新疆不同類型土壤有機質(zhì)含量的高光譜監(jiān)測*

王玉華，楊小霞，王克如，鄒楠，楊文杰，侯慧杰，肖春華*

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第四師七十一團(tuán)，新疆伊犁835800；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點實驗室；3.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室）

新疆不同類型土壤有機質(zhì)含量的高光譜監(jiān)測*

王玉華1，楊小霞1，王克如2，鄒楠3，楊文杰3，侯慧杰3，肖春華3*

（1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第四師七十一團(tuán)，新疆伊犁835800；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點實驗室；3.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室）

利用高光譜遙感對土壤進(jìn)行監(jiān)測已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)之一。本文對新疆不同土壤類型土壤樣品有機質(zhì)含量進(jìn)行理化分析，并高光譜反射率測定，獲得不同類型土樣有機質(zhì)含量及對應(yīng)高光譜反射率曲線，通過分析高光譜反射率曲線與土樣有機質(zhì)含量關(guān)系，對特定波長下的土樣光譜反射率和有機質(zhì)含量進(jìn)行相關(guān)分析和曲線擬合，對高光譜遙感監(jiān)測土壤質(zhì)量的可行性進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)在350～2 500 nm波長范圍內(nèi)光譜反射率與有機質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在675 nm附近的相關(guān)性最強。該研究為利用遙感技術(shù)進(jìn)行土壤屬性的快速監(jiān)測奠定了研究基礎(chǔ)。

新疆；土壤有機質(zhì)；高光譜遙感；模型

高光譜遙感技術(shù)源于多光譜遙感技術(shù)，又稱為成像光譜技術(shù)，以測譜學(xué)為基礎(chǔ)，是近二十年來發(fā)展起來的譜像合一的一項遙感前沿技術(shù)。雖然發(fā)展時間不長，但其所具有的光譜分辨率高、信息量大、譜像合一的特點，是傳統(tǒng)的遙感技術(shù)無法比擬的。所以具有高光譜分辨率與高空間分辨率的高光譜遙感將在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中土壤信息的提取方面扮演重要角色。

土壤有機質(zhì)含量和有機質(zhì)組成對土壤反射率有著強烈影響，對土壤反射率的影響在視覺上表現(xiàn)為暗黑色土壤比亮色土壤的有機質(zhì)含量更高，這表明了土壤有機質(zhì)與可見光反射率之間的關(guān)系[1-3]。通常，可從實驗室、田間和空中獲取土壤的光譜反射率。實驗室中土壤的光譜反射率測量能夠在可控條件下獲取，因而是我們研究土壤光譜特性的主要手段。在土壤有機質(zhì)的高光譜研究中，基于實驗室的土壤光譜反射率測量使人們能夠理解土壤反射率與土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系。隨著便攜式地物光譜儀靈敏度的發(fā)展，田間光譜儀將成為快速逐點監(jiān)測土壤環(huán)境的基本工具，也為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中土壤空間信息的獲取提供了強有力的手段[4]。

表1　土壤樣品類型

1　材料與方法

1.1樣品采集

采集土壤表層土0～5 cm，一般選擇地勢較為平坦、土壤裸露地區(qū)作為樣區(qū)，選擇時考慮各種不同土地利用類型和土壤類型，每個樣區(qū)內(nèi)選擇具有代表性的測點4～5個，每個測點采集1個土樣。

土壤樣品采自新疆伊犁、塔城、大學(xué)試驗站和大學(xué)試驗農(nóng)場，共采集7個土樣（表1），土樣取回后在室內(nèi)風(fēng)干，研磨過0.25 mm篩。

1.2試驗方法

1.2.1土壤有機質(zhì)測定

重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量[5]。

1.2.2高光譜數(shù)據(jù)測定

光譜測量采用ASD Field Spec FR野外光譜儀，用25視場角探頭垂直對目標(biāo)進(jìn)行觀測[2]。ASDFieldSpec FR光譜儀測量波長范圍為350～2 500 nm，其中350～1 000 nm之間的光譜分辨率3 nm，1 000～2 500 nm之間的光譜分辨率為10 nm。在沒有自然光的黑暗實驗室內(nèi)將過0.25 mm篩土樣鋪成約10 cm厚土層，表面刮平，用1臺1 000 W鹵光燈光以提供光源，用地物光譜儀獲取350～2 500 nm波長范圍的土壤光譜反射率。對1條光譜曲線的掃描時間設(shè)定為2 s[6-8]，每個土樣的光譜測量重復(fù)5次，最后取平均值得出土樣的光譜反射率。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤有機質(zhì)方差分析

