粒径对土壤光谱特性的影响

乔星星，冯美臣，杨武德，李广信,2，王超，贾学勤，张松

（1.山西农业大学旱作农业工程研究所，山西太谷030801；2.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原030031）

粒径对土壤光谱特性的影响

乔星星1，冯美臣1，杨武德1，李广信1,2，王超1，贾学勤1，张松1

（1.山西农业大学旱作农业工程研究所，山西太谷030801；2.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原030031）

土壤粒径是影响土壤光谱的重要因素之一。为了探究土壤粒径与土壤光谱的关系，以山西省闻喜县的冬小麦麦田土壤为研究对象，分别获取7个土壤粒径（2，1，0.5，0.25，0.154，0.125，0.074 mm）及相应的土壤光谱，通过分析不同粒径条件下土壤光谱反射率、土壤粒径与土壤光谱的相关性，研究土壤粒径对土壤光谱的影响及土壤光谱与粒径的响应关系。结果表明，不同土壤粒径大小对土壤的光谱曲线的形状以及光谱特征位置没有明显的影响，但是随着土壤粒径的减小，土壤光谱反射率呈现不同幅度的升高；分析不同土壤粒径光谱反射率的平均变化率可知，小于0.154 mm的土壤粒径对土壤光谱反射率的影响最大，位于近红外波段区域；相关性结果表明，土壤粒径和光谱反射率之间具有较好的相关性，在波段2 100 nm附近的相关性达到最大，相关系数可达-0.74，表明该波段与土壤粒径具有重要的相关关系。研究结果可为光谱技术应用于土壤生理生化指标的定量分析提供一定的理论参考和实践探索。

土壤粒径；土壤光谱；光谱特性

土壤是人类赖以生存的一种最基本自然资源，其在粮食生产中具有重要的作用。土壤的保护和可持续利用是解决粮食安全、气候变化、环境恶化和生物多样性等问题的重要途径[1]。因此，准确、快速、大面积了解土壤状况具有重要的意义。当前，准确掌握和了解土壤状况，获取区域、大范围的土壤数据是土壤科学中面临的主要问题[2]。而光谱遥感技术被认为是一种快速、无损、无污染、大面积、可重复性的分析技术，已被广泛应用于农业的各个领域[3-4]。

土壤颗粒组分是土壤质地分类的重要依据，也是影响土壤光谱的主要因素之一[5]。一般来说，土壤粒径越小，比表面积越大，反射率就越大[6-7]。Ben-Dor等[8]研究证实，土壤粒径可以影响其他土壤属性的光谱监测精度。另外，许多研究者利用光谱技术进行了土壤属性的估测，但是所研究的土壤粒径却不尽相同[9]。

本试验以闻喜县的冬小麦麦田土壤为研究对象，对耕作层土壤进行不同粒径的过筛处理，研究不同粒径条件下土壤光谱特征和各土壤光谱区域的反射率变化差异，并通过分析土壤粒径与土壤光谱的相关性，研究土壤粒径对土壤光谱特性的影响规律，为利用光谱技术研究土壤粒径处理提供一定的理论依据和实践参考。

1 材料和方法

1.1 土样的采集和制备

本试验以闻喜县的冬小麦麦田土壤为研究对象，在全县范围内共采集耕作层（0～20 cm）土壤样本70份。剔除土样中的石头和植物残体等后对土样进行风干处理，充分混匀后分为2份，一份用于测定原状土的土样光谱；另一份研磨后分别过2，1，0.5，0.25，0.154，0.125，0.074 mm筛，能过2 mm筛且无法过1 mm筛的土壤为粒径2 mm的土壤，其他粒径土壤通过相同的原理得到，累积得到8类不同粒径（含原状土）的土壤，共560个土样。

1.2 土壤光谱的测定

采用美国ASD公司的FieldSpec 3光谱仪进行土壤光谱的测定，得到波段范围为350～2500nm不同粒径土壤的光谱，光谱仪的采样间隔分别为1.4nm（350～1 000 nm区间）和2 nm（1 000～2 500 nm区间），重采样间隔为1 nm，共输出2 151个波段数。光谱测定在暗室内进行，光源为卤素灯，天顶角30°，视场角探头25°，探头位于土壤样品表面垂直上方15cm处。将提前制备好的土样置于直径10cm、深1.5 cm的圆形盛样器皿内，土样表面刮平。探头接收土壤光谱的区域为直径6.7 cm的圆，可保证探头接收的均为土壤的反射光谱。测试之前先进行白板校正。土样采集10条光谱曲线，旋转90°后再重新采集10条，每个土样共旋转3次，最后共采集40个光谱数据，平均处理后作为该土样的最终光谱。

1.3 数据分析

相关分析法是分析变量之间的相关关系的一种经典、可靠的方法，本研究对土壤光谱数据与土壤粒径进行了相关分析，并比较了二者之间的相关关系；使用Viewspec软件对土壤光谱数据进行剔除异常光谱、校正光谱断点、光谱均值化和光谱数据导出等预处理，利用Excel 2007，MATLAB 7.0进行数据处理和相关性分析，并利用Origion 8.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 土壤粒径对土壤光谱特性的影响

