土壤鹽堿化作為土壤退化的主要形式之一，對(duì)全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)功能構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前全球約有10億公頃土地受鹽堿化影響，占地球陸地面積的7%左右。在氣候變化和不合理土地利用的雙重影響下，鹽堿化面積扔將持續(xù)擴(kuò)張。在耕地資源日益緊張的情況下，蘇打鹽堿地仍有較大的開發(fā)利用潛力。通過科學(xué)改良，蘇打鹽堿土不僅可擴(kuò)展土地資源，還有望顯著提升區(qū)域土地生產(chǎn)力。因此，土壤鹽堿化的高精度監(jiān)測(cè)對(duì)于評(píng)估其生態(tài)影響、指導(dǎo)土壤改良與制定科學(xué)的農(nóng)業(yè)管理政策至關(guān)重要。

針對(duì)該關(guān)鍵科學(xué)問題，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所微波遙感研究團(tuán)隊(duì)，基于松嫩平原西部春季裸土期的Sentinel-1、Sentinel-2與SDGSAT-1 TIS數(shù)據(jù)，集成多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)解析了鹽堿土的亮溫特征，構(gòu)建了兩個(gè)基于熱紅外波段的鹽分指數(shù)（NDTSI與TISI1），進(jìn)而建立了蘇打鹽堿地區(qū)域尺度的土壤鹽分反演模型，系統(tǒng)評(píng)估了SDGSAT-1TIS數(shù)據(jù)在蘇打鹽堿區(qū)土壤鹽分估算中的適用性與穩(wěn)健性，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)土壤鹽分空間格局的高精度制圖。

研究結(jié)果表明，SDGSAT-1TIS數(shù)據(jù)在熱紅外波段具有獨(dú)特的光譜響應(yīng)特性，能夠敏感捕捉鹽堿土的熱輻射特征，顯著提升了土壤鹽分反演模型的精度，其模型表現(xiàn)優(yōu)于僅使用Sentinel-2光學(xué)數(shù)據(jù)或Sentinel-1/GF-3雷達(dá)數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果。基于SDGSAT-1 TIS與Sentinel-2協(xié)同融合的輸入變量，通過高斯過程回歸（GPR）算法構(gòu)建的模型實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)性能（R2=0.75，RMSE=0.65 dS/m），顯著提升了預(yù)測(cè)精度與泛化能力。土壤鹽分制圖結(jié)果表明，研究區(qū)大部分土壤呈現(xiàn)輕度至中度鹽堿化，這對(duì)植物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了顯著脅迫；不同土地利用類型間的土壤鹽堿化程度呈現(xiàn)顯著差異，其中農(nóng)田和草原的平均土壤電導(dǎo)率（EC）分別為2.76 dS/m和2.87 dS/m，受鹽堿化影響面積占比分別為47%和49%，以輕度至中度鹽堿化為主；荒地鹽堿化問題更為突出，平均EC高達(dá)9.67 dS/m，表現(xiàn)為中度鹽堿化特征。本研究首次系統(tǒng)評(píng)估了SDGSAT-1 TIS數(shù)據(jù)在蘇打鹽堿區(qū)土壤鹽分遙感反演中的適用性與穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)了高精度鹽分空間格局監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果不僅為蘇打鹽堿地的科學(xué)利用與生態(tài)修復(fù)提供了理論依據(jù)，也為促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與保障國(guó)家糧食安全提供了重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1. 熱紅外波段對(duì)不同鹽度水平土壤樣本（n =39）的光譜響應(yīng)敏感性：(a) 3-15μm范圍內(nèi)土壤樣本的地面測(cè)量亮度溫度；(b) 8-12.5μm范圍內(nèi)（SDGSAT-1 TIS的光譜覆蓋范圍）土壤樣本的地面測(cè)量亮度溫度；(c) 衛(wèi)星等效亮度溫度與土壤導(dǎo)電率（LnEC）之間的關(guān)系；(d)NDTIS與土壤導(dǎo)電率（LnEC）之間的關(guān)系；(e)TISI1與土壤導(dǎo)電率（LnEC）之間的關(guān)系

圖2. 基于多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法在七種輸入變量組合場(chǎng)景下的土壤鹽分反演模型精度比較：(a)決定系數(shù)；(b)均方根誤差

圖3. 研究區(qū)不同土壤鹽堿度等級(jí)的空間分布及其與土地覆被類型的關(guān)系：(a) 不同鹽堿度等級(jí)的土壤空間分布圖；(b)不同土地覆被類型中各鹽堿度等級(jí)的面積占比；(c) 不同鹽堿度等級(jí)土壤中各土地覆被類型的面積占比

該研究發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Remote Sensing of Environment》，由碩士研究生高紫蕊（第一作者）和李曉潔項(xiàng)目研究員、王文娟研究員（通訊作者）等共同完成。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFD1500508、2021YFC0305503）、吉林省自然科學(xué)基金（YDZJ202201ZYTS550）和東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年科學(xué)家創(chuàng)新基金（2023HTDGZ-QN-02）等共同資助。

論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.rse.2025.114708

來(lái)源：中科院東北地理所