区域盐渍化现象日益严重，成为绿洲农业的发展障碍.防治次生盐渍化、改造和治理中低产田已成为当今土地利用的重点.运用科学的手段准确监测土壤盐渍化动态，分析盐渍化信息，掌握盐渍化的时空变异特征，对盐渍化的形成和调控有着重要的指导意义.

土壤盐渍化是特定自然条件下，受自然或人为因素影响引起的盐分表聚现象，多发生在气候干早、土壤蒸发强度大、地下水位高且含有较多的可溶性盐类的干旱、半干旱地区[1].据估计，全球有盐渍土9.55×108hm2,占地球陆地面积的7.26%[2]，我国盐渍土总面积约3.6×107hm2，主要分布在华北黄河流域，东北西部平原区，以及西北干旱区大部分区域，其中，陕、甘、宁、青、蒙、新六省区盐渍土面积占全国的69.03%[3].国内外研究普遍认为，形成盐渍土的自然条件包括成土母质、土壤含盐量、气候条件（蒸发与降水、干燥度等）、地形地貌条件、水文条件、潜水水位等[4∼8].人类活动叠加在自然条件上的驱动力促进了土壤盐渍化，人文驱动因子包括区域农业生产、人口增长、经济发展、资本投入、产业结构变化、人均收入的增加、土地制度以及政府行为与决策等[9∼11].

受区域性因素的制约和影响，不同的盐渍区域土壤中的盐分，由盐分离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl−、以不同形式组合而成，盐分组成及离子比例呈现地域性特点[12].对不同土壤层进行盐离子含量及相关性分析，可揭示盐分在土体中的存在形态和运动趋势[13].盐渍化土壤的物理、化学性质分析及含盐量、级别、分类、分布特征的有效探测，除了传统的野外调查和实验分析，还常常借助遥感影像和实测地物光谱数据来提取盐渍土信息，即对盐渍化土壤的光谱特征进行分析.

本文参阅大量土壤盐渍化研究的文献，特别是把以新疆为代表的西北干旱区关于土壤盐渍化的研究作为重点，系统总结了我国干旱区区域土壤盐渍化监测研究和时空分布研究的技术方法，以及土壤盐渍化的形成过程和驱动机制，并提出了目前盐渍化研究中存在的几个重要热点问题，这对于掌握盐渍化研究现状，进一步理清研究思路，丰富盐渍化研究方法，解决盐渍化实际问题具有重要意义.

1 当前区域土壤盐渍化监测研究的主要做法

经过几十年的研究和实践，土壤盐渍化监测的方法和手段也越来越多，归纳起来，主要有传统方法和现代信息技术手段两大类.

1.1 区域土壤盐渍化监测的传统方法

(1)野外调查与实验.通过野外调查，实地取样获取土壤盐渍化的直观信息，提供可靠的数据支持.样本取样的方法有纯随机取样、分层随机取样、整体取样和网格取样等.野外样本采集的布点是整个土壤监测过程的重要环节.样点必须比较均匀地分布在全工作区域内，划分出若干较为典型的采样区区域，能包含各类景观，具有代表性.对于采集到的不同深度土壤样本，用土壤电导性电磁仪器测定电导率，还可采用EDTA络合滴定法测定Na+、Ca2+、Mg2+、K+和；用AgNO3滴定法测定Cl−，用双指示剂中和法测定和H.确定出各离子含量后计算出相应的土壤全盐含量[10,13,14].通过野外调查实地获取土壤样本,经过观测和实验分析,可以及时掌握现实的土壤盐分和水分等数据,作为盐渍化监测的基本手段.

