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(cè)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(lèi)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(guó)的密西西比平原、中國(guó)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(guó)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(shì)區(qū)和全國(guó)最大的商品糧生產(chǎn)基地。

然而，近年來(lái)相關(guān)研究和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于掠奪經(jīng)營(yíng)、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(wèn)題之一。

保護(hù)黑土地對(duì)于保障國(guó)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(lái)我們了解一篇在黑土地區(qū)探測(cè)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(cè)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(yíng)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(guó)家減產(chǎn)的程度可能會(huì)加劇。聯(lián)合國(guó)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(cè)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(fǎng)問(wèn)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(méi)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(guò)程的物理模型來(lái)模擬單個(gè)降雨事件中相互作用的侵蝕和沉積過(guò)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(cè)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(cè)侵蝕熱點(diǎn)。無(wú)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(jiàn)問(wèn)題還包括：(1)輸入過(guò)時(shí)的、靜態(tài)的和粗糙的分辨率數(shù)據(jù)，通常無(wú)法捕捉到侵蝕過(guò)程尺度上土壤侵蝕的時(shí)空變化；(2)缺乏空間分布的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)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(wèn)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(cè)土壤侵蝕熱點(diǎn)相關(guān)，且一些檢測(cè)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(lèi)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(cè)繪方法，從而能夠精確地檢測(cè)出多重侵蝕過(guò)程導(dǎo)致的侵蝕熱點(diǎn)。中國(guó)東北黑土區(qū)是一個(gè)糧倉(cāng)，年產(chǎn)量超過(guò)國(guó)家糧食產(chǎn)量的20%，然而其是中國(guó)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(cè)局部侵蝕熱點(diǎn)的方法對(duì)于實(shí)施針對(duì)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(duì)土壤侵蝕進(jìn)行準(zhǔn)確分類(lèi)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(guó)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(guó)東北吉林省中部德惠市木石河流域（44°34′-44°38′N(xiāo)，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(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)室高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)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(lèi)方案、創(chuàng)建混淆矩陣，通過(guò)Kappa系數(shù)評(píng)估分類(lèi)性能；最后通過(guò)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(duì)研究區(qū)土壤侵蝕情況進(jìn)行測(cè)繪與驗(yàn)證。