基于多光谱遥感影像的表层土壤有机质空间格局反演

利用多光谱LandSat TM遥感影像反演辽宁省阜新镇表层土壤有机质的空间格局,筛选出与土壤有机质分布相关的TM波段,分析并确定表层土壤有机质含量与TM1、TM2、TM3、TM4、TM5、TM6、TM7波段亮度值(digital number,DN)的相关关系,建立了土壤有机质含量的光谱预测模型.结果表明:研究区表层土壤有机质含量与TM4、TM5波段DN值呈极显著的负相关关系(r分别为-0.617和-0.623,P0.001),与TM3、TM5波段DN值之间满足负二次多项式回归关系(R2=0.9134,P0.001);基于TM3、TM5波段DN值的回归模型对研究区表层土壤有机质含量的预测结果可靠(R2=0.9151,P0.001).研究区表层土壤有机质含量10g·kg-1的农田主要分布在山地边缘地带,而平坦地区农田表层土壤有机质含量一般10g·kg-1,部分达到15～20g·kg-1.     

基于小波变换的土壤有机质含量高光谱估测

利用统计分析方法选取了土壤N、P、K元素含量近似而有机质含量差异较大的样本60个,通过高光谱探测分析获得样本反射率对数的一阶导数光谱,采用Bior 1.3函数进行多层离散小波分解,剔除低频近似信号和高频噪声信号,得到反映土壤理化参数的特征光谱曲线;采用相关分析筛选土壤有机质含量的显著相关波段,基于显著相关波段和特征光谱曲线分别构建土壤有机质含量高光谱多元回归估测模型;通过比较分析,确定了提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解尺度并构建了最佳预测模型.结果表明： 提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解层数是9层,其次是8层和10层;基于小波9层分解特征光谱曲线的有机质含量估测模型最佳,其决定系数（R²）为0.89,比基于显著相关波段构建模型的R²增加了0.31,比基于原始光谱所构建模型的R²增加了0.10.     

基于小波变换的土壤有机质含量高光谱估测术

利用统计分析方法选取了土壤N、P、K元素含量近似而有机质含量差异较大的样本60个,通过高光谱探测分析获得样本反射率对数的一阶导数光谱,采用Bior 1.3函数进行多层离散小波分解,剔除低频近似信号和高频噪声信号,得到反映土壤理化参数的特征光谱曲线;采用相关分析筛选土壤有机质含量的显著相关波段,基于显著相关波段和特征光谱曲线分别构建土壤有机质含量高光谱多元回归估测模型;通过比较分析,确定了提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解尺度并构建了最佳预测模型.结果表明:提取土壤有机质特征光谱的最佳小波分解层数是9层,其次是8层和10层;基于小波9层分解特征光谱曲线的有机质含量估测模型最佳,其决定系数(R2)为0.89,比基于显著相关波段构建模型的R2增加了0.31,比基于原始光谱所构建模型的R2增加了0.10.     

基于激光雷达数据的森林表层土壤有机质空间格局反演

森林土壤是陆地生态系统的主要碳库,其有机质含量是估算碳储量的基础数据,也是评价土壤碳汇功能的重要指标.利用2009年8月采集的凉水自然保护区激光雷达（LiDAR）数据和55块固定样地土壤有机质含量数据,结合偏最小二乘算法,反演森林表层土壤有机质的空间格局,提取并筛选出与土壤有机质分布相关的变量,分析并确定变量（强度、点数、高程、坡度和坡向）值与土壤有机质含量的相关关系,建立土壤有机质含量的预测模型并检验.结果表明： 研究区域表层土壤有机质含量与强度、点数和高程3变量呈极显著相关（r分别为0.765、0.423和0.475）;基于此3变量的预测模型对研究区域表层土壤有机质含量的预测结果可靠（精度83.3%,R²=0.725,RMSE=1.955）.研究区林缘和郁闭度较小林分的表层土壤有机质含量<100 g·kg^-1;大部分区域表层土壤有机质含量为100~150 g·kg^-1,少部分区域为150~318.4 g·kg^-1.     