(2)田间观测和数值模拟.将田间观测和数值模拟相结合，对选取的具有盐渍化表征的试验田进行连续数年的监测和预报.监测系统包括地下水动态、土壤含盐量和含水量、降雨量和蒸散量的时空分布以及灌水量等参数[15].通过现场的多年的田间观测，可以非常精确地掌握试验田的水盐动态.自50年代始，我国对于农田的水盐监测开始采用数学-力学模型进行定量描述.土壤中可溶性盐分迁移的物理实质是对流扩散，遵循水动力学弥散理论，其以多孔介质的物理流体动力学为依据.盐分在迁移的过程中，溶液中的离子和吸附在固体表面的离子之间也随之发生化学交换.因此土壤水分和盐分的相互作用使得土壤盐渍化发生并发展.在确定土壤盐分迁移弥散系数、田间蒸散量、根系分布和根吸水率等水盐运动参数的基础上，运用土壤水分运动方程和盐分运移的对流扩散方程模拟计算可知土壤水盐含量随时间变化的状况.

传统的野外定位观测立足于田间地头，并长期建立实验观测站，进行小尺度的区域的高分辨率的观测，实验从点到线，再从线到面；从局部到整体，从微观到宏观.这种方法固然精度高，但毕竟费时费力、范围小，受地域性限制研究结果不具备普遍性.随着信息技术的不断发展，高效、快捷、大尺度的土壤盐渍化监测手段迅速发展.以遥感影像为主要依托，结合传统的定位观测和野外调查，通过对遥感影像分类及后处理工作提取有关盐渍土的信息[16]，已成为盐渍土定性、定量、动态分析、管理、信息提取、监测与预报研究的重要方法[17,18].遥感技术和地理信息系统技术的应用无论是从静态还是动态方面，都有力地推动了区域尺度土壤盐渍化的研究[19].

1.2 计算机信息技术在区域土壤盐渍化监测的应用

主要是指以RS为手段，结合GIS对盐渍化的信息提取与管理、监测与预报方面进行研究.盐渍土研究常用的遥感数据有：Terra、MSS、TM、ETM+、Quick bird、ASTER、SPOT、RADARSAT和IRS等卫星遥感数据及HyMap，AME等高光谱数据[16].利用遥感数据监测土壤盐渍化空间分布特征，与盐渍土及耐盐植被的光谱特征密切相关.盐渍土的直接属性和间接的信息，如植被、土壤质地、颜色、纹理、地形、地下水等要素均可以被利用，通过目视解译和数字图像处理的方法来定性定量的解译有关土壤盐渍化信息[20,21].

(1)我国新疆干旱区盐渍化监测进展.国外利用卫星遥感进行土壤盐渍化监测研究始于20世纪70年代[22].多波段、多时相的遥感数据被广泛应用于盐渍土和盐生植被的监测、调查、制图研究中，目视判读和计算机自动分类是盐渍土监测研究和动态分析的重要手段.不论目视判读还是计算机自动分类，盐渍化土壤信息提取主要是基于其光谱响应特征.我国从80年代开始，在黄淮海平原地区利用彩红外航片、卫片进行农业自然资源和自然灾害情况的调查和制图，进行了土壤盐渍化的研究，数字图像处理技术在早期的盐渍土监测研究方面发挥了一定的作用[23∼27].

