鄭州邙山棗樹溝黃土剖面常量元素含量的高光譜反演

李雙權(quán)，馬玉鳳，劉 勛，李長春，杜 軍

(1.河南省科學院地理研究所，鄭州 450052；2.河南理工大學，焦作 454000)

0 引言

黃土自身的發(fā)生和發(fā)展過程記錄了豐富的歷史信息，了解黃土性質(zhì)演化的特征和效應及其與環(huán)境條件變化的相互關(guān)系，為我們解讀環(huán)境變遷關(guān)系提供依據(jù)。黃土剖面常用于恢復古環(huán)境的方法有理化性質(zhì)、古生物、古地磁等[1-2]，在傳統(tǒng)黃土記錄的古環(huán)境研究中，對環(huán)境指標的測試分析具有研究周期長、耗時耗力、成本高等缺點。近年來，隨著計算機和遙感技術(shù)的快速發(fā)展，高光譜遙感極高的光譜分辨率在對土壤性質(zhì)的研究中有較好的效果[3-4]。高光譜遙感能將特定的土壤與波段相結(jié)合，經(jīng)過光譜數(shù)學變換、統(tǒng)計分析等方法對不同種類的土壤光譜特征和物理化學特性進行相關(guān)分析，建立土壤特性的反演模型，從而可以達到對土壤特性的快速、定量、低成本的監(jiān)測[5-6]。目前，根據(jù)土壤各參數(shù)(有機質(zhì)含量、含水量等)細微差異變化，高光譜遙感被廣泛應用于國土資源、地質(zhì)災害、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)作物的估產(chǎn)等領域[3,4]。然而在環(huán)境演化研究中，還較少有將反射光譜對時間序列土壤性質(zhì)變化進行的分析應用于沉積剖面所反映的古環(huán)境變化中。

鄭州邙山位于我國第三個黃土沉積區(qū)，該區(qū)域是黃土高原與華北平原過渡帶上最東南緣的黃土塬。作為平原邊緣的黃土帶，包含著豐富的環(huán)境變化和東亞季風系統(tǒng)演化信息，更詳實記錄了區(qū)域古氣候短周期的演替旋回[7]，在環(huán)境演變研究中具有重要的地位。黃土地球化學元素特征能夠較好地揭示黃土剖面沉積環(huán)境的變化，在黃土-古土壤的沉積序列中，成壤作用與剖面中化學元素有著很大的關(guān)系，黃土在沉積的過程中化學元素會產(chǎn)生一定的分異，古土壤就是在這種分異基礎上而發(fā)育沉積的[8]。本文選擇鄭州邙山棗樹溝村塬頂處全新世黃土剖面為研究對象，結(jié)合高光譜技術(shù)，分析光譜數(shù)據(jù)與黃土剖面常量元素之間的相關(guān)關(guān)系，從而建立鄭州黃土光譜環(huán)境參數(shù)反演模型，為今后遙感技術(shù)在黃土剖面環(huán)境演變研究中提供新的思路和技術(shù)手段。

1 剖面位置與地層介紹

鄭州市地處河南省中部偏北的黃河中下游，橫跨中國第二與第三地貌臺階，西部山地丘陵為第二地貌臺階東部邊緣，而東部黃淮平原為第三地貌臺階西部邊緣[9]。鄭州北20 km處有一邙山又稱廣武山。北臨黃河，東接黃河沖積平原，西南是隱約可見的嵩山。邙山呈東西走向，地形上西高東低，蜿蜒于黃河南岸，成為黃河的天然屏障，向東在黃河大橋附近驟然消失。黃土塬面平緩，東西長18 km，南北寬約5 km，海拔在120～262 m，高出黃河水面35～170 m，向南傾斜，地形坡降約為0.02；北坡陡峭，被樹枝狀沖溝切割，較為破碎，但地層剖面出露良好，厚度最大[10-11]。

