黄河三角洲潮土水盐特征与土壤电导率关系研究

黄河三角洲潮土水盐特征与土壤电导率关系研究

土壤盐分是世界农业面临的主要环境问题之一。特别是在干旱、半干旱和灌溉地区，土壤硬化，肥力下降，大量作物产量降低，严重制约了当地经济，特别是农业经济的发展。尽管各国对盐渍化土的治理和开发越来越重视,但随着新开垦土地的不断增加以及不合理的土地利用方式和灌溉方式,盐渍化土地的数量仍在不断增加。为了防治土壤盐渍化、阻止其进一步蔓延,研究土壤盐渍化规律、监测土壤盐渍化动态变化、预测和预报土壤盐渍化趋势是必不可少的。土壤盐渍化的监测不仅要了解盐的分布,还要掌握其时空动态变化。遥感技术的应用有利于实现这个目标。土壤是许多有机和无机组分的混合物,许多土壤光谱特征非常相近,因此很难去区分它们,结果研究发现只有有限的几种土壤光谱曲线可以利用遥感进行区分。土壤中遥感波段光谱敏感组分有盐类、粘粒、有机质、水分,氧化铁、OH-、CO32-等及与这些组分有关的土壤的颜色。这些组分均具有各自独特的谱带,它们在土壤中的百分含量直接影响土壤的光谱曲线特征。土壤的许多属性,如pH值、盐分含量、电导率和交换性钠百分比,决定着土壤盐渍化的状态,因此,土壤反射光谱特征的变化并不能归咎于某一个单一的土壤属性,所以现在还没有已知的窄吸收波段与土壤盐渍化状况密切相关。地面观测和辐射测量表明,盐渍化土盐分矿物及其含量、土壤湿度、土壤颜色、表面粗糙度、土壤质地、土壤有机质共同影响盐渍化土的光谱反射率和光谱特征[2~5]。盐类矿物(如碳酸盐、硫酸盐、氯化物)决定了电磁光谱段吸收波段是否出现。土壤质地之所以能影响土壤光谱反射率,一方面是由于它影响土壤蓄水能力,较大的颗粒之间能容纳更多的空气和水,另一方面是土壤颗粒大小对土壤反射率有着显著影响:颗粒越小,彼此的结合越紧密,土壤表面也就越平滑,反射率就越大。有机质会导致整个波段土壤反射率下降。当有机质含量>2%时,它所引起的土壤反射率的下降可能掩盖其它成分的光谱特征。当土壤有机质含量<2%时,其它的土壤属性(如铁、镁的含量)决定了土壤的反射光谱曲线形态。水分的光谱吸收特性不仅直接影响土壤的光谱特征,同时水分还控制盐分垂直运动和物理化学性质的表现,从而影响盐碱化土壤的遥感信息表现。大量研究表明,土壤湿度增加,反射率下降。(DavidB.Lobelletal.,2002)指出土壤反射率与土壤湿度成非线性指数模型关系。现代黄河三角洲土壤有机质含量一般都<2%,pH值很少>8.5,在已知土壤质地、地貌条件下,影响现代黄河三角洲盐渍化土光谱特征的主要因素除了盐分矿物及其含量外,就是土壤水分。因此,可以简化建立基于土壤水盐动态变化的盐渍化土遥感定量监测模型。尽管土壤水分、土壤盐渍化遥感监测研究在国内外均尚不成熟,联合土壤水分和盐分动态变化进行土壤盐渍化遥感监测的研究也未见报道,但对这一个课题进行深入的研究无疑具有重要的理论和现实意义。笔者对在2007年10月利用Hydra土壤水分/盐分/温度三参数测试仪获得的现代黄河三角洲潮土水分、盐分数据和同点利用ASDFieldSpecRProFR便携式分光辐射光谱仪获得的潮土野外光谱同步测量数据进行了分析,探讨了现代黄河三角洲潮土水盐特征和野外光谱特征之间的关系,为建立基于土壤水盐动态变化的盐渍化土遥感定量监测模型抛砖引玉。1野外生长期与土壤湿度关系笔者曾对在2005年4月7日—11月23日期间获得的布设于现代黄河三角洲的18个长期野外水盐观测井的30cm土层的土壤电导率和土壤水吸力动态数据进行了研究,结果表明,植物生长末期,也即当年的9月30日—11月23日是现代黄河三角洲研究野外实测土壤电导率与土壤湿度关系特征的最佳时期。为此,笔者将本次试验研究选在2007年的10月份进行数据的采集。同一点,先利用ASDFieldSpecRProFR便携式分光辐射光谱仪测量土壤野外光谱,随后立即利用Hydra土壤水分/盐分/温度三参数测试仪对光谱测量地面进行土壤水分和盐分测量。1.1土壤含水量与hyra反应一样的温度测量1.2土壤光谱分析野外光谱测量仪器选用美国ASD公司的拳头产品FieldSpec®ProFR便携式分光辐射光谱仪。波长范围:350~2500nm。选天气晴朗的时间(当日时间上午8:30到下午3:30)进行土壤光谱测量,探测高度约土壤上方30cm。每测一点的土壤,首先优化仪器、测白板,然后连续测五次土壤。