不同盐结皮光谱特征及其盐渍化信息预测研究

张俊华 孙 媛 贾科利 高曦文 张学艺

(1.宁夏大学环境工程研究院， 银川 750021； 2.宁夏旱区资源评价与环境调控重点实验室， 银川 750021；3.宁夏大学资源环境学院， 银川 750021； 4.宁夏气象防灾减灾重点实验室， 银川 750002)

0 引言

盐结皮(又称盐壳)是指在气候干旱、地势低洼、地下水位较高的区域，水分强烈蒸发后，盐分在地表聚集而形成的一个特殊层次[1]。盐结皮硬度大、抗风蚀能力强，对降低土壤风蚀具有重要作用[2-3]。如何快速、准确地获取大面积盐结皮及盐渍化信息，并由此制定盐渍化土壤治理、改良等方面的决策，对农业可持续发展具有重要意义。遥感技术具有快速、实时、覆盖广等特点，为获取大面积盐渍化信息提供了手段。近地面高光谱遥感更是进行盐结皮及土壤盐渍化监测的一种较佳手段，利用高光谱技术监测盐结皮，对盐渍化土壤的分布、分类和盐渍化程度进行预测具有重要意义[4]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处宁夏回族自治区银北地区(106°24′～106°69′E，38°50′～39°04′N)，位于宁夏贺兰山东麓洪积扇和平原之间，年降水量为150～203 mm，年蒸发量1 755.1 mm以上，地形低洼，排水条件很差，是一个水分与盐分汇集的地区，形成了大面积盐渍化土壤。

1.2 光谱数据及指标测定

表1 不同盐结皮土壤有机质和养分状况Tab.1 Soil organic matter and nutrients of different soil salt crusts

表2 不同盐结皮层pH值及ECTab.2 Soil pH value and EC of different soil salt crusts

表3 不同盐结皮土壤盐分指标Tab.3 Soil salinity parameters of different soil salt crusts mg/kg

1.3 土壤盐结皮敏感波段及盐分指数的计算

对去噪后的光谱数据进行Savitzky-Golay平滑(T1)、平滑后一阶微分(T2)、平滑后倒数对数一阶微分(T3)、平滑后连续统去除(T4)、平滑后连续统去除一阶微分(T5)5种转换方式[8,11-12]，转换后与土壤盐分指标进行相关分析，确定最佳反射率转换方式，然后用该方式转换后的反射率来计算光谱盐分指数，计算方法[13-17]如表4所示。

表中G、R、B和NIR分别指绿光(492～577 nm)、红光(622～770 nm)、蓝光(455～492 nm)和近红外波段(770～1 050 nm)反射率经最佳方式转换后的值。L是增强R和G之间差异的校正系数，在分子为负值时L取值2～4，本文中L取值为2[17]。GRNIR为红光、绿光和近红外波段的平均值。

表4 盐分指数计算公式Tab.4 Soil salinity indexes for soil salinity assessments

1.4 盐分预测模型建立

60个样本分两部分，随机取40个样本用于建模，20个样本用于验证模型检验。将9个光谱指数与不同盐分指数做相关性分析，筛选出相关性最强的指数来建立各盐分指标的预测模型。利用敏感光谱指数，采用多项式、指数函数、幂函数等方法建模预测土壤pH值、EC和盐分离子含量，选择决定系数最大的方程为预测模型。模型的预测能力用验证样本的决定系数R2来检验，决定系数越大，模型预测能力越强。

2 结果与分析

2.1 不同类型盐结皮土壤光谱特征

不同类型盐结皮土壤光谱特征基本相似(图1)，450～600 nm反射率逐渐增大，在600 nm附近有明显的反射峰，而后反射率缓慢降低，但降幅不大。从不同类型盐结皮光谱曲线看，各类型盐结皮光谱反射率差异明显，其中白碱结皮光谱反射率最高，在600 nm附近反射率接近1；马尿碱结皮次之。黑油碱结皮光谱反射率最低，从可见光到近红外波段反射率变化不大，在450～1 050 nm反射率较白碱结皮、马尿碱结皮、瓦碱表皮、光板地和无结皮土壤分别低509.62%～747.18%、240.63%～575.86%、71.46%～138.24%、107.74%～294.19%和11.08%～36.95%(平均分别低604.77%、393.88%、92.21%、182.91%和16.72%)。整体来看，不同结皮层在蓝光波段和近红外波段反射率差异更显著。

图1 不同盐结皮土壤光谱特征曲线Fig.1 Characteristic curves of spectral of different soil salt crusts

2.2 光谱反射率与土壤结皮盐分指标相关性分析

图2 不同盐结皮单波段反射率与土壤盐分指标的相关系数变化Fig.2 Changes of correlation coefficients of single wavelengths reflectance to soil salinity parameters at different soil salt crusts

指标转换方式pH值ECCO2-3含量HCO-3含量Cl-含量SO2-4含量Ca2+含量Mg2+含量K+含量Na+含量T10.5637**0.8013**0.23630.1781-0.6144**0.2785-0.204-0.4213-0.35880.8566**T20.7503**-0.8905**0.5674**0.8362**0.8189**0.8599**-0.7839**0.7733**0.7478**0.8956**相关系数T30.7821**-0.867**0.7168**-0.809**-0.7657**-0.8684**0.8150**0.7938**-0.7870**0.8932**T40.7035**0.6934**0.7449**-0.6157**-0.7779**0.8242**0.6439**-0.7393**-0.6408**-0.7862**T50.8627**0.8933**0.8350**0.7727**0.7779**0.8469**0.7922**-0.8257**-0.7856**0.8933**T11039103345010471050104810371039450536T29089951044877898908967104210151047敏感波段/nmT39389149938261050796499593914635T458910331030451104810134615915851026T56509136805841050507935701636913

注：** 表示在1%水平上显著，下同。

确定与不同盐分指标相关性最强的反射率最佳转换方式后，分别在绿光(492～577 nm)、红光(622～770 nm)、蓝光(455～492 nm)和近红外波段(770～1 050 nm)4个波段内选取该转换方式下相关性最强的波段(表6)。不同盐分指标在各波段范围内敏感波段不尽相同。从10个盐分指标整体来看，蓝光波段450、470、485 nm附近，绿光波段501、530、575 nm附近，红光波段680 nm附近是盐分的敏感区域，近红外波段范围较广，各盐分指标敏感波段较多，但无明显集中区域。从这些波段就可以准确诊断出不同类型盐结皮土壤。

表6 不同盐分指标各区间敏感波段与最佳转换方式Tab.6 Sensitive wavelengths and the best transformed method of different salinity parameters

2.3 盐分指数与土壤结皮盐分指标相关性分析

表7 不同盐分指数与各盐分指标的相关系数Tab.7 Correlation coefficients between salinity indexes and salinity parameters

注： *表示在5%水平上显著，下同。

2.4 盐分指数对土壤盐分指标的预测

表8 敏感盐分指数对盐渍化土壤盐分指标的预测方程Tab.8 Predicted equations of salinity index to salinity parameters of soil crust

3 讨论

图3 盐结皮盐分指标拟合模型的验证Fig.3 Model checking of soil salinity parameters of soil crusts

4 结论

(1)研究区不同盐结皮土壤光谱反射率差异较大，其中白碱结皮光谱反射率在研究波段最高，马尿碱结皮次之，瓦碱结皮居中，黑油碱结皮最低。通过野外光谱反射率可以将研究区主要盐结皮类型进行分类。