研究的黃土剖面位于鄭州邙山西北部棗樹溝村的塬頂上，地理坐標：N34°57′5.76″，E113°20′59.03″，海拔260 m。剖面出露地表2.3 m，自下而上分為5層(圖1)：①層，距地表0～20 cm，為表土耕作層；②層，距地表20～50 cm，灰黃色粉砂土，有較多的根系和蟲孔，上部14C測年為1 440±30 a.BP；③層，50～140 cm，淺棕黃色粘質(zhì)粉砂土，下部有白色菌絲體發(fā)育，為古土壤層。底部14C測年為4 600±30 a.BP，頂部測年為2 810±30 a.BP；④層，距地表140～170 cm，灰黃色粉砂土，有零星白色菌絲體，古土壤與黃土的過渡層，底部14C測年5 400±150 a.BP；⑤層，距地表170～230 cm，未見底，灰黃色粉砂土。上部3個14C測年由美國BETE實驗室完成，底部過渡層14C測年由國土資源部地下水科學與工程重點實驗室完成。

圖1 鄭州邙山棗樹溝黃土剖面圖Fig.1 Zaoshugou loess profile in Mangshan of Zhengzhou

2 研究方法

2.1 樣品采集與測試分析

鄭州邙山棗樹溝黃土剖面高2.3 m，去除頂部擾動層20 cm，實際采樣深度為2.1 m。去除剖面表層風化面，在新鮮面上以4.5 cm的間隔采集樣品，共采集47個，分為兩部分，一部分用于元素測定，一部分用于光譜實驗。

氣候條件變化是影響常量元素的地球化學特征的最大因素，因此在黃土-古土壤的沉積序列中，成壤作用與剖面中化學元素有著很大的關(guān)系。CaO，MgO屬于干旱型的氣候特征元素，在常量元素中Ca屬于最易遷移的元素，在化學風化時非?；钴S，即遷移能力最強[12]。沉積物中Ga含量的高低明顯地受到氣候條件主要是水分條件的控制，因而可根據(jù)沉積物中Ga含量的變化反演氣候的變化。Mg也是表征環(huán)境中活動性很強的元素之一，但其活動性較Ga低，但與Ga密切相關(guān)。Mg在沉積物中的含量與風化作用密切相關(guān)，風化作用強時，Mg易淋失；風化作用弱時，Mg易富集。Fe是化學活動性極強的變價元素，黃土中的氧化鐵含量的變化可揭示氣候變化，當Fe3+含量較高時代表高溫氣候，氧化作用較強[13]。因此本研究選擇了Fe2O3，CaO，MgO這3種常量元素作為反映氣候環(huán)境的測量元素，在河南省科學院地理研究所環(huán)境標準實驗室采用原子吸收分光光度法分別對Fe2O3，CaO和MgO進行元素測定。

2.2 光譜測試與數(shù)據(jù)預處理

本實驗采用美國ASD FieldSpec 4 Standard-Res便攜式地物波譜儀進行土壤高光譜數(shù)據(jù)采集。該地物波譜儀的測量范圍為350～2 500 nm，光譜采樣間隔在350～1 000 nm時為1.4 nm，在1 000～2 500 nm采樣間隔為2 nm，其光譜分辨率為3～700 nm，10～1 400 nm，10～2 100 nm。

土壤光譜數(shù)據(jù)是在地物光譜采集規(guī)范下進行采集，所用光譜數(shù)據(jù)在等同于暗室的實驗室內(nèi)進行測定。測量前利用參考白板進行定標優(yōu)化，獲取絕對反射率。將裝有樣品的鋁盒放在厚3 cm、反射率近似為0的黑色橡膠上，釆用標準直流錫絲石英鹵素燈作為光源，探頭視場角為25°，探頭距離為15 cm。為了減小土壤樣品光譜各向異性的影響，測量時轉(zhuǎn)動樣品盒3次，每次轉(zhuǎn)動90°，每個樣品測量4個方向，每個方向采集5條光譜曲線，共采集20條光譜曲線，對每個樣品的20條光譜曲線進行算術(shù)平均，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析。

