有机质对土壤光谱特性的影响研究

为了探明土壤有机质的光谱特征及其影响作用,从而为有机质土壤铁氧化物的定量反演提供理论依据。利用去有机质前后土壤的光谱数据,研究了有机质对土壤反射率、土壤线参数、土壤铁氧化物定量反演的影响。研究结果表明,去除有机质后,能明显提高土壤反射率,变化最明显的为可见光橙黄光波段,即570～630 nm。相关性分析也显示橙黄光波段反射率的相对变化量或差值与有机质去除量之间的相关系数要比其他波段高,相关系数最大值在600 nm。因此,建议采用570～630 nm的光谱数据进行有机质的反演;土壤线斜率在去有机质后明显降低,截距显著增大,二者变化量与有机质去除量呈极显著相关关系,可用土壤线参数预测有机质含量。有机质对铁氧化物的反演具有明显影响,特别是有机质大于20 g kg-1的土壤,在进行反演时应考虑有机质对反演精度的影响,需采取有效地技术手段消减其影响作用,才能达到较好的效果。     

去除有机质对土壤光谱特性的影响

通过野外调查取样和室内理化分析,研究了去除有机质对湖南省几种耕作土壤高光谱特性的影响。结果表明,去除土壤有机质以后,供试土壤的光谱反射曲线形态均有一定的变化,土壤的光谱反射率不管在全波段还是在分波段都有明显的增加;此外,由于有机质是影响和干扰氧化铁光谱特性的一个重要因子,去除土壤有机质以后,几个研究波段的光谱反射率与游离氧化铁、全Fe、无定形氧化铁的相关系数都有显著的提高。     

基于高光谱特征指数的土壤有机质含量建模

以江苏中部的水稻土和潮土为研究对象,采集178个表层土壤(0～20 cm)样品,并测定了土壤有机质含量(Soil Organic Matter,SOM).运用ASD FieldSpec 3光谱仪测量了土壤的高光谱曲线,首先对原始光谱进行倒数对数和去包络线变换,分析了不同SOM含量梯度和土壤类型的高光谱特征.其次,基于原...     

褐潮土的光谱特性及用土壤反射率估算有机质含量的研究

本文通过ASDFR便携式光谱仪对132个风干土壤样品的光谱反射率进行了实验室测定。根据土样光谱反射率变化,获得了褐潮土土壤剖面的不同诊断层反射光谱特征。结果表明,在400～1200nm范围之间,土壤有机质含量与土壤光谱反射率有较好的相关性。利用导数光谱方法建立了预测土壤有机质含量的方程,提出了预测北京地区褐潮土有机质光谱的最佳波段。在波长447nm处采用反射率和A值(反射率倒数的对数)所建立的预测方程的预测精度较高。采用反射率的一阶微分建立的预测方程的最佳波段在516nm处。而A值一阶微分光谱在615nm处相关性最好。作为一项参考指标用光谱分析法评价土壤中有机质含量,以期对精准农业中土壤养分或肥力的预测具有一定的指导作用。     

东北典型黑土区表层土壤有机质含量高光谱反演研究

选择东北典型黑土区——德惠市、扶余市和双城市为研究区,利用便携式地物光谱仪获取土壤光谱数据,基于原始光谱值及一阶微分、倒数的对数、连续统去除变换,分别建立了黑土有机质含量的多元线性逐步回归模型、偏最小二乘回归模型和BP神经网络模型。结果表明:高光谱与土壤有机质含量在多个波段相关性较好,其中有机质与反射率一阶微分处理的相关性最好,在光谱584 nm处其相关性最强(r=-0.60,n=81)。光谱一阶微分处理数据在三种建模方法中的预测及验证精度均高于原始光谱值、倒数的对数和连续统去除变换,因此一阶微分为最佳光谱变换形式。偏最小二乘回归分析的预测效果整体优于多元线性逐步回归分析和BP神经网络分析,光谱一阶微分处理的偏最小二乘回归模型呈现出最佳预测效果,决定系数为0.71、均方根误差为2.29 g kg~(-1)(n=53)。     