一种青海湖流域消除植被光谱对土壤光谱影响的土壤有机质含量遥感估算方法

基于遥感技术手段快速测定区域尺度土壤有机质含量(SOM), 对气候、陆地生态系统和农业等领域具有重要的作用和意义。但现有的多光谱遥感影像因其波段宽度较窄, 包含的土壤有机质信息有限, 导致其估算结果的可靠性与精度较低。为此, 以青海湖流域为实证试验区, 将2016 年9 月底(此时, 青海湖流域牧草等植被停止生长, 土壤有机质积累达到全年最高)地面采集并测定的土壤有机质含量数据与同时期MODIS 黑空BRDF/Albedo 产品的宽、窄波段进行了对比与检验。发现: BRDF/Albedo 宽波段的相关性(近红外、短波波段相关系数分别为0.704 和 0.670)高于窄波段相关性(第2, 5, 6 波段的相关系数分别是0.583、0.631 和0.625), 证实了宽波段含有更加丰富、完整的土壤有机质含量信息。为了进一步提高SOM 估算的精度, 基于梯形方法构建了宽波段近红外反照率/植被覆盖度梯形特征空间,从宽波段近红外反照率(包含植被、土壤混合光谱)中成功分离出裸土反照率, 并分别构建了SOM 遥感估算模型。经验证,消除了植被对土壤光谱影响的裸土反照率模型精度(均方根误差为16.87、平均绝对百分比误差为30.0%, 希尔不等系数为0.22)高于宽波段近红外反照率模型精度(均方根误差为20.12、平均绝对百分比误差为31.0%, 希尔不等系数为0.27)。该方法简单易操作, 不仅有助于提高表层土壤有机质含量遥感估算的精度, 也可为土壤其他属性如N, P等元素含量的遥感估算提供了新思路。     

湖南烤烟化学成分与土壤有机质含量的关系

以湖南烟区烤烟样品和对应的土壤样品为材料,研究了烤烟化学成分与土壤有机质含量的关系。结果表明,土壤有机质含量总体水平较高,平均为39.06g.kg-1±11.90g.kg-1;烤烟化学成分均存在着不同程度的变异,烟叶总氮和总钾含量较高,烟碱、总糖、氯和还原糖含量适宜;烤烟烟碱与土壤有机质含量的关系符合线性加平台模型,土壤有机质出现平台的转折点为36.25g.kg-1,与之对应的平台阶段的烟碱含量为3.00%;硝酸盐、亚硝酸盐含量随土壤有机质含量的增加而增加(P<0.01);石油醚提取物含量则有随土壤有机质含量的增加而减少的趋势;土壤有机质含量分组后,多重比较分析表明烟碱、总氮、硝酸盐、亚硝酸盐、石油醚提取物、钾、氯离子、总氮/烟碱、还原糖/烟碱、钾/氯在组间差异均达到5%的显著水平,而总糖和还原糖含量在组间差异不显著。     

