不同鹽結(jié)皮光譜特征及其鹽漬化信息預(yù)測(cè)研究

張俊華 孫 媛 賈科利 高曦文 張學(xué)藝

(1.寧夏大學(xué)環(huán)境工程研究院， 銀川 750021； 2.寧夏旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 銀川 750021； 4.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 銀川 750002)

0 引言

鹽結(jié)皮(又稱鹽殼)是指在氣候干旱、地勢(shì)低洼、地下水位較高的區(qū)域，水分強(qiáng)烈蒸發(fā)后，鹽分在地表聚集而形成的一個(gè)特殊層次[1]。鹽結(jié)皮硬度大、抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)，對(duì)降低土壤風(fēng)蝕具有重要作用[2-3]。如何快速、準(zhǔn)確地獲取大面積鹽結(jié)皮及鹽漬化信息，并由此制定鹽漬化土壤治理、改良等方面的決策，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。遙感技術(shù)具有快速、實(shí)時(shí)、覆蓋廣等特點(diǎn)，為獲取大面積鹽漬化信息提供了手段。近地面高光譜遙感更是進(jìn)行鹽結(jié)皮及土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)的一種較佳手段，利用高光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)鹽結(jié)皮，對(duì)鹽漬化土壤的分布、分類和鹽漬化程度進(jìn)行預(yù)測(cè)具有重要意義[4]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處寧夏回族自治區(qū)銀北地區(qū)(106°24′～106°69′E，38°50′～39°04′N)，位于寧夏賀蘭山東麓洪積扇和平原之間，年降水量為150～203 mm，年蒸發(fā)量1 755.1 mm以上，地形低洼，排水條件很差，是一個(gè)水分與鹽分匯集的地區(qū)，形成了大面積鹽漬化土壤。

1.2 光譜數(shù)據(jù)及指標(biāo)測(cè)定

表1 不同鹽結(jié)皮土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分狀況Tab.1 Soil organic matter and nutrients of different soil salt crusts

表2 不同鹽結(jié)皮層pH值及ECTab.2 Soil pH value and EC of different soil salt crusts

表3 不同鹽結(jié)皮土壤鹽分指標(biāo)Tab.3 Soil salinity parameters of different soil salt crusts mg/kg

1.3 土壤鹽結(jié)皮敏感波段及鹽分指數(shù)的計(jì)算

對(duì)去噪后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行Savitzky-Golay平滑(T1)、平滑后一階微分(T2)、平滑后倒數(shù)對(duì)數(shù)一階微分(T3)、平滑后連續(xù)統(tǒng)去除(T4)、平滑后連續(xù)統(tǒng)去除一階微分(T5)5種轉(zhuǎn)換方式[8,11-12]，轉(zhuǎn)換后與土壤鹽分指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，確定最佳反射率轉(zhuǎn)換方式，然后用該方式轉(zhuǎn)換后的反射率來計(jì)算光譜鹽分指數(shù)，計(jì)算方法[13-17]如表4所示。

表中G、R、B和NIR分別指綠光(492～577 nm)、紅光(622～770 nm)、藍(lán)光(455～492 nm)和近紅外波段(770～1 050 nm)反射率經(jīng)最佳方式轉(zhuǎn)換后的值。L是增強(qiáng)R和G之間差異的校正系數(shù)，在分子為負(fù)值時(shí)L取值2～4，本文中L取值為2[17]。GRNIR為紅光、綠光和近紅外波段的平均值。

表4 鹽分指數(shù)計(jì)算公式Tab.4 Soil salinity indexes for soil salinity assessments

1.4 鹽分預(yù)測(cè)模型建立

60個(gè)樣本分兩部分，隨機(jī)取40個(gè)樣本用于建模，20個(gè)樣本用于驗(yàn)證模型檢驗(yàn)。將9個(gè)光譜指數(shù)與不同鹽分指數(shù)做相關(guān)性分析，篩選出相關(guān)性最強(qiáng)的指數(shù)來建立各鹽分指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型。利用敏感光譜指數(shù)，采用多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)等方法建模預(yù)測(cè)土壤pH值、EC和鹽分離子含量，選擇決定系數(shù)最大的方程為預(yù)測(cè)模型。模型的預(yù)測(cè)能力用驗(yàn)證樣本的決定系數(shù)R2來檢驗(yàn)，決定系數(shù)越大，模型預(yù)測(cè)能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型鹽結(jié)皮土壤光譜特征

