实测高光谱和HSI影像的区域土壤含水量遥感监测研究

基于典型研究区植被冠层实测高光谱数据和HSI高光谱影像数据,通过相关分析选择与不同深度土壤含水量响应敏感波段,建立两者的土壤含水量反演模型,并用实测高光谱土壤含水量反演模型校正HSI影像土壤含水量反演的模型。结果表明:土壤含水量响应敏感波段区域为450~650 nm和850~920 nm;两种土壤含水量反演模型对土壤深度为0~10 cm的土壤含水量估算效果最好,其中实测冠层高光谱土壤含水量反演模型精度高于HSI影像土壤含水量反演模型,判定系数(R~2)分别为0.659和0.557;经过校正的HSI影像土壤含水量反演模型精度有了较大的提高,判定系数(R~2)从0.557提升到0.719,均方根误差(RMSE)为0.043 5,较好地提高了区域尺度条件下土壤含水量监测精度,因此运用该方法进行土壤含水量遥感监测是可行的,为进一步提高区域尺度下土壤含水量定量遥感监测提供参考借鉴。     

基于高光谱特征的盐渍化土壤不同土层盐分离子含量预测

为了利用高光谱技术准确预测不同土层土壤盐渍化程度,该研究以宁夏银北地区不同层次土壤为研究对象,以土壤实测光谱数据和室内盐渍化指标测定数据为基本信息源,系统分析不同类型盐渍化土壤光谱特征,确定与土壤pH值、电导率(electricconductivity,EC)和可溶性盐分离子相关性最强的反射率转换方式,筛选0～5 cm和0～20 cm土层盐分指标敏感波段,然后建立并验证不同土层不同土壤盐分指标的预测模型。结果表明:研究区不同类型、不同盐渍化程度土壤光谱特征曲线变化趋势相似,盐土光谱反射率最高,轻度硫酸盐型土壤反射率最低。在所有盐分指标中,单波段反射率与0～5 cm土壤SO42-的相关性最强(相关系数为0.910 4);反射率与CO32-、HCO3-、Cl-含量相关性不显著。土壤单波段反射率与0～20 cm土层SO42-的平均相关系数比0～5 cm土层降低了0.232 2,但Cl-、K+、HCO3-和EC的相关系数都有所增大。反射率通过不同方式转换后,敏感波段与各盐分的相关性有不同程度的增强,尤其是一阶微分和连续统去除后一阶微分转换。在0～5 cm土层反射率经过平滑后一阶微分转换后与土壤pH值、SO42-、K+、Mg2+相关性最强;反射率经平滑后连续统去除一阶微分转换与土壤EC、CO32-、HCO3-、Cl-、Na+、Ca2+的相关性最强。0～20 cm土层中,平滑后连续统去除一阶微分与土壤pH值、Cl-相关性最强,平滑后倒数对数一阶微分与EC、HCO3-、SO42-、Na+、Ca2+的相关性最强,而平滑后一阶微分与CO32-、K+、Mg2+相关性最强。不同土层相同盐分指标敏感波段不同。利用偏最小二乘回归建立的预测模型中,0～5 cm和0～20 cm敏感波段对10个盐分指标预测平均决定系数分别为0.820 8和0.890 7,其中0～5 cm敏感波段对SO42-的预测模型决定系数达0.967 6。采用逐步回归与偏最小二乘回归相比模型引入敏感波段减少,但R2降低。验证结果表明模型对0～20 cm土层SO42-和CO32-的预测能力不及0～5 cm;但对其他8个盐分离子的预测能力明显高于0～5 cm。研究结果可以为该地区土壤的盐渍化信息预测及植物格局配置提供科学依据。     

土壤有机质与水分反射光谱响应特征综合作用模拟

土壤有机质与水分均对土壤反射光谱特征有显著的影响,但其作用机理难以定量描述。通过对黑龙江省典型黑土区土壤野外高光谱反射率的测定,研究了该区土壤的光谱反射特征;利用BP神经网络方法,以土壤有机质与水分数据作为输入层,以土壤光谱反射率一阶微分作为输出层,建立黑土有机质与水分的高光谱预测模型,并对模型的稳定性和预测能力进行检验。结果表明:土壤有机质与土壤表层0~20 cm含水量之间具有显著的相关性,相关系数为0.59;1570 nm波段处的一阶微分为输出层的模型精度最高,RMES达到0.017,平均绝对误差为0.014,平均相对误差为0.110;模型检验结果表明建立的BP神经网络模型具有良好的稳定性;土壤有机质、含水量对土壤光谱反射率的综合作用得到较准确的描述,可以用于野外土壤有机质与水分的速测。     