最后在室内利用已知99%白板反射比值将土壤野外光谱测量值转化为土壤反射率值,取5次反射率平均值为该点土壤的野外光谱反射率值,由此获得350~2500nm范围内每个波段(光谱分辨率:重采样后1nm,波段数:2151个)的反射率值。1.3土壤水盐结构室内对Hydra土壤水分/盐分/温度测试仪所测土壤水分、盐分进行了分析,发现32个潮土样品中(17个潮土和15个盐化潮土),10个潮土和8个盐化潮土样品的土壤水分和土壤盐分测量值在正常值范围,而剩余的7个潮土和7个盐化潮土样品的水分和盐分测量值为溢出值,经仪器生产厂家解释为土壤盐分含量过高所致,因此本次土壤水盐特征研究所用数据仅为处于正常值范围内的18个样品。由于大气强吸收(1350~1460nm和1790~1960nm)、水汽及其它因素干扰影响,ASDFieldSpec®ProFR野外光谱测量数据中,仅350~1349nm、1461~1789nm、1970~2002nm和2018~2300nm范围内的1645个波段被选用来研究潮土野外光谱特征。2结果分析2.1土壤水分和土壤电导率的关系现代黄河三角洲潮土分布在海拔3~4m的滨海平原上,成土母质为黄河沉积物。本区潮土土类分为潮土和盐化潮土两个亚类。剔除1个异常潮土样品,利用曲线拟和方法,对9个潮土(土壤水分(WFV)和土壤电导率的平均值分别为0.3544和0.1144S/m;标准离差分别为0.0989和0.1050S/m;最小值分别为0.22和0.02/m;最大值分别为0.54和0.33S/m)和8个盐化潮土(土壤水分(WFV)和土壤电导率的平均值分别为0.3725和0.1800S/m;标准离差分别为0.0618和0.0867S/m;最小值分别为0.23和0.05S/m;最大值分别为0.43和0.29S/m)样品的土壤水分和土壤电导率测量值进行研究,结果表明所有17个样品的土壤水分和土壤电导率之间的相关性比分别对9个潮土和8个盐化潮土的土壤水分和土壤电导率之间的相关性弱。9个潮土的土壤水分和土壤电导率可用二次方程曲线拟和,R2=0.788,当土壤水分大于0.209时,随着土壤水分的增加土壤电导率不断增加,如图1a所示。8个盐化潮土样品的土壤水分和土壤电导率可用二次方程曲线拟和,R2=0.946,当土壤水分大于0.275时,随着土壤水分的增加土壤电导率不断增加,如图1b所示。2.2土壤电导率与nm波长的关系由于受植被覆盖影响,A1、A3和A35点的土壤光谱无法测量。另外,001和A30点土壤光谱测量数据有误,其余各点的野外光谱曲线见图2。图2a潮土野外光谱曲线形态基本反映了土壤水分含量的大小,A34土壤水分含量最少,反射率最大,A2和A18土壤水分含量最大,反射率最小。图2b盐化潮土野外光谱曲线形态也基本反映了土壤水分含量的大小,A24土壤水分含量最少,反射率最大,A33土壤水分含量最大,反射率也很小。这与前人研究完全吻合。当然,由于土壤盐分、表面粗糙度、土壤颜色等其它因素影响,野外光谱曲线形态并不完全是土壤水分含量大小的反映。为了探究土壤水分(WFV)和土壤电导率(SoilC)与野外光谱波段之间的关系,进行了Pearson相关分析,结果表明:对于潮土,土壤水分与(1461-1470、1483-1486、1490-1508、1512-1516、1751-1762、1774、1775、1785-1789、1970-1972、1979-2002、2018、2019、2025-2166、2169-2222、2229-2233、2237-2243、2249-2258、2263-2274、2279-2284、2289-2299)nm波段在置信度0.05水平显著负相关,与(1973-1978、2020-2024、2167、2168、2244-2248、2259-2262、2285-2289)nm波段在置信度0.01水平显著负相关;土壤电导率与(1751-1762、1774、1775、1785-1789、1970-1989、1991-1998、2023-2027、2033、2034、2042-2050、2052-2063、2075-2078、2082-2093、2098-2193、2141-2221、2230、2231、2239-2269、2272-2274、2278-2285、2290-2296)nm波段在置信度0.05水平显著负相关,与(2018-2022、2286-2289)nm波段在置信度0.01水平显著负相关。