實(shí)驗(yàn)室模擬不同鹽分土壤的高光譜特性1)

穆其爾 楊光 陳昊宇 張?zhí)扃?/p>

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018)

鹽漬土是我國(guó)干旱半干旱地區(qū)常見(jiàn)的土壤類型，分布廣泛[1]。重度鹽漬化會(huì)引起土地退化、土壤生產(chǎn)力下降以及糧食減產(chǎn)等一系列問(wèn)題[2-3]，如何準(zhǔn)確高效地評(píng)估鹽漬化土壤的理化性質(zhì)是當(dāng)前土壤組分研究的熱點(diǎn)之一[4]。高光譜監(jiān)測(cè)能夠通過(guò)光譜數(shù)據(jù)提供地物較為完整且連續(xù)的光譜信息從而定量分析地物，克服了傳統(tǒng)土壤鹽分測(cè)定方法的費(fèi)時(shí)和成本高等缺點(diǎn)[5]?？焖贉?zhǔn)確的對(duì)土壤鹽分含量的無(wú)損監(jiān)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)[6]，成為土壤理化性質(zhì)研究的理想手段。

鹽漬土中的可溶性鹽主要是土壤內(nèi)部陰、陽(yáng)離子的結(jié)合，各區(qū)域鹽分離子組成不同，差異較大，且當(dāng)鹽分含量過(guò)多時(shí)就會(huì)對(duì)土壤有不同程度的危害[13]：碳酸鹽類會(huì)顯著影響土壤磷的有效性，進(jìn)而影響土壤肥力；硫酸鹽和鈉鹽會(huì)使土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)減少，膠體分散，增大土壤粘結(jié)性，使其更易板結(jié)。因此，高效準(zhǔn)確獲取不同鹽分離子組成及含量等信息有助于鹽漬土的改良。內(nèi)蒙古鹽漬化土地種類多且嚴(yán)重，鹽漬土面積高達(dá)566萬(wàn)hm2，而土默川平原是鹽漬化典型分布區(qū)之一，因此，本研究以鹽漬化地區(qū)托克托縣為取樣地點(diǎn)，利用室內(nèi)獲取的土壤高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行可控實(shí)驗(yàn)，隔離外部因素影響，探索4種鹽溶液(NaCl、Na2CO3、Na2SO4、NaHCO3)處理下土壤光譜曲線變化，對(duì)比不同鹽分含量的土壤光譜信息之間的區(qū)別，并利用偏最小二乘回歸(PLSR)和多元線性逐步回歸(MLSR)兩種方法分別建立不同鹽分指標(biāo)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比，以期提高鹽漬化土壤鹽分含量的預(yù)測(cè)精度，為內(nèi)蒙古土默川平原鹽漬化土壤改良提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

托克托縣隸屬呼和浩特市，位于黃河上中游的土默川平原。氣候變化四季分明，為典型的干旱-半干旱性溫帶大陸性氣候。年溫差與日溫差均較大，無(wú)霜期可達(dá)130 d，年均氣溫最高與最低月通常為7月和12月，年均氣溫約為7.5 ℃。該區(qū)降水年際變化較大且分布不均，主要集中于7—9月份，年降水量335～535 mm，年均蒸發(fā)量處于1 700～2 000 mm。研究區(qū)土壤類型以灰褐土、淡栗鈣土為主，土壤鹽分含量高且可溶性鹽陰陽(yáng)離子種類豐富，鹽漬化土壤主要有蘇打鹽土、氯化物鹽土、硫酸鹽鹽土、硫酸鹽蘇打鹽土、硫酸鹽氯化物鹽土以及氯化物蘇打鹽土，研究區(qū)采樣地實(shí)測(cè)土壤可溶性鹽總量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布范圍為0.77～14.63 g·kg-1。植被主要為沙生植被、鹽生植被、沼澤植被和草甸植被。鹽生植被分布較為零散，伴有鑲嵌狀分布的沼澤、草甸植被。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 光譜數(shù)據(jù)測(cè)定