新疆位于亚欧大陆中心，地处干旱区，蒸发旺盛，由于多是灌溉农业，土壤盐渍化严重.虽然新疆的水土开发和绿洲建设取得了巨大成就，促进了生产的发展，推动了社会进步，但是，干旱的气候条件却造就了新疆这样一个土壤盐渍化大区，盐碱土种类多，被称为“世界盐碱土的博物馆”.新疆盐碱土总面积8.476×106hm2，现有耕地中31.1%的面积受到盐碱危害[28].针对新疆干旱区土壤盐渍化的广泛性及其危害性，不少学者致力于盐渍化的监测研究并取得了许多成果.李海涛等[29]通过运用ASTER遥感影像数据，对不同地物进行光谱分析，根据不同地物在不同波段的光谱特征曲线，分别提取植被和水体信息，然后进行非监督分类，并结合物探试验和土样分析结果，进行聚类分析定性和定量地评价了焉耆盆地内土壤盐渍化程度分布状况.李宏[30]对新疆塔里木河流域进行土地盐渍化专题信息提取，建立该地区土地盐渍化分类系统，提高土地盐渍化分类精度，对于建立生态环境监测系统有非常实用的价值.熊文成等[31]对新疆塔里木河流域土地盐渍化的情况进行了探讨，发现后向散射系数差与大介电常数虚部差成较好的线性关系，这为反演土壤含盐量提供了一定依据，但由于介电常数虚部是由含水含盐量两个量决定的，所以要直接反演出含水含盐量还需要做进一步研究.塔西甫拉提·特依拜、丁建丽等[32,33]通过实证分析发现塔里木盆地南缘和北缘由于水文(盐渍化形成的关键)、气候(形成盐渍化土壤的驱动力)、地形(盐渍化土壤分布及差异的主要因素)、人类活动(盐渍化土壤形成的重要因素)等因素差异的存在，导致了区域盐渍化情况的差异.将基于不同窗口纹理特征的SVM应用于渭干河-库车河三角洲绿洲遥感图像盐渍化信息提取， 实验结果表明，分类精度很高，该方法更有利于遥感图像分类和盐渍化信息监测，体现了目前遥感图像分类新的发展趋势.何祺胜[5]等利用TM卫星图像数据，分析了盐渍地地区主要地物的光谱特征，并建立决策树模型得到了盐渍地信息的提取结果，总体提取效果较好.江红南[34]运用RS、GIS、GPS技术和灰色理论等方法，定量研究了盐渍化土壤在时间和空间尺度上的变化.张飞等认为可依靠地表单元在遥感图像上的色调、纹理及模式存在的差异等对干旱区绿洲盐渍化的信息进行判读研究[35]；也可依据植被类型、地貌形态、土壤水分、地下水位等这些间接标志区分判读，还可利用各种景观要素之间的相互关系来确定[12].

从地学的角度，我国学者在盐渍化土壤，包括次生盐渍化的管理、信息提取、监测与预报方面都做了大量工作.这些工作主要以RS为手段并结合GIS进行研究.综上所述，区域盐渍土调查与动态变化监测研究工作，应以遥感影像数据分析处理为基础，以传统的野外调查为辅助，综合运用影像光谱信息、空间信息和时间信息，把常规监督分类与非监督分类方法结合运用，并尝试从分类算法方面推陈出新，不断提高盐渍土信息计算机自动提取的精度，为区域盐渍土治理、生态环境保护与农业可持续发展提供及时、可靠的信息保障.

（2）以遥感技术为主要手段的盐渍化信息提取.随着现代科学研究对数据精度要求的提高，依据遥感数据提取专题信息的理论和方法也在不断的更新与发展，正逐渐开发出较为成熟的应用化模式识别技术.在算法上以知识库为基础的推理决策、多种复合分类方法相继产生并将迅速发展，特征提取和设计更加合理的分类器已经成为人们研究的热点.概括起来，主要有以下几种手段：

基于决策树方法的研究.决策树分类法根据地面实际数据及目标物有关知识，通过确定各属性(包括相关的环境特性如几何、纹理以及数字地形模型等背景信息)的重要程度，提取必要的属性进行盐渍土信息的分类[36]，在生成树状结构的同时，决策树会明确给出树的复杂程度(节点数)和数的好坏性.何祺胜通过分析区域主要地物的光谱特征，建立提取盐渍化信息的决策树模型，表明决策树方法在提取盐渍地信息精度分析方面具有优势[37].

