土壤含水量_容重_光譜反射率之間相伴變化關(guān)系研究

1、土壤含水量、容重、光譜反射率之間相伴變化關(guān)系研究陳禎(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢430070摘要目的研究土壤含水量變化對(duì)容重變化的定量化影響及其與光譜反射率的關(guān)系,構(gòu)建相關(guān)模型,為近紅外線光譜連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測土壤含水量提供科學(xué)依據(jù)。方法以湖北省黃棕壤、水稻土、潮土為供試土壤,用環(huán)刀采樣,在土壤脫水干燥過程中,用微型光纖光譜反射儀等連續(xù)同步測定土壤質(zhì)量含水量、容重、土壤體積含水量和光譜反射率的變化。結(jié)果探討了土壤含水量 容重變化的關(guān)系及相關(guān)模型,構(gòu)建了反映土壤容重變化的土壤體積含水量與土壤光譜反射率的指數(shù)關(guān)系模型。結(jié)論所建模型擬合效果好,物理意義明確,形式簡單,變量關(guān)系清晰。關(guān)鍵詞土壤含水量

2、;土壤容重;近紅外光譜;土壤光譜反射率中圖分類號(hào)S123文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)05176611(2011171031304Research on Concomitant Changes Relationship among Soil Water Content ,Bulk Density ,Spectral ReflectivityCHEN Zhen (School of Mechanical-Electronic of Wuhan University of Technology ,Wuhan ,Hubei 430070Abstract Objective The quantificatio

3、n influence of soil moisture change on bulk density change and its relationship with spectrum reflectiv-ity were studiedAnd the relevant model was constructed to provide scientific basis of near infrared spectrum continuous accurate monitoringsoil water contentMethod Yellow brown soil ,rice soil ,Ch

4、ao soil in Hubei were taken as testing soilsAnnulus knife was used to sampleDuring the process of soil dehydration ,soil weight water content ,soil bulk density ,soil volume water content and spectral reflectivity changes were tested continuously using miniature fiber spectral reflection meter etcRe

5、sult The soil water content-density change relation and related model were discussedExponent relation model reflecting soil volume water content and soil spectral reflectivity was constructedConclu-sion The models had good fitting effect ,clear physical meaning ,simple form ,and clear variable relat

6、ionshipKey words Soil water content ;Soil bulk density ;Near infrared spectral ;Soil spectral reflectivity作者簡介陳禎(1973,女,湖南永州人,講師,博士,從事測試技術(shù)與儀器研究,E-mail :chenzhen1010126com 。收稿日期2011-03-17含有一定量黏粒的土壤都會(huì)明顯地表現(xiàn)出土體濕脹干縮、容重變化的特點(diǎn)。在降雨入滲、土體蒸發(fā)、旱地農(nóng)田灌溉、排水等過程中,土壤都會(huì)經(jīng)歷濕脹、干縮過程。在土壤水分連續(xù)監(jiān)測過程中,這種土壤亦在濕脹、干縮中改變土壤體積和容重。這種變化嚴(yán)重地

7、影響著土壤含水量的測定、土壤水分形態(tài)類型、土壤水分運(yùn)動(dòng)、土壤水分利用與管理。國內(nèi)外學(xué)者都曾研究過這類土壤隨土壤含水量變化而發(fā)生脹縮的問題14,并提出一些相關(guān)關(guān)系模型如三直線模型5。它能很好地描述曲線的3個(gè)收縮段(滯留段、正常段、結(jié)構(gòu)段。每個(gè)收縮段都有它自身的量化特點(diǎn)和物理?xiàng)l件,且其量化特點(diǎn)和物理?xiàng)l件具有一致性,所獲得的參數(shù)有明顯的物理意義。一些研究者指出,土壤含水量與土壤光譜反射率之間的關(guān)系可以用指數(shù)模型描述68。然而,在用近紅外光譜連續(xù)監(jiān)測土壤含水量時(shí),土壤容重變化的定量化影響尚未見諸報(bào)道。筆者通過連續(xù)測定幾種土壤干燥失水收縮過程中土壤容重的變化,研究土壤含水量變化所引起的容重變化及相關(guān)模型

