開都河下游綠洲地區土壤鹽漬化的光譜特征,農業基礎科學論文土壤鹽漬化是干旱半干旱地區土地退化的主要表現形式,土壤鹽漬化問題和灌溉引起的土壤次生鹽漬化問題成為制約干旱區農業發展的主要障礙,也是影響綠洲生態環境穩定與安全的重要因素。土壤光譜反射率能綜合反映土壤理化特征和內在構造,其研究是土壤遙感的物理基礎,同時也為土壤特征研究提供新的途徑和指標。分析土壤的高光譜特征,說明土壤屬性與其高光譜的關系,成為高光譜遙感技術定量監測和提取土壤信息的重要方式方法。近年來,國內外應用高光譜技術研究土壤理化參數已經獲得了一定的進展,王人潮等指出土壤反射光譜包含有豐富的有機質含量、氧化鐵含量等土壤信息,通過分析土壤的光譜反射特征,建立土壤光譜和土壤屬性的相關關系,能夠獲得土壤構成特征的某些信息,為在土壤研究中進一步應用反射光譜提供有益的探尋求索。翁永玲等通過實驗室測量土壤高光譜反射率,運用倒數、對數、導數等光譜微分技術對光譜數據處理,分析樣品光譜特征,利用多個與土壤鹽分相關波段組合估算土壤鹽分含量,并指出基于實測高光譜數據土壤鹽漬化監測模型,具有明確的物理意義,能避免時間滯后性,在不同尺度土壤鹽漬化遙感監測的定性和定量化應用方面具有一定的參考價值。Csillag等通過分析研究并歸納了不同鹽分狀況類型土壤在400-2500nm范圍的光譜診斷性吸收特征,指出鹽礦物或鹽化土壤的光潛診斷特征會遭到大氣的影響,反演土壤鹽分含量應集中于波譜形狀,而不是光譜吸收帶參數。Dehaan等以Hyperion高光譜遙感數據為數據源,分析鹽漬化土壤的光譜特征,運用多元線性回歸等方式方法實現土壤鹽分含量定量反演和鹽漬化土壤分類制圖,并指出利用高光譜數據反演模型進行土壤鹽分含量反演,能夠較高的預測精度,并在大范圍預測土壤鹽分含量上有宏大潛力。1、材料與研究方式方法1.1研究區大概情況開都河流域下游綠洲行政從屬于巴音郭楞蒙古自治州,包括焉耆回族自治縣與博湖縣、和靜縣與和碩縣的部分區域及新疆生產建設兵團第二師22團、23團、24團、25團和223團,地理位置為E8542~8800,N4135~4230之間。研究區年均降水量在50.63~75.14mm,年均蒸發量為1949.51~2315.54mm,蒸降比達33.92,屬干旱和極度干旱地區;年平均氣溫為8.13~8.62℃。綠洲位于博爾托烏拉山與庫魯克塔格山之間,地形四周封閉,中間低洼,呈近菱形狀,海拔1047~1200m,山前發育著沖積平原,中部為洪積-沖積平原;土壤類型主要有棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕潮土與鹽土等[21]。1.2數據來源數據分為兩類:土壤鹽分數據和土壤光譜反射率數據。文中以研究區1:10萬地形圖、研究區1:20萬遙感影像解譯圖和1:50萬土壤類型圖為基礎地圖,采用蛇形取樣法對表層土壤進行取樣,采樣的深度為0~30cm,分三個層次,依次為0~10cm、10~20cm和20~30cm,樣品總數為398個。土壤樣品自然風干后,去除礫石,動植物殘骸等土壤雜質,經碾磨過孔徑為1mm的土壤篩,將處理過的土樣充分混合均勻,按其名稱分裝在裝置袋。按水土比5:1配制土壤溶液,以土壤農化分析方式方法為指導,測定土壤鹽分數據,單位為g/kg。新疆維吾爾自治區土壤鹽漬化等級分級標準,計算土壤鹽分中CL-/SO2-4毫克當量比值,將研究區鹽漬化土壤劃分為硫酸鹽-氯化物型、氯化物-硫酸鹽型和硫酸鹽型三類。土壤樣品光譜反射率采集采用美國ASDFieldspec3便攜式地物波譜儀,儀器波長范圍為350~2500nm,光譜采樣間隔在350~1000nm范圍內為1.38nm,1000~2500nm范圍內光譜采樣間隔為2nm,波譜分辨率在350~1400nm范圍內為3nm,1400~2500nm范圍內為10nm。