基于分层信息的研究.分层信息提取的方法是将图像按一定原则，对各地物不同的信息特点进行层层分解，采用逐层分类掩模的技术把分离出的地物去除，再对其他的地物逐层提取，这样避免因“同物异谱”或“异物同谱”导致的分类精度不高[38].胡召玲等采用分层信息提取法从遥感图像中提取土地利用/覆被信息，经监督分类后，提取土地利用信息，步骤如下：首先对原始图像进行几何纠正、图像配准、图像裁剪和图像增强等预处理，然后采用分层信息提取法对图像进行土地利用/覆被类型的信息提取，在基于最大似然法的监督分类后，采用光谱分析法提取出水体范围，监督分类和目视解译相结合法提取出各土地利用类型[39].这种方法目前也已经很好地应用于盐渍地的信息提取.

基于支持向量机的研究.支持向量机(SVM)的运算理论是在统计学习理论的VC维理论和结构风险最小化准则基础上构成的，它能够较好地解决小样本、非线性、高维数据和局部极小等实际问题.SVM分类法在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多特有的优势，并能够推广应用到函数拟合等其他机器学习问题中.具有简便灵活、直观稳定、精确高效的特点，同时因为易与多源信息结合而在许多领域得到广泛的应用[40].该方法主要通过相关预处理，训练样本的提取，参数设置等步骤，提取Landsat ETM+图像的光谱信息和不同窗口的纹理信息进行图像分类[32].张飞等人发现加入纹理特征后地物光谱信息的区分性增大，从而提高精度.因此，基于纹理特征的SVM分类方法能够提高土壤盐渍化信息提取精度，有效地监测土壤盐渍化信息[41].

基于对应分析的研究.对应分析法(correspondence analysis，CA)也称关联分析、R-Q型因子分析，是近年新发展起来的一种多元相依变量统计分析技术.通过分析由定性变量构成的交互汇总表来揭示同一变量的各个类别之间的差异，以及不同变量各个类别之间的对应关系.主要应用在市场细分、产品定位、地质研究以及计算机工程等领域中，是在R型和Q型因子分析基础上发展起来的一种多元统计方法[42].它用同样的主成分轴去同时表示变量空间样品点的各个主成分与样品空间变量点的各个主成分，将变量和样品的关系表征在同一空间中，从而明确各个主成分的物理意义[43,44].对应分析方法很好地阐明了土壤盐渍化的现状特征与其光谱的相关关系.

基于波段指数的研究.在比较各种不同的指数优缺点的基础上，利用各个波段的优势组合选择近红外、短波红外、热红外波段组合成新的综合多波段指数来对复杂地表类型区域进行研究.冷松等人在比较各种不同的干旱指数优缺点的基础上，采用MODIS1B数据的第2、6波段和LST(Land Surface Temperature)产品合成多波段干旱指数，并用降雨量计算SPI(Standardized Precipitation Index)，对日均相对湿度与多波段干旱指数进行全面比较.结果表明在干旱年份，该指数与气象数据有较好的相关性，说明其在大尺度、较复杂地表覆盖类型区域监测有较好的应用前景[45].

2 区域土壤盐渍化的时空分布动态监测

专家学者们从不同角度开展了土壤盐渍化的监测.上述内容主要介绍了以传统的方法和现代信息技术特别是遥感的方法对土壤盐渍化水盐测算、识别及其变化方面的研究.从目前的研究看，盐渍化土壤时空变化成为主要的研究热点和趋势.主要表现在以下几个方面：

