基于TM遥感影像的玛多县草地土壤有机质的时空格局反演

宋立生，赵之重，徐剑波，胡月明

(1.华南农业大学信息学院，广东 广州 510642; 2.青海大学农牧学院，青海 西宁 430072)

青海省玛多县土地辽阔，水源较充足，牧草品质较好，营养成分高。境内有较大面积的高山草甸和高山草原，是良好的天然牧场。然而，近些年来，由于气候发生了变化以及过牧等人类活动日益增强，玛多县草地出现了不同程度的退化现象[1-2]。当草地退化到一定的阈值之后，植被对土壤的保护伞作用丧失而导致土壤侵蚀，出现土壤退化现象[3]，尽管其滞后于植被退化，却是比植被退化更严重的退化，土壤退化后整个草原生态系统的功能会遗失殆尽，因此土壤退化是草地退化的核心问题[4]。土壤退化将会导致表层土壤有机质流失严重[5]，Johan等[6]的研究表明土壤有机质的减少是草地重度退化的重要表现，因此监测区域土壤有机质的时空格局可以为植被恢复和生态环境保护提供一定的科学依据。之前关于土壤有机质的时空格局研究主要是通过野外大量采集土样进行室内分析，然后利用地统计学和插值来表征土壤有机质的空间分布特征，这种方法工作量大、成本高、实时性差、观察周期较长[7]。有学者研究发现土壤有机质的高低将会影响到土壤的反射率[8-9]，因而可以利用遥感影像反演表层土壤有机质的含量和时空分布特征[10-11]，同时具有成本低、实时性强等特点。但是以往的研究建立的反演模型存在不一致性且大多是室内研究，很难走出实验室[9,12]。本研究尝试利用多光谱TM影像，分析玛多县表层土壤有机质含量与TM各波段影像亮度值之间的相关性，并通过回归分析建立反演模型，进而得到玛多县表层土壤有机质的时空分布特征，以期为玛多县植被恢复和畜牧业可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

玛多县位于青海省南部，其地理坐标为33°50′～35°40′ N,96°55′～99°20′ E。北与海西蒙古族、藏族自治州都兰县相接，东与海南藏族自治州兴海县和果洛藏族自治州玛沁县相毗邻，南与果洛藏族自治州达日县和四川省石渠县接壤，西靠玉树藏族自治县曲麻莱县，西南与玉树藏族自治州相连，南北宽207 km，东西长约228 km，全县总面积25 253 km2，平均海拔在4 200 m以上。玛多县属高原大陆性半湿润气候，年均温-2.1～5.3 ℃，无绝对无霜期，年降水量247.8～484.8 mm。玛多县为山地草原，多为草甸植被。植被水平分异和垂直分异相叠加，植被类型随地势起伏变化明显。山坡普遍发育着碎石坡、“石海”、石条带的石成土壤，主要分布着垫状点地梅(Androsacetapeta)、垫状蚤缀(Arenariamusciformis)等植物，与多种风毛菊(Saussureaspp.)呈镶嵌状的稀疏植被；丘陵缓坡下部发育着泥流扇的水成土壤，主要是以垂头菊(Cremanthodiumreniforme)为主的处于演替阶段的植物群落。盆地、河谷低洼处永冻土地段，分布着以列氏蒿草(Kobresialehtineni)为代表的沼泽化草甸。而洪积扇和河流阶地水成土壤，分布着含蜜花黄芪(Astragalusdensiflorus)、甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)、早熟禾(Poaannua)、紫花针茅(Stipapurpurea)、披碱草(Elymusdahuricus)、鹅观草(Roegneriakamoji)和矮嵩草(Kobresiahumilis)的草原草甸。在一些盐湖周围的盐成土壤中，则分布着碱蓬(Suaedaglauca)、海韭菜(Triglochinmaritimum)、剪刀股(Ixerisaponica)等盐生植物。玛多县境内地势高，气候干旱寒冷，土壤微生物活动微弱，土壤有机质积累强、分解慢，同时该区域的土壤成熟度差，结构粗糙，土层稀薄，一般为30～50 cm，含砾石较多；加之海拔高，气候恶劣，环境脆弱，土壤肥力一旦遭到破坏极难恢复。

2 研究方法

2.1野外采样 野外采样点主要分布在扎陵湖、鄂陵湖黄河源头区以及黄河乡，土壤类型主要有高山草甸草原土、碳酸盐高山草甸土、高山草甸土、高山草原土等，2009年7月下旬通过手持GPS在玛多县境内草地定位沿道路选取30个样点(图1)，尽量使样点均匀分布于玛多县境内。土壤取样深度为0～20 cm，在30 m×30 m内采用五点取样法得到1个样本，将样本带回实验室，经过风干、磨细、过筛、混匀、装瓶后，采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机质含量，同时对5个1 m×1 m样方内的鲜草进行称量。

