专题一：土壤有机质含量高光谱预测模型及其差异性研究(I)

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1、土壤有机质含量高光谱预测模型及其差异性研究湖南农业大学资源环境学院主要内容1、研究背景、目的和意义2、技术路线及试验设计3、研究结果及分析4、结论湖南农业大学资源环境1、研究背景、目的和意义湖南农业大学资源环境1.1研究背景土壤在发育过程中，因为母质、气候、地形、生物等成土环境不同和成土时间长短的差异，再加上人类活动的影响，其理化特性，如机械组成、有机质含量、粘土矿物类型等有明显差别，光谱特性也因此各有特点（如图1、图2）。图1不同类型土壤反射光谱曲线（Stoner&Beumgardner,1981）图24种土壤的室内反射光谱曲线（徐彬

2、彬，1987）湖南农业大学资源环境国内外已有的研究表明，土壤理化性质中，土壤水分、土壤有机质含量、铁的氧化物（矿物组份）、土壤质地等诸多因素对土壤光谱特性有明显影响。土壤中一些理化特性只有在高光谱下才能得到反映图3、光谱分辨率对水铝石光谱的影响（Cloutis,1996)湖南农业大学资源环境由于土壤是一个由多种物质组成的复杂综合体，而土壤光谱又是各种组份的综合表现，所以要准确定量描述土壤中某种物质与光谱反射系数的关系有很大的难度，因此目前虽然光谱在植被等方面的应用研究取得诸多重要进展，但光谱在土壤方面的研究仍然停留在宏观及区域性研究的水平

3、，一些定量研究的实用及推广价值也相当有限。由于受诸多因素的影响，土壤光谱研究具有风险大、难度高的特点，为此，研究选择土壤众多理化特性中对土壤光谱反射影响较大，同时又是肥力重要指标之一的土壤有机质（SOM）作为研究对象，应用高光谱数据获取手段，对以土种为单元的SOM含量高光谱预测模型作探索性的研究。湖南农业大学资源环境已有的土壤有机质光谱研究土壤反射光谱与土壤有机质含量呈显著负相关（Al-Abbas,A.H.,1972；KrishnanP.等,1980）；有机质中不同的成份光谱特性不一样（徐彬彬，1991；Demattê等，1999；李震宇

4、等,1999;牛灵安等,2001)；有机质含量可以从土壤反射光谱中得到一定程度上的反应(Krishnan等,1980；徐彬彬，戴昌达，1980；Henderson等,1992；Sudduth等,1993；Bon-Dor等，1995；Chang,C.W.等，2002；McCarty等，2002)；湖南农业大学资源环境图4胡敏酸和富里酸反射光谱曲线（徐彬彬等，1991）湖南农业大学资源环境有机质含量=式中，K为回归常数，r为反射值，λ为波长（Krishnan等，1980）。湖南农业大学资源环境徐彬彬、戴昌达（1980）通过对南疆土壤研究发现，

5、土壤有机质与土壤光谱在600nm波段处的弓曲差（即土壤光谱反射系数曲线在550nm和650nm两个波段的光谱反射系数的平均值与600nm波段处的光谱反射系数的差值）极显著负相关logY=0.1271-1.0830loghR=-0.81**式中，Y为有机质含量（%），h为弓曲差。弓曲差图5样品的散点图及回归曲线（徐彬彬，1980）湖南农业大学资源环境1.2研究目的和意义基于土壤高光谱变化规律，建立各类试验土壤相应SOM含量高光谱预测模型，并探求所建模型之间的差异性。人工模拟SOM梯度试验探索在较为严格地控制土壤其他理化特性不变的条件，不同土

6、种SOM含量与土壤光谱特性之间的关系。野外实地土壤样品SOM数据研究建立自然条件下以土种为建模单元的SOM含量高光谱预测模型。湖南农业大学资源环境2、技术路线及试验设计湖南农业大学资源环境2.1技术路线应用研究得到的室内土壤高光谱数据获取的统一方法，结合传统土壤理化特性分析技术，研究基于土种的SOM含量高光谱预测模型及其差异性（技术路线如图6所示）。湖南农业大学资源环境图6技术路线图湖南农业大学资源环境2.3试验设计（1）室内光谱测试过程的不确定性研究室内几何测试条件对高光谱质量的影响土壤表面处理及粒径对室内土壤高光谱数据的可重复性影响表

7、面处理：表面刮平处理，表面稍压平处理粒径：5mm，2mm，1mm，0.5mm，0.28mm，0.145mm表1试验因素与水平设置湖南农业大学资源环境（2）基于土种的SOM含量高光谱预测模型及其差异性研究人工模拟SOM梯度：12种土壤（表3）野外土样：两种土壤（青紫泥和红黄泥）湖南农业大学资源环境表2被试土壤名称及相应发育母质湖南农业大学资源环境（3）研究方法土样的采集和制备人工模拟SOM梯度土壤原始样品按常规方法采集(鲁如坤，2000)，野外实地SOM梯度土壤样品采样范围在所选采样点的1m×1m面积内，采样深度0~15cm。土壤样品理化性

8、质的测定对所有土样的机械组成、SOM含量及速效N、P、K等理化性质采用常规方法进行测试(鲁如坤，2000)。SOM梯度样品的制备用过量双氧水氧化法弃除样品中的SOM，有机质被完全氧化后，过量的