基于人工神经网络的土壤有机质含量高光谱反演

研究了土壤有机质含量与土壤高光谱之间的关系,在对原始光谱进行了预处理分析后,运用多元线性逐步回归法(MLSR)和人工神经网络法(ANN)建立了土壤有机质含量的反演模型,并对模型进行了验证。结果表明:人工神经网络所建立的反演模型普遍优于回归模型,网络集成模型优于单个BP网络模型,网络集成是提高反演模型准确性与稳定性的有效途径。网络集成模型为最优模型,总均方根误差为1.31,可以用于土壤有机质含量的快速测算。     

基于双时相卫星遥感光谱指数估算土壤有机质含量

以黄淮海平原典型县——封丘县为研究区，探讨了在一年两熟、裸土时间窗口较短的区域中，基于两景影像波段组合构建的双时相光谱指数在有机质含量预测中的表现。研究共计采集117个代表性土样，以分析筛选出的裸土期(10月)内双时相(获取时间：2014年10月6日和2017年10月30日)高质量Landsat 8卫星影像作为数据源，构建了4种类型的光谱指数：比值光谱指数、差值光谱指数、归一化光谱指数以及优化光谱指数，并结合最小绝对收缩和选择算子变量筛选方法和支持向量机算法建立了有机质预测模型。留一交叉验证结果表明，与直接使用影像波段反射率或者基于单景影像构建的光谱指数(单时相光谱指数)相比，利用双时相光谱指数可以更好地利用时相信息优势，其有机质预测精度更高(R2=0.53,RMSE=2.01 g/kg)。而且，基于双时相光谱指数所构建的预测模型得到的有机质空间分布格局与真实值较为吻合。可见，本文提出的在黄淮海平原典型县域利用双时相光谱指数预测土壤有机质的方法，可以促进具有短裸土期特点区域的高分辨率土壤属性遥感预测与制图研究。     

光谱变换和光谱分辨率对土壤有机质含量估测精度的影响

利用高光谱遥感数据结合统计建模是当前土壤有机质（SOM）含量高光谱估测的主要方法。为了探讨SOM含量高光谱估测适宜的光谱变换方法和光谱分辨率,以黑龙江省建三江黑土区土壤样本为研究对象,采用SR-6500便携式光谱仪在实验室测量土样的光谱反射率。对土壤光谱数据重采样为1、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 nm共12种光谱分辨率,经过Savitzky-Golay光谱曲线平滑处理后,将光谱反射率R进行反射率倒数1/R、对数log R、倒数对数log(1/R)、对数倒数1/log R、一阶导数R′、倒数一阶导数（1/R）′、对数一阶导数（log R）′、倒数对数一阶导数[log(1/R)]′和对数倒数一阶导数（1/log R）′共10种光谱变换;利用多元线性逐步回归（MLSR）和偏最小二乘回归（PLSR）的方法建立SOM含量估测模型。结果表明：（1）1/R和（1/R）′光谱变换对于提高SOM含量估测精度的效果较好,其中1/R光谱变换的SOM含量估测精度R2val均高于0.87,(1/R)′光谱变换的SOM含量估测精度R2val均高于0.90;(2)5、10 nm...     