對所采集新疆不同土樣的有機質(zhì)含量進(jìn)行方差分析（表2），結(jié)果表明,各土樣間有機質(zhì)含量達(dá)到差異顯著水平。

表2　土壤樣品有機質(zhì)方差分析

2.2不同類型土壤高光譜曲線

從不同土樣的高光譜曲線可以看出（圖1），在波長350～2 500 nm范圍內(nèi)，土樣光譜反射率曲線形狀趨勢一致，不同土樣光譜反射率差別明顯；在波長350～1 800 nm范圍內(nèi)，不同土樣光譜曲線形狀有差別[9]，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)含量對350～1 800 nm波長范圍的光譜曲線影響明顯[10]。有機質(zhì)含量越高，曲線越低，越接近直線，有機質(zhì)含量與675 nm、849 nm、1 681 nm波長反射率有很強的相關(guān)性。

圖1　不同土樣室內(nèi)高光譜曲線比較

2.3土樣有機質(zhì)含量的高光譜特征分析及曲線擬合

把675 nm波長處土樣高光譜反射率與土樣有機質(zhì)含量進(jìn)行擬合，得出3個擬合曲線，其中指數(shù)擬合曲線y=0.4e-0.1011x相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)r2= 0.834，其次為多項式曲線y=0.026 2x2-0.170 5x+ 0.4，相關(guān)系數(shù)為r2=0.637，見圖2。

圖2　有機質(zhì)與675 nm波長高光譜反射率擬合曲線

如圖3所示，把849 nm波長處土樣高光譜反射率與土樣有機質(zhì)含量進(jìn)行擬合，得出3個擬合曲線，其中指數(shù)擬合曲線y=0.4e-0.2005x相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)r2=0.821 8，其次為多項式曲線y=0.005 6x2-0.092 9x+0.4，相關(guān)系數(shù)為r2=0.728 1。

圖3　有機質(zhì)與849 nm波長高光譜反射率擬合曲線

圖4　有機質(zhì)與1 681 nm波長高光譜反射率擬合曲線

如圖4所示，把1 681 nm波長處土樣高光譜反射率與土樣有機質(zhì)含量進(jìn)行擬合，得出3個擬合曲線，指數(shù)曲線和多項式曲線有機質(zhì)與反射率為負(fù)相關(guān)，其中指數(shù)擬合曲線y=0.5e-0.1116x相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)r2=0.464 1，其次為多項式曲線y=0.019 7x2-0.101 7x+0.5，相關(guān)系數(shù)為r2=0.421。

3　討論與結(jié)論

通過對新疆不同土壤室內(nèi)高光譜測定及與土壤有機質(zhì)含量關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)含量明顯影響高光譜曲線形狀[11]，提取對有機質(zhì)反應(yīng)敏感的多個波段反射率，把高光譜反射率與土壤有機質(zhì)含量進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果表明，675 nm波長處土樣的高光譜反射率與土樣有機質(zhì)含量高度相關(guān)，其中指數(shù)擬合曲線y=0.4e-0.1011x相關(guān)性最高（r2=0.834），其多項式曲線y =0.026 2x2-0.170 5x+0.4，相關(guān)系數(shù)為r2=0.637。849nm波長處指數(shù)擬合曲線y=0.4e-0.2005x相關(guān)性最高（r2=0.821 8），其多項式曲線y=0.005 6x2-0.092 9x +0.4，相關(guān)系數(shù)為r2=0.728 1。

研究表明，在進(jìn)行微分變換以前，可見光波段的有機質(zhì)含量探測能力要比近紅外波段要強，675 nm和849 nm波長的反射率是土壤有機質(zhì)最理想的診斷波長，而指數(shù)曲線和多項式曲線是土壤有機質(zhì)高光譜遙感診斷的最佳擬合模型。且有機質(zhì)在研究的350～2 500 nm波長范圍內(nèi)并不存在吸收峰[12]，但在這一波長范圍內(nèi)，光譜反射率與有機質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在675 nm附近的相關(guān)性最強。

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2016—11—02

國家自然基金（31460326和31360302）資助。

肖春華（1971-），教授，博士，從事作物高產(chǎn)營養(yǎng)監(jiān)測的研究，E-mail：xiaochunhuaxj@163.com。