基于TM遙感影像的瑪多縣草地土壤有機質的時空格局反演

宋立生，趙之重，徐劍波，胡月明

(1.華南農業大學信息學院，廣東 廣州 510642; 2.青海大學農牧學院，青海 西寧 430072)

青海省瑪多縣土地遼闊，水源較充足，牧草品質較好，營養成分高。境內有較大面積的高山草甸和高山草原，是良好的天然牧場。然而，近些年來，由于氣候發生了變化以及過牧等人類活動日益增強，瑪多縣草地出現了不同程度的退化現象[1-2]。當草地退化到一定的閾值之后，植被對土壤的保護傘作用喪失而導致土壤侵蝕，出現土壤退化現象[3]，盡管其滯后于植被退化，卻是比植被退化更嚴重的退化，土壤退化后整個草原生態系統的功能會遺失殆盡，因此土壤退化是草地退化的核心問題[4]。土壤退化將會導致表層土壤有機質流失嚴重[5]，Johan等[6]的研究表明土壤有機質的減少是草地重度退化的重要表現，因此監測區域土壤有機質的時空格局可以為植被恢復和生態環境保護提供一定的科學依據。之前關于土壤有機質的時空格局研究主要是通過野外大量采集土樣進行室內分析，然后利用地統計學和插值來表征土壤有機質的空間分布特征，這種方法工作量大、成本高、實時性差、觀察周期較長[7]。有學者研究發現土壤有機質的高低將會影響到土壤的反射率[8-9]，因而可以利用遙感影像反演表層土壤有機質的含量和時空分布特征[10-11]，同時具有成本低、實時性強等特點。但是以往的研究建立的反演模型存在不一致性且大多是室內研究，很難走出實驗室[9,12]。本研究嘗試利用多光譜TM影像，分析瑪多縣表層土壤有機質含量與TM各波段影像亮度值之間的相關性，并通過回歸分析建立反演模型，進而得到瑪多縣表層土壤有機質的時空分布特征，以期為瑪多縣植被恢復和畜牧業可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

瑪多縣位于青海省南部，其地理坐標為33°50′～35°40′ N,96°55′～99°20′ E。北與海西蒙古族、藏族自治州都蘭縣相接，東與海南藏族自治州興海縣和果洛藏族自治州瑪沁縣相毗鄰，南與果洛藏族自治州達日縣和四川省石渠縣接壤，西靠玉樹藏族自治縣曲麻萊縣，西南與玉樹藏族自治州相連，南北寬207 km，東西長約228 km，全縣總面積25 253 km2，平均海拔在4 200 m以上。瑪多縣屬高原大陸性半濕潤氣候，年均溫-2.1～5.3 ℃，無絕對無霜期，年降水量247.8～484.8 mm。瑪多縣為山地草原，多為草甸植被。植被水平分異和垂直分異相疊加，植被類型隨地勢起伏變化明顯。山坡普遍發育著碎石坡、“石海”、石條帶的石成土壤，主要分布著墊狀點地梅(Androsacetapeta)、墊狀蚤綴(Arenariamusciformis)等植物，與多種風毛菊(Saussureaspp.)呈鑲嵌狀的稀疏植被；丘陵緩坡下部發育著泥流扇的水成土壤，主要是以垂頭菊(Cremanthodiumreniforme)為主的處于演替階段的植物群落。盆地、河谷低洼處永凍土地段，分布著以列氏蒿草(Kobresialehtineni)為代表的沼澤化草甸。而洪積扇和河流階地水成土壤，分布著含蜜花黃芪(Astragalusdensiflorus)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)、早熟禾(Poaannua)、紫花針茅(Stipapurpurea)、披堿草(Elymusdahuricus)、鵝觀草(Roegneriakamoji)和矮嵩草(Kobresiahumilis)的草原草甸。在一些鹽湖周圍的鹽成土壤中，則分布著堿蓬(Suaedaglauca)、海韭菜(Triglochinmaritimum)、剪刀股(Ixerisaponica)等鹽生植物。瑪多縣境內地勢高，氣候干旱寒冷，土壤微生物活動微弱，土壤有機質積累強、分解慢，同時該區域的土壤成熟度差，結構粗糙，土層稀薄，一般為30～50 cm，含礫石較多；加之海拔高，氣候惡劣，環境脆弱，土壤肥力一旦遭到破壞極難恢復。

2 研究方法

2.1野外采樣 野外采樣點主要分布在扎陵湖、鄂陵湖黃河源頭區以及黃河鄉，土壤類型主要有高山草甸草原土、碳酸鹽高山草甸土、高山草甸土、高山草原土等，2009年7月下旬通過手持GPS在瑪多縣境內草地定位沿道路選取30個樣點(圖1)，盡量使樣點均勻分布于瑪多縣境內。土壤取樣深度為0～20 cm，在30 m×30 m內采用五點取樣法得到1個樣本，將樣本帶回實驗室，經過風干、磨細、過篩、混勻、裝瓶后，采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機質含量，同時對5個1 m×1 m樣方內的鮮草進行稱量。