红壤区土壤有机质光谱特征与定量估算——以江西省吉安县为例

通过对江西省吉安县不同有机质含量土壤的光谱曲线吸收特征进行分析,得到不同有机质含量土壤的光谱曲线特征响应波段,建立了县级尺度基于有机质响应波段的定量估算模型。结果表明,红壤和水稻土土壤光谱曲线特征具有明显差异,560~710 nm为吉安县土壤有机质含量的特征吸收波段;基于特征吸收波段范围的吸收面积(s)的对数和有机质含量的相关性为0.86,拟合方程为y=-20.91 ln(s)-27.26,决定系数为0.74,经不同类型土壤的有机质数据检验,预测的决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和预测相对分析误差(RPD)分别为0.75、0.61和1.88;包络线去除和反射率的倒数的对数处理建立的偏最小二乘回归(PLSR)模型预测效果最佳,预测决定系数均达0.83以上,相对偏差均为2.4以上,基于特征吸收波段560~710 nm建立的模型能定量估算红壤地区有机质含量,为土壤有机质估测提供参考。     

基于高光谱遥感土壤有机质含量预测研究

高光谱遥感技术是土壤养分含量监测的一种先进手段,能及时、准确地监测滨海滩涂土壤养分的动态变化,对滨海湿地生态环境保护具有重要意义。以辽河三角洲滨海湿地滩涂为研究对象,在对地面高光谱数据与实验室样本理化性质分析的基础上,经过微分以及连续统去除法相关分析,分别建立了多元线性回归模型和偏最小二乘法(PLSR)模型,并对模型结果进行分析、比较。结果显示,连续统去除法能有效的提高有机质含量与光谱反射率之间相关性,基于此变换所建立的多元线性回归模型R2达到了0.7545,RMSE为1.2216;偏最小二乘模型R2达到了0.8792,RMSE为1.2299。所建模型具有预测土壤有机质含量的潜力,其中偏最小二乘法优于多元线性回归法。     

不同有机物料投入下黄河故道土壤有机碳积累特征的研究

潮土有机质含量低、结构差是限制黄河故道区作物优质高产的主要原因.通过连续施用不同种类及用量有机物料,探究有机物料投入下,黄河故道区土壤有机质的积累特征,为该区土壤快速固碳提供理论依据和参考方案.试验采用随机区组设计,设置7个处理:单施氮磷钾肥作为对照(CK),其他处理在单施氮磷钾肥的基础上增施有机肥6 000 kg/h...     

有机物料施用对旱地红壤作物产量和有机质活性组分的影响

为了探讨不同有机物料施用对作物产量和土壤有机质活性组分的影响,以达到农田增产和土壤培肥的目的,本研究依托2015年在江西省红壤研究所布置的田间施肥试验,设置不施肥(CK)、常量化肥(CF)、减量化肥(RF)、减量化肥配施秸秆(RFR)、减量化肥配施生物黑炭(RFB)、减量化肥配施猪粪(RFP)、减量化肥配施蚓粪(RFV)7种不同施肥处理,研究减量化肥40%条件下配施不同有机物料对作物产量及耕层土壤有机质活性组分的影响。结果表明:在红薯-油菜轮作制度下,减肥配施有机物料处理的作物产量较常量化肥处理都有不同程度的增加,其中RFP、RFV处理油菜籽产量显著高于CF处理(P0.05);减肥配施有机物料处理的土壤微生物生物量有机质(MBOM)、水溶性有机质(DOM)、颗粒性有机质(POM)、易氧化有机质(LOM)含量均高于CF处理,其中油菜季POM含量较红薯季有明显的提升;相关性分析表明,经过两季的施肥处理,SOM和有机质活性组分与作物产量均呈显著正相关关系(P0.05),MBOM、POM、LOM与SOM呈极显著正相关性(P0.01)。可见,不同有机物料替代部分化肥,可以一定程度提高作物产量,更重要的是可以促进土壤有机质活性组分的提高,对于土壤培肥至关重要。     