基于高光谱的北京铁矿区土壤重金属镍元素含量反演研究

运用高光谱数据对北京典型铁矿区土壤重金属镍含量进行建模反演,探索高光谱遥感技术在土壤重金属污染快速监测上应用的可行性。使用便携式地物光谱仪采集研究区土壤样本光谱反射率数据,光谱反射率数据经多种数学变换后,经逐步回归方法筛选最佳特征波段,利用多元线性回归（SLR）和偏最小二乘回归（PLSR）方法建立模型以光谱反射数据对土壤重金属镍元素含量进行反演。基于光谱二阶微分的多元线性回归模型（SD-MLR）的稳定性和精度最高（R2 = 0.842,RMSE = 4.474）,能够良好地预测研究区土壤镍元素含量。光谱数据数学变换能够有效提高其与土壤镍元素含量间的相关性。不同的光谱变换形式建立模型的预测能力和精度有如下关系,光谱二阶微分 > 光谱倒数对数一阶微分 > 光谱一阶微分 > 光谱倒数对数 > 光谱连续统去除 > 原始光谱。采用光谱二阶微分建立多元线性回归模型为研究区土壤镍元素含量反演的最佳模型,可为土壤重金属污染快速监测提供技术参考。     

艾比湖流域盐渍土含水量光谱特征分析与建模

盐渍土表层盐分累积与土壤含水量有着直接的关系.为了建立干旱区盐渍土含水量高光谱遥感监测模型,本文以艾比湖流域不同含水量的盐渍土为研究对象,采用光谱反射率变换和多元统计分析(MSAM)方法,对土壤含水量的光谱特征进行分析和建模.结果表明:随着土壤含水量的增加,土壤反射率呈下降趋势;在一定范围内,波长越长,土壤光谱反射率与含水量的相关性越高,其中1 937 nm处的土壤光谱反射率与含水量具有最高的相关性(r=-0.636).对土壤光谱反射率进行8种光谱反射率变换后,在此基础上利用多元统计方法分析盐渍土的不同含水量与光谱之间的相关性,筛选敏感波段,建立关系模型.得出对数一阶微分(Logarithm First Order Differential)在波长2024和2 357nm建立的模型以及均方根一阶微分(Root Mean Square First Order Differential)在波长1 972和2 357nm建立的模型最优,相关系数r分别为0.894和0.865.基于上述模型作者构建了一种耦合模型,其相关性r=0.926比对数一阶微分模型提高了0.032,比均方根一阶模型提高了0.061;因此,所构建的盐渍土含水量估算模型是可行的,可以为遥感反演提供理论参考,对高光谱遥感反演具有一定意义.     

黄河三角洲土壤含水量状况的高光谱估测与遥感反演

为探讨利用近地高光谱和遥感影像数据结合预测土壤含水量的可行方法,以黄河三角洲垦利县为研究区,采用中心波长反射率和波段平均反射率两种拟合方法,利用室外实测高光谱窄波段反射率数据模拟Land Sat8卫星宽波段反射率,进而通过组合,选取敏感光谱参量,应用多元逐步线性回归方法分别建立土壤含水量高光谱单一形式波段组合与多形式波段组合估测模型,并选取最优估测模型。采用线性混合像元分解处理遥感影像,同时采用比值均值订正方法对遥感影像反射率进行订正,在此基础上,将模型应用到经过订正的Land Sat8卫星影像,实现了对研究区土壤含水量的遥感反演。结果表明,最佳模型是基于波段平均反射率拟合方法建立的多形式波段组合估测模型。从反演结果看较为符合研究区土壤含水量的实际状况。     

