楊榮榮，曹廣超，曹生奎，吳成永，袁杰，張卓，蘭垚，刁二龍，陳治榮，陳真

1. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，西寧 810008

2. 青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810008

3. 青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810008

0 前言

土壤在大氣圈與生物圈之間起著承上啟下的作用，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的一份子，在能量傳遞和物質(zhì)循環(huán)過程中扮演著重要的角色[1]。土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量通常被用來判斷土壤侵蝕、退化的程度。因此，估算土壤有機(jī)質(zhì)含量可以作為了解土壤營養(yǎng)物質(zhì)的主要方法[2-3]，從而更好地為農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展提供準(zhǔn)確的依據(jù)[4-5]。

遙感技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)物，其具有綜合性、實(shí)時(shí)性、便捷性等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大區(qū)域尺度的監(jiān)測并獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)一步反映土壤的物理特性，為土壤肥力的評(píng)價(jià)給予了新的平臺(tái)[6-7]。遙感技術(shù)在土壤有機(jī)質(zhì)含量反演中的應(yīng)用，是當(dāng)前土壤學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)[8]。近年來，眾多國內(nèi)外學(xué)者以遙感為技術(shù)手段，對(duì)各種類型的土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行了估測，為更大空間尺度上估算土壤有機(jī)質(zhì)含量提供了科學(xué)依據(jù)。

國外學(xué)者Huang等[9]利用DUALEM-21數(shù)據(jù)的準(zhǔn)2d和準(zhǔn)3d反演技術(shù)，研究了安達(dá)盧西亞橄欖樹林中特定深度土壤有機(jī)質(zhì)含量的潛力，從而預(yù)測不同土壤深度的有機(jī)質(zhì)含量。Valboa等[10]研究不同耕作強(qiáng)度下土壤有機(jī)質(zhì)的長期變化，旨在評(píng)估不同耕作處理對(duì)意大利中部連續(xù)種植玉米的壤土質(zhì)地土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)數(shù)量和質(zhì)量的長期影響及其隨時(shí)間的演化。Seddaiu等[11]研究了半干旱地中海農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤管理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量和組成的影響，結(jié)果表明，在地中海半干旱條件下，傳統(tǒng)的農(nóng)牧交錯(cuò)管理措施對(duì)保持較好的土壤品質(zhì)性狀是有效的。Bartseva等[12]利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程描述了土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的多階段過程，建立了土壤有機(jī)質(zhì)形成與分解的基本數(shù)學(xué)模型。

國內(nèi)學(xué)者彭杰[13]、王瓊[14]等學(xué)者利用光譜儀獲取土壤光譜，研究了多光譜數(shù)據(jù)不同波段的光譜反射率與實(shí)測土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性，探尋適合的敏感波段及參數(shù)，并建立多種回歸模型，選擇最佳反演模型，從而實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的遙感反演；劉煥軍[15]、曾志遠(yuǎn)[16]等學(xué)者利用遙感技術(shù)手段，運(yùn)用多元回歸分析方法，對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行研究，并改進(jìn)提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量估算模型的精度；沙晉明[17]、張法升[18]、曾遠(yuǎn)文[19]等學(xué)者借助多光譜Land Sat遙感影像，通過對(duì)光譜反射率曲線進(jìn)行重采樣，得出土壤有機(jī)質(zhì)含量和可見光近紅外波段有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，分析并確定有機(jī)質(zhì)含量與波段反照率的相關(guān)系數(shù)，最終構(gòu)建出土壤有機(jī)質(zhì)含量的估算模型。曹璐璐[20]等借助ASD便攜式物鏡對(duì)山東半島土壤樣品進(jìn)行漫反射光譜測定，采用敏感波長支持向量機(jī)回歸(SVM)建立評(píng)價(jià)模型，結(jié)果表明，高光譜遙感能夠快速、準(zhǔn)確地預(yù)測山東半島森林土壤中SOM的含量。