土壤溶解性有机质分子特征对不同来源有机肥分解的响应

从有机肥料中提取的溶解性有机质（DOM）可为不同的商业有机肥料的潜在应用提供新的见解。选用四种不同来源有机肥（生物质炭肥,WSB;羊粪有机肥,SM;海藻有机肥,SW;虾肽有机肥,SP）与昌化矿区周边土壤为研究材料,进行为期三个月的培养试验,采用多元光谱分析研究土壤DOM分子特征对有机肥分解的响应。与对照组相比,在培养过程中添加四种有机肥均增加土壤DOM的含量,WSB处理增加量最低,SW处理增加最高。激发发射矩阵结合平行因子分析 (EEM-PARAFAC) 表明培养过程中添加WSB提高了土壤DOM中类胡敏酸组分,减少了类富里酸组分;添加SM、SW和SP在0~45 d内降低了土壤DOM中微生物转化的类胡敏酸组分的比例而提高类富里酸组分,在45~90 d内增加难降解的类胡敏酸组分的比例。二维红外相关分析 ( 2D-FTIR-COS) 表明CK和SP处理中土壤DOM的芳香性或羧酸碳优先对分解时间发生响应;而添加WSB、SW和SM处理组中土壤DOM的烯烃或多糖类碳优先对分解时间发生响应;添加WSB和SP处理土壤提取液中也出现了Si-O-Al等土壤纳米矿物类官能团响应信号。碳近边X射线吸收精细结构 (C 1s NEXAFS) 分析结果表明：培养结束后,与未添加有机肥处理相比,WSB处理提高土壤DOM中含氧脂肪族碳组分比例,而减少芳香与酚类碳比例;SW处理主要增加了芳香碳、羰基碳的比例,而减少了脂族碳和氧烷基碳含量;SM、SP处理增加了酚类碳、芳香碳以及脂族碳比例,减少了羧基碳、氧烷基碳和羰基碳比例。本研究结果可增强对不同来源有机肥分解影响土壤DOM分子特征的了解,对于评估土壤中施用商品有机肥料的生态环境效应至关重要。     

容重对不同有机质含量土壤水分入渗特性的影响

通过不同有机质含量的土壤入渗试验,分析有机质含量及容重对土壤水分入渗特性的影响.结果表明:容重对质地相同而有机质含量不同的土壤表现出不同的影响程度,对高有机质含量的土壤影响显著,有机质含量高的土壤在容重递增的过程中,土壤累积入渗量、湿润深度显著下降,稳定入渗率以乘幂形式迅速下降;有机质含量较低的土壤,容重增加对土壤入渗过程影响相对较小,容重增加时,其累积入渗量、入渗率、湿润深度也有不同程度的减小,但其减小的幅度范围较小,稳定入渗率呈平缓线性降低.采用Green-Ampt模型与Philip模型模拟不同容重及有机质含量的土壤饱和导水率结果与实测值吻合较好.     

铜制剂及有机物料对土壤生化性状的影响

通过盆栽试验，研究了美国铜基杀菌剂Kocide2000（KCD）、新型波尔多液营养保护剂（BNPP）、传统波尔多液（BDM）、五水硫酸铜（CS）四种铜制剂及添加3％有机物料后对棕壤生化性质的影响。研究表明：铜制剂对土壤过氧化氢酶活性有刺激作用，而对脲酶、蔗糖酶活性均有显著抑制作用，尤以BDM对土壤酶活性的抑制率最强，高浓度处理下则未能检测出2种酶活性。施用铜制剂还显著影响了土壤的生物学指标，表现为土壤基础呼吸和代谢熵升高，微生物生物量碳降低。相关分析表明土壤的生物学指标和酶活性均与土壤有效铜呈显著性正相关或负相关。此外，铜制剂的施用增加了土壤中有效铜、锌（BDM除外）含量，而有效铁、锰含量降低。4种铜制剂中BDM对土壤生化性质的影响最大，其次是CS，BNPP与KCD对土壤的影响相当。增施有机物料可缓解铜制剂对土壤生物学和酶活性的影响，但能增加土壤有效态重金属的含量。     

