我國東北黑土光譜特性及主要參數(shù)分析

我國東北黑土光譜特性及主要參數(shù)分析

研究黑土的研究黑土是中國最大的土壤肥力地區(qū)之一。它位于中國東北部小興安山脈和長白山以西的山區(qū)，即松嫩平原的東北部。這是世界上僅有三個黑土區(qū)之一。該區(qū)大部分的黑土已有幾十年甚至上百年的耕作歷史,而松嫩平原又是我國著名的商品糧基地之一,黑土的土壤質(zhì)量好壞影響和制約該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境。因此,研究黑土的光譜特性,并在此基礎(chǔ)上尋找一種實時的方法來分析黑土中各成分的含量是非常必要的。汪周偉等對東北地區(qū)18個主要土壤類型的樣本進(jìn)行了光譜測試分析,探討了土壤光譜的變化趨勢。尹殿奎等對長春地區(qū)15個主要土壤類型的樣本進(jìn)行了光譜測試分析,探討了土壤反射光譜特征與某些土壤特性的關(guān)系,為遙感圖像的解釋提供了依據(jù)。馮云山等也對吉林省主要土壤的反射光譜特性及其影響因素進(jìn)行了測定。以上分析中都包含有東北黑土,但是分析波長大都較低,沒有覆蓋整個近紅外區(qū)域;文中給出了黑土的光譜曲線,但沒有做更深入的分析,例如土壤參數(shù)與光譜特性的相關(guān)性定量分析等。還有,以上研究都是利用干燥后的土樣或是在實驗室經(jīng)過處理后的土樣,其分析結(jié)論尚不能直接用于土壤的實時分析。因此作者以我國東北黑土為研究對象,通過比較東北黑土與北方潮土光譜的差異性,揭示東北黑土的光譜特性,分析近紅外光譜與幾種主要土壤參數(shù)的相關(guān)性。1土樣的采集和測定土壤樣品采集于黑龍江省海倫市。海倫市位于黑龍江省的中部,松嫩平原東北端、小興安嶺西麓,北緯46°58′～47°52′,東經(jīng)126°14′～127°45′,總面積為4667km2。海倫市地貌類型以起伏臺地為主,土壤母質(zhì)一般為第四紀(jì)沉積物,土壤質(zhì)地為砂粒13%、粉粒63%、粘粒24%,是典型的黑土分布區(qū)。2005年6月28日,在東北黑龍江海倫市郊區(qū)的一塊大田中采集了200個土樣,為了使土壤參數(shù)有明顯的差異,具有一定的代表性,分別在種植玉米、大豆和土豆的地塊中,分表層和深層采集了土樣。由于本研究是要探索土壤的實時特性,因此不對樣品進(jìn)行預(yù)處理,為了不使水分蒸發(fā)得太多,采用雙層密封塑料袋外加牛皮紙密封袋封裝。采集的土樣直接用于近紅外光譜和水分的測量,近紅外光譜采用由德國布魯克光學(xué)儀器公司生產(chǎn)的MATRIX-Ⅰ型傅里葉變換近紅外光譜分析儀測量,它帶有旋轉(zhuǎn)樣品池,可以直接將少許土樣放入樣品池中進(jìn)行測量。光譜儀的光譜測量范圍為12798～3599cm-1(781～2779nm);分辨率為4cm-1;波數(shù)精度:0.1cm-1。掃描次數(shù):32。完成光譜測量的土樣被分為2部分,一部分直接用來分析土壤水分,另一部分風(fēng)干后用于分析土壤肥力成分。水分的測量是利用電熱恒溫干燥箱,保持105℃,放置24h進(jìn)行烘干后得到土壤的水分含量。風(fēng)干后的土樣進(jìn)行化學(xué)分析,分析的成分或參數(shù)有土壤有機(jī)質(zhì)含量(SOM),土壤全氮含量(TN),土壤硝態(tài)氮(NO3-N)含量,土壤速效鉀(K+)含量、土壤pH值和土壤電導(dǎo)率值(EC),分析結(jié)果將用于進(jìn)一步分析。2結(jié)果和討論2.1不同土壤水分的特征北方潮土的光譜特性已經(jīng)被詳細(xì)地分析和論述,通過比較北方潮土和東北黑土光譜特征的差異,揭示東北黑土的光譜特性。圖1給出的是兩種土壤不同含水率的近紅外吸收光譜曲線,圖中橫坐標(biāo)是波長,縱坐標(biāo)則是吸光度。