粒徑對(duì)土壤光譜特性的影響

喬星星，馮美臣，楊武德，李廣信,2，王超，賈學(xué)勤，張松

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)工程研究所，山西太谷030801；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031）

粒徑對(duì)土壤光譜特性的影響

喬星星1，馮美臣1，楊武德1，李廣信1,2，王超1，賈學(xué)勤1，張松1

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)工程研究所，山西太谷030801；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031）

土壤粒徑是影響土壤光譜的重要因素之一。為了探究土壤粒徑與土壤光譜的關(guān)系，以山西省聞喜縣的冬小麥麥田土壤為研究對(duì)象，分別獲取7個(gè)土壤粒徑（2，1，0.5，0.25，0.154，0.125，0.074 mm）及相應(yīng)的土壤光譜，通過分析不同粒徑條件下土壤光譜反射率、土壤粒徑與土壤光譜的相關(guān)性，研究土壤粒徑對(duì)土壤光譜的影響及土壤光譜與粒徑的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，不同土壤粒徑大小對(duì)土壤的光譜曲線的形狀以及光譜特征位置沒有明顯的影響，但是隨著土壤粒徑的減小，土壤光譜反射率呈現(xiàn)不同幅度的升高；分析不同土壤粒徑光譜反射率的平均變化率可知，小于0.154 mm的土壤粒徑對(duì)土壤光譜反射率的影響最大，位于近紅外波段區(qū)域；相關(guān)性結(jié)果表明，土壤粒徑和光譜反射率之間具有較好的相關(guān)性，在波段2 100 nm附近的相關(guān)性達(dá)到最大，相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.74，表明該波段與土壤粒徑具有重要的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果可為光譜技術(shù)應(yīng)用于土壤生理生化指標(biāo)的定量分析提供一定的理論參考和實(shí)踐探索。

土壤粒徑；土壤光譜；光譜特性

土壤是人類賴以生存的一種最基本自然資源，其在糧食生產(chǎn)中具有重要的作用。土壤的保護(hù)和可持續(xù)利用是解決糧食安全、氣候變化、環(huán)境惡化和生物多樣性等問題的重要途徑[1]。因此，準(zhǔn)確、快速、大面積了解土壤狀況具有重要的意義。當(dāng)前，準(zhǔn)確掌握和了解土壤狀況，獲取區(qū)域、大范圍的土壤數(shù)據(jù)是土壤科學(xué)中面臨的主要問題[2]。而光譜遙感技術(shù)被認(rèn)為是一種快速、無損、無污染、大面積、可重復(fù)性的分析技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域[3-4]。

土壤顆粒組分是土壤質(zhì)地分類的重要依據(jù)，也是影響土壤光譜的主要因素之一[5]。一般來說，土壤粒徑越小，比表面積越大，反射率就越大[6-7]。Ben-Dor等[8]研究證實(shí)，土壤粒徑可以影響其他土壤屬性的光譜監(jiān)測(cè)精度。另外，許多研究者利用光譜技術(shù)進(jìn)行了土壤屬性的估測(cè)，但是所研究的土壤粒徑卻不盡相同[9]。

本試驗(yàn)以聞喜縣的冬小麥麥田土壤為研究對(duì)象，對(duì)耕作層土壤進(jìn)行不同粒徑的過篩處理，研究不同粒徑條件下土壤光譜特征和各土壤光譜區(qū)域的反射率變化差異，并通過分析土壤粒徑與土壤光譜的相關(guān)性，研究土壤粒徑對(duì)土壤光譜特性的影響規(guī)律，為利用光譜技術(shù)研究土壤粒徑處理提供一定的理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 材料和方法

1.1 土樣的采集和制備

本試驗(yàn)以聞喜縣的冬小麥麥田土壤為研究對(duì)象，在全縣范圍內(nèi)共采集耕作層（0～20 cm）土壤樣本70份。剔除土樣中的石頭和植物殘?bào)w等后對(duì)土樣進(jìn)行風(fēng)干處理，充分混勻后分為2份，一份用于測(cè)定原狀土的土樣光譜；另一份研磨后分別過2，1，0.5，0.25，0.154，0.125，0.074 mm篩，能過2 mm篩且無法過1 mm篩的土壤為粒徑2 mm的土壤，其他粒徑土壤通過相同的原理得到，累積得到8類不同粒徑（含原狀土）的土壤，共560個(gè)土樣。