秸秆焚烧对土壤有机质和氮磷钾含量的影响

秸秆露天焚烧作为对废弃秸秆常见的处理方式在中国普遍存在。目前的研究多集中在焚烧对区域大气环境的影响,对土壤环境的化学效应研究较少。因此,为揭示大田秸秆焚烧对土壤生物化学性质的影响,设置不焚烧(CK)、减量焚烧(A1)、全量焚烧(A2)、增量焚烧(A3)4个处理,通过连续4个月的田间小区定位试验,探究不同小麦秸秆焚烧量对耕层0—5 cm土壤有机质含量、微生物数量、土壤养分含量的即时效应和各指标在玉米各生育期内的变化情况。结果表明:小麦秸秆焚烧1 d后土壤有机质含量和微生物数量相对于CK显著降低(P0.05)。其中,有机质含量在焚烧后减少11.0%—22.1%,真菌数量降低30.8%—56.1%,细菌数量降低50.6%—72.6%,放线菌数量降低46.9%—68.3%。土壤全效和速效养分含量显著增加(P0.05):全磷含量增加6.5%—12.9%,全钾含量增加4.6%—18.1%,全氮含量增加2.6%—13.2%。速效磷含量增加9.8%—39.1%,速效钾含量增加13.2%—39.1%,铵态氮含量增加8.6%—38.7%,硝态氮含量增加1.4%—9.2%。各指标的变化幅度随焚烧量的增多而加大(A3A2A1)。玉米生育期内,焚烧处理的土壤有机质含量平均恢复5.6%(A1A2A3)。与有机质相比,焚烧处理土壤微生物数量恢复程度较高,其中细菌的恢复速率最快。在玉米苗期各焚烧处理的真菌、细菌和放线菌平均数量相对于CK依次降低12.7%、17.4%、11.9%,在大喇叭口期和成熟期,微生物数量与CK间差异不显著。速效养分含量在玉米生育期显著高于CK。在玉米苗期、大喇叭口期和成熟期,相对于CK速效磷含量平均增加24.9%、27.0%、29.2%,速效钾平均增加24.0%、14.1%、15.2%,铵态氮平均增加25.5%、23.1%、20.2%,硝态氮平均增加20.8%、19.2%、19.8%。     

基于叶面积指数反演的区域冬小麦单产遥感估测

利用定量遥感技术反演的叶面积指数（LAI）在中国北方黄淮海地区典型县市进行冬小麦单产预测研究.为提高数据质量和减少估产误差,利用Savitzky-Golay滤波技术降低云对NDVI数据的影响及数据缺失;通过冬小麦实测LAI进行时序内插,模拟得到实测点每日冬小麦LAI,继而获得实测点主要生育时期平均LAI;在此基础上,建立了冬小麦主要生育时期平均LAI与作物单产关系模型,改变目前利用生育时期内某一时间点LAI代替整个生育时期LAI的方法;在模型择优基础上,得到最佳遥感估产关键期--开花期LAI与单产统计模型;最后,利用MODIS-NDVI经验模型反演得到的开花期平均LAI进行2008年冬小麦单产预测.结果表明：与地面实测的冬小麦单产相比,研究区估产平均相对误差为1.21%,RMSE达到257.33 kg·hm^-2,可以满足大范围估产的要求.利用上述方法可以在研究区冬小麦收获前20～30 d进行准确的单产估计.     

基于无人机遥感监测滩涂湿地入侵种互花米草植被覆盖度

为了实现对沿海滩涂湿地资源与生态环境的有效管理与利用,需要对区域内的入侵种互花米草进行高精度的监测与分析.本文以福建三沙湾为试验区,以低空无人机获取的可见光和多光谱影像为数据源,对互花米草植被覆盖度进行监测与分析,通过NDVI指数模型获取了多光谱影像的植被覆盖度信息,以可见光影像为参考进行了精度检验.结果表明: 影像区互花米草植被覆盖度以40%～60%和60%～80%的中高和高等级覆盖度为主.NDVI模型估算值与真实值之间的均方根误差RMSE为0.06,决定系数R²为0.92,两者具有较好的一致性.     

推迟拔节水灌溉对宽幅精播麦田冠层温度与叶片水分利用效率的影响

为了探讨冬小麦高效节水灌溉模式,于2012—2013年在山东农业大学试验站采用两种种植模式(宽幅精播种植和常规种植),每种种植模式设3种灌溉处理(全生育期不灌溉、拔节期灌溉60 mm和拔节后10 d灌溉60 mm),研究了推迟拔节水灌溉对宽幅精播麦田冠层温度、光合速率、蒸腾速率、叶片水分利用效率(WUEL)和籽粒产量等的影响。结果表明,推迟拔节水灌溉显著提高了宽幅精播麦田生育后期的冠层温度、旗叶光合速率和蒸腾速率,且在冬小麦生长后期推迟拔节水灌溉显著提高了宽幅精播麦田的WUEL,有利于实现宽幅精播麦田的节水高产;产量构成因素中,推迟拔节水灌溉对两种种植模式的千粒重均没有显著影响,但推迟拔节水灌溉显著提高了宽幅精播麦田的穗粒数和籽粒产量。统筹考虑冬小麦的WUEL和籽粒产量,推迟拔节水灌溉对宽幅精播麦田实现节水高产具有一定的现实意义。     