從圖1中可以得到:(1)由水分所引起的3個吸收峰在每個光譜曲線中都清晰可見,這3個吸收峰分別大約是1450,1940和2200nm;(2)兩種土壤的吸收光譜具有近似的變化趨勢,即吸光度都隨著水分含量的增加而顯著升高。以上2點是兩種土壤光譜的共同特征,雖然兩種土壤吸收光譜曲線在外形上很相似,但因土壤是一個多相體系,它是由物理和化學(xué)性質(zhì)各不相同的物質(zhì)組成的,故必然會影響土壤的吸收光譜特性,使吸光度有所差異,這就使不同類型土壤有其自己的光譜特性。從圖1中可以看出二者光譜特征的主要不同在于:(1)當(dāng)水分含量較小時,黑土的吸收光譜值在整個近紅外波段都明顯高于北方潮土;這里可以歸結(jié)為黑土中土壤有機(jī)質(zhì)的影響。黑土含有大量的有機(jī)質(zhì),使得在水分含量相同的情況下,黑土的吸光度值明顯大于潮土。(2)當(dāng)水分含量較大時(>16%db),黑土和潮土的吸收光譜差別不是很明顯,這是因為水分是強(qiáng)吸收物質(zhì),高的水分使得吸收光譜達(dá)到了一定程度的飽和,從而湮沒了其他成分對吸光度的影響。由以上結(jié)果可以得出,土壤的近紅外光譜不僅受土壤水分的影響,還受土壤有機(jī)質(zhì)含量、顏色以及土壤類型的影響。由于土壤水分對光譜影響較大?？梢缘贸鰧τ诓煌寥?利用近紅外光譜分析土壤水分都是可行的。由于有機(jī)質(zhì)含量的影響,兩種土壤的吸收光譜表現(xiàn)出較大的差別,顯示出利用光譜分析土壤有機(jī)質(zhì)的潛力。2.2土和東北黑土的微分光譜東北黑土和北方潮土在土壤質(zhì)地、構(gòu)造等方面有著較大的差異,這個差異應(yīng)該能反映到光譜特征,如前所述,由于吸收光譜受水分和有機(jī)質(zhì)的影響較大,要想直接從吸收光譜分析這些差別顯然是困難的。微分光譜由于描述的是吸光度的變化律,被認(rèn)為可以分辨出光譜的細(xì)微差別。因此應(yīng)用4點差分公式計算了光譜吸光度的微分,計算公式如下,式中xi為波長i處的原始光譜吸光度;f′(x)為波長i處的微分光譜吸光度數(shù)據(jù);h為差分時的步長,這里是h=2nm。圖2和圖3給出的是兩種土壤(北方潮土和東北黑土)不同含水率的一階微分近紅外吸收光譜曲線,圖2是水分含量較高時黑土和潮土的微分光譜圖,可以看出微分光譜基本重合,沒有很大差別,這就說明當(dāng)水分含量較高時,土壤水分對土壤光譜起主要作用,水分的影響已經(jīng)覆蓋了其他因素對光譜的作用,因此對于兩種不同類型的土壤微分光譜沒有太大的差別。圖3是水分含量較低時黑土和潮土的微分光譜圖,可以看出,黑土的微分光譜趨勢與水分含量高時一樣,只是峰值比較小一些,而潮土的微分光譜圖有了很大的變化,光譜趨勢很不規(guī)則,有許多小的高次諧波,造成這種現(xiàn)象的原因可能是:由于黑土中含有大量的有機(jī)質(zhì),且黑土質(zhì)地為粘土,土中粗砂含量較少,因此黑土的光譜吸收在水分不同時都保持較高的穩(wěn)定水平,且散射影響較小,使得黑土的微分光譜趨勢沒有太大變化。而潮土中的有機(jī)質(zhì)含量比較小,且潮土的質(zhì)地為壤土,土中粗砂含量較多,當(dāng)水分含量較低時,土壤的粒度、土壤中質(zhì)地以及土壤中所含的鐵氧化物等將會對土壤光譜產(chǎn)生較明顯的影響,使得潮土的微分光譜有很大的變化。為了更深入地研究黑土與潮土微分光譜的差異性,選取了北方潮土水分含量較低的5個樣品(水分含量:6.90%db,7.29%db,7.34%db,7.45%db及7.95%db)作對比試驗。將5個樣品所對應(yīng)的原始吸收光譜取平均后得到一個新的光譜,對新的光譜求一階微分,然后與圖3中的黑土微分光譜再次進(jìn)行了比較(見圖4)?？梢钥闯?