新疆不同类型土壤有机质含量的高光谱监测*

2016-12-20王玉华杨小霞王克如邹楠杨文杰侯慧杰肖春华

新疆农垦科技 2016年11期

王玉华，杨小霞，王克如，邹楠，杨文杰，侯慧杰，肖春华*

（1.新疆生产建设兵团第四师七十一团，新疆伊犁835800；2.中国农业科学院作物研究所/农业部作物生理生态重点实验室；3.石河子大学农学院/绿洲生态农业重点实验室）

王玉华1，杨小霞1，王克如2，邹楠3，杨文杰3，侯慧杰3，肖春华3*

利用高光谱遥感对土壤进行监测已成为精准农业的重要技术之一。本文对新疆不同土壤类型土壤样品有机质含量进行理化分析，并高光谱反射率测定，获得不同类型土样有机质含量及对应高光谱反射率曲线，通过分析高光谱反射率曲线与土样有机质含量关系，对特定波长下的土样光谱反射率和有机质含量进行相关分析和曲线拟合，对高光谱遥感监测土壤质量的可行性进行分析。研究发现，有机质在350～2 500 nm波长范围内光谱反射率与有机质含量呈负相关关系，在675 nm附近的相关性最强。该研究为利用遥感技术进行土壤属性的快速监测奠定了研究基础。

新疆；土壤有机质；高光谱遥感；模型

高光谱遥感技术源于多光谱遥感技术，又称为成像光谱技术，以测谱学为基础，是近二十年来发展起来的谱像合一的一项遥感前沿技术。虽然发展时间不长，但其所具有的光谱分辨率高、信息量大、谱像合一的特点，是传统的遥感技术无法比拟的。所以具有高光谱分辨率与高空间分辨率的高光谱遥感将在精准农业中土壤信息的提取方面扮演重要角色。

土壤有机质含量和有机质组成对土壤反射率有着强烈影响，对土壤反射率的影响在视觉上表现为暗黑色土壤比亮色土壤的有机质含量更高，这表明了土壤有机质与可见光反射率之间的关系[1-3]。通常，可从实验室、田间和空中获取土壤的光谱反射率。实验室中土壤的光谱反射率测量能够在可控条件下获取，因而是我们研究土壤光谱特性的主要手段。在土壤有机质的高光谱研究中，基于实验室的土壤光谱反射率测量使人们能够理解土壤反射率与土壤物理和化学性质的关系。随着便携式地物光谱仪灵敏度的发展，田间光谱仪将成为快速逐点监测土壤环境的基本工具，也为精准农业中土壤空间信息的获取提供了强有力的手段[4]。

表1　土壤样品类型

1　材料与方法

1.1样品采集

采集土壤表层土0～5 cm，一般选择地势较为平坦、土壤裸露地区作为样区，选择时考虑各种不同土地利用类型和土壤类型，每个样区内选择具有代表性的测点4～5个，每个测点采集1个土样。

土壤样品采自新疆伊犁、塔城、大学试验站和大学试验农场，共采集7个土样（表1），土样取回后在室内风干，研磨过0.25 mm筛。

1.2试验方法

1.2.1土壤有机质测定

重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量[5]。

1.2.2高光谱数据测定

光谱测量采用ASD Field Spec FR野外光谱仪，用25视场角探头垂直对目标进行观测[2]。ASDFieldSpec FR光谱仪测量波长范围为350～2 500 nm，其中350～1 000 nm之间的光谱分辨率3 nm，1 000～2 500 nm之间的光谱分辨率为10 nm。在没有自然光的黑暗实验室内将过0.25 mm筛土样铺成约10 cm厚土层，表面刮平，用1台1 000 W卤光灯光以提供光源，用地物光谱仪获取350～2 500 nm波长范围的土壤光谱反射率。对1条光谱曲线的扫描时间设定为2 s[6-8]，每个土样的光谱测量重复5次，最后取平均值得出土样的光谱反射率。

2　结果与分析

2.1土壤有机质方差分析

对所采集新疆不同土样的有机质含量进行方差分析（表2），结果表明,各土样间有机质含量达到差异显著水平。

表2　土壤样品有机质方差分析

2.2不同类型土壤高光谱曲线

从不同土样的高光谱曲线可以看出（图1），在波长350～2 500 nm范围内，土样光谱反射率曲线形状趋势一致，不同土样光谱反射率差别明显；在波长350～1 800 nm范围内，不同土样光谱曲线形状有差别[9]，进一步分析发现，有机质含量对350～1 800 nm波长范围的光谱曲线影响明显[10]。有机质含量越高，曲线越低，越接近直线，有机质含量与675 nm、849 nm、1 681 nm波长反射率有很强的相关性。

图1　不同土样室内高光谱曲线比较

2.3土样有机质含量的高光谱特征分析及曲线拟合

把675 nm波长处土样高光谱反射率与土样有机质含量进行拟合，得出3个拟合曲线，其中指数拟合曲线y=0.4e-0.1011x相关性最高，相关系数r2= 0.834，其次为多项式曲线y=0.026 2x2-0.170 5x+ 0.4，相关系数为r2=0.637，见图2。

图2　有机质与675 nm波长高光谱反射率拟合曲线

如图3所示，把849 nm波长处土样高光谱反射率与土样有机质含量进行拟合，得出3个拟合曲线，其中指数拟合曲线y=0.4e-0.2005x相关性最高，相关系数r2=0.821 8，其次为多项式曲线y=0.005 6x2-0.092 9x+0.4，相关系数为r2=0.728 1。

图3　有机质与849 nm波长高光谱反射率拟合曲线

图4　有机质与1 681 nm波长高光谱反射率拟合曲线

如图4所示，把1 681 nm波长处土样高光谱反射率与土样有机质含量进行拟合，得出3个拟合曲线，指数曲线和多项式曲线有机质与反射率为负相关，其中指数拟合曲线y=0.5e-0.1116x相关性最高，相关系数r2=0.464 1，其次为多项式曲线y=0.019 7x2-0.101 7x+0.5，相关系数为r2=0.421。

3　讨论与结论

通过对新疆不同土壤室内高光谱测定及与土壤有机质含量关系研究发现，有机质含量明显影响高光谱曲线形状[11]，提取对有机质反应敏感的多个波段反射率，把高光谱反射率与土壤有机质含量进行曲线拟合，结果表明，675 nm波长处土样的高光谱反射率与土样有机质含量高度相关，其中指数拟合曲线y=0.4e-0.1011x相关性最高（r2=0.834），其多项式曲线y =0.026 2x2-0.170 5x+0.4，相关系数为r2=0.637。849nm波长处指数拟合曲线y=0.4e-0.2005x相关性最高（r2=0.821 8），其多项式曲线y=0.005 6x2-0.092 9x +0.4，相关系数为r2=0.728 1。

研究表明，在进行微分变换以前，可见光波段的有机质含量探测能力要比近红外波段要强，675 nm和849 nm波长的反射率是土壤有机质最理想的诊断波长，而指数曲线和多项式曲线是土壤有机质高光谱遥感诊断的最佳拟合模型。且有机质在研究的350～2 500 nm波长范围内并不存在吸收峰[12]，但在这一波长范围内，光谱反射率与有机质含量呈负相关关系，在675 nm附近的相关性最强。

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[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

国家自然基金（31460326和31360302）资助。