由图1可知，全波段范围内不同粒径土样的光谱反射率的曲线变化情况大体一致，都是随着波长的增加呈先上升后下降的趋势，在波段1400，1900，2 200 nm左右有3个水汽吸收带，符合土壤光谱曲线的一般特征规律，表明不同粒径大小对土壤光谱曲线的形状以及光谱特征的位置没有明显的影响，张晋等[10-11]也得到类似结果；对比不同粒径条件下的光谱反射率可知，在同一波长位置，不同粒径土壤的光谱反射率大小不同，经研磨后的土壤光谱反射率要高于原状土的光谱反射率，而且随着土壤粒径的减小，土壤光谱反射率呈现不同幅度的升高。

2.2 土壤粒径对土壤光谱区域反射率变化的影响

表1 不同土壤粒径光谱反射率的平均变化率%

为了更清楚地反映在不同粒径条件下及在不同波段范围内土壤光谱反射率的变化程度，本研究对不同粒径土壤在不同波段范围内的反射率的平均变化率进行了统计分析；为了明确粒径对土壤光谱的影响程度，光谱（350～2 500 nm）被分成可见光（350～780 nm）、近红外短波（780～1 100 nm）和近红外长波（1 100～2 500 nm）3个区域。反射率的平均变化率统计结果列于表1。

由表1可知，随着土壤粒径的减小，土壤光谱反射率在全波段（350～2 500 nm）、可见光（350～780 nm）、近红外短波（780～1 100 nm）和近红外长波（1 100～2 500 nm）范围内出现不同幅度的升高。从土壤粒径对各光谱区域内反射率的变化影响可知，粒径从0.154 mm降低到0.125 mm时，各区域光谱反射率增加的幅度最大，最大值可达24.14%；而从0.5 mm降低到0.25 mm时增加的幅度最小，最小值为0.81%。结果表明，小于0.154 mm的土壤粒径对土壤光谱反射率的影响最大。此外，在不同波段范围内的土壤光谱反射率的变化程度也有较大的差异，在近红外长波波段（1 100～2 500 nm）的变化幅度最大，平均可达到9.07%，在可见光波段（350～780 nm）的变化幅度最小，只有6.34%，全波段（350～2 500 nm）、近红外短波波段（780～1 100 nm）次之。

2.3 土壤粒径与土壤光谱的相关性分析

为了进一步探明土壤粒径对土壤光谱反射率的影响，本研究对土壤粒径（原状土没有具体的粒径数字，本研究不做相关分析）和光谱反射率进行了相关性分析（图2）。

从图2可以看出，土壤粒径与全波段光谱呈负相关关系，其中，土壤粒径与光谱（350～500 nm）的相关性较低，且呈上下波动的无规律变化；在500～2 500 nm范围内，随着波长的增加，粒径与光谱的相关性呈现先迅速增加后逐渐平稳的趋势，且在2 100 nm附近的相关性达到最大，相关系数为-0.74。结果表明，土壤粒径和光谱反射率之间具有较好的相关性，在本试验条件下，光谱波段2 100 nm与土壤粒径具有重要的关系。

3 结论与讨论

一般来说，土壤粒径对土壤的光谱曲线的形状以及光谱特征位置没有明显的影响[12-14]，但是随着土壤粒径的减小，土壤光谱反射率呈现不同幅度的升高。这主要是由不同粒径土壤的比表面积不同所造成的[15]。当土壤粒径较小时，土壤颗粒间的空隙减少，土壤颗粒间的结合越紧密[16]，比表面积增大，表面更趋平滑，可以增强光的反射作用，从而提高光谱反射率[17-18]；当土壤粒径较大时，土壤颗粒间的空隙增加，且加上阴影的影响[19]，在土壤表面发生较强的漫反射和散射作用，使光谱反射率降低[6]。

进一步分析粒径对各光谱区域反射率的影响可知，小于0.154 mm的土壤粒径对土壤光谱反射率的影响最大，且相比其他波段，近红外波段的平均反射光谱受土壤粒径变化的影响较大，马创等[13]也得到类似的观点。整体来看，粒径与土壤光谱具有较好的负相关关系，且在近红外区域内，粒径与土壤光谱的相关性较高，表明近红外区域光谱与土壤粒径有着紧密的关系，该区域被证实是富含土壤信息的重要光谱区域[20]。本研究证实，土壤粒径与近红外波段2 100 nm具有较高的相关关系，其在表征土壤粒径方面具有一定的应用潜力。

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Effect of Particle Size on Soil Spectroscopy Characteristics

QIAOXingxing1，FENGMeichen1，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

国家自然科学基金项目（31371572，31201168）；山西省科学技术发展计划项目（201603D221037-3）；山西省归国人员重点资助项目（2014-重点4）

乔星星（1989-），女，山西长治人，在读硕士，研究方向：作物生态和信息技术。冯美臣为通信作者。