新疆不同類型土壤有機質含量的高光譜監測*

王玉華，楊小霞，王克如，鄒楠，楊文杰，侯慧杰，肖春華*

（1.新疆生產建設兵團第四師七十一團，新疆伊犁835800；2.中國農業科學院作物研究所/農業部作物生理生態重點實驗室；3.石河子大學農學院/綠洲生態農業重點實驗室）

新疆不同類型土壤有機質含量的高光譜監測*

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.新疆生產建設兵團第四師七十一團，新疆伊犁835800；2.中國農業科學院作物研究所/農業部作物生理生態重點實驗室；3.石河子大學農學院/綠洲生態農業重點實驗室）

利用高光譜遙感對土壤進行監測已成為精準農業的重要技術之一。本文對新疆不同土壤類型土壤樣品有機質含量進行理化分析，并高光譜反射率測定，獲得不同類型土樣有機質含量及對應高光譜反射率曲線，通過分析高光譜反射率曲線與土樣有機質含量關系，對特定波長下的土樣光譜反射率和有機質含量進行相關分析和曲線擬合，對高光譜遙感監測土壤質量的可行性進行分析。研究發現，有機質在350～2 500 nm波長范圍內光譜反射率與有機質含量呈負相關關系，在675 nm附近的相關性最強。該研究為利用遙感技術進行土壤屬性的快速監測奠定了研究基礎。

新疆；土壤有機質；高光譜遙感；模型

高光譜遙感技術源于多光譜遙感技術，又稱為成像光譜技術，以測譜學為基礎，是近二十年來發展起來的譜像合一的一項遙感前沿技術。雖然發展時間不長，但其所具有的光譜分辨率高、信息量大、譜像合一的特點，是傳統的遙感技術無法比擬的。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農業中土壤信息的提取方面扮演重要角色。

土壤有機質含量和有機質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為暗黑色土壤比亮色土壤的有機質含量更高，這表明了土壤有機質與可見光反射率之間的關系[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性質的關系。隨著便攜式地物光譜儀靈敏度的發展，田間光譜儀將成為快速逐點監測土壤環境的基本工具，也為精準農業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、土壤裸露地區作為樣區，選擇時考慮各種不同土地利用類型和土壤類型，每個樣區內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、大學試驗站和大學試驗農場，共采集7個土樣（表1），土樣取回后在室內風干，研磨過0.25 mm篩。

1.2試驗方法

1.2.1土壤有機質測定

重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質含量[5]。

1.2.2高光譜數據測定

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進行觀測[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定為2 s[6-8]，每個土樣的光譜測量重復5次，最后取平均值得出土樣的光譜反射率。

2　結果與分析

2.1土壤有機質方差分析

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

表2　土壤樣品有機質方差分析

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，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，不同土樣光譜曲線形狀有差別[9]，進一步分析發現，有機質含量對350～1 800 nm波長范圍的光譜曲線影響明顯[10]。有機質含量越高，曲線越低，越接近直線，有機質含量與675 nm、849 nm、1 681 nm波長反射率有很強的相關性。

圖1　不同土樣室內高光譜曲線比較

2.3土樣有機質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含量進行擬合，得出3個擬合曲線，其中指數擬合曲線y=0.4e-0.1011x相關性最高，相關系數r2= 0.834，其次為多項式曲線y=0.026 2x2-0.170 5x+ 0.4，相關系數為r2=0.637，見圖2。

圖2　有機質與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含量進行擬合，得出3個擬合曲線，其中指數擬合曲線y=0.4e-0.2005x相關性最高，相關系數r2=0.821 8，其次為多項式曲線y=0.005 6x2-0.092 9x+0.4，相關系數為r2=0.728 1。

圖3　有機質與849 nm波長高光譜反射率擬合曲線

圖4　有機質與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含量進行擬合，得出3個擬合曲線，指數曲線和多項式曲線有機質與反射率為負相關，其中指數擬合曲線y=0.5e-0.1116x相關性最高，相關系數r2=0.464 1，其次為多項式曲線y=0.019 7x2-0.101 7x+0.5，相關系數為r2=0.421。

3　討論與結論

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

研究表明，在進行微分變換以前，可見光波段的有機質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最理想的診斷波長，而指數曲線和多項式曲線是土壤有機質高光譜遙感診斷的最佳擬合模型。且有機質在研究的350～2 500 nm波長范圍內并不存在吸收峰[12]，但在這一波長范圍內，光譜反射率與有機質含量呈負相關關系，在675 nm附近的相關性最強。

[1]Vane Gregg，Goetz Alexander F H.Terrestrial imaging spectrometry current status,future trends，Remote sensing of Environment[J].1993，（44）：117-126.

[2]Weismann C.A.，Abler J.D.，Peterson D.L.An Evaluation of Imaging Spectrum tries for Estimating Forest Canopy Chemistry Int[J].Remote Sensing，1989，（10）：1293-1316.

[3]季耿善，徐彬彬.土壤粘土礦物反射特性及其在土壤學上的應用.土壤學報，1987，24（1）：67-76.

[4]冷疏形，李秀彬.土地質量指標體系國際研究的新進展.地理學報，1999.54（2）：177-185.

[5]黃昌勇主編，土壤學，2001，北京中國農業出版社.

[6]浦瑞良，宮鵬.高光譜遙感及其應用[M].北京:高等教育出版社，2000.12-22.

[7]田慶久，張良培，鄭蘭芬，等.成像光譜遙感定標模型的分析與評價[J].遙感技術與應用，1996，11，（3）：16-21.

[8]陸登槐.農業遙感的應用效益及在我國的發展戰略[J].農業工程學報，1998.

[9]Wander M.M.and Drinkwater.2000.Fostering soil stewardship through soil quality assessment.Applied Soil Ecology.15：61-73.

[10]Act達中國主要土壤光譜反射特性分類與數據處理的初步研究[A].遙感文選[M]，北京二科學出版社，1981：315-323.

[11]Indaba P.S.，J.J.Stoorvogel,D.M.Jansen，J.Laming，J.J.R. Grout.2000.Land quality.

[12]AI-Abbes et al.，Relating organic mater and clay content to multispectral radiance of soils,Soils Sic.，1972，114，477-85.

2016—11—02

國家自然基金（31460326和31360302）資助。

肖春華（1971-），教授，博士，從事作物高產營養監測的研究，E-mail：xiaochunhuaxj@163.com。