2.1 土壤盐渍化的地统计学分析

从20世纪60年代起，地统计学的区域化变量理论逐渐被应用于土壤科学的研究[46].地统计学是在大量采样的基础上，以区域化变量理论为基础，以半方差函数为主要工具，通过对区域化变量属性值的频率分布、均值、方差等关系及其相应规则进行分析，确定变量的空间分布格局与相应关系，研究在空间分布上既有随机性又有结构性，或空间相关和依赖性的自然现象[47].土壤空间变异性与采样数目及采样尺度密切相关，杨劲松通过对表征研究区土壤盐分进行了空间变异特征分析，研究变异函数的稳健性，探讨Kriging插值精度与样点数量之间的关系[48].贡璐等运用半方差函数分析土壤盐渍化的程度变化以及盐分离子的空间变异系数的变化表明：盐分有明显的空间变异性且主要集中在某些较大的区域，根据盐分空间特征，可以把盐分离子分为区域性和非区域性离子[14].王玉刚等通过对不同层次土壤的总盐、pH值与总碱度的空间变异性研究，利用Kriging插值法绘制了土壤的总盐、pH值与总碱度的等值图，参照样区土壤水盐指标的空间分布及面积比例，提出切合实际的盐碱土改良方案和具体措施[49].通过土壤盐渍化时空分布的研究，可以让我们进一步看清盐渍土发生发展变化的时空分异规律，从而为盐渍土的改良、分区和管理提供科学依据.

2.2 基于经验的统计模型分析

这是一种最普遍、最常用的基于经验的算法，常采用多元回归、典型相关分析等多元统计分析法，分析各种因素对盐渍化变化的作用，找出盐渍化变化的原因.通过把复杂的问题简单化，从复杂的土地利用系统中找出主要的驱动因子，从而确定盐渍化变化与驱动因子的定量关系[50].

2.3 基于过程的动态模型分析

比如利用元胞自动机模型（cellular automaton，CA模型）是人们常用的基于过程的动态模型方法之一，能够从整体上反映土地利用变化的过程.通过确立盐渍化影响因子及其动态机制，利用地理元胞自动机对盐渍化复杂系统时空动态过程具有较强的计算和模拟特点，在GIS和RS支持下，建立土壤盐渍化CA动态模型，结合相关属性数据和空间数据，模拟土壤盐渍化发展的时空动态规律并对其趋势进行预测[51].

2.4 基于系统动力学的模型分析

基于系统论，吸取了控制论和信息论的精髓，侧重数据的模型计算与分析，探讨LUCC过程、驱动机制与环境效应，宏观反映土地利用系统的结构、功能和行为之间的相互作用关系，详细考察系统在不同情景下的变化和趋势，为决策提供依据[52].基于系统动力学模型（SD模型），可对盐渍化过程进行模拟与预测.

3 区域土壤盐渍化监测研究面临的热点问题及展望

3.1 对土壤盐渍化信息的精确提取

从遥感影像数据和野外调查与实验获取的盐渍化信息，为土壤盐渍化的监测治理提供了可靠的信息保障.遥感图像包含了大尺度区域地理环境的综合性特征，运用遥感影像在不同时相提供的不同信息提取盐渍化特征信息，使人们利用遥感技术动态监测预测土壤盐渍化的动态与分布变化成为可能.在土壤盐渍化研究趋势方面，目前主要是以遥感数据分析处理为根本，运用GIS空间信息技术手段，结合传统的野外调查，把地理环境数据、生态状况与光谱信息有机结合，在算法上以知识库为基础的推理决策树、分层信息、支持向量机、对应分析、波段遥感等多种分类方法相继产生并迅速发展[16].但这些算法都还存在区域性强、普适性差、分类提取精度不高等弱点.针对如何提高分类精度、保证数据可靠性，研制更加符合实际、便于操作的盐渍化分类器成为遥感信息提取技术的关键.

3.2 土壤盐渍化驱动机制的研究

土壤盐渍化发生机理复杂，自然条件与人为影响都可驱使盐渍化的形成，影响因素很多.自然因素往往在长时间大环境尺度下对地理环境产生深远影响，在较短时期内，人为因素影响直接通过具体的生产实践活动实现对生态环境的作用.由于人类对自然的改造能力越来越强，人文因素对土壤盐渍化的影响越来越大[49]，在某一时期内，由于社会经济活动的某些事件，人文因素甚至有可能成为土壤盐渍化的主要驱动因素.人为因素的影响已经不可忽视，但相应的研究并不是很充分，特别是针对土壤（次生）盐渍化的驱动机制定量分析上，都未能成功地将人文影响因子的驱动力贡献加以定量分析和模拟.以往研究侧重于区域土壤盐渍化遥感调查后的现状制图和结构与动态分析，从定性研究的手段出发，缺乏对影响因子的定量分析，特别是缺乏对人文驱动因子的量化分析及尚未形成成熟的经验理论，对于盐渍化的精确预测、调控和治理，仍然存在缺憾[53].进一步深入探究自然因素和人为因素共同作用下的土壤盐渍化，定量分析盐渍化人文驱动因子的影响程度，从人类自身行为找寻次生盐渍化问题的根源，以正确进行土壤盐渍化发展趋势预测和调控，显得尤为迫切和必要.

