不同土壤類型的土壤線空間變異研究

不同土壤類型的土壤線空間變異研究

土壤線是指土壤光譜值由近紅外段和近紅段的反射率或亮度值組成的二維平面線性關系。這是對各種土壤反射光譜特征的綜合解釋。土壤線不僅能較好地描述土壤的光學特性,參與計算與之相關的植被指數(shù),較好地消除土壤背景信息,還能幫助了解土壤和植被的理化性質和生態(tài)特征,提高植被(含作物)等遙感監(jiān)測的精度。土壤線應用如此廣泛,但在實際應用時仍有一定難度,原因在于研究表明,土壤線不是嚴格的一條直線,而是具有適當寬度的帶,因此,提取準確合適的土壤線成為土壤線研究的難點。近年來,一些學者為找到準確的土壤線參數(shù),將研究的重點傾向于土壤線影響因素和空間變異規(guī)律的探索與分析,如Baret等通過對Hapke和SOILSPEC模型的研究表明,對于某一特定土壤類型,土壤粗糙度和土壤水分對土壤線的影響較小。Galvao等利用巴西東南部風干、部分經(jīng)過濕潤處理的土壤樣品的室內(nèi)反射光譜數(shù)據(jù),計算紅、近紅外波段不同光譜位置、光譜寬度的土壤線,結果表明,窄波段結果優(yōu)于寬波段,有機質(SOM)和鐵的氧化物是影響土壤線變化的內(nèi)在因素。Fox等研究表明,土壤有機質可能比土壤類型或粗糙度對土壤線參數(shù)的影響更大。劉煥軍等以室內(nèi)土壤高光譜反射率為主要研究對象,分析并確定影響土壤線的主要因素有土壤類型、有機質、礦物組成、秸稈覆蓋等;而土壤水分、粗糙度等對土壤線的影響較小。另外劉煥軍等還通過對中國東北黑土帶土壤線空間變異規(guī)律分析指出,東北黑土帶土壤線斜率的總體趨勢是由北向南先增加后減小。綜上所述,前人針對土壤線影響因素的研究已取得豐富成果,但由于土壤類型復雜多樣,前人研究成果仍具有一定的地域局限性,特別是針對山東典型土壤的土壤線研究至今仍是空白。此外,部分學者在研究過程中,多是通過將實測土壤的紅和近紅外的光譜反射率線性擬合得到土壤線參數(shù),這種方法提取的土壤線不能直接用于遙感監(jiān)測,原因在于土壤的實測光譜值是用光譜儀測得的,而遙感影像波段反射率值是通過衛(wèi)星傳感器測的,因此有必要探究基于遙感影像的土壤線的影響因素和空間分布規(guī)律。本文以山東省典型土壤類型區(qū)郯城縣為研究區(qū),選取土壤類型和土壤有機質兩個主要影響因子參與分析,旨在通過詳盡分析不同土壤類型下土壤線參數(shù)的變化規(guī)律和同種土壤類型下有機質對土壤線變化的影響,擬探究山東典型土壤下各影響因素的影響機理,試圖發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤線的空間變異規(guī)律,為獲得準確的植被指數(shù)和土壤的遙感分類提供科學依據(jù)。1材料和方法1.1土壤概況及土壤類型郯城縣位于山東省最南端,地理坐標118°05′~118°31′E,34°22′~34°56′N。南與蘇北邳州、新沂、東海三縣市交界;北與臨沂、臨沭、蒼山三縣市接壤。境南北長約65km,東西寬32km,總面積1312km2,地形由東北向西南緩緩低下。境內(nèi)地勢平坦,平均海拔約38m。年平均氣溫13.2℃,年平均降水量835.5mm。全縣土壤分5個土類、10個亞類、13個土屬、45個土種。一類是潮土類,占可耕面積的51.3%,適宜種植小麥、玉米、水稻等農(nóng)作物;二是棕壤土類,占可耕面積的18.8%,適宜種植花生、紅薯等;三是水稻土,占可耕面積的15.6%,適宜種植水稻;四是砂姜黑土類,占可耕面積的12.3%,主要適宜植棉;五是褐土類,占可耕面積的2%,適宜種植花生、小雜糧等。