盐分对南疆土壤有机质高光谱特征与定量反演的影响及方法研究

Hyperspectral remote sensing of soil organic matter (SOM) is a research hotspot in the field of soil science. It is sure that soil salt will affect hyperspectral remote sensing of SOM. But it is not clear how the effect works. In this study, natural salt-affected soils in southern Xinjiang will be selected; a scientific method will be developed to calculate SOM content in salt-affected soils; hyperspectral data, soil organic content, and soil salt content of these soils will be obtained in the laboratory. Then, the effect of soil salt on SOM content and composition will be analyzed; the sensitive bands for SOM content in salt-affected soil will be found out; the mechanisms that how soil salt affect SOM high spectral characteristics and its quantitative inversion will be clear. A hyperspectral remote sensing quantitative model will be established based on several analytical methods such as continuum-removal, component modeling, factor correction, partial least squares regression, principal components regression, neural network analysis, and so on. The results of this study will provide a theoretical basis and technical support in the aerospace hyperspectral remote sensing monitoring of SOM in salt-affected lands in the southern Xinjiang, will lay a foundation for rational planning and utilization of natural salt-affected soil resources in the southern Xinjiang, will have profound significance for sustainable development of agriculture and economy, and ecological protection and reconstruction, and also will provide a reference for similar researches of other salt affected soil areas.

土壤有机质的高光谱遥感监测是土壤学研究领域的热点，但关于盐分对盐渍化土壤有机质高光谱遥感监测的影响机理尚未明确。本研究采用室内高光谱测定方式，以南疆盐渍化自然土壤为研究对象，以有机质为研究因子。针对盐渍化土壤制定科学的有机质计算方法，通过野外采集不同盐渍化程度的土样，室内测定盐分和有机质数据，结合土壤高光谱数据，探明盐分对有机质含量及组成的影响；确定盐渍化土壤有机质的敏感波段；揭示盐分对有机质高光谱特征及其定量反演的影响规律；通过去包络线、组分建模、系数校正等手段，采用偏最小二乘回归、主成分回归、神经网络分析等建模方法，建立适宜于盐渍化土壤有机质的高光谱遥感定量反演模型。结果可为南疆盐渍化土壤有机质的高光谱遥感监测提供理论依据和方法支持，为该区域盐渍化自然土壤资源的合理规划与利用奠定基础，对当地农业、经济的可持续发展和生态保护与重建也具有深远意义。并可为其他盐渍化地区的研究提供借鉴。

土壤有机质是后备耕地资源合理开发利用的主要依据之一，利用光谱技术可以快速获取土壤有机质含量，但由于盐分光谱特征对土壤有机质光谱特征的影响，会引起盐渍化土壤有机质光谱预测精度的下降。本项目以南疆为研究区，采集了700个不同盐渍化程度的表层土样和300个不同厚度土层的土样，人工配置了90个同一有机质含量水平的不同盐分含量土样，通过室内测定的有机质及其组分含量和高光谱数据，分析了南疆盐渍化土壤有机质的光谱特征及敏感波段，土壤盐分的主要特征波段；构建了不同盐渍化程度土样的有机质含量光谱预测模型，并对比了模型的预测精度；分别构建了土壤有机质不同组分的光谱预测模型；采用了多种方法消除盐分对有机质光谱预测的影响。通过采集野外原位土壤光谱和不同厚度土层的有机质含量数据，分析了不同厚度土层有机质含量与反射率的相关性，并比较了6个土层的有机质反演精度。研究结果表明，南疆盐渍化土壤的有机质特征波段为600nm；土壤盐分在可见光波段对土壤的反射率影响最大，可引起反射率增加10~50%；随土壤盐渍化的加剧，有机质与反射率的相关性变弱，有机质在预测集的决定系数由0.85降低为0.61，RPD值由2.52降低为1.58；胡敏素、富里酸和胡敏酸与土壤反射率在可见光波段的相关性要优于近红外波段，胡敏素和胡敏酸的相关性要强于富里酸，三者预测模型的RPD值分别为2.79、1.26和2.04。采用连续统+系数校正的方法可有效提高盐渍化土壤有机质的光谱预测精度，预测模型的决定系数可达0.84，RPD可达2.45。不同厚度土层的有机质含量与原位光谱反射率的相关性强度存在一定差异，0~25cm土层的相关性要优于其他土层，其有机质光谱预测模型的决定系数为0.74，RPD为2.03。