8、以及在用近紅外光譜監(jiān)測土壤含水量時(shí)土壤含水量、容重、反射率三變量間關(guān)系模型的構(gòu)建。1材料與方法11供試土壤供試土壤分別是采自湖北省武漢市旱地的黃棕壤(HZ 和在此基礎(chǔ)上發(fā)育的水稻土(SD 以及武漢市洪山區(qū)和平鄉(xiāng)菜地的潮土(CJ 。所采集的土樣均為保持土壤結(jié)構(gòu)的原狀土。供試土壤的理化性質(zhì)見表1。12測試方法采用烘干稱重法測定土壤水分質(zhì)量和干土表1供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1Basic physical and chemical properties of tested soils 土壤Soils 采樣深度Sampling depth cm 土壤顆粒Soil particles %2000

9、 0200mm 00200002mm 0002mm水穩(wěn)性團(tuán)聚Water stable aggregate %5mm 025mm 有機(jī)質(zhì)含量Organic contentg /kg pH 石灰反應(yīng)Lime reaction HZ 0 202926364434301412642145254無CJ 0 205426326013147642139216377強(qiáng)SD0 20375433842862196758無重,用游標(biāo)卡尺測定土壤體積,然后計(jì)算土壤質(zhì)量含水量、容重、體積含水量;用吸管法測定土壤機(jī)械組成;用團(tuán)聚體分析儀(濕篩法測定水穩(wěn)性團(tuán)聚體;采用重鉻酸鉀法測定有機(jī)質(zhì)含量;用綜合指示劑比色法測定土壤pH

10、 ;滴加濃度10%稀HCl 測定石灰反應(yīng);用美國Ocean Optic 公司的nir256-25微型光纖光譜反射儀測定土壤光譜反射率。2結(jié)果與分析21土壤含水量 容重變化過程由圖1、表2可知,隨質(zhì)量含水量的降低,土壤容重相應(yīng)增大。當(dāng)土壤由濕變干時(shí),土壤容重變化趨勢總體上是單位含水量所引起的容重變化的梯度是前緩、中陡、后緩。3種土壤類型質(zhì)量含水量 容重相伴變化的特點(diǎn)不同。在供試條件下,土壤容重在全過程中的變化量、單位質(zhì)量含水量所引起的容重變化量均是水稻土、黃棕壤潮土。其主要原因在于水稻土、黃棕壤質(zhì)地較黏重,黏粒含量較高,膨脹型黏土礦物含量較多,有機(jī)質(zhì)含量較少,所以土壤脹縮性強(qiáng);而潮土質(zhì)地較輕,黏

11、粒含量較低,膨脹型黏土礦物含量較少,有機(jī)質(zhì)含量較多,所以土壤脹縮性弱。22土壤含水量 容重變化相關(guān)模型McGarry 等提出的三直線模型(圖2將土壤收縮特征曲線分為結(jié)構(gòu)段、正常安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),Journal of Anhui AgriSci2011,39(17:1031310316責(zé)任編輯劉月娟責(zé)任校對(duì)況玲玲圖1土壤質(zhì)量含水量(g容重(B關(guān)系曲線Fig1Soil water content(gbulk density(Brelationship curve表2土壤質(zhì)量含水量(g容重(B關(guān)系Fig2Relationship between soil water content(gand bulk

12、density(B土壤SoilsBB/gHZ02900832CJ02200490SD03801006注:B為土壤容重變化量;g為質(zhì)量含水量變化量。Note:B refers to the change of soil bulk density,grefers to the change of soil water content段、滯留段3段描述5。三直線模型方程為:V=Cr+rm 0mmaV=Cn+nm mamms(1V=Cs+Sm mbmms式中,V為比容積(容重的倒數(shù),cm3/g;m為質(zhì)量含水量(g/g;r,n,s為滯留、正常、結(jié)構(gòu)段內(nèi)土壤收縮特征曲線的斜率;ma、mb、ms分別為滯留(