圖1 瑪多縣土壤采樣點分布圖

2.2遙感影像預處理與模型建立 選取的遙感影像為1994年7月24日、2009年7月17日TM影像各一景，且選取的遙感影像上無云影干擾。然后對每一景影像進行幾何校正、輻射定標、大氣校正等預處理，再利用矢量化的瑪多縣行政范圍，裁剪出研究區域的TM影像圖。采用SPSS統計軟件對樣點表層土壤有機質與對應點的多光譜TM影像各波段DN值進行相關分析，得到與其相關性高的TM影像波段，然后利用分析的結果進行回歸分析并建立表層土壤有機質含量的反演模型，利用5個為參與回歸分樣點的表層土壤有機質進行反演精度的檢驗。由于研究區域主要是稀疏草地、裸土和水體，野外調查樣方內的鮮草質量為28.4～128.0 g/m2，平均值為79.4 g/m2。本研究的采樣點都分布在瑪多縣裸土和稀疏草地覆蓋區，植被對土壤有機質反演模型的精度影響很小，可以忽略[13]。

為了檢驗表層土壤有機質反演模型的精度，本研究通過驗證5個未參與回歸的樣點實測土壤有機質與TM影像反演的預測值來評價預測精度，采用平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)進行評價，MAE反映了估計值的實測誤差范圍，能夠定量給出誤差；RMSE反映利用樣點數據的估值和極值效應。其計算公式如下：

通過對瑪多縣的兩期遙感影像進行對比發現，瑪多縣草地植被在1994年已經出現了退化現象，草地退化格局已基本形成，并且草地退化過程一直在持續。為了更好地說明瑪多縣近15年來的土壤有機質含量變化情況，將2009年的土壤有機質含量情況與1994年相比較，并按參考文獻[16]提出的草地退化程度分級標準，以土壤有機質變化的百分數變化劃分為輕微退化(減少0～10%)、中度退化(減少11%～20%)、較大退化(減少21%～40%)、重度退化(減少>40%)、輕微改善(增加0～10%)、中度改善(增加11%～20%)、較大改善(增加21%～40%)、強烈改善(增加>40%)8個等級。15年來，瑪多縣土壤有機質含量已經大范圍增加(圖3)，但在氣候變化較為敏感區域、交通要道沿線以及靠近居民點等人類活動較為頻繁的區域，土壤失去了天然的保護屏障，出現退化現象，甚至有些區域出現了較為嚴重的土壤沙化現象[17]，導致土壤有機質含量降低。瑪多縣總退化面積為158 737.86 hm2，其中重度退化面積為46 357.56 hm2，占總面積的2.79%，較大退化面積為9 035.28 hm2，占總面積的0.54%，中度退化和輕微退化的面積分別是19 869.21和83 475.81 hm2，分別占總面積的1.19%和5.02%(表1)。可以看出，瑪多縣土壤有機質含量變化主要為重度退化和輕微退化。土壤有機質得到改善的面積達1 504 575.45 hm2，占總面積的比重為90.46%。同時土壤有機質含量得到改善的速度也大于退化的速度。這主要歸功于“退牧還草”工程和“三江源生態保護”工程的進一步實施，牲畜頭數持續下降，減少了對草地和土壤的壓力，草地載畜量逐步達到合理水平，瑪多縣草地生態系統得到了初步恢復。

3 結果與分析

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3.3瑪多縣表層土壤有機質的時空格局 土壤樣品的測定結果表明，土壤有機質最高的是沼澤土，其次是高山灌叢草甸土和高山草甸土，再次為高山草原土，含量最低的是風沙土。從2009年遙感影像反演的結果來看，全縣土壤有機質含量分布不均勻，平均含量為37.12 g/kg，最低值為8.71 g/kg，最高值只有65.87 g/kg。瑪多縣北部土壤有機質含量明顯低于南部(圖2)，特別是扎陵湖和鄂陵湖的北部土壤有機質含量處于較低水平。其原因可能有以下幾點：首先，扎陵湖和鄂陵湖地區位于瑪多縣北部，海拔普遍較高，氣候干旱寒冷，土壤微生物活動微弱，導致土壤表層有機質含量低于其他地區。其次，該地區草地覆蓋度較低，地勢開闊，失去依山的屏障作用，土壤本身水、肥、氣、熱不協調，并且經常受到大風、洪水等自然災害的侵蝕，加速了土壤表土粘粒的沖刷流失，使得該地區土地表層礫石遍布或者就地起沙。最后，該地區土壤質地輕，土壤的蓄水保肥能力較差，牲畜啃食或過牧踐踏后非常容易引起草地退化，隨之出現一定程度的土壤退化，使得土壤有機質含量降低。