有机物料添加对内蒙古河套灌区碱化土壤可溶性有机碳的影响

通过研究不同有机物料添加对内蒙古河套灌区碱化土壤可溶性有机碳含量变化的影响,寻找合理高效的增碳方式,降低碱化土壤有机碳损失。以内蒙古河套灌区轻度、中度盐碱土为对象进行田间试验,设置生物炭（BC）添加、羊粪（GM）添加,对照（CK）3个处理,对比和分析不同有机物料添加后土壤有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）、土壤理化性质的变化。结果表明：（1）与CK相比,轻度碱化土壤BC、GM处理土壤DOC含量分别增加3.28%,20.66%,SOC含量增加5.40%,10.30%,中度碱化土壤BC和GM处理下可溶性碳增加41.32%,74.10%,土壤SOC含量增加60.24%,79.16%;（2）轻度碱化土壤BC和GM处理土壤DOC含量与SOC含量呈负相关,中度碱化土壤BC和GM处理下呈正相关;（3）盐碱土壤SOC、DOC含量主要与土壤pH、电导率的变化有关;BC处理较GM处理相比土壤电导率低约1.93%~29.15%,而GM处理土壤pH、碱化度比BC处理低0.31%~1.53%,7.10%~24.63%。总体来看,有机物料添加后均能使土壤中SOC、DOC含量提高,不同程度地降低土壤碱化程度,且羊粪添加较生物炭略好,因此羊粪添加对河套灌区碱化土壤碳含量的提高比生物炭添加更有效,土壤改良效果更好,土壤理化性质改善更明显。     

福鼎茶园土壤团聚体有机碳分布与分子结构特征

以福建省福鼎市白琳镇(BL)、点头镇(DT)、磻溪镇(PX)、管阳镇(GY)和太姥山镇(TMS)的茶园土壤为研究对象,研究其团聚体组成及稳定性,各粒级团聚体有机碳含量、固碳贡献率及有机碳红外光谱,旨在从团聚体尺度揭示茶园土壤有机碳分布及其分子结构特征。结果表明:(1)不同采样地土壤团聚体组成存在差别,但随土层加深,大团聚体(0.25~2 mm)和微团聚体(0.053~0.25 mm)含量均减少,而粉-黏粒团聚体(＜0.053 mm)含量增大;(2)随土层加深,所有采样地平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)减小,分形维数(D)增大,团聚体结构稳定性降低;(3)各粒级团聚体有机碳含量随土层加深而减小,固碳贡献率主要受团聚体含量的影响,大团聚体固碳贡献率相对更大;(4)各粒级团聚体有机碳均主要来源于多糖碳或脂肪碳,0-15 cm土层土壤粉-黏粒团聚体比大团聚体和微团聚体有机碳更稳定,15-30 cm土层各级团聚体均比0-15 cm土层对应粒级团聚体有机碳更稳定。研究成果可为茶园土壤有机碳的科学管理提供理论参考。     

土壤中可溶性氮和pH对有机肥和化肥的短期响应

通过温室盆栽试验,施用猪粪堆肥(PC)、污泥堆肥(SC)、菜籽饼肥(CM)和无机化肥(IF)后,对土壤pH值和不同形态氮素的短期响应进行研究,探讨土壤可溶性无机氮、有机氮及土壤pH值之间的相互关系。结果表明,CM,PC和IF处理的pH值都呈现先快速下降后缓慢回升的趋势,但PC处理下降幅度较小;而SC处理和不施肥对照(CK)处理的pH值基本不变;不同施肥处理均提高了土壤中氮素水平,3种有机肥中以CM处理最显著地提高了土壤中总可溶性氮(TDN)、NH4+-N、NO3--N和可溶性有机氮(DON)浓度,PC处理的次之,SC处理的最弱,而IF处理与CM处理提高幅度相似。不同施肥处理中土壤可溶性氮表现出不同的短期响应,IF处理和CM处理的TDN分别经过11,13d的稳定期后迅速上升到一个较高的水平,至31d开始下降;PC处理和SC处理未出现突然升高的现象,而是前20d较稳定在一定的范围内波动,之后缓慢下降,总体与对照趋势一致。不同处理土壤中NH4+-N均呈下降趋势;IF处理、CM处理的NO3--N呈增加趋势,PC处理的呈先增加后降低趋势,而SC处理的呈缓慢下降趋势,结果说明不同有机肥在土壤中的转化存在明显的差异。相关性分析显示,CM处理、IF处理的土壤pH值与NH4+-N呈极显著正相关,而与NO3--N呈极显著负相关;除PC处理外,其他处理的DON含量与TDN具有显著正相关性,而PC处理的DON同时与NH4+-N、NO3--N呈显著负相关。     