1.2 土壤光譜的測(cè)定

采用美國ASD公司的FieldSpec 3光譜儀進(jìn)行土壤光譜的測(cè)定，得到波段范圍為350～2500nm不同粒徑土壤的光譜，光譜儀的采樣間隔分別為1.4nm（350～1 000 nm區(qū)間）和2 nm（1 000～2 500 nm區(qū)間），重采樣間隔為1 nm，共輸出2 151個(gè)波段數(shù)。光譜測(cè)定在暗室內(nèi)進(jìn)行，光源為鹵素?zé)?，天頂?0°，視場(chǎng)角探頭25°，探頭位于土壤樣品表面垂直上方15cm處。將提前制備好的土樣置于直徑10cm、深1.5 cm的圓形盛樣器皿內(nèi)，土樣表面刮平。探頭接收土壤光譜的區(qū)域?yàn)橹睆?.7 cm的圓，可保證探頭接收的均為土壤的反射光譜。測(cè)試之前先進(jìn)行白板校正。土樣采集10條光譜曲線，旋轉(zhuǎn)90°后再重新采集10條，每個(gè)土樣共旋轉(zhuǎn)3次，最后共采集40個(gè)光譜數(shù)據(jù)，平均處理后作為該土樣的最終光譜。

1.3 數(shù)據(jù)分析

相關(guān)分析法是分析變量之間的相關(guān)關(guān)系的一種經(jīng)典、可靠的方法，本研究對(duì)土壤光譜數(shù)據(jù)與土壤粒徑進(jìn)行了相關(guān)分析，并比較了二者之間的相關(guān)關(guān)系；使用Viewspec軟件對(duì)土壤光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除異常光譜、校正光譜斷點(diǎn)、光譜均值化和光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)出等預(yù)處理，利用Excel 2007，MATLAB 7.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)性分析，并利用Origion 8.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤粒徑對(duì)土壤光譜特性的影響

由圖1可知，全波段范圍內(nèi)不同粒徑土樣的光譜反射率的曲線變化情況大體一致，都是隨著波長(zhǎng)的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，在波段1400，1900，2 200 nm左右有3個(gè)水汽吸收帶，符合土壤光譜曲線的一般特征規(guī)律，表明不同粒徑大小對(duì)土壤光譜曲線的形狀以及光譜特征的位置沒有明顯的影響，張晉等[10-11]也得到類似結(jié)果；對(duì)比不同粒徑條件下的光譜反射率可知，在同一波長(zhǎng)位置，不同粒徑土壤的光譜反射率大小不同，經(jīng)研磨后的土壤光譜反射率要高于原狀土的光譜反射率，而且隨著土壤粒徑的減小，土壤光譜反射率呈現(xiàn)不同幅度的升高。

2.2 土壤粒徑對(duì)土壤光譜區(qū)域反射率變化的影響

表1 不同土壤粒徑光譜反射率的平均變化率%

為了更清楚地反映在不同粒徑條件下及在不同波段范圍內(nèi)土壤光譜反射率的變化程度，本研究對(duì)不同粒徑土壤在不同波段范圍內(nèi)的反射率的平均變化率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；為了明確粒徑對(duì)土壤光譜的影響程度，光譜（350～2 500 nm）被分成可見光（350～780 nm）、近紅外短波（780～1 100 nm）和近紅外長(zhǎng)波（1 100～2 500 nm）3個(gè)區(qū)域。反射率的平均變化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1。

由表1可知，隨著土壤粒徑的減小，土壤光譜反射率在全波段（350～2 500 nm）、可見光（350～780 nm）、近紅外短波（780～1 100 nm）和近紅外長(zhǎng)波（1 100～2 500 nm）范圍內(nèi)出現(xiàn)不同幅度的升高。從土壤粒徑對(duì)各光譜區(qū)域內(nèi)反射率的變化影響可知，粒徑從0.154 mm降低到0.125 mm時(shí)，各區(qū)域光譜反射率增加的幅度最大，最大值可達(dá)24.14%；而從0.5 mm降低到0.25 mm時(shí)增加的幅度最小，最小值為0.81%。結(jié)果表明，小于0.154 mm的土壤粒徑對(duì)土壤光譜反射率的影響最大。此外，在不同波段范圍內(nèi)的土壤光譜反射率的變化程度也有較大的差異，在近紅外長(zhǎng)波波段（1 100～2 500 nm）的變化幅度最大，平均可達(dá)到9.07%，在可見光波段（350～780 nm）的變化幅度最小，只有6.34%，全波段（350～2 500 nm）、近紅外短波波段（780～1 100 nm）次之。