在光譜測量時，去除數(shù)據(jù)中350～400 nm與2 400～2 500 nm首尾噪聲影響比較大的數(shù)據(jù)，然后對光譜曲線進行跳躍點的去除以及光譜曲線平滑處理。高光譜數(shù)據(jù)信息量大，處理復雜，較難直接利用進行分析，因此對其進行了光譜一階微分(first order differential reflectance，F(xiàn)D)、二階微分(second order differential reflectance，SD)和倒數(shù)的對數(shù)(LOG(1/R))以及去包絡線(continuum removal，CR)等光譜變換。

2.3 最小二乘法定量反演模型的構(gòu)建

偏最小二乘回歸(partial least square regress,PLSR)的方法是多元線性回歸、典型相關(guān)分析以及主成份分析三者的完美結(jié)合。PLSR不僅能夠在自變量存在多重相關(guān)性以及樣本點數(shù)目少于變量數(shù)目的條件下進行回歸建模，而且能有效地提取若干對系統(tǒng)能力最強的綜合變量，并且排除無解釋作用的噪聲，使所建模型具有說服力[13-15]。本研究選取經(jīng)5種光譜變換的Fe2O3，CaO，MgO及CaO/MgO等環(huán)境參數(shù)的光譜特征波段作為為自變量，黃土剖面環(huán)境變化指標實測值作為因變量，構(gòu)建基于偏最小二乘法的黃土剖面常量元素的反演模型。

2.4 反演模型精度檢驗方法

模型精度用來衡量一個模型綜合估測能力，建模精度越好說明模型的穩(wěn)定性越好；驗證精度越高說明所建立的模型預測能力越強。本文通過決定系數(shù)(coefficient determination，R2)、均方根誤差(root mean square error，RMSE)及相對分析誤差(relative percent deviation，RPD)3個模型評價指標相結(jié)合來確定所建模型的精度及預測能力，公式為：

(1)

(2)

RPD=STDEV(Yi)/RMSE，

(3)

根據(jù)計算結(jié)果將模型精度分為所示A，B，C，D共4個級別[16-21](表1)。

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表1 模型整體精度評價等級標準[16-21]Tab.1 Model overall accuracy evaluation level standard

3 結(jié)果與分析

3.1 剖面常量元素結(jié)果分析與沉積環(huán)境演變

常量元素的地球化學特征指標對黃土沉積剖面的發(fā)育環(huán)境有很大的指示作用(表2，圖2)：Fe2O3在古土壤層(S0-1)的平均含量為4.39%，在整個剖面值最大。2 800～4 600 a.BP黃土沉積時成壤作用增強，越來越多的Fe2+被氧化成為Fe3+，導致沉積物中Fe2O3含量不斷上升，形成大量的強磁性礦物(磁鐵礦和磁赤鐵礦)，說明在古土壤發(fā)育時，沉積環(huán)境比較溫暖濕潤；全新世黃土層(L0-1、L0-2)的平均含量分別為3.62%和3.59%，為剖面的次低值和最低值，在全新世中期大約5 400 a.BP前后和晚期2 800 a.BP以來黃土沉積時風化成壤作用微弱，沉積環(huán)境較為干冷。常量元素含量曲線在剖面中的變化，CaO變化幅度最大，即在黃土化學風化過程中表現(xiàn)比較活躍。CaO含量曲線在古土壤層中處于波谷的位置，平均含量均低于其余4個地層單元，而在黃土層的含量比較高。古土壤成壤發(fā)育時CaO發(fā)生了淋失，在下部的黃土層L0-2發(fā)生富集，這也反映出古土壤發(fā)育時期降水比較豐富、氣候濕潤易發(fā)生元素的淋溶作用。黃土沉積時氣候比較干旱，元素的淋溶作用則較難發(fā)生。從MgO變化曲線來看，在古土壤層之后隨著地層深度的增加MgO的含量也呈現(xiàn)出平穩(wěn)上升的趨勢，但變化幅度較小，說明Mg元素在沉積的過程中也有一定的遷移能力，但由于古土壤沉積過程中Mg元素淋溶遷移距離較小，導致其變化幅度不大。