光譜測量選擇晴空,風力小于3級,云量小于5%,且太陽輻射強烈,地面能見度不低于10km,觀測時間為北京時間13:00~15:00。光譜測量時,光譜儀探測頭垂直于土壤外表,距土樣外表約20cm,視場角為25。每個土樣觀測10次,每間隔5min采集一次暗電流,每間隔10min對參考白板進行優化定標。1.3光譜數據預處理對原始光譜反射率數據進行預處理,消除背景噪聲、加強類似光譜之間的差異不同、突出光譜特征值。文中利用光譜儀自帶軟件ASDViewSpecPro軟件對土壤樣品光譜反射率進行均值計算和接連跳躍點修正,在OriginPro8軟件下,選取Savitzky-Golay平滑法對土壤光譜反射率進行平滑處理。1.4光譜反射率導數微分變換導數光譜微分處理技術被證實一階、二階導數能夠部分消除大氣效應、太陽高度角、云層覆蓋等引起的太陽輻射亮度變化,能夠降低由于土壤組成成分含量的變化而引起的光譜特征的影響,有效加強類似光譜之間的差異不同,得到利用原始光譜反射率難以獲取的信息。利用低階導數微分處理能夠去除部分線性或接近線性的背景值干擾,并能保存大部分更為有用的光譜信息。文中選取一階和二階導數的微分光譜數據轉換技術,其詳細計算公式如下:式中:i表示每個波段的波長,R表示反射率,Ri和Ri分別為波長i一階和二階導數微分光譜,表示波長i-1到i的間隔,視波段波長而定。1.5相關分析分別對三種類型鹽漬化土壤光譜反射率及反射率一階和二階導數微分與土壤鹽分數據依次進行相關系數Pi計算,計算公式如下:式中:Pi為相關系數,i為波段號,Rni為第n個樣品i波段的光譜反射率,R珚i為樣品在i波段光譜反射率均值,Sn為第n個樣品的鹽分含量,S珔為所有樣品鹽分含量均值,N為樣品總數。根據相關分析結果,選取相關系數較大的波段,進行多元逐步線性回歸分析,建立土壤光譜反射率及一階和二階導數微分與土壤鹽分之間的回歸方程。選取斷定系數R2和均方根誤差RMSE來評價回歸方程對樣本的擬合度,計算公式為:式中:n為觀測的樣品總數,J為選取的波段數,yi為實測土壤鹽分含量,^y為估算土壤鹽分含量。2、結果與分析2.1光譜曲線特征分析從土壤光譜反射率的形態特征來看,土壤的光譜反射率曲線總體上變化較為平緩,曲線形態較為類似,且基本平行。土壤光譜反射率在350~1000nm和1900~2100nm區域隨波長的增加呈現單調遞增;2100~2500nm區域,土壤光譜反射率隨波長的增加呈現單調遞減。研究區土壤光譜反射率曲線的形狀大致可由300~600nm、600~800nm、800~1000nm、1000~1400nm、1400~1900nm、1900~2100nm、2100~2500nm七個折線段和560nm、900nm、1400nm、1900nm、2200nm五個特征吸收點來控制。以1400nm為界,土壤光譜反射率在350~1400nm區域基本上可由350nm、600nm、800nm、1000nm、1350nm五點構成的折線段和560nm、900nm、1400nm三點來確定的吸收特征來控制。350~600nm區域的曲線斜率較為陡峭,并在550nm附近存在強弱各異的吸收;600~800nm區域的曲線幾乎呈直線型,斜率趨緩,無明顯吸收;800~1000nm區域的光譜曲線斜率平緩,趨于平行,呈臺階1000~1350nm區域,曲線斜率趨于平緩,總體呈上升趨勢。在1400~2500nm區域,土壤光譜反射率曲線基本上可由可由1400nm、1900nm、2100nm、2500nm四點構成的折線段和1900nm、2200nm兩個特征吸收來控制。