2.3 土壤粒徑與土壤光譜的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步探明土壤粒徑對(duì)土壤光譜反射率的影響，本研究對(duì)土壤粒徑（原狀土沒有具體的粒徑數(shù)字，本研究不做相關(guān)分析）和光譜反射率進(jìn)行了相關(guān)性分析（圖2）。

從圖2可以看出，土壤粒徑與全波段光譜呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中，土壤粒徑與光譜（350～500 nm）的相關(guān)性較低，且呈上下波動(dòng)的無規(guī)律變化；在500～2 500 nm范圍內(nèi)，隨著波長(zhǎng)的增加，粒徑與光譜的相關(guān)性呈現(xiàn)先迅速增加后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，且在2 100 nm附近的相關(guān)性達(dá)到最大，相關(guān)系數(shù)為-0.74。結(jié)果表明，土壤粒徑和光譜反射率之間具有較好的相關(guān)性，在本試驗(yàn)條件下，光譜波段2 100 nm與土壤粒徑具有重要的關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

一般來說，土壤粒徑對(duì)土壤的光譜曲線的形狀以及光譜特征位置沒有明顯的影響[12-14]，但是隨著土壤粒徑的減小，土壤光譜反射率呈現(xiàn)不同幅度的升高。這主要是由不同粒徑土壤的比表面積不同所造成的[15]。當(dāng)土壤粒徑較小時(shí)，土壤顆粒間的空隙減少，土壤顆粒間的結(jié)合越緊密[16]，比表面積增大，表面更趨平滑，可以增強(qiáng)光的反射作用，從而提高光譜反射率[17-18]；當(dāng)土壤粒徑較大時(shí)，土壤顆粒間的空隙增加，且加上陰影的影響[19]，在土壤表面發(fā)生較強(qiáng)的漫反射和散射作用，使光譜反射率降低[6]。

進(jìn)一步分析粒徑對(duì)各光譜區(qū)域反射率的影響可知，小于0.154 mm的土壤粒徑對(duì)土壤光譜反射率的影響最大，且相比其他波段，近紅外波段的平均反射光譜受土壤粒徑變化的影響較大，馬創(chuàng)等[13]也得到類似的觀點(diǎn)。整體來看，粒徑與土壤光譜具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在近紅外區(qū)域內(nèi)，粒徑與土壤光譜的相關(guān)性較高，表明近紅外區(qū)域光譜與土壤粒徑有著緊密的關(guān)系，該區(qū)域被證實(shí)是富含土壤信息的重要光譜區(qū)域[20]。本研究證實(shí)，土壤粒徑與近紅外波段2 100 nm具有較高的相關(guān)關(guān)系，其在表征土壤粒徑方面具有一定的應(yīng)用潛力。

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Effect of Particle Size on Soil Spectroscopy Characteristics

QIAOXingxing1，F(xiàn)ENGMeichen1，YANGWude1，LI Guangxin1，2，WANGChao1，JIAXueqin1，ZHANGSong1

（1.Institute ofDryFarmingEngineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.Institute ofCrop Sciences，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Particle size is one of the main factors which affect the soil spectra.To explore the relationship between the soil particle size and the soil spectra,the soils at the field ofwinter wheat in Wenxi countywere made as the object and the collected soil were grinded and sieved with seven particle sizes（2,1,0.5,0.25,0.154,0.125,0.074 mm）.The soil spectra correspondingwith everysoil particle size were obtained.The spectral reflectance under different soil particle sizes were compared,and the correlative relationship between the soil particle sizes and soil spectra were analyzed.The result showed that the soil particle size had no effect on the spectral trend and the position ofspectral feature.However,the spectral reflectance increased with the decreasingofsoil particle size.The soil particle size（less than 0.154 mm）obviously affected the spectral reflectance,especially for the spectral reflectance in the near-infrared region. Furthermore,it proved that the soil spectra were highly related to the particle size,and the correlation coefficient could reached to-0.74 at the wavelenth of 2 100 nm which verified to be important to particle size.The study will provide some theoretical reference and practical application on further monitoringthe soil propertyusingthe hyperspectral technology.

soil particle size;soil spectroscopy;spectral character

S127

A

1002-2481（2016）09-1325-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.09.23

2016-07-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31371572，31201168）；山西省科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（201603D221037-3）；山西省歸國人員重點(diǎn)資助項(xiàng)目（2014-重點(diǎn)4）

喬星星（1989-），女，山西長(zhǎng)治人，在讀碩士，研究方向：作物生態(tài)和信息技術(shù)。馮美臣為通信作者。