干旱区棉花冠层高光谱反射特征研究

为揭示棉花冠层高光谱特征,建立棉花高光谱估算模型,促进高光谱技术在棉花长势监测和估产中的应用。基于新疆棉花生长发育规律,对棉花各生育期冠层进行高光谱反射率的测定,研究不同灌水量、氮素营养条件及品种对棉花冠层光谱反射特性的影响。结果表明:在可见光区(400-700nm),适度缺氮(N1)条件下的棉花冠层光谱反射率相对较高,而氮过量(N3)条件下的冠层光谱反射率相对较低;随着灌水量的增加,在近红外波段(700-800nm),棉花冠层光谱反射率呈上升趋势,在盛蕾期和盛花期不同灌水量处理的光谱反射率差异明显;不同棉花品种冠层光谱反射率存在一定差异,在近红外区新陆早13与新陆早10只在吐絮后期光谱反射率差异不明显,在前3个生育期差异较明显。     

黑土土壤中全氮含量的高光谱预测分析

为实现快速、准确估测土壤氮素含量水平,推动土壤信息化管理进程,该研究利用ASD2500高光谱仪在室内条件下测定了风干土壤样品的可见—近红外光谱。结果表明,通过不同的变换,光谱反射率对数的一阶导数与土壤全氮含量相关性得到增强,以400～600 nm波段范围内相关性最好。该文确定了以反射率对数的一阶导数光谱预测黑土全氮（TN）含量的最佳回归模型,模型所用的波段为可见光波段的556 nm、近红外的1 642和2 491 nm。同时,也确定了利用由可见光波段550和450 nm组成的归一化光谱指数预测黑土TN含量的最佳预测模型。模型通过验证达到较好的效果：利用反射率对数的一阶导数、归一化光谱指数对土壤TN的预测R2分别为0.863、0.829,均方根误差RMSE分别为0.122、0.152。     

基于高光谱反射率的棉花冠层叶绿素密度估算

为了进一步提高棉花叶绿素密度高光谱估算精度,该研究以棉花冠层叶绿素密度以及冠层高光谱反射率为数据源,在分析叶绿素密度与原始高光谱反射率(R)、一阶导数光谱反射率(DR)、已有光谱指数及全波段组合指数相关性的基础上,采用线性及多元逐步回归技术构建了叶绿素密度高光谱诊断模型,系统对比分析了以上4种光谱形式用于棉花冠层叶绿素密度诊断的精度。结果表明:1)基于一阶导数光谱反射率的估算模型精度明显优于原始光谱反射率;2)基于比值指数或归一化指数形式的估算模型精度及稳定性要优于单波段或多波段的线性模型;3)单波段变量DR756、全波度组合比值指数DR635/DR643以及归一化指数(DR1055-DR684)/(DR1055+DR684)均可较好的实现叶绿素密度估算,其中由DR635/DR643为自变量的模型所得到棉花冠层叶绿素密度估算值与实测值拟合最好,相关系数达到0.821。该研究可为高光谱技术在棉花冠层叶绿素密度诊断中的更好应用提供参考。     

基于连续统去除法的土壤盐分含量反演研究

通过对新疆维吾尔自治区温宿县、和田县、拜城县191个土样的原始反射率进行连续统去除及连续统去除的一阶微分处理,分析了盐分的高光谱吸收特征及敏感波段,并建立了盐分含量的多种高光谱定量反演模型。结果表明,在400~2 400 nm波段,土壤反射率与盐分含量之间无明显规律。640~700 nm波段的连续统去除数据与含盐量呈极显著负相关,而710~780 nm波段呈极显著正相关。原始反射率经连续统去除处理后,可明显提高反演模型的预测性能。基于盐分光谱指数和吸收特征参数构建的反演模型的稳定性及预测能力不如连续统去除、连续统去除一阶微分的400~2 400 nm或敏感波段的偏最小二乘回归(PLSR)模型。所有模型中,仅有以400~2 400 nm和640~700 nm连续统去除数据所建模型的相对分析误差(RPD)达2.5以上,分别为2.62和2.52,且二者其余各项评价指标差异不大。以640~700 nm波段连续统去除数据构建的PLSR模型对南疆水稻土盐分含量具有很好的反演效果。     