对于盐化潮土,土壤水分与(1970-1995、2155-2158、2219、2220、2232-2238、2268、2285-2289)nm波段在置信度0.05水平显著负相关;在置信度0.05水平土壤电导率无显著波段相关。包络线消除法能有效突出光谱曲线吸收特征,归一化后的光谱曲线能进行更好的分类,为了进一步探究土壤水分(WFV)和土壤电导率(SoilC)与野外光谱波段之间的关系,进行了土壤水分和土壤电导率与包络线消除后野外光谱波段之间Pearson相关分析,结果表明:对于潮土,土壤水分与(366、370)nm波段在置信度0.05水平显著正相关、与(793、795、797-800、847-850、853、854、856-869、871-876、1094、1095、1169-1171、1184-1193、1201-1215、1219-1227、1230、1236-1238、1240-1243、1244-1253、1754、1756、1759、1774、1775、1777、1974-1985、1991-1995、2089-2091、2100-2103、2273-2276、2281、2289、2291)nm波段在置信度0.05水平显著负相关,与(1752、1753、1757、1758、1776、2277-2280、2290)nm波段在置信度0.01水平显著相关;土壤电导率与(367、370、376)nm波段在置信度0.05水平显著正相关、与(743、792、795、806、808、809、835-869、871-877、880-885、1086、1087、1090-1096、1100-1102、1109、1110、1169-1176、1181-1194、1197-1209、1214-1218、1227-1236、1238-1240、1243、1248-1250、1254-1271、1276、1277、1286-1288、1751、1753、1754、1756、1760、1776、1777、1974-1976、2204-2207、2259、2273-2276、2281、2288、2289)nm波段在置信度0.05水平显著负相关,与366nm波段在置信度0.01水平显著正相关、与(793、794、797-799、1210-1213、1219-1226、1237、1240-1242、1244-1247、1251-1253、1752、1757-1759、2277-2280、2290)nm波段在置信度0.01水平显著负相关。对于盐化潮土,土壤水分与(1195、1306、1307、1970-1979、1985、1986、1990-1993、2155-2160、2233)nm波段在置信度0.05水平显著负相关;土壤电导率与(2154-2159、2268、2269)nm波段在置信度0.05水平显著负相关。与原始野外光谱波段相比,包络线消除法后光谱波段与土壤水分和土壤电导率之间的Pearson相关性都有不同程度的提高,表明包络线消除法确实能有效突出光谱曲线吸收特征。对于潮土,利用置信度0.01水平包络线消除法后的波段分别建立土壤水分、土壤电导率逐步回归预测方程:对于盐化潮土,利用置信度0.05水平包络线消除法后的波段分别建立土壤水分、土壤电导率逐步回归预测方程:式中:WFVcf、SoilCcf、WFVsf、SoilCsf、R2278、R1758、R2290、R1306、R2157分别表示潮土土壤水分、土壤电导率、盐化潮土土壤水分、土壤电导率、包络线消除法后2278nm、1758nm、2290nm、1306nm、2157nm波段值。3包络线消除法对土壤盐分、土壤电导率的预测土壤水分、盐分时空变异强,是影响土壤光谱特征的两个重要因素。土壤水分、土壤盐分之间关系、土壤水分、盐分与土壤光谱特征之间关系如何直接关系到利用遥感光谱信息监测土壤盐渍化的精度。通过对在2007年10月获得的现代黄河三角洲潮土10cm深度水分、盐分数据和同点潮土表面野外光谱同步测量数据分析,探讨了现代黄河三角洲潮土10cm(包括潮土和盐化潮土两个亚类)水盐特征和土壤表面野外光谱特征之间的关系,结果表明:潮土土壤水分与土壤电导率之间的关系可用二次方程曲线拟和,盐化潮土拟和度更高,当WFV>0.275和WFV>0.209时,盐化潮土和潮土分别随着土壤水分的增加土壤电导率不断增加。与原始野外光谱相比,包络线消除法后光谱波段与土壤水分和土壤电导率之间的Pearson相关性都有不同程度的提高,并利用包络线消除法后的波段分别建立了潮土和盐化潮土土