1800~1900nm屬水汽吸收帶,1950nm處光譜明顯呈V字型;1900~2100nm區域,土壤光譜曲線斜率較為陡峭,呈單調遞增;2100~2500nm區域,土壤光譜曲線總體呈遞減趨勢,在2200nm和2300nm處存在較弱的水汽吸收帶。2.2多元線性回歸分析在SPSS19.0軟件下分別對三種類型鹽漬化土壤光譜反射率及反射率一階和二階導數微分與土壤鹽分數據依次進行相關系數計算,選取相關系數較大的波段,進行多元逐步線性回歸分析,分別建立土壤光譜反射率及一階和二階導數微分與土壤鹽分之間的回歸方程。從表1可知,對于氯化物-硫酸鹽型鹽漬化土壤,利用光譜反射率一階導數微分建立的多元線性回歸方程對土壤鹽分的預測效果優于反射率原型和反射率二階導數,R2為0.84,RMSE為0.32;對于硫酸鹽型鹽漬化土壤,利用光譜反射率一階導數微分建立的多元線性回歸方程對土壤鹽分的預測效果優于反射率原型和反射率二階導數,R2為0.85,RMSE為0.31;對于硫酸鹽-氯化物型鹽漬化土壤,利用反射率原型光譜反射率一階導數微分建立的多元線性回歸方程對土壤鹽分的預測效果優于反射率二階導數,R2為0.90,RMSE為0.22;表示清楚利用光譜反射率一階導數微分變換建立的研究區鹽漬化土壤含量多元線性回歸預測模型的預測效果優于反射率原型和反射率二階導數微分變換。3、討論土壤光譜反射率研究是土壤遙感的物理基礎,也是土壤特征研究的指標之一,討論土壤光譜與土壤鹽分含量間的關系,有助于土壤鹽分的遙感定量反演和預測。由于土壤光譜反射率容易遭到太陽輻射亮度變化和大氣水汽的干擾,運用一階和二階導數微分變換對土壤高光譜數據進行處理,能夠去除部分線性或接近線性的背景值干擾,保存更為有用的光譜信息;運用統計相關分析方式方法討論土壤光譜與土壤鹽分含量間的相關關系,能夠降低高光譜數據的維數。因而,充分利用光譜波段組合,運用多元線性回歸方式方法能夠建立效果較好的鹽漬化土壤含鹽量定量反演模型。由于多元線性回歸模型是一種線性模型,當高光譜數據和土壤鹽分之間存在線性關系不明確或者幾乎無明顯的線性關系時,這種方式方法則難以做到較好的估算,具有一定的局限性。因而,運用多種光譜微分變換技術對土壤高光譜數據進行處理和探尋求索基于非線性方式方法的土壤鹽分含量定量估算可能會有更好的適應性。4、結論(1)從土壤光譜反射率的形態特征來看,土壤的光譜反射率曲線總體上變化較為平緩,光譜特征形態較為類似,且基本平行。(2)研究區土壤光譜反射率曲線的形狀大致可由300~600nm、600~800nm、800~1000nm、1000~1400nm、1400~1900nm、1900~2100nm、2100~2500nm七個折線段和560nm、900nm、1400nm、1900nm、2200nm五個特征吸收點來控制。(3)利用光譜反射率一階導數微分對研究區鹽漬化土壤含鹽量多元線性回歸預測模型的預測效果均優于利用反射率原型和反射率二階導數微分,華而不實氯化物-硫酸鹽型R2為0.84,RMSE為0.32,硫酸鹽型R2為0.85,RMSE為0.31,硫酸鹽-氯化物型R2為0.90,RMSE為0.22。以下為參考文獻：[1]樊自立,馬英杰,馬映軍.中國西部地區的鹽漬土及其改進利用[J].干旱區研究,2007,18(3):1-5.[2]田長彥,周宏飛,劉國慶.21世紀新國土壤鹽漬化調控與農業持續發展研究建議[J].干旱區地理,2000,23(2):177-181.[3]譚軍利,康躍虎,焦艷萍.不同種植年限覆膜滴灌鹽堿土土壤鹽分離子分布特征[J]農業工程學報,2008,24(6):59-63.[4]黃應豐,劉騰輝.土壤光譜反射特性與土壤屬性的關系:以南方主要土壤為例[J].土壤通報,1989,20(4):158~160,176.[5]亢慶,張增祥,趙曉麗.基于遙感技術的干旱區土壤分類研究[J]遙感學報,2008,23(1):159-