图1 玛多县土壤采样点分布图

2.2遥感影像预处理与模型建立 选取的遥感影像为1994年7月24日、2009年7月17日TM影像各一景，且选取的遥感影像上无云影干扰。然后对每一景影像进行几何校正、辐射定标、大气校正等预处理，再利用矢量化的玛多县行政范围，裁剪出研究区域的TM影像图。采用SPSS统计软件对样点表层土壤有机质与对应点的多光谱TM影像各波段DN值进行相关分析，得到与其相关性高的TM影像波段，然后利用分析的结果进行回归分析并建立表层土壤有机质含量的反演模型，利用5个为参与回归分样点的表层土壤有机质进行反演精度的检验。由于研究区域主要是稀疏草地、裸土和水体，野外调查样方内的鲜草质量为28.4～128.0 g/m2，平均值为79.4 g/m2。本研究的采样点都分布在玛多县裸土和稀疏草地覆盖区，植被对土壤有机质反演模型的精度影响很小，可以忽略[13]。

为了检验表层土壤有机质反演模型的精度，本研究通过验证5个未参与回归的样点实测土壤有机质与TM影像反演的预测值来评价预测精度，采用平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)进行评价，MAE反映了估计值的实测误差范围，能够定量给出误差；RMSE反映利用样点数据的估值和极值效应。其计算公式如下：

通过对玛多县的两期遥感影像进行对比发现，玛多县草地植被在1994年已经出现了退化现象，草地退化格局已基本形成，并且草地退化过程一直在持续。为了更好地说明玛多县近15年来的土壤有机质含量变化情况，将2009年的土壤有机质含量情况与1994年相比较，并按参考文献[16]提出的草地退化程度分级标准，以土壤有机质变化的百分数变化划分为轻微退化(减少0～10%)、中度退化(减少11%～20%)、较大退化(减少21%～40%)、重度退化(减少>40%)、轻微改善(增加0～10%)、中度改善(增加11%～20%)、较大改善(增加21%～40%)、强烈改善(增加>40%)8个等级。15年来，玛多县土壤有机质含量已经大范围增加(图3)，但在气候变化较为敏感区域、交通要道沿线以及靠近居民点等人类活动较为频繁的区域，土壤失去了天然的保护屏障，出现退化现象，甚至有些区域出现了较为严重的土壤沙化现象[17]，导致土壤有机质含量降低。玛多县总退化面积为158 737.86 hm2，其中重度退化面积为46 357.56 hm2，占总面积的2.79%，较大退化面积为9 035.28 hm2，占总面积的0.54%，中度退化和轻微退化的面积分别是19 869.21和83 475.81 hm2，分别占总面积的1.19%和5.02%(表1)。可以看出，玛多县土壤有机质含量变化主要为重度退化和轻微退化。土壤有机质得到改善的面积达1 504 575.45 hm2，占总面积的比重为90.46%。同时土壤有机质含量得到改善的速度也大于退化的速度。这主要归功于“退牧还草”工程和“三江源生态保护”工程的进一步实施，牲畜头数持续下降，减少了对草地和土壤的压力，草地载畜量逐步达到合理水平，玛多县草地生态系统得到了初步恢复。

3 结果与分析

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甲状腺囊性结节是临床常见的良性疾病，病变较大且伴发出血时不仅影响美观，疼痛明显，而且压迫邻近器官，造成严重的病理生理学变化，必须给予及时治疗。随着介入技术的发展与完善，超声引导下微创治疗定位准确，对患者创伤小，且疗效肯定，已逐渐替代了手术切除或药物治疗等传统疗法。

3.3玛多县表层土壤有机质的时空格局 土壤样品的测定结果表明，土壤有机质最高的是沼泽土，其次是高山灌丛草甸土和高山草甸土，再次为高山草原土，含量最低的是风沙土。从2009年遥感影像反演的结果来看，全县土壤有机质含量分布不均匀，平均含量为37.12 g/kg，最低值为8.71 g/kg，最高值只有65.87 g/kg。玛多县北部土壤有机质含量明显低于南部(图2)，特别是扎陵湖和鄂陵湖的北部土壤有机质含量处于较低水平。其原因可能有以下几点：首先，扎陵湖和鄂陵湖地区位于玛多县北部，海拔普遍较高，气候干旱寒冷，土壤微生物活动微弱，导致土壤表层有机质含量低于其他地区。其次，该地区草地覆盖度较低，地势开阔，失去依山的屏障作用，土壤本身水、肥、气、热不协调，并且经常受到大风、洪水等自然灾害的侵蚀，加速了土壤表土粘粒的冲刷流失，使得该地区土地表层砾石遍布或者就地起沙。最后，该地区土壤质地轻，土壤的蓄水保肥能力较差，牲畜啃食或过牧践踏后非常容易引起草地退化，随之出现一定程度的土壤退化，使得土壤有机质含量降低。