1.2土壤樣點的采集于2009年6月對郯城縣土壤野外采樣,采樣按照代表性、均勻性、科學性、可比性、點面結合,與地理位置、地形部位相結合的原則,使用不銹鋼取土鉆,采集深度為土壤表層0~20cm,采用“S”型取樣路線,每個樣點采樣量保持均勻一致,最后將每個樣點的土樣充分混合,用四分法最終保留土樣1kg,采樣同時利用GPS定位儀確定樣點的準確坐標。全區(qū)共采集樣點876個(圖1)。實驗室內(nèi)土壤有機質含量(g/kg)采用重鉻酸鉀-硫酸溶液-油浴法測定。1.3遙感影像數(shù)據(jù)處理郯城縣農(nóng)作物種植以小麥、玉米為主,一年兩熟,土壤大多數(shù)時間被植被、秸稈覆蓋,純裸土時間較短,為獲取較多的裸土信息,提高土壤線擬合的精度,本文選用時間分辨率較高的環(huán)境減災衛(wèi)星HJ-1ACCD2數(shù)據(jù),影像波段參數(shù)見表1,影像可覆蓋整個研究區(qū),沒有云層的掩蓋,影像質量好。影像攝于2009年6月25日,此時正值小麥收割完,地表呈現(xiàn)較多的季節(jié)性裸土。首先,利用環(huán)境減災衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理插件對遙感影像進行波段合成和輻射定標,得到地物輻射亮度,然后采用ENVI附帶的FLAASH模塊進行大氣校正,得到地表地物真實反射率值。以實驗區(qū)1:50000地形圖為基準,在ENVI4.7遙感影像處理軟件平臺上采用多項式糾正法,研究區(qū)共選取了20個控制點,對影像進行了幾何精糾正,糾正誤差控制在一個像元以內(nèi),能夠滿足本研究的需要,最后利用郯城邊界矢量文件裁剪出研究區(qū)。1.4遙感影像提取土壤線法目前,提取土壤線的方法主要分為兩類:一是基于實地采樣數(shù)據(jù),二是直接從遙感影像上提取。為了避免光譜儀測量帶來的誤差,確保土壤線提取的精度以及得到的土壤線參數(shù)今后可直接用于遙感影像植被指數(shù)的計算和分析,直接從遙感影像上提取土壤線。即利用遙感圖像解譯裁剪出裸土像元,根據(jù)這些像元在第3波段(紅光)和第4波段(近紅外)的反射率擬合出土壤線(斜率和截距)。土壤線的方程為:其中:NIR代表紅外波段的反射率;R代表近紅外波段反射率;a、b分別為土壤線的斜率和截距。2結果與分析2.1不同土壤條件下的土壤線模型本文以山東省郯城縣典型土壤潮土、棕壤、水稻土、砂姜黑土、褐土為例進行說明,探究5種土壤類型間土壤線之間的大小關系,進一步分析土壤類型影響土壤線變化的內(nèi)在機理。圖2(a)為郯城土壤類型分布圖,以郯城縣土壤類型圖為基礎圖件,利用ENVI矢量數(shù)據(jù)裁剪功能得到研究區(qū)不同土壤類型下遙感影像,從遙感分類提取裸土信息并計算不同土壤類型范圍內(nèi)的土壤線參數(shù)(表2)。由圖2(a)中郯城縣土壤類型圖可以看出,研究區(qū)土壤類型呈一定的地帶性分布,即由西向東,土壤類型分別為褐土、潮土、水稻土、砂姜黑土、棕壤,其中潮土類主要分布在河流兩側,棕壤土類主要分布在馬陵山等低山丘陵上,水稻土主要分布在中南部澇洼地區(qū),砂姜黑土類主要分布在河間、嶺間的槽狀洼地及封閉地帶,褐土類零星分布在西北部孤山、殘嶺及其周圍。由表2可以看出,土壤線方程的擬合度較高,R2均大于0.7;潮土的土壤線斜率(1.4996)最大,依次大于水稻土、棕壤、砂姜黑土,最小的為褐土(1.2293),而截距的大小關系則相反;由此表明,土壤類型是造成土壤線變化的一個非常重要的因素,不同土壤類型的土壤線有其各自的土壤線參數(shù),且差距較大。原因可能是由于土壤的分類依據(jù)與影響土壤線的主要因素相似,不同土壤類型的組成成分和物理性質等的差異使得土壤的光譜具有明顯的差異。2.2土壤有機碳的空間插值及數(shù)據(jù)處理為分析同種土壤類型下土壤有機質對土壤線參數(shù)的影響,本文任意選取兩種土壤類型(潮土和棕壤)來進行說明。