13、進(jìn)氣點(diǎn)、收縮限拐點(diǎn)、結(jié)構(gòu)(膨脹限拐點(diǎn)及飽和處的質(zhì)量含水量;Cr、Cn、Cs為經(jīng)驗(yàn)常數(shù) 。圖2三直線模型的普通形式Fig2Ordinary form of three-line model收縮限的含水量即正常線段與滯留線段的交叉點(diǎn),可以通過下式2計(jì)算。Cr+rm=Cn+nm(2類似地,膨脹限的含水量可以通過正常線段與結(jié)構(gòu)線段的交叉點(diǎn)2計(jì)算。Cn+nm=Cs+Sm(3由表3可知,3類土壤三直線段(滯留段、正常段、結(jié)構(gòu)段及其拐點(diǎn)都很明顯,其正常段的長度較長,斜率較大,其滯留段和結(jié)構(gòu)段的長度較短,斜率較小。3種土壤正常段、結(jié)構(gòu)段的斜率均為水稻土、黃棕壤潮土,其主要原因在于與潮土比較,水稻土、黃棕壤質(zhì)地

14、較黏,黏粒含量漸多,膨脹型黏土礦物含量較多,有機(jī)質(zhì)含量較少,加之水稻土被水浸泡,其土壤結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞。經(jīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用三直線模型擬合,其相關(guān)系數(shù)大都在098以上,精確度高,說明三直線模型能很好地描述土壤收縮過程,反映該過程的數(shù)量化和物理?xiàng)l件的特點(diǎn)。表3土壤收縮特征曲線的擬合結(jié)果Table3Fitting results of soil shrinkage feature curve土壤Soils Cr r R1Cn n R2Cs S R3mambms HZ062902250984060904400997065803160992009820352904039 CJ07520212098407310

15、4390993079202490942009330349404463 SD065802110922059807190994069504840999011580394704868注:R1 R3分別為滯留段、正常段、結(jié)構(gòu)段擬合直線的相關(guān)系數(shù)。Note:R1 R3are correlation coefficients of stranded segment,normal segment and sturctural segment23土壤質(zhì)量含水量 容重 土壤光譜反射率相伴變化關(guān)系由圖3、表4可知,隨著土壤質(zhì)量含水量的減小,土壤容重和光譜反射率均增大。各類土壤含水量與土壤反射率的關(guān)系、各類土壤含水

16、量與土壤容重(或比容積,即容重的倒數(shù)的關(guān)系曲線的形狀均呈現(xiàn)指數(shù)曲線形狀,可用指數(shù)函數(shù)模型描述。土壤含水量與1400、1900nm波長處光譜反射率的關(guān)系曲線的形狀大致相同,但在同一含水量下,1400nm 處光譜反射率比1900nm處的光譜反射率高。不同類型土壤的質(zhì)量含水量 光譜反射率 容重關(guān)系曲線的情況不同。在該試驗(yàn)條件下,全過程單位質(zhì)量含水量下的容重變化量為水稻土黃棕壤潮土。單位含水量下R1400nm光譜反射率的變化量、R1900nm光譜反射率的變化量均為黃棕壤水稻土潮土。24土壤體積含水量 土壤光譜反射率相關(guān)曲線模型基于用近紅外光譜連續(xù)測定土壤水分的一些研究結(jié)果和該研究結(jié)果均已表明土壤質(zhì)量含

17、水量與土壤反射率的關(guān)系、土壤質(zhì)量含水量與土壤容重的關(guān)系都可用指數(shù)模型描述。根據(jù)g、R、B三變量的變化趨勢及其與體積含水量的關(guān)系,用容重變化的土壤體積含水量(即容重隨土壤含水量變化的土壤體積含水量與光譜反射率的關(guān)系建模,3種土壤都可以用一種容重變化的土壤體積含水量與反射率之間的指數(shù)曲線模型來描述。v=a ebR(4式中,v為容重變化的土壤體積含水量(cm3/cm3;R為土壤光譜反射率;a、b為系數(shù)。由表5可知,用該模型表述1400、1900nm波長處的光41301安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2011年 注:R1400、R1900分別為1400、1900nm波長處的光譜反射率。Note:R1400and R190