表2 鄭州市棗樹溝全新世黃土-古土壤剖面常量元素分布Tab.2 Distribution of constant element in the Zaoshugou Holocene loess-soil profile of Zhengzhou

圖2 鄭州市棗樹溝全新世黃土-古土壤剖面常量元素變化曲線Fig.2 Constant element variation curve of the Zaoshugou loess-soil profile in Zhengzhou in Holocene

土壤風化程度的度量指標也常用元素氧化物的分子比來表示。CaO/MgO反映了Ca，Mg元素在黃土剖面中的分異程度，比值高表明比較干的沉積環(huán)境，反之，則表明較為濕潤的沉積環(huán)境。CaO/MgO在剖面的古土壤層中最低，平均比值為1.16，反映古土壤沉積時溫暖濕潤的氣候環(huán)境，Ca，Mg元素均發(fā)生不同程度的淋失遷移，但分異程度則不明顯；CaO/MgO在黃土層中的比值較高，表明黃土堆積過程中干冷的沉積環(huán)境，Ca元素由于有著比Mg元素較強的活動性而發(fā)生淋失作用，因此二者發(fā)生了較強的分異。

Ga，F(xiàn)e，Mg元素在黃土-古土壤序列剖面中的遷移淋失反映出，全新世中期約5 400 a.BP至今研究區(qū)經(jīng)歷了冷干—暖濕—冷干的的氣候旋回。由于受氣候環(huán)境的影響，同一剖面不同地層單元黃土的常量元素含量有所差異，不同地層單元的黃土反射光譜曲線也表現(xiàn)出各自的特征與差異。如圖3所示，5個地層單元反射光譜曲線整體相似，表現(xiàn)為在可見光范圍內(nèi)光譜呈上升趨勢，整體變化幅度較大，之后光譜曲線平穩(wěn)上升，變化幅度較小。在1 400 nm，1 900 nm與2 200 nm附近有強烈的光譜吸收峰，這主要是由于土壤含水量與粘土礦物影響而致。對比這5種地層的平均反射光譜曲線黃土層L0-2>黃土層L0-1>過渡層Lt>古土壤層S0-1>表土層TS。表土層TS含有大量的動植物殘體，光譜吸收能力強，其光譜反射率較低；古土壤層S0-1在400～800 nm光譜反射率大于表土層，該層含有較多的氧化鐵，其在400～800 nm波段范圍內(nèi)對光譜的貢獻較大；黃土層L0-1的氧化鐵含量為最低值，結(jié)構(gòu)緊實且含有大量的CaO，因此光譜反射率最高。

圖3 不同地層單元平滑后原始光譜反射率曲線Fig.3 Original spectral reflectance curve after smoothing of different stratigraphic units

3.2 常量元素與反射光譜相關(guān)性分析

對平滑處理后的原始光譜、一階微分(FD)、二階微分(SD)、去包絡線(CR)和倒數(shù)對數(shù)(Log (1/R))與黃土剖面常量元素Fe2O3，CaO，MgO及CaO/MgO進行相關(guān)性分析(表3)。從最大相關(guān)系數(shù)及其所對應的波段來看，與原始光譜相比，黃土光譜反射率在經(jīng)過光譜變換后與黃土常量元素各參數(shù)的顯著相關(guān)性均有不同程度的增加，其中二階微分光譜與Fe2O3，MgO相關(guān)性最高，最大相關(guān)系數(shù)分別為0.67，0.55，所對應的波段分別為766 nm，904 nm；一階微分光譜與CaO，CaO/MgO相關(guān)性最高，兩者較相似，最大相關(guān)系數(shù)R分別為-0.75和-0.74，與其所對應的波段均為661 nm。土壤原始光譜經(jīng)過數(shù)學變換后能夠明顯地突出土壤所隱藏的光譜反射率特征，有效地增強相關(guān)性。本文選用置信區(qū)間為95%，即為P=0.05水平的顯著性檢驗，選取土壤光譜顯著相關(guān)波段作為自變量用于構(gòu)建反演模型。