3.2反演模型精度檢驗 通過比較5個樣點實測表層土壤有機質與反演模型預測值來評價反演精度，本研究中反演模型的平均絕對誤差為5.342，均方根誤差為5.703，兩者的數值均較小，說明反演模型的精度較高，預測結果能夠較好地體現瑪多縣表層土壤有機質的空間分布格局。

然后瘦男人講了事情經過：他在跟“田科”手下的新辦事員接觸時，引起了那人的警覺。“田科”手下的新辦事員是個年輕女人，長得不漂亮但身材卻好，他就以處朋友為名跟她接近。接觸上之后再拿女人出的錢頻頻地請那個女辦事員吃飯和買禮物。這些舉動那個女辦事員都來而不拒，因為那女辦事員是個二婚材料，也正滿世界的踅摸男人呢。可沒想到那個“田科”竟是她舅舅，后來去酒店喝酒時女人便帶“田科”去了，可能是想讓舅舅為她把把關，相看一下她新結識的男朋友。

3.1表層土壤有機質遙感反演模型 分析發現，樣點表層土壤有機質含量與對應點TM3、TM5波段DN值呈顯著負相關，這與張法升等[11]和Chen等[14]的研究結果相似，相關系數為-0.670和-0.675，并對樣點實測表層土壤有機質含量與對應TM3、TM5波段DN值進行二元回歸分析，建立表層土壤有機質的遙感反演模型為：土壤有機質含量=19.359×(TM3)3-0.731×(TM5)3-84.268 (R2=0.815,P<0.001)。并利用該模型對瑪多縣表層土壤有機質進行反演，同時利用[(TM1-TM7)/(TM1+TM7)]>K的方法[15]提取瑪多縣的水體信息，再利用ENVI掩膜功能對水體和非水體區域進行二值化，得到的圖像再與之前反演的影像進行Boud運算，獲得瑪多縣表層土壤有機質空間分布格局，最后利用ArcGIS對1994年和2009年的土壤有機質分布圖進行圖層運算得到瑪多縣表層土壤有機質的時間格局。

From the anisotropy coefficient of circular device γc =x1c/x2c and the oxidation depth of diamond device xd = (x1c +x2c)/2, we got:

4 討論與結論

本研究通過TM影像和土壤樣品實測數據相結合，對瑪多縣樣點表層土壤有機質含量與相應TM各波段影像亮度值進行相關性分析，發現樣點表層土壤有機質含量與對應點TM3、TM5波段DN值呈顯著負相關，相關系數為-0.670和-0.675，并對樣點實測表層土壤有機質含量與對應TM3、TM5波段DN值進行二元回歸分析，建立表層土壤有機質的遙感反演模型，最后得到瑪多縣表層土壤有機質含量的時空分布特征。與地統計學方法相比，基于遙感結合地面取樣分析表層土壤有機質含量的時空格局具有一定的優勢，該方法節省時間、節約成本，實時、準確地預測表層土壤有機質含量，可以為區域植被恢復和畜牧業可持續發展提供科學依據。本研究的結果雖然和前人的研究結果相同，但是具體的反演模型有一定的差異，其原因可能與研究區域土壤狀況的差異和研究的尺度不同有關。伴隨著遙感技術的發展，從高分辨率、高光譜遙感影像上會獲取更多的土壤光譜特征，因此利用遙感反演土壤有機質含量具有廣闊的前景。

表1 1994-2009年瑪多縣土壤有機質變化

圖2 2009年瑪多縣土壤有機質含量分布遙感反演圖

圖3 1994-2009年瑪多縣土壤有機質變化分布圖

研究區表層土壤有機質含量普遍較低，其主要原因是境內地勢高，土壤發育較差、質地偏少，同時該地區氣候干旱寒冷，土壤水含量較低，植被生產力也很低，土壤微生物活動微弱，土壤動植物殘體歸還給土壤較少，使得有機質在土壤中的積累緩慢，土壤有機質含量偏低。另外由于質地輕，土壤的蓄水保肥能力差，牧草覆蓋度非常低，牲畜啃食和過牧踐踏之后非常容易引起草地退化，土壤失去了天然的保護屏障，出現退化，導致土壤有機質含量降低。針對瑪多縣土壤資源的狀況和氣候特征，在今后發展畜牧業當中應當合理利用土壤、草地資源，同時對黃河沿岸的風沙土應進一步加強保護，防止草地繼續退化，提高草原生產力，保持畜牧業的可持續發展。

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