現(xiàn)階段對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的研究，主要集中在模型的構(gòu)建與反射波譜特征的分析等方面。研究表明，構(gòu)建反演模型的方法與傳統(tǒng)的方法相比，能夠節(jié)省大量的勞動(dòng)力與成本，但在祁連山區(qū)域目前尚未有學(xué)者采用遙感反演的方式對(duì)土壤理化性質(zhì)進(jìn)行反演。因此，本文以祁連山南坡為研究區(qū)域，基于土壤有機(jī)質(zhì)的實(shí)測數(shù)據(jù)，探尋研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)的敏感波段，進(jìn)而構(gòu)建了有機(jī)質(zhì)含量的估算模型，以期為今后的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步為祁連山南坡草地資源評(píng)價(jià)、土壤肥力監(jiān)測以及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)，同時(shí)為祁連山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測做出貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

祁連山南坡位于青藏高原東北邊緣，集青藏高原和黃土高原的特征于一體[21]。研究區(qū)地理位置為東經(jīng) 98°08′13′′—102°38′16′′，北緯 37°03′ 17′′—39°05′56′′，總面積約為 2.4×104km2，海拔范圍在2257—5235 m。由于受到地形地貌的影響，研究區(qū)內(nèi)土壤類型分布廣泛，主要有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土等土壤類型[22]。研究區(qū)域冬季漫長且寒冷，夏季短暫而溫涼，年均降水量在400 mm左右，年均氣溫為-5.9 ℃[23]。由于該區(qū)域位于青藏高原向黃土高原的過渡地帶，植被自西向東主要分布有草原草甸、灌木林地、林地等。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量實(shí)測數(shù)據(jù)

研究組于2017年7月，在野外通過土鉆法對(duì)研究區(qū)的土壤(0—20 cm)進(jìn)行樣品的采集。將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后，去除雜物和礫石進(jìn)行研磨，過100目篩子，在每個(gè)采樣點(diǎn)的表層土壤(0—20 cm)中取少量的土樣搖勻，最終用重鉻酸鉀氧化—油浴加熱法測定表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量。

圖1 研究區(qū)位置Figure 1 The location of the research area

2.2 遙感數(shù)據(jù)

利用 NASA網(wǎng)站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)獲取 MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品。由于土壤有機(jī)質(zhì)較穩(wěn)定，且為盡量避免植被反照率的影響，文章選用2017年11月中旬(植被處于枯黃狀態(tài))的 MCD43A3數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，能夠較準(zhǔn)確地估算研究區(qū)的土壤表層有機(jī)質(zhì)含量。MCD43A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品由band1—band7的7個(gè)普通波段和可見光波段、近紅外波段和短波波段 3個(gè)特殊波段構(gòu)成，為后期探尋土壤有機(jī)質(zhì)的敏感波段提供數(shù)據(jù)來源。

2.3 研究方法

以Arc GIS10.2軟件為平臺(tái)，通過加載經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和研究區(qū)樣點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，與處理后的 MODIS柵格數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空間匹配，進(jìn)行波段反照率與土壤表層有機(jī)質(zhì)含量之間的相關(guān)性探究(表1)。用相關(guān)性最大的波段與土壤表層有機(jī)質(zhì)含量的實(shí)測值構(gòu)建回歸模型，得到對(duì)數(shù)模型、多項(xiàng)式模型和線性模型。運(yùn)用空間分析工具中的柵格計(jì)算器，代入模型的系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，繪制得出祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布圖，進(jìn)一步為分析研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布奠定基礎(chǔ)。

3 研究內(nèi)容

3.1 敏感波段探尋

根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)及課堂知識(shí)的積累，在MODIS影像的10個(gè)波段中，前7個(gè)波段的寬度較小，稱為窄波段；后 3個(gè)波段的寬度較大，稱為寬波段。窄波段的反照率中，波段1、波段3和波段4與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.759，它們與土壤表層有機(jī)質(zhì)含量在0.01水平上相關(guān)性較大；在寬波段的反照率中，可見光波段和短波波段與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.762、-0.750，同樣，它們與土壤表層有機(jī)質(zhì)含量在0.01水平上相關(guān)性較大。同時(shí)，計(jì)算可得窄波段相關(guān)系數(shù)的平均值為-0.734，寬波段的相關(guān)系數(shù)的平均值為-0.750。由此可得出，寬波段相關(guān)性的平均值高于窄波段，即寬波段含有關(guān)于土壤表層有機(jī)質(zhì)含量的信息較窄波段更充足更豐富，但由于本文構(gòu)建一元對(duì)數(shù)函數(shù)模型，因此只能選擇相關(guān)性最大的可見光波段，作為表層土壤有機(jī)質(zhì)的敏感波段，用于揭示研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布規(guī)律。