表3 不同變換光譜反射率與剖面常量元素相關(guān)系數(shù)的最值及對應波段Tab.3 Maximum values and corresponding bands of correlation coefficients between macro elements of profile and different transform spectral reflectances

3.3 常量元素的偏最小二乘法定量反演

在棗樹溝黃土剖面常量元素的模型構(gòu)建中選取經(jīng)5種光譜變換的Fe2O3，CaO，MgO及CaO/MgO等環(huán)境參數(shù)的光譜特征波段作為為自變量，構(gòu)建基于偏最小二乘法的黃土剖面常量元素的反演模型。其中4種環(huán)境參數(shù)的建模樣本均為32個，驗證樣本15個。

3.3.1 Fe2O3的模型反演

表4 Fe2O3的偏最小二乘法模型的建模與驗證Tab.4 Calibration and validation of Fe2O3 by PLSR model

將Fe2O3實測值和預測值最佳擬合曲線與直線y=x作對比，從中可以看出，大多數(shù)樣本都集中分布在直線y=x附近，并且驗證集樣本的實測值與預測值之間的相關(guān)系數(shù)R均通過了P=0.05水平上的顯著性檢驗。通過對比分析可知，5種變換中經(jīng)FD變換的光譜實測值和預測值的擬合曲線與直線y=x最為接近，其余4種擬合效果較差，均不具備反演能力，因此FD光譜變換為自變量的PLSR模型為反演黃土剖面Fe2O3最佳模型。

(a)原始光譜 (b)SD光譜 (c)LOG(1/R)光譜

3.3.2 CaO，MgO及CaO/MgO的模型反演

根據(jù)R2，RMSE及RPD這3個模型評價指標相結(jié)合來確定CaO，MgO及CaO/MgO所建模型的精度及預測能力，建模精度及結(jié)果見表5?；谄钚《朔ǖ狞S土剖面CaO與MgO的建模效果較好，CaO經(jīng)FD變換的光譜建模R2(0.68)與驗證R2(0.68)均為光譜變換后的最大值，建模RMSE(0.75)與驗證RMSE(0.84)均為光譜變換后的最低值，相對分析誤差PRD為1.61，模型精度等級為B，具有較好的黃土剖面CaO預測能力；MgO經(jīng)CR變換的光譜建模R2(0.67)與驗證R2(0.63)均為光譜變換后的最大值，建模RMSE(0.06)與驗證RMSE(0.07)均為光譜變換后的最低值，相對分析誤差PRD為1.80，模型精度等級為B，具有較好的黃土剖面MgO預測能力；CaO/MgO經(jīng)FD變換的光譜建模R2(0.66)與驗證R2(0.57)，建模RMSE(0.33)與驗證RMSE(0.84)，相對分析誤差PRD為1.41，模型精度等級為C，對黃土剖面CaO/MgO預測能力基本達到要求；CaO，MgO及CaO/MgO經(jīng)其余變換的光譜模型精度等級為D，都不能夠達到預測黃土剖面CaO,MgO及CaO/MgO的能力，即不具備黃土剖面CaO,MgO及CaO/MgO的反演能力。

表5 CaO，MgO及CaO/MgO的偏最小二乘法模型的建模與驗證Tab.5 Calibration and validation of CaO,MgO and CaO/MgO by PLSR model