土壤时空变化研究的进展与未来

理解和表征土壤的时空变化是土壤学的基本任务,也是评估和合理发挥土壤功能的重要前提。土壤的时空变化与气候环境变迁、岩石圈风化、地表物质迁移、生物地球化学循环等圈层变化过程相耦合。围绕土壤时空变化研究的新近进展,本文综述并展望了土壤形成和演变过程、土壤形态学、土壤调查、土壤分类、数字土壤制图与土壤退化的发展态势。未来土壤时空变化研究的关键科学问题主要包括:地球表层系统中土壤与环境要素之间的多过程耦合机理与模拟、多尺度土壤-环境关系与模拟、多元土壤信息的融合机理与数据同化。未来重点研究领域将涉及到关键带科学引领的土壤形成和演变研究、多尺度数字土壤制图与时空变化预测、基于多传感器的土壤综合观测原理与技术、完整和详尽的国家和全球土壤资源清单及共享平台建设、区域土壤资源退化机理及其功能恢复。     

Soil indicator systems ‐ the basis for soil conservation decisions to control soil erosion and soil compaction

The efficiency and acceptance for erosion and compaction control management is not high and therefore not a guarantee for sustainable land use and soil functionality. The best method for increasing acceptance is a regional soil indicator system combined with an environmental indicator system (McRae et al. 2000). Like the concept of “critical load inputs”; for chemical pollutants, this system would make it possible to quantify the soil state and soil condition for decisions concerning the soil carrying or load capacity. The next step is the assessment of the land use pressure on soil in terms of the soil load capacity and the driving forces for land use. These results may determine the response level required: In a balanced situation, Best Management Practices may help ensure sustainability is maintained, slightly disproportional results suggest additional special agricultural management techniques may be needed, while significant differences may indicate the need for additional land use adjustments or changes in technical management. The indicator system is ideal for application in north‐eastern Germany for all moraine areas and the areas at risk to water and wind erosion and soil compaction.     

四种土壤管理方式对李园土壤微生物和土壤酶的影响

通过2003~2004两年的试验发现,刈割覆盖、刈割压埋、畜粪还园三处理纤维分解菌和硅酸盐细菌的数量均明显高于清耕处理(对照),且两种微生物数量均以夏季最多,秋季次之,春季再次,冬季最少。前三处理蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、纤维分解酶、多酚氧化酶的酶活性都较清耕有显著或极显著提高;各处理酶活性也以夏季最高、秋季次之,春季再次,冬季最低。2004年刈割覆盖、刈割压埋两处理蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性较2003年有显著或极显著增加,畜粪还园、清耕两处理三种酶活性两年间差异很小。经相关性分析还发现,纤维分解菌除与脲酶相关性不显著外,它与其余的酶均显著或极显著正相关;硅酸盐细菌与所有的酶均极显著正相关。     

慈溪市土壤系统分类研究

本文对浙江省慈溪市第二次土壤普查土壤分类系统进行了修订,并建立了慈溪市土壤系统分类,依据浙江省土系建立的原则和要求,初步建立了慈溪市土壤的土族和土系。     

土壤动物在农业生态系统中的研究进展

近些年来随着对生态学的深入研究,人们认识到土壤动物的群落结构、功能以及在生态过程中积极的不可替代的作用,土壤动物逐渐成为生态学研究的热点之一。本文分析评价了国内关于土壤动物的研究进展。同时对国外土壤动物在土壤环境评价、凋落物分解、土壤健康的指示作用、与污染环境的关系、二氧化碳浓度对其的影响、在农业生态系统中的作用、在城市生态系统研究中的作用、在废弃物处理及土壤改良中的应用、在N循环中的作用、湿地土壤动物研究等10个方面的研究动态进行了综述。并提出了对土壤动物研究工作的几点建议。     

