专题一：土壤有机质含量高光谱预测模型及其差异性研究

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，一些定 量研究的实用及推广价值也相当有限。
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
土壤有机质含量高光谱预测模型及其差异性研究
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。
数据处理 光谱微分 方差分析 多元线性回归分析
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3、研究结果及分析
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3.1 室内高光谱数据的不确定性及其影响因素分析
室内几何测试条件对土壤高光谱质量的影响
光源为50W的卤素灯、探头视场角为8°的条件下，以光源入 射角度15°、光源距离30 cm、探头距离15 cm作为室内几何测试 条件较为理想。
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
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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；Krishnan P.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 )；
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0.6
1 2
富里酸 胡敏酸
Humic acid Fulvic acid
反射系数 Reflectance
0.4
0.2
0.0 400
600
800
1000
波长 Wavelength(nm)
图4 胡敏酸和富里酸反射光谱曲线（徐彬彬等，1991）
图6
技术路线图 湖南农业大学资源环境
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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
表1 试验Leabharlann 素与水平设置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
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2、技术路线及试验设计
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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）。
土壤有机质含量高光谱预测模型 及其差异性研究
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土壤有机质含量高光谱预测模型及其差异性研究
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
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1、研究背景、目的和意义
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室内土壤高光谱测试 采用 ASD公司生产的ASDFieldSpec-FRTM型光谱仪测试， 该光谱仪光谱范围350~2500 nm，其中350~1000 nm 范围内光谱 采样间隔（波段宽）为1.4 nm，光谱分辨率为3 nm，在 1000~2500 nm范围内光谱采样间隔（波段宽）2.0 nm，光谱分辨 率为10 nm。测试具体操按研究中提出的规范进行。光谱反射系 数经专用平面白板标准化。
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 量的过氧化氢用加热法排除(中国科学院南京土壤研究所, 1978)。 制备SOM梯度样品 用未弃SOM的样品和氧化后的样品按比例混合， 可按需要获取SOM含量范围在氧化后样品SOM含量和原土壤样品SOM含量 之间的任一SOM梯度样品。 SOM含量高于原土壤SOM含量的梯度样品， 用在原土壤样品中加入腐殖酸的方法获得。
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有机质含量=
d log(1 / r0.6 2 3 6) / d0.6 2 3 6 K d log(1 / r0.5 6 4 4) / d 0.5644
式中，K为回归常数，r 为反射值，λ 为波长 （ Krishnan 等，1980） 。
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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）。
反射系数 Reflectance（%）
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（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）
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表2 被试土壤名称及相应发育母质
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室内土壤高光谱数据采集规范
田间土壤样品采集 保证田间土壤样品采集时的剖面位置一致， 建议表层土样都采集0~15 cm深度范围内的土壤，且所采集的 样品应能尽量具备研究对象的代表性。 土壤样品制备 在土壤样品制备过程中，样品前处理条件（主 要包括土样粒径尺度、土样水分控制、土样表面处理等）应 一致，建议以1 mm作为土壤光谱测试样品的粒径尺度，风干 土壤样品测试前在40℃恒温条件下烘24小时，然后密闭冷却 24小时，测试时土壤表面进行稍稍压平处理。 测试条件的控制 测试时除遵循光谱测试指南的要求外，还 必须保证测试光照条件的一致性，建议在50W卤素灯、8°探 头角条件下，采用15°的光源照角度、30 cm的光源距离和15 cm探头距离作为室内土壤高光谱测试几何条件，同时还须保 证参考板表面与测试土壤样品的表面在同一平面上。
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土壤有机质含量高光谱预测模型研究
土壤样品的采集、风干与制备
室内光谱测试过程的不确定性研究
SOM 含量高光谱预测模型研究
不同几何条件测试 条件对土壤光谱质 量的影响
样品不同表面 处理过程的光 谱差异性
不同粒径土样 品重复测试
利用较佳粒径样品 制作各个土类（或 土属）SOM 梯度
土壤编号 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 土 种（相当于系统分类中的土系或所属类别） 麻沙泥（铁渗水耕人为土） 麻沙菜园土（肥熟旱耕人为土） 花岗岩红壤（富铝湿润富铁土） 黄泥田（铁聚水耕人为土） 板岩红壤（粘化湿润富铁土） 黄菜园土（土垫旱耕人为土） 红黄泥（铁聚水耕人为土） 红菜园土（土垫旱耕人为土） 河潮泥（简育水耕人为土） 潮菜园土（肥熟旱耕人为土） 青紫泥（吴山系） 紫泥田（简育水耕人为土） 母质名称 花岗岩风化物 花岗岩风化物 花岗岩风化物 板岩风化物 板岩风化物 板岩风化物 第四纪红色粘土 第四纪红色粘土 河流冲积物 河流冲积物 海湖沉积物 紫色砂页岩风化物 采样地点 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 湖南长沙 浙江湖洲 湖南长沙
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（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0~15 cm。 土壤样品理化性质的测定 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
野外实地土样
方差分析
光谱数据质量及可重复性分析
土样室内 光谱测试
土壤属 性测试
较佳的几何测 试条件
统一的表面处理 方法
较佳的土壤 样品粒径
多 元 统 计 分 析 方 法
统一室内土壤光谱测试方法及流程
基于人工 SOM 梯 度的 SOM 含量高 光谱参数模型
基于野外实地土样 的 SOM 含量高光 谱参数模型
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。