表1 MODIS數(shù)據(jù)各波段與實(shí)測有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)關(guān)系Table 1 The correlation between MODIS data bands and measured organic matter content

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)遙感反演模型構(gòu)建

基于2017年7月野外采集的土壤樣品，以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法測得表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，去除異常點(diǎn)后選取樣點(diǎn) 100個(gè)，將實(shí)測表層土壤有機(jī)質(zhì)含量與 MODIS影像可見光波段的反照率進(jìn)行線性回歸，構(gòu)建反演表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的最優(yōu)模型(表 2)。

3.3 反演模型對(duì)比, 確定最優(yōu)模型

通過計(jì)算各個(gè)模型的均方根誤差(RMSE)和平均絕對(duì)百分比誤差(%)(MAPE)，雖然多波段結(jié)合的線性模型R2較大，但其RMSE和MAPE同樣較大，且結(jié)合祁連山南坡的土地利用類型圖研究發(fā)現(xiàn)，用該類模型反演得到的有機(jī)質(zhì)含量與客觀實(shí)際不符，因此選用單波段模型進(jìn)行反演。在單波段模型中，對(duì)數(shù)函數(shù)模型的R2最大且模型的穩(wěn)定性良好并符合實(shí)際情況，因此選擇單波段對(duì)數(shù)函數(shù)模型對(duì)祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行反演。

MODIS影像寬波段中可見光波段的反照率與表層土壤有機(jī)質(zhì)含量模型:

式中，SOM為表層土壤有機(jī)質(zhì)含量(g·kg-1)，α為可見光波段反照率。

初步得出，基于 MODIS影像對(duì)祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的反演模型精度較高。為了更好地驗(yàn)證模型估算的準(zhǔn)確程度，需要選擇具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模型精度的驗(yàn)證。

3.4 模型精度驗(yàn)證

在表層土壤有機(jī)質(zhì)含量實(shí)測值中選擇部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)，共30個(gè)點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)。驗(yàn)證結(jié)果表明，評(píng)價(jià)回歸模型的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)方面，即模型的系數(shù)R2和散點(diǎn)圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)與直線之間的偏離程度。因此，當(dāng)R2越大，表明模型的模擬效果越好；當(dāng)樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)集中分布在擬合曲線的兩側(cè)，偏離程度較小時(shí)，也表明模型的模擬效果較好。通常，均方根誤差(RMSE)和平均絕對(duì)百分比誤差(%)(MAPE)被選定為模型精度評(píng)價(jià)的兩個(gè)重要指標(biāo)。RMSE的值越小，表明模型的精度越可靠；MAPE的值越小，表明預(yù)測值與實(shí)測值越接近，即預(yù)測結(jié)果越準(zhǔn)確。由表 2可知，基于 MODIS影像建立的反演有機(jī)質(zhì)含量的對(duì)數(shù)模型SOM=-93.55×ln(α)+498.89，其R2=0.62。進(jìn)一步驗(yàn)證了在祁連山南坡，基于 MODIS影像的對(duì)數(shù)函數(shù)模型對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的反演模型較優(yōu)。

3.5 祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布

根據(jù)公式(1)并借助 Arc GIS 10.2軟件平臺(tái)，運(yùn)用空間分析工具中的柵格計(jì)算器，計(jì)算得出祁連山南坡像元尺度的表層土壤(0—20 cm)有機(jī)質(zhì)含量，并繪制出土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布圖并進(jìn)行分析(圖2)。有機(jī)質(zhì)含量空間分布呈現(xiàn)的總體趨勢為: 由西北向東南逐漸遞增，但由于各種因子的綜合影響，以及零星斑塊的植被類型分布，導(dǎo)致在個(gè)別小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)與周圍有機(jī)質(zhì)含量趨勢不一致現(xiàn)象。圖2顯示，圖斑由棕色、淺綠色、綠色及紅色隨著顏色的變化，有機(jī)質(zhì)含量逐漸在增加，且土壤有機(jī)質(zhì)含量最低區(qū)域散布于研究區(qū)的各個(gè)區(qū)域；土壤有機(jī)質(zhì)含量最高區(qū)域分布于研究區(qū)的東南區(qū)域。