分形理论在土壤肥力研究中的应用与前景

分形理论的提出对于定量描述复杂的、高度不规则的系统特征与机理提供了方法.本文从土壤腐殖质、土壤微生物、土壤团聚体等方面回顾了分形理论在土壤肥力研究中的主要结果:土壤腐殖质胶体在不同条件下形成不同分形特征的聚合物;同一种微生物可能形成具有不同分形特征的结构;土壤中的有机无机胶体在不同条件下凝聚成不同的团聚体,从而形成不同的土壤结构并对其肥力功能产生影响.我们认为分形理论在探索土壤的形成过程和肥力功能上将具有重要的应用前景:如团粒结构体的形成可能是由土壤胶体分形凝聚而成;土壤中的活性有机质有逐渐老化的现象,可能和腐殖质胶体由结构疏松的分形结构向普通团聚体过渡的过程有关;土壤微生物在不同微环境下具有不同的分形特征,可以推测在各种土壤过程(包括物理、化学以及生物化学过程)中它们的功能也可能是不一样的.此外,土壤结构的开放程度决定孔隙、水分以及空气的分布,从而决定了微生物的生存空间.所以土壤结构体对微生物空间分布的影响也是将来该领域值得研究的内容之一.     

城市化过程对土壤资源影响研究进展

世界范围内的快速城市化过程对土壤资源的质与量都产生了深刻影响.作为一种不可再生性自然资源,土壤在我国快速城市化过程中的强烈人为活动影响下发生功能上的转化、弱化甚至消失.城市及其周边地区的土壤景观、各种土壤过程都明显异于传统的土壤质量演变规律.与农业生态系统相比,城市生态系统更加复杂,城市化过程中土壤演变研究的挑战性也更大.深入开展城市化过程中土壤质、量响应及其生态环境效应的系统研究意义重大.     

面向土壤系统分类的土壤调查制图方法的初步研究

我国的土壤系统分类方案已经基本形成,但还没有相应的土壤调查方法技术研究。按照传统土壤调查的主要剖面、检查剖面、定界剖面的思想与办法,采用空间内插技术,在研究区的4条实验路线上共挖掘了64个剖面点,通过这些剖面点的诊断层和诊断特性确定了研究区的土壤类型并勾绘了土壤类型界线。再用1条检验路线对勾绘的土壤图进行检查,结果表明,在检验路线上设置的20个检查剖面点中,其中19个剖面点与实际情况相符,正确率95%,说明使用内插法进行面向土壤系统分类的土壤调查制图是可行的。再结合土壤景观可以辅助土壤调查工作者更高效地确定土壤类型、勾绘土壤界线。     

磺胺类兽药对土壤生化功能及氮素的影响

研究了磺胺类药物对土壤呼吸作用、硝化作用、氨化作用、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮及全氮的影响。结果表明,相对较低浓度药物残留(10 mg/kg土)对土壤呼吸作用的影响呈现"激活-抑制"循环的规律,而相对较高浓度药物残留(50 mg/kg土)对土壤呼吸作用的影响则呈现"抑制-激活-抑制"的规律,因此,磺胺类药物残留会抑制土壤呼吸作用。相对较低浓度药物残留(10 mg/kg土)对土壤硝化作用、氨化作用呈现"激活-恢复"的规律,而相对较高浓度药物残留(50 mg/kg土)对土壤硝化作用、氨化作用则一直呈现"激活"的状态,因此,磺胺类药物残留会刺激土壤的硝化作用与氨化作用。土壤氮素是生物圈内氮循环的重要指标,磺胺类药物残留对土壤氮素有一定的抑制作用,若长期保持着较高残留水平,则会破坏土壤的氮循环。     

Relationships between soil respiration and soil moisture

The interaction of soil microbes with their physical environment affects their abilities to respire, grow and divide. One of these environmental factors is the amount of moisture in the soil. The work we published almost 25 years ago showed that microbial respiration was linearly related to soil-water content and log-linearly related to water potential. The paper arose out of collaboration between two young researchers from different areas of soil science, physics and microbiology. The project was driven by not only our curiosity but also the freedom to operate without the constraints common to the current system of science management. The citation history shows three peaks, 1989, 1999 and from 2002 to the present day. Interestingly, the annual citation rate is as high as it has ever been. The initial peak is due to the application of the work to studies on microbial processes. The second peak is associated with the rise of simulation modelling and the third with the relevance of the findings to climate change research. In this article, our paper is re-evaluated in the light of subsequent studies that allow the principle of separation of variables to be tested. This re-evaluation lends further credence to the linear relationship proposed between soil respiration and water content. A scaled relationship for respiration and water content is presented. Lastly, further research is suggested and more recent work on the physics of gas transport discussed briefly.