由于異常值的存在會造成變量克呂格插值的連續(xù)表面的中斷,甚至會掩蓋變量固有的空間結構特征,因此為保證分析結果的可靠性,插值前需要對樣點數(shù)據(jù)進行檢查和異常值的識別處理,這里使用ArcMap軟件對樣點數(shù)據(jù)進行檢查,選用正常數(shù)據(jù)的上下限等于平均值加減3倍標準差的方法,篩選異常樣點值,在軟件中予以剔除。以ArcGIS9.3為平臺,利用地統(tǒng)計模塊中的普通克呂格插值法對研究區(qū)的有機質進行插值,得到研究區(qū)土壤有機質空間插值圖[圖2(b)],可以看出,郯城縣耕層土壤有機質含量范圍大致在10~20g/kg之間,以間隔3g/kg為標準將兩種土壤類型下裸土的土壤有機質劃分區(qū)段,求算不同有機質含量區(qū)段下的土壤線參數(shù)(表3)。從表3可以看出,土壤線方程的擬合度較高,決定系數(shù)R2均高于0.7。在棕壤和潮土這兩種特定土壤類型下,隨有機質含量升高,區(qū)段內(nèi)的土壤線斜率增大,棕壤從1.1794增大到1.3176,潮土從1.4889增大到1.5118。由此表明不同有機質含量下,土壤線參數(shù)也不同。土壤線斜率隨有機質含量的增加而增大,可能是由于有機質對可見光近紅外波段土壤光譜反射率的影響顯著強于其他波段,使該波段范圍的反射率曲線下凹,近紅外波段反射率降低的速率比紅外波段快,因此斜率增大,土壤線截距的變化趨勢與斜率相反?？梢?在特定土壤類型下,土壤有機質是影響土壤線變化的主要因素。2.3地帶性分布規(guī)律通過對圖2(a)和表2的分析可知,土壤線參數(shù)隨土壤類型變化而變化。研究區(qū)內(nèi)土壤類型呈一定的地帶性分布,因此可認為土壤線也具有一定的地帶性分布規(guī)律,即土壤線斜率隨土壤類型的空間變異規(guī)律大致呈現(xiàn)由西向東先增大后減少的規(guī)律,由北向南土壤線斜率呈增加趨勢,截距則呈相反的變化趨勢。通過對圖2(b)和表3分析可知,研究區(qū)各區(qū)域土壤有機質含量也大不相同,總體看來,研究區(qū)內(nèi)由中心向外至邊緣區(qū),土壤有機質呈增加的趨勢,因此土壤線斜率也具有中心向邊緣增大的空間變異規(guī)律,截距仍呈相反的變化趨勢。3土壤條件分析(1)基于環(huán)境減災衛(wèi)星遙感影像提取裸土土壤線參數(shù),斜率范圍在1.1794~1.5118內(nèi),截距在0.0089~0.0619內(nèi),與已發(fā)表的土壤線參數(shù)變化范圍斜率為1.06~1.60,截距為-0.01~0.07(與斜率的變化趨勢相反)一致,說明這種計算土壤線參數(shù)的方法是可行的,也保證了后續(xù)分析過程中數(shù)據(jù)的準確性。(2)選取土壤類型和土壤有機質這兩個影響土壤線參數(shù)最大的因素,分析各自對土壤線的影響機理,可知,不同的土壤類型具有不同的土壤線,對于山東主要土壤類型,土壤線參數(shù)大小變化規(guī)律是:潮土的土壤線斜率最大,其次為水稻土、棕壤、砂姜黑土,最小的為褐土,截距則基本呈相反的趨勢。通過分析同種土壤類型下有機質對土壤線參數(shù)的影響表明,不同有機質含量,土壤線參數(shù)不同:土壤線斜率隨有機質含量的增加而增大,截距則減小。此結論與劉煥軍等基于室內(nèi)光譜反射率的土壤線影響因素的結論一致,表明此結論具有一定的準確性。(3)依據(jù)土壤類型和土壤有機質的空間變異規(guī)律可將土壤線的空間變異規(guī)律大致概括為:土壤線斜率隨土壤類型的變化大致呈現(xiàn)由西向東先增大后減少的規(guī)律,由北向南土壤線斜率呈增大趨勢,截距則呈相反的變化趨勢,土壤線具有一定的地帶性分布規(guī)律。相同土壤類型下土壤線斜率隨土壤有機質增高呈現(xiàn)由中心向邊緣增大的趨勢,截距則呈減小的趨勢。由此可以看出,若想得到精確的土壤線參數(shù),在實際應