基于TM遙感影像的瑪多縣草地土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空格局反演

宋立生，趙之重，徐劍波，胡月明

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，廣東 廣州 510642; 2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)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(zhì)較好，營養(yǎng)成分高。境內(nèi)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(fā)生了變化以及過牧等人類活動(dòng)日益增強(qiáng)，瑪多縣草地出現(xiàn)了不同程度的退化現(xiàn)象[1-2]。當(dāng)草地退化到一定的閾值之后，植被對(duì)土壤的保護(hù)傘作用喪失而導(dǎo)致土壤侵蝕，出現(xiàn)土壤退化現(xiàn)象[3]，盡管其滯后于植被退化，卻是比植被退化更嚴(yán)重的退化，土壤退化后整個(gè)草原生態(tài)系統(tǒng)的功能會(huì)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(huì)導(dǎo)致表層土壤有機(jī)質(zhì)流失嚴(yán)重[5]，Johan等[6]的研究表明土壤有機(jī)質(zhì)的減少是草地重度退化的重要表現(xiàn)，因此監(jiān)測區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空格局可以為植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。之前關(guān)于土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空格局研究主要是通過野外大量采集土樣進(jìn)行室內(nèi)分析，然后利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和插值來表征土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布特征，這種方法工作量大、成本高、實(shí)時(shí)性差、觀察周期較長[7]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)的高低將會(huì)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(jī)質(zhì)的含量和時(shí)空分布特征[10-11]，同時(shí)具有成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。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(nèi)研究，很難走出實(shí)驗(yàn)室[9,12]。本研究嘗試?yán)枚喙庾VTM影像，分析瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)含量與TM各波段影像亮度值之間的相關(guān)性，并通過回歸分析建立反演模型，進(jìn)而得到瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空分布特征，以期為瑪多縣植被恢復(fù)和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瑪多縣位于青海省南部，其地理坐標(biāo)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?？h和果洛藏族自治州瑪沁縣相毗鄰，南與果洛藏族自治州達(dá)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(duì)無霜期，年降水量247.8～484.8 mm?，敹嗫h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(fā)育著碎石坡、“石?！?、石條帶的石成土壤，主要分布著墊狀點(diǎn)地梅(Androsacetapeta)、墊狀蚤綴(Arenariamusciformis)等植物，與多種風(fēng)毛菊(Saussureaspp.)呈鑲嵌狀的稀疏植被；丘陵緩坡下部發(fā)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?，敹嗫h境內(nèi)地勢高，氣候干旱寒冷，土壤微生物活動(dòng)微弱，土壤有機(jī)質(zhì)積累強(qiáng)、分解慢，同時(shí)該區(qū)域的土壤成熟度差，結(jié)構(gòu)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(huán)境脆弱，土壤肥力一旦遭到破壞極難恢復(fù)。

2 研究方法

2.1野外采樣 野外采樣點(diǎn)主要分布在扎陵湖、鄂陵湖黃河源頭區(qū)以及黃河鄉(xiāng)，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(nèi)草地定位沿道路選取30個(gè)樣點(diǎn)(圖1)，盡量使樣點(diǎn)均勻分布于瑪多縣境內(nèi)。土壤取樣深度為0～20 cm，在30 m×30 m內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法得到1個(gè)樣本，將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過風(fēng)干、磨細(xì)、過篩、混勻、裝瓶后，采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)對(duì)5個(gè)1 m×1 m樣方內(nèi)的鮮草進(jìn)行稱量。

圖1 瑪多縣土壤采樣點(diǎn)分布圖

2.2遙感影像預(yù)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(duì)每一景影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，再利用矢量化的瑪多縣行政范圍，裁剪出研究區(qū)域的TM影像圖。采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)樣點(diǎn)表層土壤有機(jī)質(zhì)與對(duì)應(yīng)點(diǎn)的多光譜TM影像各波段DN值進(jìn)行相關(guān)分析，得到與其相關(guān)性高的TM影像波段，然后利用分析的結(jié)果進(jìn)行回歸分析并建立表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的反演模型，利用5個(gè)為參與回歸分樣點(diǎn)的表層土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行反演精度的檢驗(yàn)。由于研究區(qū)域主要是稀疏草地、裸土和水體，野外調(diào)查樣方內(nèi)的鮮草質(zhì)量為28.4～128.0 g/m2，平均值為79.4 g/m2。本研究的采樣點(diǎn)都分布在瑪多縣裸土和稀疏草地覆蓋區(qū)，植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)反演模型的精度影響很小，可以忽略[13]。