森林转换对土壤活性有机碳组分的影响

为了研究林型转换对土壤活性有机碳组分的影响,在安徽皖南地区蔡家桥林场选取了马尾松次生林、湿地松人工林以及杉木人工林3种森林类型,分别采集了0—10,10—30,30—50 cm的土壤,测定了土壤有机碳(SOC)、颗粒有机碳(POC)、易氧化有机碳(EOC)、微生物生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)以及土壤理化指标,分析了林型转换后土壤活性有机碳组分变化特征及其与土壤理化因子间的相关关系。结果表明：(1)马尾松次生林转换成湿地松人工林和杉木人工林后主要对0—10 cm土壤活性有机碳组分产生影响,其中土壤SOC,POC,EOC含量均在林型转换后出现下降,DOC含量上升,而MBC在林型转换前后无显著差异。(2)林型转换后各土层POC/SOC均出现下降,DOC和EOC占SOC比例总体呈升高趋势,MBC/SOC则未表现出明显规律。(3)土壤有机碳与活性碳组分以及TN,EC,NH⁺₄-N,NO^-₃-N均呈极显著正相关,各活性碳组分之间也存在极显著正相关关系(p<0.01)。综上,马尾松次生林转换成...     

有机物料输入对关中土碳氮影响的后效作用

土壤有机碳氮是土壤肥力的关键因素,有机物料施用是提高土壤有机碳氮的有效措施。研究和比较了不同有机物料输入对土耕层（0—20 cm）土壤有机碳、全氮、可溶性有碳氮及0—200 cm剖面土壤硝态氮和含水量分布变化的后效作用。结果表明,停止施入有机物料两年后,与对照（CK）相比,秸秆与氮磷肥配施（SNP）和生物炭与氮磷肥配施（BNP）的表层（0—20 cm）土壤有机碳（SOC）分别提高了29.5%和29.8%（p<0.05）;氮磷肥（NP）、有机肥与氮磷肥配施（MNP）、秸秆与氮磷肥配施（SNP）和生物炭与氮磷肥配施（BNP）的表层土壤全氮含量较CK分别提高了22.0%,14.3%,24.2%和26.4%（p<0.05）。BNP处理的土壤可溶性有机碳（DOC）显著高于其他处理（p<0.05）,分别比CK,NP,MNP和SNP提高了23.4%,10.9%,21.3%,20.5%;所有施肥处理的土壤可溶性有机氮（DON）均显著高于CK（p<0.05）,分别提高了39.3%,29.3%,34.5%和52.3%。与CK相比,各施肥处理显著提高了表层土壤硝态氮含量（p<0.05）,增加了0—100 cm土层的硝态氮累积量。与NP处理相比,MNP和SNP显著提高了0—200 cm土层的硝态氮累积量（p<0.05）,而BNP则差异不显著。相比CK,施肥处理（NP,MNP,SNP,BNP）可显著提高0—20 cm土层的含水量,增加0—40 cm土层的储水量,且BNP处理显著高于SNP和MNP。总体而言,生物炭在提高和维持表层土壤肥力以及降低剖面硝态氮淋溶风险等方面的后效作用显著优于秸秆和有机肥,是陕西关中地区旱地土上一种较好的有机物料施用方式。