3.2反演模型精度检验 通过比较5个样点实测表层土壤有机质与反演模型预测值来评价反演精度，本研究中反演模型的平均绝对误差为5.342，均方根误差为5.703，两者的数值均较小，说明反演模型的精度较高，预测结果能够较好地体现玛多县表层土壤有机质的空间分布格局。

然后瘦男人讲了事情经过：他在跟“田科”手下的新办事员接触时，引起了那人的警觉。“田科”手下的新办事员是个年轻女人，长得不漂亮但身材却好，他就以处朋友为名跟她接近。接触上之后再拿女人出的钱频频地请那个女办事员吃饭和买礼物。这些举动那个女办事员都来而不拒，因为那女办事员是个二婚材料，也正满世界的踅摸男人呢。可没想到那个“田科”竟是她舅舅，后来去酒店喝酒时女人便带“田科”去了，可能是想让舅舅为她把把关，相看一下她新结识的男朋友。

3.1表层土壤有机质遥感反演模型 分析发现，样点表层土壤有机质含量与对应点TM3、TM5波段DN值呈显著负相关，这与张法升等[11]和Chen等[14]的研究结果相似，相关系数为-0.670和-0.675，并对样点实测表层土壤有机质含量与对应TM3、TM5波段DN值进行二元回归分析，建立表层土壤有机质的遥感反演模型为：土壤有机质含量=19.359×(TM3)3-0.731×(TM5)3-84.268 (R2=0.815,P<0.001)。并利用该模型对玛多县表层土壤有机质进行反演，同时利用[(TM1-TM7)/(TM1+TM7)]>K的方法[15]提取玛多县的水体信息，再利用ENVI掩膜功能对水体和非水体区域进行二值化，得到的图像再与之前反演的影像进行Boud运算，获得玛多县表层土壤有机质空间分布格局，最后利用ArcGIS对1994年和2009年的土壤有机质分布图进行图层运算得到玛多县表层土壤有机质的时间格局。

From the anisotropy coefficient of circular device γc =x1c/x2c and the oxidation depth of diamond device xd = (x1c +x2c)/2, we got:

4 讨论与结论

本研究通过TM影像和土壤样品实测数据相结合，对玛多县样点表层土壤有机质含量与相应TM各波段影像亮度值进行相关性分析，发现样点表层土壤有机质含量与对应点TM3、TM5波段DN值呈显著负相关，相关系数为-0.670和-0.675，并对样点实测表层土壤有机质含量与对应TM3、TM5波段DN值进行二元回归分析，建立表层土壤有机质的遥感反演模型，最后得到玛多县表层土壤有机质含量的时空分布特征。与地统计学方法相比，基于遥感结合地面取样分析表层土壤有机质含量的时空格局具有一定的优势，该方法节省时间、节约成本，实时、准确地预测表层土壤有机质含量，可以为区域植被恢复和畜牧业可持续发展提供科学依据。本研究的结果虽然和前人的研究结果相同，但是具体的反演模型有一定的差异，其原因可能与研究区域土壤状况的差异和研究的尺度不同有关。伴随着遥感技术的发展，从高分辨率、高光谱遥感影像上会获取更多的土壤光谱特征，因此利用遥感反演土壤有机质含量具有广阔的前景。

表1 1994-2009年玛多县土壤有机质变化

图2 2009年玛多县土壤有机质含量分布遥感反演图

图3 1994-2009年玛多县土壤有机质变化分布图

研究区表层土壤有机质含量普遍较低，其主要原因是境内地势高，土壤发育较差、质地偏少，同时该地区气候干旱寒冷，土壤水含量较低，植被生产力也很低，土壤微生物活动微弱，土壤动植物残体归还给土壤较少，使得有机质在土壤中的积累缓慢，土壤有机质含量偏低。另外由于质地轻，土壤的蓄水保肥能力差，牧草覆盖度非常低，牲畜啃食和过牧践踏之后非常容易引起草地退化，土壤失去了天然的保护屏障，出现退化，导致土壤有机质含量降低。针对玛多县土壤资源的状况和气候特征，在今后发展畜牧业当中应当合理利用土壤、草地资源，同时对黄河沿岸的风沙土应进一步加强保护，防止草地继续退化，提高草原生产力，保持畜牧业的可持续发展。

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