18、0refer to the spectral reflectance at the wavelength of1400nm and1900nm圖3土壤重量含水量( 容重(B 土壤光譜反射率(R相伴變化的關(guān)系Fig3Concomitant change of soil water content(-bulk density(B-soil spectral reflectance(R表4土壤重量含水量(g容重(B 土壤光譜反射率(R相伴變化的關(guān)系Table4Concomitant change of soil water content(g-bulk density (B-soil spectra

19、l reflectance(R土壤SoilB/gR1400/gR1900/gHZ0909910333941009524CJ05469779656660938SD10058960985835945譜反射率與容重變化的土壤體積含水量的關(guān)系,其決定系數(shù)(r2均在09以上,其預(yù)測誤差較小,其精度相對(duì)較好。3結(jié)論與討論含有一定量黏粒的土壤在用近紅外光譜連續(xù)監(jiān)測土壤含水量時(shí),隨著土壤脫水干燥、土體收縮,土壤容重增大,土壤光譜反射率增大。在該試驗(yàn)條件下,土壤由濕變干時(shí),單位含水量所引起的容重變化的梯度是前緩、中陡、后緩。土壤較黏、膨脹型黏土礦物較多、有機(jī)質(zhì)含量較少、土體較長期泡水導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞都會(huì)導(dǎo)致其容

20、重變化量與單位含水量引起的容重變化量加大。土壤含水量與容重變化關(guān)系可用三直線模型描述。在該試驗(yàn)條件下,土壤含水量與1400和1900nm波長光譜反表5土壤含水量(v光譜反射率(R1400、R1900相關(guān)曲線模式Table5Related curve model of soil water contents(v-spectral re-flectance(R1400、R1900土壤Soil回歸方程Regression equationr2MSEHZv=06396e004599R1400094700279v=05105e004877R1900097400220CJv=07018e006536R14

21、00096700356v=06272e007884R1900098700205SDv=05696e003969R1400096600190v=04887e004473R1900096500239注:R1400、R1900分別為1400、1900nm波長處的光譜反射率;MSE為預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤。Note:R1400and R1900refer to the spectral reflectance at the wavelength of 1400nm and1900nm;MSE is the measured standard error射率的關(guān)系曲線的形狀大致相同,但在同一含水量下1400 nm處

22、光譜反射率比1900nm處的高。這表明土壤容重隨含水量變化的土壤體積含水量與土壤光譜反射率的關(guān)系可用指數(shù)曲線模型表述。該模型反映容重變化對(duì)土壤含水量與光譜反射率關(guān)系的影響,經(jīng)與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合,其擬合度高。5130139卷17期陳禎土壤含水量、容重、光譜反射率之間相伴變化關(guān)系研究 參考文獻(xiàn)1MITCHELL A R,van GENUCHTEN M T HShrinkage of bare and culti-vated soilJSoil Sci,Am J,1992,56:103610422CABIDOCHE K M,RUYA SField shrinkage curve of a swellin

23、g clay soil:Analysis of multiple structural swelling and shrinkage phases in the prisms of a vertisolJAust J soil Res,2001,39:1431603邵明安,呂殿青土壤收縮特性曲線的實(shí)驗(yàn)研究J土壤學(xué)報(bào),2003,40(3:4714744陳禎土壤容重變化與土壤水分狀況和土壤水分檢測的關(guān)系研究J節(jié)水灌溉,2010(12:47505McGARRY D,MALAFANT K W JThe analysis of Volume change in un-confined units of

24、soilJSoil Sci Soc Am J,1987,51:2902976DAVID B L,GREGORY P AMoisture effect on soil reflectanceJSoilSci Soc Am J,2002,66:7227277MULLER E,DECAMPS HModeling soil moisture-reflectanceJRemoteSonsing Environ,2001,76(2:1731808KALEITA A L,TIAN L F,HIRSCHI M CRelationship between soil mois-ture content and s