光譜儀器采用SVC HR-1024便攜式地物光譜儀(350～2 500 nm，1 024個(gè)波段)，最小積分為1 ms，350～1 000 nm光譜分辨率小于等于3.5 nm，1 000～1 850 nm光譜分辨率小于等于8.5 nm，1 850～2 500 nm光譜分辨率小于等于6.5 nm。將處理好的土壤置于黑色盛樣皿內(nèi)，盛樣皿直徑為10 cm，土壤厚度2 cm，在光源為50 W鹵素?zé)舻墓庹湛煽氐陌凳疫M(jìn)行光譜測(cè)量。每次測(cè)量之前，儀器都需進(jìn)行預(yù)熱及白板校正，距土樣表面15 cm垂直進(jìn)行測(cè)量，視場(chǎng)角25°，探頭所接受的光譜區(qū)域?yàn)橹睆?.77 cm的圓，小于盛樣容器面積，以保證探頭所接受的均為所測(cè)樣品反射光譜。對(duì)每一土樣進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)量，取均值為該樣品的原始光譜數(shù)據(jù)。

2.3 光譜數(shù)據(jù)處理

圖1 R′和R″處理后光譜曲線

2.4 特征波段選取

研究表明，對(duì)光譜原數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換能夠更為有效的反映土壤含鹽量與光譜信息之間的關(guān)系[15-17]，因此選擇對(duì)樣本的土壤鹽分及其含量與所選光譜數(shù)據(jù)的最優(yōu)數(shù)學(xué)變換結(jié)果進(jìn)行逐波段的相關(guān)性分析，計(jì)算相關(guān)系數(shù)r，選擇相關(guān)系數(shù)高波段作為后續(xù)建模所需的敏感波段。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

2.5 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

反演土壤鹽分含量的關(guān)鍵在于選取有效的數(shù)學(xué)模型，為保證評(píng)價(jià)模型精度及其穩(wěn)定性，以及樣品之間的含鹽量間隔，將每種鹽溶液處理的36個(gè)樣本分為兩部分，24個(gè)樣本作為建模樣本，12個(gè)樣本作為驗(yàn)證樣本。運(yùn)用特征波段，采用多元線性逐步回歸(MLSR)和偏最小二乘回歸模型(PLSR)分別建立4種鹽分的高光譜反演模型。偏最小二乘的回歸方法組合了多元線性回歸分析以及主成分分析和典型相關(guān)分析，經(jīng)驗(yàn)證可有效消除參量間多重共線性，多元線性逐步回歸則是優(yōu)化一般多元線性分析方法的過(guò)程[14]，模型的精度由決定系數(shù)(R2)和均方根誤差來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)，R2越大，模型越穩(wěn)定；均方根誤差越小，模型預(yù)測(cè)能力越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同鹽分土壤光譜特征分析

從整體上來(lái)看，經(jīng)鹽溶液處理后的各土樣光譜反射率均大于對(duì)照組，表明土壤鹽分含量的增加會(huì)引起土壤反射率的增加，與張麗等[18]研究結(jié)果一致；4種光譜均在400～1 300 nm波段范圍內(nèi)迅速上升，在1 400 nm波段附近出現(xiàn)較為明顯的淺水分吸收谷，在1 500～1 800 nm各曲線上升趨勢(shì)明顯減緩，直至1 900 nm附近出現(xiàn)第二個(gè)深水分吸收谷，4種土壤光譜曲線在該波段均呈整體下降趨勢(shì)。經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%和1.2%鹽溶液處理的4種土樣，在400～1 000 nm波段內(nèi)反射率由大到小的順序?yàn)镹a2SO4、NaCl、NaHCO3、Na2CO3，在1 000～2 400 nm波段內(nèi)反射率由大到小的順序?yàn)镹a2SO4、Na2CO3、NaHCO3、NaCl。在400～2 400 nm波段內(nèi)，其余10種濃度鹽溶液處理后土樣光譜反射率由大到小的順序?yàn)椋篘a2SO4、Na2CO3、NaHCO3、NaCl。由于各鹽分含量與反射率之間的相關(guān)性具有差異，4種光譜曲線反射峰、吸收谷等位置表現(xiàn)出一定的不同，因此，4種鹽分類型土壤在光譜曲線上較易區(qū)分。NaCl土樣光譜曲線中，反射率最高的為經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%鹽溶液處理的土樣，反射率最低的為經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%鹽溶液處理的土樣，呈現(xiàn)出NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，反射率越低的形態(tài)。由于空氣所含水分極易被氯化物吸收，水分含量的增加會(huì)使其反射率下降[20-21]；Na2CO3土樣、Na2SO4土樣和NaHCO3土樣的光譜曲線表現(xiàn)出反射率隨含鹽量增加而遞增的規(guī)律，與劉亞秋等[22]研究的結(jié)果一致。