為了檢驗(yàn)表層土壤有機(jī)質(zhì)反演模型的精度，本研究通過驗(yàn)證5個(gè)未參與回歸的樣點(diǎn)實(shí)測土壤有機(jī)質(zhì)與TM影像反演的預(yù)測值來評(píng)價(jià)預(yù)測精度，采用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)進(jìn)行評(píng)價(jià)，MAE反映了估計(jì)值的實(shí)測誤差范圍，能夠定量給出誤差；RMSE反映利用樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的估值和極值效應(yīng)。其計(jì)算公式如下：

通過對(duì)瑪多縣的兩期遙感影像進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，瑪多縣草地植被在1994年已經(jīng)出現(xiàn)了退化現(xiàn)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(xù)。為了更好地說明瑪多縣近15年來的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化情況，將2009年的土壤有機(jī)質(zhì)含量情況與1994年相比較，并按參考文獻(xiàn)[16]提出的草地退化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以土壤有機(jī)質(zhì)變化的百分?jǐn)?shù)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(qiáng)烈改善(增加>40%)8個(gè)等級(jí)。15年來，瑪多縣土壤有機(jī)質(zhì)含量已經(jīng)大范圍增加(圖3)，但在氣候變化較為敏感區(qū)域、交通要道沿線以及靠近居民點(diǎn)等人類活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域，土壤失去了天然的保護(hù)屏障，出現(xiàn)退化現(xiàn)象，甚至有些區(qū)域出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的土壤沙化現(xiàn)象[17]，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低?，敹嗫h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(jī)質(zhì)含量變化主要為重度退化和輕微退化。土壤有機(jī)質(zhì)得到改善的面積達(dá)1 504 575.45 hm2，占總面積的比重為90.46%。同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量得到改善的速度也大于退化的速度。這主要?dú)w功于“退牧還草”工程和“三江源生態(tài)保護(hù)”工程的進(jìn)一步實(shí)施，牲畜頭數(shù)持續(xù)下降，減少了對(duì)草地和土壤的壓力，草地載畜量逐步達(dá)到合理水平，瑪多縣草地生態(tài)系統(tǒng)得到了初步恢復(fù)。

3 結(jié)果與分析

我國高校學(xué)術(shù)社團(tuán)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程，但目前高校學(xué)術(shù)社團(tuán)的發(fā)展仍存在很多的問題和不足，例如，學(xué)習(xí)自主性欠缺、創(chuàng)新意識(shí)薄弱、解決問題能力差，指導(dǎo)教師水平有待提高等。

甲狀腺囊性結(jié)節(jié)是臨床常見的良性疾病，病變較大且伴發(fā)出血時(shí)不僅影響美觀，疼痛明顯，而且壓迫鄰近器官，造成嚴(yán)重的病理生理學(xué)變化，必須給予及時(shí)治療。隨著介入技術(shù)的發(fā)展與完善，超聲引導(dǎo)下微創(chuàng)治療定位準(zhǔn)確，對(duì)患者創(chuàng)傷小，且療效肯定，已逐漸替代了手術(shù)切除或藥物治療等傳統(tǒng)療法。

3.3瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)空格局 土壤樣品的測定結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)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(fēng)沙土。從2009年遙感影像反演的結(jié)果來看，全縣土壤有機(jī)質(zhì)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?，敹嗫h北部土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量處于較低水平。其原因可能有以下幾點(diǎn)：首先，扎陵湖和鄂陵湖地區(qū)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(dòng)微弱，導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)含量低于其他地區(qū)。其次，該地區(qū)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(xié)調(diào)，并且經(jīng)常受到大風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害的侵蝕，加速了土壤表土粘粒的沖刷流失，使得該地區(qū)土地表層礫石遍布或者就地起沙。最后，該地區(qū)土壤質(zhì)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(xiàn)一定程度的土壤退化，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。