當(dāng)潮土水分含量較低的5個樣品取平均后,得到的一階微分光譜與黑土微分光譜基本重合。這種現(xiàn)象驗證了潮土光譜受土壤質(zhì)地的影響而黑土光譜基本不受影響的判斷。2.3黑土吸收光譜法與土壤參數(shù)的相關(guān)性分析利用測量結(jié)果,初步分析了黑土光譜與水分、全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量等土壤參數(shù)的相關(guān)性。2.3.1預(yù)測模型的建立及驗證土樣的原始吸收光譜與水分值有很大的相關(guān)性,將200個近紅外光譜數(shù)據(jù)隨機(jī)分為兩個集合:標(biāo)定集合和驗證集合。其中標(biāo)定集合有120個樣本,用來建立預(yù)測模型;驗證集合有80個樣本,用來檢驗預(yù)測模型。選取吸光系數(shù)最高的峰值點1946nm處的吸光度值與水分值做一元線性回歸分析。建立的一元線性回歸模型如下這里y為預(yù)測水分值,x為原始吸收光譜數(shù)據(jù)。建立模型的相關(guān)系數(shù)為r2=0.93,F檢驗和t檢驗都顯示模型以及各個模型參數(shù)顯著。隨后利用驗證集合的80個數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證,驗證的結(jié)果如圖5所示。模型驗證的相關(guān)系數(shù)達(dá)r2=0.95。2.3.2農(nóng)田土壤含氮量的調(diào)控土壤全氮含量的最小、最大之間變化范圍是0.0074%～0.3322%,均值是0.2520%,但標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.179%,絕大多數(shù)的點都集中在均值附近,這是由于土壤樣品采集于農(nóng)田,土壤的含氮量沒有經(jīng)過調(diào)控,使得得到土樣的TN(總含氮量)含量的標(biāo)準(zhǔn)差較低。首先計算了每個波長的吸收光譜與土壤全氮的相關(guān)系數(shù),結(jié)果顯示在781～2779nm波段內(nèi),土壤全氮含量與原始吸收光譜之間具有一定的的相關(guān)性(r≈0.60),但不是很高。分析其原因,由于田間采集的樣品方差太小,參與試驗的土壤全氮的含量非常接近,減低了吸收光譜對TN含量的敏感度。進(jìn)一步的試驗時或采集TN含量方差較大的樣品,或者人為調(diào)控黑土TN含量,以建立魯棒性較好的預(yù)測模型。2.3.3有機(jī)質(zhì)含量對黑土光譜的影響黑土中含有豐富的土壤有機(jī)質(zhì)(范圍:11.53%～13.73%,均值:12.78%),從分析土壤養(yǎng)份的觀點出發(fā),由于含量充足,分析黑土的有機(jī)質(zhì)含量是沒有必要的。另一方面,高的含量也使基于土壤有機(jī)質(zhì)的光譜吸收達(dá)到飽和,使得預(yù)測模型的建立成為不可能。實際分析結(jié)果也證明了這一點。計算了整個波段區(qū)間土壤有機(jī)質(zhì)與近紅外吸收光譜之間的相關(guān)系數(shù),最大值不超過0.20,全光譜PLS的分析結(jié)果也沒有得到理想的精度。3土壤水分含量與吸收光譜的關(guān)系利用傅里葉變換近紅外光譜儀測量了東北黑土土樣的吸收光譜,比較了東北黑土和北方潮土的原始近紅外光譜以及微分光譜特性,分析了黑土的土壤水分、土壤全氮含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤光譜的相關(guān)性,主要結(jié)論如下。(1)兩種土壤的吸收光譜具有近似的變化趨勢,即吸光度都隨著水分含量的增加而升高;當(dāng)水分含量較小時,黑土的吸收光譜值在整個近紅外波段都明顯高于北方潮土;當(dāng)水分含量較大時,黑土和潮土的吸收光譜差別不