將土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布(圖 2)與土地利用類型分布(圖3)進(jìn)行疊加，結(jié)果顯示(圖4): 藍(lán)色框選區(qū)域主要為裸巖的分布區(qū)域，其有機(jī)質(zhì)含量范圍為0—23.46 g·kg-1；紫色框選區(qū)域主要分布有耕地、稀疏草地，有機(jī)質(zhì)含量范圍為 23.46—62.14 g·kg-1；橙色框選區(qū)域區(qū)域主要為草原的分布區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量高，其范圍為 62.14—96.94 g·kg-1；亮紅色框選區(qū)域主要為草甸的分布區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量較高，其范圍為96.94—149.15 g·kg-1；暗紅色框選區(qū)域?yàn)楣嗄竞土值胤植挤秶?，由于枯落物較多，有利于表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的積累，因此有機(jī)質(zhì)含量處于最高水平。研究表明: 研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間異質(zhì)性與植被類型的空間異質(zhì)性一致，從而得出不同土地利用類型的土壤有機(jī)質(zhì)含量分布特點(diǎn): 林地＞灌木＞草甸＞草原＞稀疏草地＞耕地＞裸巖。

表2 MODIS影像反演土壤表層有機(jī)質(zhì)含量模型Table 2 Inversion of soil surface organic matter content model by MODIS image

圖2 MODIS影像反演有機(jī)質(zhì)含量空間分布Figure 2 The spatial distribution of organic matter content in MODIS image inversion

圖3 土地利用類型分布Figure 3 The distribution of land use types

圖4 不同土地利用類型對(duì)應(yīng)的土壤有機(jī)質(zhì)含量Figure 4 Soil organic matter content corresponding to different land use types

4 討論

文章運(yùn)用 MODIS影像反演祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，單波段對(duì)數(shù)函數(shù)模型的精度較高。

由于研究區(qū)域祁連山南坡面積較大，植被類型分布廣泛，地形復(fù)雜多樣，海拔梯度較大，導(dǎo)致模型產(chǎn)生的誤差較大，R2僅為0.62。除了氣候因素的影響，土壤自身的物理性質(zhì)對(duì)表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在今后的研究中，將各種影響因子進(jìn)一步量化，通過主成分分析法研究影響祁連山南坡土壤表層有機(jī)質(zhì)含量的主導(dǎo)因素，探究祁連山南坡土壤表層有機(jī)質(zhì)含量更優(yōu)的反演模型。

文章中運(yùn)用的 MODIS遙感影像中可見光波段為模型的自變量，且該波段與表層土壤有機(jī)質(zhì)含量具有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，此結(jié)論與我國學(xué)者馬馳[24-25]、王銳[26]、屈冉[27]等研究長春中北部地區(qū)、吉林中北部地區(qū)以及基于多光譜遙感的耕地、富川縣表層土壤有機(jī)質(zhì)含量反演所得出的結(jié)論一致。本研究中，敏感波段為可見光波段，此波段屬于寬波段，即寬波段較窄波段的敏感性較高，此結(jié)果與國內(nèi)學(xué)者王延倉[28]、陳旭[29]等應(yīng)用寬波段模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性，提取并篩選敏感波段反演土壤有機(jī)質(zhì)含量的結(jié)果一致。

研究結(jié)果表明，祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量空間異質(zhì)性與植被的空間異質(zhì)性一致，該結(jié)果與國內(nèi)學(xué)者黃曉強(qiáng)[30]、趙錦梅[31]等學(xué)者對(duì)北京山區(qū)及祁連山東段地區(qū)的研究結(jié)果相似。

5 結(jié)論

本研究選用單波段對(duì)數(shù)函數(shù)模型反演祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，得出如下結(jié)論:

(1)MODIS影像的寬波段中可見光波段與表層土壤有機(jī)質(zhì)含量具有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較大。

(2)祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)西北低東南高的特征，且其空間異質(zhì)性與植被的空間異質(zhì)性一致。

(3)祁連山南坡表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的反演結(jié)果，可用于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、土壤碳庫估算等研究，更好地為祁連山土地資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。