(a)CaO的FD光譜 (b)CaO的SD光譜 (c)MgO的FD光譜

圖5為CaO，MgO及CaO/MgO實測值和預測值擬合散點圖，將實測值和預測值的最佳擬合曲線與直線y=x作對比可看出，大多數(shù)樣本都集中分布在直線y=x附近，并且驗證集樣本的實測值與預測值之間的相關(guān)系數(shù)R均通過了P=0.05水平上的顯著性檢驗。通過對比分析可知，CaO經(jīng)FD變換的光譜實測值和預測值的擬合曲線與直線y=x最為接近；MgO經(jīng)CR變換的光譜實測值和預測值的擬合曲線與直線y=x最為接近；其余幾種光譜變換后擬合效果較差，均不具備反演能力。CaO/MgO與黃土反射光譜之間的相關(guān)性較差，5種光譜變換后只有經(jīng)過FD變換的光譜所建模型精度級別達到C，其余均較差。因此經(jīng)FD光譜變換、CR光譜變換與FD光譜變換為自變量的PLSR模型為反演黃土剖面CaO，MgO及CaO/MgO為最佳模型。

3.4 反演模型對古環(huán)境的指示性

在同一時期，不同區(qū)域，黃土中常量元素的化學成分有差異，自西北向東南逐漸變化。據(jù)最佳反演模型以全新世古土壤的化學元素含量為例，黃土高原的東南緣棗樹溝剖面古土壤的Fe2O3平均含量為4.39%(表2)，對比黃土高原腹地洛川全新世古土壤的Fe2O3平均含量3.31%[2]高出了1%，模型的預測值平均為4.29%，真實值和預測值之間的平均誤差為0.16%，最大0.59%，F(xiàn)e2O3反演的模型可以區(qū)分不同氣候區(qū)的環(huán)境特征；研究區(qū)棗樹溝剖面古土壤中的CaO 平均含量為2.23%(表2)，反演模型的預測值為2.67%，兩者間的平均誤差為0.65%，最大誤差為1.86%。氣候較為干旱的洛川全新世古土壤的CaO 平均含量達8.77%[2]，兩區(qū)域?qū)Ρ?，研究區(qū)的遠遠低于黃土高原腹地，CaO反演的模型在誤差范圍內(nèi)可以較明顯區(qū)分不同氣候區(qū)的環(huán)境特征；棗樹溝剖面全新世古土壤中MgO的平均含量為1.92%(表2)，預測值為1.95%，洛川全新世古土壤中MgO的平均含量1.98%[2]，盡管研究區(qū)古土壤MgO含量的誤差值最大為0.13%，但2個不同氣候區(qū)MgO的含量區(qū)別不明顯，僅單獨依據(jù)MgO的特征值較難區(qū)分不同的氣候區(qū)；由上，黃土高原腹地和東南緣的CaO含量差異大而MgO含量接近，因此CaO/MgO在2個區(qū)域有明顯的區(qū)分。同一地區(qū)，不同時期，黃土中常量元素化學成分具有很大的差異，其中黃土與古土壤之間的差別尤為顯著。因此，可以根據(jù)黃土中常量元素的這種差異來探討古氣候環(huán)境的變化規(guī)律。如圖6所示，各元素的預測值增減規(guī)律與實測值的變化趨勢是一致的，反演模型的預測值能夠較好指示區(qū)域全新世中期至今經(jīng)歷的冷干—暖濕—冷干的氣候旋回。然而反演模型的預測值在誤差范圍內(nèi)有上下的波動，這樣在局部時間段或者細節(jié)性的古環(huán)境指示中很難反映，如在剖面深度95 cm處(圖6)，F(xiàn)e2O3的預測值過低，剖面深度50～75 cm段CaO的預測值在局部偏高等。

