ASD Fieldspec 3 FR光譜儀在黑土地區(qū)農(nóng)田土壤侵蝕熱點(diǎn)探測(cè)方面的應(yīng)用

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(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(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(cè)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(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，年產(chǎn)量超過國(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，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(duì)研究區(qū)土壤侵蝕情況進(jìn)行測(cè)繪與驗(yàn)證。
 

（a, b）中國(guó)東北流域數(shù)字高程模型上采樣點(diǎn)空間分布；（c，d）哨兵-2彩色圖像(2021年5月13日）；（e，f）沿典型斜坡剖面的代表性采樣位置。

【結(jié)果】
 

基于實(shí)驗(yàn)室VNIR譜PC評(píng)分的線性判別分析（LDA）對(duì)三個(gè)斜坡位置進(jìn)行分類。

基于土壤的三個(gè)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)表土實(shí)驗(yàn)室平均光譜。(a)原始光譜和(b)連續(xù)體去除反射率。

用于侵蝕強(qiáng)度等級(jí)光譜分離的表土實(shí)驗(yàn)室光譜指數(shù)的箱形圖。

基于哨兵2裸土壤光譜的PC得分的線性判別分析（LDA）確定三個(gè)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)。

三種土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的平均光譜。(a)原始光譜和(b)連續(xù)去除反射率。

用于侵蝕強(qiáng)度類別光譜分離的哨兵-2光譜指數(shù)的箱形圖。

2021年6月，農(nóng)田范圍內(nèi)三個(gè)侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的NDVI密度圖；（b，c）是詳細(xì)土壤侵蝕模式的放大區(qū)域，（d，e）相應(yīng)的田間尺度NDVI圖。

【結(jié)論】

本研究在中國(guó)東北黑土區(qū)流域尺度上測(cè)試了多時(shí)間遙感探測(cè)侵蝕熱點(diǎn)的潛力。建立了一個(gè)地面真實(shí)數(shù)據(jù)集，包括在山頂、中坡和腳坡位置收集的土壤，由于其地形特征、凈侵蝕率和SOC含量的差異，對(duì)應(yīng)于中、重度和低侵蝕程度類別。對(duì)實(shí)驗(yàn)室和基于哨兵-2的土壤光譜數(shù)據(jù)的調(diào)查表明，由于侵蝕引起的土壤反照率和生化組成的變化，三個(gè)侵蝕類別中的土壤顯示出明顯的光譜特征，特別是在嚴(yán)重侵蝕的地區(qū)，其表土層明顯有大量土壤損失。

PCA-LDA在不同侵蝕影響下表現(xiàn)出明顯的類間光譜可分性，其對(duì)兩種數(shù)據(jù)源都產(chǎn)生了良好的分類精度（Kappa系數(shù)> 0.9），對(duì)哨兵-2光譜更是如此，從而能夠開發(fā)一種光譜分類方案，該方案由確定的光譜指數(shù)閾值組成，用于基于哨兵-2裸土混合物質(zhì)的像素級(jí)土壤侵蝕測(cè)繪，其中15.9%的農(nóng)田面積為侵蝕熱點(diǎn)，中等類占65.4%。將侵蝕圖與NDVI圖進(jìn)行比較，從空間角度來看，顯示了土壤侵蝕對(duì)作物生長(zhǎng)的負(fù)面影響。制作的高分辨率土壤侵蝕圖可以對(duì)土壤侵蝕和作物生產(chǎn)力之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步分析，突出了本研究提出的方法在黑土地區(qū)幫助糧食安全和氣候的有針對(duì)性可持續(xù)農(nóng)田管理方面的潛力。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步檢驗(yàn)這種方法在其他領(lǐng)域和更大的空間尺度上的可轉(zhuǎn)移性。
 

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