圖2 不同鹽分土壤高光譜曲線

3.2 不同鹽分土壤敏感波段選取與分析

由圖3可知，土壤光譜波長(zhǎng)較多，若全部代入模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，波長(zhǎng)間的冗余性使模型預(yù)測(cè)精度降低，因此，建模所需特征波段的選取十分重要。采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法將4種土壤的含鹽量與光譜原數(shù)據(jù)的10種數(shù)學(xué)變換結(jié)果分別做相關(guān)性分析，并以此選擇后續(xù)建模所需敏感波段。4種土樣原始光譜數(shù)據(jù)與土壤含鹽量相關(guān)性由高到低依次為：NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3。NaCl土樣反射率各波段相關(guān)性全部呈負(fù)相關(guān)，Na2SO4土樣反射率全部呈正相關(guān)，該結(jié)論與孫亞楠等[13]研究結(jié)果一致；Na2CO3土樣反射率相關(guān)性在1 905～2 205 nm和2 370～2 400 nm波段內(nèi)為負(fù)相關(guān)，其余均為正相關(guān)；NaHCO3土樣除1 660～2 400 nm波段外，其余波段均為正相關(guān)。4種土樣經(jīng)最優(yōu)數(shù)學(xué)變換后高光譜與土壤含鹽量相關(guān)系數(shù)，不同鹽分離子對(duì)各波段的敏感性不同，當(dāng)n=36，|r|>0.279代表在0.5水平上顯著，|r|>0.424則代表在0.01水平上顯著。

圖3 最優(yōu)變換后光譜與鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)系數(shù)

表1 不同鹽分土壤最優(yōu)光譜處理方式

3.3 土壤鹽分高光譜模型建立與驗(yàn)證

表2 不同鹽分土壤高光譜反演模型

不同土樣的不同數(shù)據(jù)處理方式之間的決定系數(shù)和均方根誤差都有一定差別，同一土樣采取的數(shù)據(jù)處理方式不同其模型精度也有一定區(qū)別。按照決定系數(shù)最接近1和均方根誤差最小的原則，應(yīng)用PLSR方法建立的模型，各個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)變換后的模型精度明顯高于MLSR方法所建立的模型。NaCl土樣光譜反射率經(jīng)一階微分變換后，利用PLSR方法所建立的最優(yōu)模型比MLSR方法建立的模型的決定系數(shù)增加了0.108，均方根誤差降低了1.499；NaHCO3土樣經(jīng)對(duì)數(shù)的一階微分變換后，應(yīng)用MLSR方法建立的最優(yōu)模型比PLSR方法建立的模型模型，其決定系數(shù)仍小0.017。由于MLSR方法在建立模型過(guò)程中，各個(gè)自變量的波段間相關(guān)性比較強(qiáng)，導(dǎo)致多重共線問(wèn)題的出現(xiàn)，模型穩(wěn)定性隨之受影響，預(yù)測(cè)效果相對(duì)較差[13]。由此，PLSR模型相對(duì)更適合進(jìn)行土壤鹽分定量反演。

分別以未進(jìn)行建模的剩余數(shù)據(jù)作為準(zhǔn)真值，對(duì)模型的反演預(yù)測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證。由圖4可知，模型中在土壤含鹽量較高處有個(gè)別異常點(diǎn)，除此以外樣本大體上分布在1∶1線兩側(cè)，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間有較好的一致性，因此，本文所建立PLSR模型有效，較適宜進(jìn)行土壤不同種類鹽分濃度高光譜反演。

圖4 最優(yōu)PLSR模型的含鹽量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值散點(diǎn)圖