(a)Fe2O3 (b)CaO

4 結(jié)論與討論

1)Ca，F(xiàn)e，Mg元素在鄭州邙山棗樹溝黃土-古土壤序列剖面中變化指示了不同時期黃土的發(fā)育環(huán)境，2 800～4 600 a.BP黃土沉積時成壤作用增強，沉積環(huán)境比較溫暖濕潤；全新世中期大約5 400 a.BP前后和晚期2 800 a以來黃土沉積成壤作用微弱，沉積環(huán)境較為干冷。鄭州西部全新世中期約5 400 a.BP至今研究區(qū)經(jīng)歷了冷干—暖濕—冷干的氣候旋回。

2)由于受氣候環(huán)境的影響，同一剖面不同地層單元黃土的元素含量有所差異，不同地層單元的黃土反射光譜曲線也表現(xiàn)出各自的特征與差異。5個地層單元反射光譜曲線整體相似，表現(xiàn)為在可見光范圍內(nèi)光譜呈上升趨勢，整體變化幅度較大，之后光譜曲線平穩(wěn)上升，變化幅度較小。對比這5種地層的平均反射光譜曲線，黃土層L0-2>黃土層L0-1>過渡層Lt>古土壤層S0-1>表土層TS。與原始光譜相比，黃土光譜反射率在經(jīng)過光譜變換后與黃土常量元素各參數(shù)的顯著相關(guān)性均有不同程度的增加，其中二階微分光譜與Fe2O3，MgO相關(guān)性最高，一階微分光譜與CaO，CaO/MgO相關(guān)性最高。

3)在邙山棗樹溝黃土剖面常量元素的反演模型中，基于偏最小二乘法Fe2O3的建模效果較差，CaO與MgO的建模效果較好，CaO/MgO的建模效果基本達到要求。Fe2O3，CaO以及CaO/MgO的最佳反演模型為以FD光譜變換為自變量的PLSR模型；MgO的最佳反演模型為以CR光譜變換為自變量的PLSR模型。

4)研究選擇的古環(huán)境指示元素Fe2O3，CaO和CaO/MgO的最佳反演模型能夠較好地區(qū)分不同的氣候區(qū)和所在區(qū)域古氣候的旋回變化。然而，盡管MgO不易區(qū)分不同的氣候區(qū)，但其反演模型所呈現(xiàn)的變化趨勢能較好指示所在區(qū)域的古氣候演化規(guī)律，有一定的指示參考價值。

本研究就鄭州邙山棗樹溝黃土剖面中黃土層-古土壤層-過渡層-黃土層的一個沉積序列進行了常量元素Ca，F(xiàn)e，Mg環(huán)境參數(shù)的反演模型構(gòu)建，為黃土環(huán)境的研究方法提供了新的思路和應用，在長時間尺度的環(huán)境演變中，光譜反演對氣候周期的變化有較好的指示。但黃土剖面常常記錄多次的氣候旋回，發(fā)育多個黃土-古土壤序列，且因氣候環(huán)境不同古土壤的發(fā)育強弱也不同；此外不同氣候區(qū)的黃土發(fā)育存在著差別，該項研究缺乏同一區(qū)域長時間序列和多個區(qū)域上的對比研究。黃土環(huán)境變化的研究中，指示環(huán)境的指標多樣，像Al，Si，K，Na等常量元素、微量元素、稀土元素等，有機碳、氮含量，沉積物粒度，磁化率等多項理化指標，在今后的研究中，我們將從空間上和時間上對更多的黃土環(huán)境參數(shù)的反演做進一步的對比分析，增強研究結(jié)果的說服力和應用區(qū)域。

本研究的主要研究手段為室內(nèi)光譜實驗分析，通過不同數(shù)學變換對光譜數(shù)據(jù)與黃土剖面環(huán)境參數(shù)相關(guān)性分析，但未結(jié)合高光譜影像反演到區(qū)域上。今后的工作中需要結(jié)合高光譜影像從而得到最優(yōu)的模型方法應用到黃土環(huán)境參數(shù)反演中，增強其實用性及適用性。