3.3 土壤盐渍化的水盐运移机理

盐渍土的形成与水盐运移有密切关系，水盐动态和水盐平衡的研究对于利用和改造盐渍土壤具有重要的指导意义.土壤是否会盐碱化，类型和程度如何，要看盐分迁移和积聚的过程与条件.而盐分迁移和积聚的特点等均受多种因素的影响和制约.通过定量分析土壤水盐的运动阐述盐渍土形成与分布，认识盐渍土形成过程中各主要因素之间的内在联系，可以预测预报土壤盐渍化的发展趋势，查明潜水蒸发过程中土壤的水盐动态及一定时期内盐分的进入量和消失量[54].虽然基于对流弥散性方程、土壤水盐运移模拟软件等经验模型可以估算水盐状况，但是，水盐迁移除受多种自然因素影响外，还受人为因素的影响和制约.因而，对于盐渍化形成的水盐机理研究是一个循序渐进、不断深入的过程，应朝多学科交叉，多尺度耦合方向发展[54].

3.4 土地资源利用与土壤盐渍化调控

土壤盐渍化可以导致土壤性状和土地生产力改变，对农业的可持续发展有着重要影响.不同土地利用/土地覆被所带来的盐渍化信息反馈各有差异.人们不合理的生产活动（主要是农业生产活动），譬如，不良灌溉管理和灌溉技术、工程不配套妨碍灌区径流排泄、排水不良、过量化肥施用、农业技术措施不当等[48,49]是土壤盐渍化形成的主要人为驱动，尤其是在农业生产活动中灌水不合理或是排灌不良引起的地下水位高是盐渍化的重要因素.在土地资源开发利用过程中，人们往往追求经济效益和社会效益而忽视了生态效益，今后应注重对土壤结构的改变，减少盐分在土壤表面的聚集[49].特别提出的是，盐渍土也是土地资源的重要一部分，如何利用这些资源，如何使用科学的方法排盐，并为排出的盐存留空间，从而达到“水盐平衡，人盐共存”，实现土地可持续利用和土地生产力的持续增长，这些是我们当前应当研究的重要课题.

4 结语

我国开展土壤盐渍化的研究已有70多年的历史，无论从研究内容、研究水平还是从研究手段、研究理论方面，都取得了很大进展，对盐渍地的改良、土地利用保护、生态和农业可持续发展起到了重要作用.在西部开发战略实施过程中，学者们开始更加注重对新疆及西北干旱区土壤盐渍化的研究，以合理规划水土资源的开发、提高水土资源的可利用水平.当前干旱地区土壤盐渍化的监测研究已经进入到一个面向农业生产实践、解决土壤盐渍化问题、注重人地关系、创新研究理论的发展阶段.从上述研究进展回顾与分析以及热点问题来看，在新疆干旱绿洲农业区，土壤盐渍化的监测研究要更加注重与水土资源的开发利用相结合，侧重深入探讨干旱特征下的水盐运移机理.遵循人与自然和谐共存的思想，可对盐渍化严重区域进行重点监测，综合治理.既要注重农业经济活动的利益需求，又要注重在洗盐排盐的调控中，盐分存在的必要性，更要结合区域自然和社会经济特点，制定防治土壤盐渍化措施，构建可持续发展的农牧业生产体系.