不同類型鹽結(jié)皮土壤光譜特征基本相似(圖1)，450～600 nm反射率逐漸增大，在600 nm附近有明顯的反射峰，而后反射率緩慢降低，但降幅不大。從不同類型鹽結(jié)皮光譜曲線看，各類型鹽結(jié)皮光譜反射率差異明顯，其中白堿結(jié)皮光譜反射率最高，在600 nm附近反射率接近1；馬尿堿結(jié)皮次之。黑油堿結(jié)皮光譜反射率最低，從可見光到近紅外波段反射率變化不大，在450～1 050 nm反射率較白堿結(jié)皮、馬尿堿結(jié)皮、瓦堿表皮、光板地和無結(jié)皮土壤分別低509.62%～747.18%、240.63%～575.86%、71.46%～138.24%、107.74%～294.19%和11.08%～36.95%(平均分別低604.77%、393.88%、92.21%、182.91%和16.72%)。整體來看，不同結(jié)皮層在藍(lán)光波段和近紅外波段反射率差異更顯著。

圖1 不同鹽結(jié)皮土壤光譜特征曲線Fig.1 Characteristic curves of spectral of different soil salt crusts

2.2 光譜反射率與土壤結(jié)皮鹽分指標(biāo)相關(guān)性分析

圖2 不同鹽結(jié)皮單波段反射率與土壤鹽分指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)變化Fig.2 Changes of correlation coefficients of single wavelengths reflectance to soil salinity parameters at different soil salt crusts

指標(biāo)轉(zhuǎn)換方式pH值ECCO2-3含量HCO-3含量Cl-含量SO2-4含量Ca2+含量Mg2+含量K+含量Na+含量T10.5637**0.8013**0.23630.1781-0.6144**0.2785-0.204-0.4213-0.35880.8566**T20.7503**-0.8905**0.5674**0.8362**0.8189**0.8599**-0.7839**0.7733**0.7478**0.8956**相關(guān)系數(shù)T30.7821**-0.867**0.7168**-0.809**-0.7657**-0.8684**0.8150**0.7938**-0.7870**0.8932**T40.7035**0.6934**0.7449**-0.6157**-0.7779**0.8242**0.6439**-0.7393**-0.6408**-0.7862**T50.8627**0.8933**0.8350**0.7727**0.7779**0.8469**0.7922**-0.8257**-0.7856**0.8933**T11039103345010471050104810371039450536T29089951044877898908967104210151047敏感波段/nmT39389149938261050796499593914635T458910331030451104810134615915851026T56509136805841050507935701636913

注：** 表示在1%水平上顯著，下同。

確定與不同鹽分指標(biāo)相關(guān)性最強(qiáng)的反射率最佳轉(zhuǎn)換方式后，分別在綠光(492～577 nm)、紅光(622～770 nm)、藍(lán)光(455～492 nm)和近紅外波段(770～1 050 nm)4個(gè)波段內(nèi)選取該轉(zhuǎn)換方式下相關(guān)性最強(qiáng)的波段(表6)。不同鹽分指標(biāo)在各波段范圍內(nèi)敏感波段不盡相同。從10個(gè)鹽分指標(biāo)整體來看，藍(lán)光波段450、470、485 nm附近，綠光波段501、530、575 nm附近，紅光波段680 nm附近是鹽分的敏感區(qū)域，近紅外波段范圍較廣，各鹽分指標(biāo)敏感波段較多，但無明顯集中區(qū)域。從這些波段就可以準(zhǔn)確診斷出不同類型鹽結(jié)皮土壤。

表6 不同鹽分指標(biāo)各區(qū)間敏感波段與最佳轉(zhuǎn)換方式Tab.6 Sensitive wavelengths and the best transformed method of different salinity parameters

2.3 鹽分指數(shù)與土壤結(jié)皮鹽分指標(biāo)相關(guān)性分析

表7 不同鹽分指數(shù)與各鹽分指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab.7 Correlation coefficients between salinity indexes and salinity parameters

注： *表示在5%水平上顯著，下同。

2.4 鹽分指數(shù)對(duì)土壤鹽分指標(biāo)的預(yù)測(cè)

表8 敏感鹽分指數(shù)對(duì)鹽漬化土壤鹽分指標(biāo)的預(yù)測(cè)方程Tab.8 Predicted equations of salinity index to salinity parameters of soil crust

3 討論

圖3 鹽結(jié)皮鹽分指標(biāo)擬合模型的驗(yàn)證Fig.3 Model checking of soil salinity parameters of soil crusts

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)不同鹽結(jié)皮土壤光譜反射率差異較大，其中白堿結(jié)皮光譜反射率在研究波段最高，馬尿堿結(jié)皮次之，瓦堿結(jié)皮居中，黑油堿結(jié)皮最低。通過野外光譜反射率可以將研究區(qū)主要鹽結(jié)皮類型進(jìn)行分類。