ASD | ASD Fieldspec 3 FR光譜儀在東北典型黑土地區(qū)農(nóng)田土壤侵蝕熱點(diǎn)探測方面的應(yīng)用

日期： 2023-06-02

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黑土地是指具有黑色或者暗黑色腐殖質(zhì)表土層，性狀好、肥力高的耕地，這類耕地可用于糧食生產(chǎn)。

黑土地是地球上最珍貴的土壤資源，地球上一共有四塊黑土地，分別是烏克蘭的烏克蘭平原、美國的密西西比平原、中國的東北平原以及南美洲阿根廷連至烏拉圭的潘帕大草原。我國東北平原典型黑土區(qū)耕地面積約2.78億畝，是重要的糧食生產(chǎn)優(yōu)勢區(qū)和全國最大的商品糧生產(chǎn)基地。

然而，近年來相關(guān)研究和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于掠奪經(jīng)營、水土流失等原因，黑土層厚度已逐漸減少，土壤有機(jī)質(zhì)含量也明顯降低，土壤侵蝕成了黑土地不容忽視的問題之一。

保護(hù)黑土地對于保障國家糧食安全、生態(tài)安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。接下來我們了解一篇在黑土地區(qū)探測土壤侵蝕狀況的論文。

ASD Fieldspec 3 FR光譜儀在東北典型黑土地區(qū)農(nóng)田土壤侵蝕熱點(diǎn)探測方面的應(yīng)用

土地退化影響著世界上大約三分之一的農(nóng)田，其中土壤侵蝕是最嚴(yán)重和最廣泛的退化形式。在侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)，土壤剖面可能出現(xiàn)明顯的截?cái)喱F(xiàn)象，導(dǎo)致富含碳和營養(yǎng)豐富的表土物質(zhì)空間重組，造成土壤有機(jī)碳（SOC）加速損失，土壤肥力下降，從而影響退化農(nóng)田的糧食生產(chǎn)。據(jù)估計(jì)，每10厘米土壤損失作物產(chǎn)量平均減少約4%，而由于農(nóng)業(yè)管理不當(dāng)和施肥水平低，發(fā)展中國家減產(chǎn)的程度可能會(huì)加劇。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)框架下的土地退化中立方案明確采用了SOC作為評(píng)估和監(jiān)測土地退化狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，更好地了解發(fā)生土壤侵蝕的地點(diǎn)和加速侵蝕程度，以及SOC損失的發(fā)生，將在很大程度上有助于全球在糧食安全和氣候方面可持續(xù)利用土壤資源的努力。普遍通用的土壤損失方程（USLE）擁有高度的數(shù)據(jù)可訪問性，然而，它仍然是一種經(jīng)驗(yàn)方法，只考慮了水蝕，而忽略了其他形式，如耕作和風(fēng)蝕，并沒有模擬土壤沉積。另外，主要在流域規(guī)模上，存在許多基于過程的物理模型來模擬單個(gè)降雨事件中相互作用的侵蝕和沉積過程，但其模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和模型參數(shù)化的不平衡往往會(huì)影響模型的空間預(yù)測能力，且當(dāng)前評(píng)估侵蝕發(fā)生地點(diǎn)和程度的方法仍然不足以在高空間分辨率下精確探測侵蝕熱點(diǎn)。無論使用何種建模方法，阻礙土壤侵蝕精確建模和制圖的常見問題還包括：(1)輸入過時(shí)的、靜態(tài)的和粗糙的分辨率數(shù)據(jù)，通常無法捕捉到侵蝕過程尺度上土壤侵蝕的時(shí)空變化；(2)缺乏空間分布的觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行嚴(yán)格的模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證。此外，土壤侵蝕追蹤技術(shù)作為得出凈侵蝕空間估計(jì)的可行選擇，其價(jià)格昂貴，在大空間尺度上的適用性有限。遙感的發(fā)展將解決上述問題，不僅因?yàn)楦叻直媛市l(wèi)星圖像的日益普及，土壤成像光譜學(xué)的快速發(fā)展也提供了直接捕獲由侵蝕引起的土壤特性變化的潛力，特別是SOC，如哨兵-2可以很好地明確評(píng)估土壤侵蝕程度。然而，很少有研究直接與哨兵-2衍生的土壤光譜信息檢測土壤侵蝕熱點(diǎn)相關(guān)，且一些檢測方法的普遍適用性以及支持基于不同侵蝕程度土壤光譜特征分類的基本機(jī)制仍有待進(jìn)一步探討。

鑒于上述研究差距，迫切需要一種有效的土壤侵蝕測繪方法，從而能夠精確地檢測出多重侵蝕過程導(dǎo)致的侵蝕熱點(diǎn)。中國東北黑土區(qū)是一個(gè)糧倉，年產(chǎn)量超過國家糧食產(chǎn)量的20%，然而其是中國受土壤侵蝕影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一，因此，一種有效檢測局部侵蝕熱點(diǎn)的方法對于實(shí)施針對性的保護(hù)措施具有重要意義。為此，本研究的目標(biāo)是建立一個(gè)方法框架，實(shí)現(xiàn)僅基于光譜特征對土壤侵蝕進(jìn)行準(zhǔn)確分類和高分辨率制圖。

基于此，在本研究中，由吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院、魯汶大學(xué)地球與生命研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所組成的一組研究團(tuán)隊(duì)以中國東北吉林省中部德惠市木石河流域（44°34′-44°38′N，125°51′-125°59′E，面積約46.20 km2）為例，進(jìn)行土壤取樣與分析（共選取72個(gè)采樣點(diǎn)，其中山頂19個(gè)，斜坡中段28個(gè)，山腳25個(gè)）；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用ASD Fieldspec 3 FR光譜儀測量土壤樣品VNIR光譜數(shù)據(jù)；建立地面真實(shí)數(shù)據(jù)集；結(jié)合主成分分析和綜合光譜判別分析（PCA-LDA）方法對實(shí)驗(yàn)室高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測試與分析、研究不同侵蝕影響下土壤的光譜可分性；建立侵蝕分類方案、創(chuàng)建混淆矩陣，通過Kappa系數(shù)評(píng)估分類性能；最后通過多時(shí)間裸土像素合成方法，優(yōu)化裸土反射率穩(wěn)定性，基于哨兵-2衍生的寬帶光譜對研究區(qū)土壤侵蝕情況進(jìn)行測繪與驗(yàn)證。