25、oil surface reflectanceJTransations of the ASAE,2005(5:檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪19791986(上接第10312頁表1土樣的基本性質(zhì)Table1Basic properties of soils土樣Soil samples pH值(H2OpH value有機(jī)質(zhì)OMg/kg全NTNg/kg全PTPg/kg全KTKg/kg全CuTotal Cumg/kgS1-P80402334309802700904800310600216080580S1-N791024323012022

26、003043004101005543472147S2-P774145302034013005035002294004263273293S2-N7341352300560100020230012340152138222823S37031561066231126001065002323012107233707注:S1、S2、S3分別為鳳凰山老尾礦庫、鳳凰山新尾礦庫、鳳凰山農(nóng)田土樣。P、N分別為種植地、非種植地。Note:S1,S2and S3refer to the old copper-tailings reservoir below the Fenghuang Mountain,the new

27、 copper-tailings reservoir below the Fenghuang Mountain, and the farmland below the Fenghuang Mountain;P and N refer to the planting and non-planting area礦地鳳丹非種植地土壤的376、232倍,老尾礦庫非種植地土壤過氧化氫酶活性是新尾礦庫非種植地土壤的162倍。老尾礦庫種植地土壤脲酶活性是新尾礦庫種植地土壤的1.71倍,農(nóng)田土壤脲酶活性分別是新、老尾礦地鳳丹非種植地土壤的235、134倍。脲酶是土壤酶中較為重要的酶之一。它與土壤的氮循環(huán)有著密

28、切的聯(lián)系。老尾礦庫經(jīng)過十幾年非復(fù)墾,在鳳丹種植區(qū)內(nèi)脲酶含量與新尾礦庫相比有著明顯的升高。新尾礦庫鳳丹種植地與非種植地蔗糖酶活性都低于老尾礦庫,但老尾礦庫鳳丹非種植地土壤蔗糖酶含量低于農(nóng)田土壤中蔗糖酶含量,老尾礦庫土壤酶活性與農(nóng)田土相比還是有差距的。老尾礦庫種植地的磷酸酶活性高于非種植地的磷酸酶活性,新尾礦庫種植地的活性也大于非種植地。磷酸酶的活性與土壤的P的循環(huán)相關(guān),磷酸酶的含量高低也是土壤肥力的重要指標(biāo)。老尾礦庫鳳丹種植地土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性分別是老尾礦庫非種植地土壤的111、121、119、175倍,新尾礦庫鳳丹種植地土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性分別是新尾礦

29、庫非種植地土壤的177、124、161、175倍,說明鳳丹種植大大改善了土壤肥力,種植鳳丹的地區(qū)土壤微生物活性也相對(duì)增高,土壤酶含量普遍增加,鳳丹對(duì)改良土壤有著良好的作用。老尾礦地的Cu等重金屬污染程度與新尾礦庫相比也明顯降低。重金屬對(duì)于土壤酶活性具有抑制作用,重金屬含量較高的地區(qū)土壤微生物含量也會(huì)相對(duì)降低,與此同時(shí)土壤酶活性也較低。新尾礦地的非種植地的土壤重金屬污染還比較嚴(yán)重,土壤酶活性低。由此可見,土壤酶活性能較好地反映土壤重金屬的污染程度,新、老尾礦地的土壤酶活性都低于農(nóng)田土壤酶活性,有待進(jìn)一步治理。3結(jié)論經(jīng)過十幾年的復(fù)墾,銅陵鳳凰山地區(qū)的老尾礦鳳丹種植地土壤酶活性比新尾礦地的鳳丹種植土壤酶活性有明顯提表2鳳凰山土壤酶含量Table2Soil enzymes content in Fenghuang Mountain土樣Soilsample過氧化氫酶Catalaseml/g脲酶Ureasemg/g蔗糖酶Saccharaseml/g磷酸酶Phosphatasemg/gS1-P1650292340508275069