黑土区耕地土壤抗蚀性的“星-地”多源高光谱协同反演研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:CHJ2000
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东北黑土区耕地资源的合理利用与保护是关乎国家粮食和生态安全的重大课题。随着高强度人类活动对黑土资源的压力不断增大,以土壤侵蚀、贫瘠化为核心的黑土退化问题日渐凸显。黑土区大规模、高强度的土地开发利用以及开垦过程中水土保持措施的缺失导致该地区成为新世纪以来土壤侵蚀速率增长最快的地区。有关黑土区土壤侵蚀过程的研究通常借助土壤侵蚀模型展开,但现有模型对土壤抗蚀性这一关键参数的空间动态性与时间动态性的研究还不够深入,缺乏快速、经济、准确量化土壤抗蚀性指标的方法体系。针对当前东北黑土区土壤侵蚀的严重性以及高分辨率土壤抗蚀性数据缺乏的问题,本论文旨在建立基于“星~地”多源高光谱反演的土壤团聚体稳定性指标高分辨率空间表征方法,并以此作为土壤抗蚀性评价指标,实现研究区土壤抗蚀性空间分异特征的分析。本文选取吉林省中部农安、德惠、九台3个县(区)级行政单元为研究区,首先通过野外实地土壤样本采集、实验室土壤基础理化属性测定、土壤团聚体稳定性测定等手段,运用Pearson相关分析验证前人广泛报道的土壤有机碳与土壤团聚体稳定性之间的极显著正相关关系是否在黑土区同样存在,并建立以土壤有机碳为自变量的土壤团聚体稳定性线性预测模型;其次,建立基于“星-地”多源高光谱数据的土壤有机碳反演方法,并利用线性回归方程,生成区域尺度、高分辨率的土壤团聚体稳定性指标空间分布图,以指征土壤抗蚀性的空间格局;最后,开展区域和田块尺度土壤抗蚀性空间分布特征分析,采用空间地统计分析法中的半方差分析法,比较不同尺度下土壤抗蚀性空间分布规律的差异及潜在的控制机制。主要得到以下结论:(1)研究区土壤有机碳含量的分布范围主要介于1~2%之间,平均土壤有机碳含量为1.51%;采用Le Bissonnais提出的土壤团聚体稳定性测定方法(LB法),发现团聚体稳定性(以平均重量直径MWD表示)程度总体较低,主要介于0.2至0.4 mm之间。通过线性回归分析,发现土壤有机碳与土壤团聚体稳定性两个指标间存在显著的正相关关系(Pearson相关系数:0.88)。在此基础上,建立以土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)为自变量的土壤团聚体稳定性线性预测模型(MWD=-0.315+0.396×SOC),用于面向土壤有机碳高光谱反演的土壤团聚体稳定性快速预测及制图。(2)利用实验室可见-近红外(Vis-NIR)高光谱数据建立基于偏最小二乘法的SOC预测模型,结果显示预测模型精度良好(R2=0.74,RMSE=0.22%)。以此为基础,利用哨兵二卫星影像实现SOC“由点到面”的预测与制图,通过单时相裸土像元提取、多时相合成、SOC模型构建、预测值不确定性分析等核心手段,实现了基于多时相哨兵二裸土图谱特征的SOC含量预测,生成了研究区耕地表土10 m分辨率的SOC分布图。与采用单时相哨兵二影像进行SOC含量反演相比,本文所建立的多时相裸土像元光谱数据集可以提供鲁棒性更强、耕地覆盖范围更大、精度更高的SOC预测模型;与前人利用哨兵二遥感手段进行SOC含量预测相比,本文所建立的SOC预测模型达到了相似或更高的预测精度,证明了基于哨兵二卫星影像的土壤属性空间表征在黑土区的广阔应用前景。(3)以像元级SOC分布数据为基础,辅以土壤团聚体稳定性线性预测方程,建立了土壤抗蚀性指标测算和高分辨率空间表征方法,生成了研究区土壤抗蚀性的空间分布图。利用半方差分析法进行土壤抗蚀性指标的空间结构分析,结果显示:在区域尺度,通过指数拟合模型得出的变程为372 5m,土壤抗蚀性较高的区域主要集中在德惠市黑土和黑钙土分布较为集中的地势平坦区,而土壤抗蚀性较低的区域则集中在农安县西北部和九台区坡耕地集中分布区;在田块尺度,3个典型区的变程各异,地形-水文微环境多变区的变程较小(596~744 m),而环境因子梯度变化较小区的变程则升高为1 234 m,但田块尺度的变程均小于区域尺度。这说明不同尺度下土壤抗蚀性空间异质性的主要控制因素不同,且在田块尺度,不同的地形条件也会导致土壤抗蚀性主控因素的差异。本文利用哨兵二卫星遥感反演土壤属性的最新研究进展,建立了基于实验室和卫星平台高光谱数据的土壤抗蚀性快速预测的方法,为该指标的多尺度、高分辨率空间表征提供了数据基础。研究结果可为东北黑土区土壤侵蚀状况的评价与监测提供新思路,为国家黑土地保护政策的制定和区域水土保持措施的精准落位提供理论和数据基础。
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