遥感技术在土壤退化中的应用研究进展

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遥感技术在土壤退化中的应用研究进展

何发坤¹，蒲生彦^2,3，肖胡萱¹，刘世宾^1,2,3*

（1.成都理工大学地球科学学院; 2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室; 3.成都理工大学生态环境学院, 国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室）

摘 要：土壤退化已成为一个全球性的问题，严重威胁生态环境和粮食安全。遥感技术具有高效、省时和研究范围广的特点，近些年在土壤退化研究方面得到了广泛的应用。本文通过回顾国内外关于遥感技术在土壤侵蚀、荒漠化、盐渍化和污染等方面应用的研究成果，整理分析了基于遥感技术监测和评价土壤退化的直接指标（土壤矿物成分、有机质、水分等）和间接指标（植被指数、土地利用/覆被变化），列举了监测和反演这些指标的具体方法与数据源类型，从而系统地阐述了遥感技术在不同土壤退化类型方面的应用进展，并对遥感技术在该方面的应用进行了展望与讨论。

原文节选

土壤退化是指在各种自然和人为因素影响下所发生的导致土壤农业生产能力或土地利用和环境调控潜力（即土壤质量及其可持续性）下降，甚至完全丧失其物理、化学和生物学特征的过程。依据土壤退化的成因及过程可以将其分为物理退化、化学退化、生物退化，综合表现为土壤侵蚀、荒漠化、盐渍化、污染和肥力下降等。土壤退化的表现形式多种多样，且常为多种表现形式共存。因此，如何准确识别和有效阻止土壤退化成为该领域研究的一个难点，并且已成为全球气候变化等相关领域的重要议题之一。

调查土壤状况并及时掌握土壤退化的分布范围、诱发原因、退化程度等信息是研究和防治土壤退化的前提和基础，但传统的调查方法存在一些局限性。一方面，传统的土壤信息获取主要依赖于大量的野外调查，虽然精度高，但耗时耗力，且受交通、地形等条件的限制，部分地区的土壤调查不能实现，很难进行大范围的土壤信息重复获取；另一方面，常规土壤信息图上所表示的土壤空间信息不能与其他空间信息，如数字高程模型（DEM）和从高分辨率遥感图像上获取的植被信息完全匹配，且不便于编辑、保存和传输。而随着土壤退化研究的深入，对获取土壤信息的精度和效率提出了更高的要求。从区域性到全球范围的土壤状况评估已成为土壤科学家面临的重要挑战之一。

20世纪后半叶，对地观测技术的进步（如计算机、信息技术及空间技术的出现与发展），为土壤退化研究提供了新的工具和方法，即遥感技术，一种非接触、远距离探测技术。遥感技术凭借其实时、动态、宏观、精确、低成本等优势，逐渐得到土壤学界的广泛关注，并在土壤调查领域得到应用。此外，由于遥感数据的不断丰富，可实现不同时空尺度上的土壤退化的动态监测和快速评价，为进一步控制和修复土壤退化提供了科学依据。

1.土壤属性的遥感表征

由于种类、结构和所处环境的不同，一切地物均具有其特殊的电磁波特性。而遥感则可根据这些电磁波特性对地物目标的类型进行识别。土壤是一种复杂的多相物质，在退化过程中，土壤的理化属性通常会发生变化，而其光谱特征是理化性质的综合反映，在一定程度上可通过遥感技术识别出来。土壤属性除了由直接指标（矿物成分、有机质含量、表面粗糙度和土壤含水量等因素）反映外，还能通过植被特征和土地利用/地表覆盖类型等间接指标来映射。表1总结了利用遥感技术监测土壤属性的研究方法和手段。

表1 基于遥感的土壤属性监测方法

2.土壤退化的遥感监测

20世纪80年代以来，遥感技术的飞速发展，特别是我国高分、资源、环境系列卫星的相继升空，为土壤信息提取和调查提供了新的方法与手段，按照工作波段和探测方式可以大致划分为多光谱、高光谱和微波遥感。土壤退化信息的提取主要是依据遥感探测手段与数学模型相结合的反演过程，尽管具有一定的难度与挑战，但经过多年的研究，利用遥感数据实现土壤组分反演的方法已逐步趋于成熟，精度也越来越高，为基于遥感技术的土壤退化状况评估与监测提供了很好的机会。表2总结了各种土壤退化类型的遥感监测方法和手段，图1为基于遥感的土壤和植被指标与土壤退化类型的对应关系。

表2 土壤退化类型及其遥感监测

图1 基于遥感的土壤和植被指标与土壤退化类型的对应关系

3.结论与展望

国内外基于遥感技术的土壤退化研究已经取得了丰硕的成果。但是由于土壤的非均质性，其退化过程具有强烈的时空变异性以及各因素间关系的复杂性，导致在该方面的应用研究还存在一些亟待深入探索的方面：

   （1）基于遥感的土壤退化研究多依赖于地面数据和实验室模拟条件，目前的研究模型大多属于经验模型或定性、半定量研究，为实现土壤退化的定量化研究，土壤退化的机理和过程及其遥感识别仍有待进一步探索。

   （2）除土壤荒漠化、土壤侵蚀等退化现象有大尺度的研究外，其他土壤退化现象的研究还停留在小尺度、室内条件下。虽然近距离遥感反演土壤信息的实验效果良好，但在大尺度条件下，反演精度仍得不到保证。

   （3）遥感数据的更新不够及时使其应用于土壤退化的时效性大打折扣，且陈旧的数据降低了反演的精度。随着越来越多的对地观测卫星的发射及无人机技术的大规模应用，获取数据的途径将会越来越多。如何处理这些海量数据并从中提取出有关土壤退化的关键信息将是今后的研究重点。

   （4）目前的遥感技术只能获取土壤表层的信息，尽管微波遥感有一定的穿透能力，能够获取地表以下一定范围的信息，但目前仅局限于土壤水分信息。因此如何获取土壤剖面的多个指标的信息仍是未来遥感技术应用于土壤退化方面需要突破的方向之一。

   （5）尽管遥感技术在荒漠化、土壤侵蚀、盐渍化的动态监测方面得到了广泛的应用，但对土壤污染、有机质含量降低的动态监测还有待更深入探究，且目前的动态监测研究缺乏样地的长期、持续的跟踪监测及验证。

引用本文

何发坤,蒲生彦,肖胡萱,刘世宾.遥感技术在土壤退化中的应用研究进展[J/OL].农业资源与环境学报:1-13[2020-04-22]. https:///10.13254/j.jare.2020.0078.

网络首发网址：

https://kns.cnki.net/KCMS/detail/12.1437.S.20200413.2100.001.html

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《农业资源与环境学报》

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