3.2反演模型精度檢驗(yàn) 通過比較5個(gè)樣點(diǎn)實(shí)測表層土壤有機(jī)質(zhì)與反演模型預(yù)測值來評(píng)價(jià)反演精度，本研究中反演模型的平均絕對(duì)誤差為5.342，均方根誤差為5.703，兩者的數(shù)值均較小，說明反演模型的精度較高，預(yù)測結(jié)果能夠較好地體現(xiàn)瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布格局。

然后瘦男人講了事情經(jīng)過：他在跟“田科”手下的新辦事員接觸時(shí)，引起了那人的警覺。“田科”手下的新辦事員是個(gè)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(qǐng)那個(gè)女辦事員吃飯和買禮物。這些舉動(dòng)那個(gè)女辦事員都來而不拒，因?yàn)槟桥k事員是個(gè)二婚材料，也正滿世界的踅摸男人呢。可沒想到那個(gè)“田科”竟是她舅舅，后來去酒店喝酒時(shí)女人便帶“田科”去了，可能是想讓舅舅為她把把關(guān)，相看一下她新結(jié)識(shí)的男朋友。

3.1表層土壤有機(jī)質(zhì)遙感反演模型 分析發(fā)現(xiàn)，樣點(diǎn)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)應(yīng)點(diǎn)TM3、TM5波段DN值呈顯著負(fù)相關(guān)，這與張法升等[11]和Chen等[14]的研究結(jié)果相似，相關(guān)系數(shù)為-0.670和-0.675，并對(duì)樣點(diǎn)實(shí)測表層土壤有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)應(yīng)TM3、TM5波段DN值進(jìn)行二元回歸分析，建立表層土壤有機(jī)質(zhì)的遙感反演模型為：土壤有機(jī)質(zhì)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(duì)瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行反演，同時(shí)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(duì)水體和非水體區(qū)域進(jìn)行二值化，得到的圖像再與之前反演的影像進(jìn)行Boud運(yùn)算，獲得瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)空間分布格局，最后利用ArcGIS對(duì)1994年和2009年的土壤有機(jī)質(zhì)分布圖進(jìn)行圖層運(yùn)算得到瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)的時(shí)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(jié)論

本研究通過TM影像和土壤樣品實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)瑪多縣樣點(diǎn)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量與相應(yīng)TM各波段影像亮度值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)樣點(diǎn)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)應(yīng)點(diǎn)TM3、TM5波段DN值呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.670和-0.675，并對(duì)樣點(diǎn)實(shí)測表層土壤有機(jī)質(zhì)含量與對(duì)應(yīng)TM3、TM5波段DN值進(jìn)行二元回歸分析，建立表層土壤有機(jī)質(zhì)的遙感反演模型，最后得到瑪多縣表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空分布特征。與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相比，基于遙感結(jié)合地面取樣分析表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的時(shí)空格局具有一定的優(yōu)勢，該方法節(jié)省時(shí)間、節(jié)約成本，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，可以為區(qū)域植被恢復(fù)和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。本研究的結(jié)果雖然和前人的研究結(jié)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(qū)域土壤狀況的差異和研究的尺度不同有關(guān)。伴隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，從高分辨率、高光譜遙感影像上會(huì)獲取更多的土壤光譜特征，因此利用遙感反演土壤有機(jī)質(zhì)含量具有廣闊的前景。

表1 1994-2009年瑪多縣土壤有機(jī)質(zhì)變化

圖2 2009年瑪多縣土壤有機(jī)質(zhì)含量分布遙感反演圖

圖3 1994-2009年瑪多縣土壤有機(jī)質(zhì)變化分布圖

研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較低，其主要原因是境內(nèi)地勢高，土壤發(fā)育較差、質(zhì)地偏少，同時(shí)該地區(qū)氣候干旱寒冷，土壤水含量較低，植被生產(chǎn)力也很低，土壤微生物活動(dòng)微弱，土壤動(dòng)植物殘?bào)w歸還給土壤較少，使得有機(jī)質(zhì)在土壤中的積累緩慢，土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低。另外由于質(zhì)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(hù)屏障，出現(xiàn)退化，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。針對(duì)瑪多縣土壤資源的狀況和氣候特征，在今后發(fā)展畜牧業(yè)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)合理利用土壤、草地資源，同時(shí)對(duì)黃河沿岸的風(fēng)沙土應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù)，防止草地繼續(xù)退化，提高草原生產(chǎn)力，保持畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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