4 討論

土壤高光譜綜合反映了土壤所含有機(jī)質(zhì)、水分、鹽分等各種組分信息，同時(shí)包括土壤類型、氣象等周圍的環(huán)境信息[21]。為具體了解某種鹽分對(duì)土壤光譜的影響，本文選擇對(duì)非鹽漬土中加入適量鹽溶液，在室內(nèi)進(jìn)行光譜反射率測(cè)定，通過(guò)可控實(shí)驗(yàn)在一定程度上隔絕了外部因素影響。研究發(fā)現(xiàn)含4種鹽分各濃度土壤反射率均大于對(duì)照組，在光譜曲線上也反應(yīng)出不同的特性。Na2SO4土樣整體上光譜反射率最高，這是由于鹽溶液處理土樣過(guò)程中，鹽分濃度較高時(shí)在土壤表面會(huì)出現(xiàn)鹽斑，Na2SO4是單斜晶系，其集合體呈皮殼狀或致密塊狀，導(dǎo)致光譜反射率較高。Na2CO3和NaHCO3與水結(jié)合過(guò)程中釋放出CO2，從而使其結(jié)皮層外觀呈蜂窩狀且蓬松粗糙，反射率較Na2SO4土樣低。張俊華等[22]研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽型白堿結(jié)皮光譜反射率大于碳酸鹽型瓦堿結(jié)皮的結(jié)論與上述結(jié)論一致。土壤鹽分具有表聚性，從而增強(qiáng)其反射率，由此也提高了通過(guò)高光譜識(shí)別土壤鹽分信息的準(zhǔn)確性。但野外鹽漬土是各類鹽分的組合，不僅僅局限于本研究中所選4種鹽分，因此，其他單一鹽分類型，如：CaCl2、MgCl2等以及常見(jiàn)鹽分的組合形式對(duì)土壤光譜的影響都有待進(jìn)一步研究。

不同的光譜數(shù)據(jù)處理方式效果不同，本文所選取的光譜反射率數(shù)學(xué)變換方式中，對(duì)于光譜數(shù)據(jù)的一階微分變換效果整體較好，能在不同程度上提高土壤反射率與土壤含鹽量之間的相關(guān)性，這是由于光譜的微分變換可在消除漂移基線或平滑背景的干擾下，使原始光譜輪廓更加清晰，提高了光譜數(shù)據(jù)與土壤鹽分含量間的相關(guān)性。劉亞秋等[19]用1 493、1 911 nm兩個(gè)波段反射率的一階導(dǎo)數(shù)作為特征光譜，構(gòu)建的模型實(shí)現(xiàn)了黃河口區(qū)土壤主要鹽分離子的有效估測(cè)；馬利芳等[23]將所測(cè)得光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階求導(dǎo)處理后，以4個(gè)交叉波段建模對(duì)新疆荒漠區(qū)土壤鹽分含量進(jìn)行了反演，與本文的研究結(jié)論基本一致。提高了原始光譜分辨率，能夠使光譜數(shù)據(jù)與SSC間的相關(guān)性提高。

5 結(jié)論

(1)不同種類、不同濃度的鹽分對(duì)土壤的光譜曲線有不同影響，但各土樣反射率均高于未經(jīng)處理的土樣；經(jīng)Na2CO3、Na2SO4和NaHCO3鹽溶液處理的土壤光譜反射率隨著土壤含鹽量的增加而增加，NaCl溶液處理后的土壤的反射率隨著土壤含鹽量的增加而遞減。

(2)4種土樣原始光譜數(shù)據(jù)與土壤含鹽量相關(guān)性從高到低依次為：NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3，NaCl土樣反射率各波段相關(guān)性全部呈負(fù)相關(guān)，Na2SO4土樣反射率相關(guān)性全部呈正相關(guān)，NaHCO3和Na2CO3土樣反射率相關(guān)性以正相關(guān)為主。對(duì)光譜原數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換后，各土樣的相關(guān)系數(shù)較大波段，大多集中在近紅外波段(780～2 500 nm)，其中，經(jīng)NaCl處理后的土壤光譜反射率與土壤含鹽量相關(guān)性較好波段在紅波段(620～780 nm)也有所分布。各土樣最大相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均大于0.767，選取的敏感波段用來(lái)建?？尚哦容^高。

(3)4種土樣建立的模型間均有一定區(qū)別，建模效果最好的是NaCl土樣的光譜反射率經(jīng)一階微分變換的PLSR模型，決定系數(shù)和均方根誤差分別為0.871和0.764；MLSR模型中效果最好的為經(jīng)對(duì)數(shù)一階微分處理后的NaHCO3模型，決定系數(shù)和均方根誤差分別為0.824和0.846。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換后的光譜數(shù)據(jù)所建立的PLSR模型中，土壤光譜反射率經(jīng)R′變換后的模型精度整體上較高，NaCl、Na2CO3、Na2SO4和NaHCO3溶液處理后的土壤樣品，土壤光譜反射率經(jīng)R′變換后建立的PLSR模型的決定系數(shù)依次為0.871、0.835、0.867和0.773，建模和驗(yàn)證精度均較高；對(duì)比兩種模型，PLSR模型從整體上反演效果優(yōu)于MLSR模型，更適合進(jìn)行土壤含鹽量模型的反演。