施氮对半湿润农田生态系统不同冬小麦品种灌浆期物质转移的影响

在年均降水量632 mm的黄土高原南部半湿润红油土上,以NR9405、9430、偃师9号、小偃6号、陕229、西农2208、矮丰3号和商188为供试材料,进行大田试验,研究在不施氮和施氮(90 kg.hm-2)条件下不同品种冬小麦灌浆特性及物质转移效率。结果表明,冬小麦干物质生产及物质转移效率共同受品种和氮肥的影响。开花期老叶、茎鞘和成熟期茎鞘、籽粒干重间存在显著差异。施氮对开花期、成熟期地上部各部位干重均有明显的促进作用。各部位干物质转移量、转移效率和转移量对籽粒的贡献率既与品种有关,也与施氮有关;氮肥的影响又因品种不同而异。干物质转移量、转移效率和转移干物质对籽粒的贡献率在8个供试品种中,最高的是NR9405,最低的是偃师9号,除NR9405和西农2208籽粒中50%以上干物质来自于开花前贮存光合产物的再转移外,其余6个品种籽粒中50%以上的干物质来自于开花后新合成的同化产物。干物质转移量对籽粒的贡献率以穗轴+颖壳部位最低,且多数处理为负值,以茎秆为最大,叶片居中。从总体看,干物质转移量、干物质转移率和干物质转移量对粒重的贡献率在不同品种之间的差异大于施氮处理间的差异,施氮后降低了干物质向籽粒中的转移。     

不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响

通过两个生长季试验,研究了不同耕作方式和秸秆还田及其交互效应对小麦全生育期0～20 cm土壤有机碳含量的影响.结果表明：小麦不同生育时期0～20 cm土层有机碳含量呈明显的动态变化;秸秆还田各处理的有机碳含量都高于无秸秆还田处理;保护性耕作措施土壤有机碳增加量显著高于传统翻耕.除传统翻耕处理外,各处理0～10 cm土层的有机碳含量都高于10～20 cm土层,秸秆还田各处理0～10 cm土层有机碳含量表现为深松(PS)＞旋耕(PR)＞免耕(PZ)＞耙耕(PH)＞传统翻耕(PC),而10～20 cm土层表现为传统翻耕(PC)＞深松(PS)＞旋耕(PR)＞耙耕(PH)＞免耕(PZ),说明保护性耕作措施能提高0～10 cm土层的有机碳含量.多因素方差分析表明：耕作因素、秸秆因素和两者交互效应在不同生育期对0～20 cm土层的有机碳含量都有显著影响.     

基于无人机航测的漯河市土地利用景观格局尺度效应

景观格局的尺度效应一直是景观生态学研究的核心内容,对于揭示景观空间格局变化规律及其生态过程具有重要意义。以漯河市中心城区为研究对象,基于景观生态学原理,采用无人机航测技术获取空间分辨率为0.09 m的无人机影像,结合GIS空间分析法,量化分析了漯河市土地利用景观格局的尺度效应。结果表明:(1)漯河市中心城区土地利用景观格局具有明显的粒度和幅度效应。(2)粒度越小,景观格局指数随空间粒度的变化趋势越稳定,其表达的生态过程越真实;景观水平上景观格局的粒度效应是由建筑、道路和绿地景观在景观优势度、破碎度和聚集度等方面的变化导致的;35 m和3 m分别为研究粒度效应的临界阈值和最佳粒度。(3)景观优势度、破碎度和蔓延度随空间幅度的增加而降低,景观复杂程度和聚集度随空间幅度的增加而增加;景观格局具有明显的空间梯度分布特征——从市中心往外由不透水地面向透水地面过渡;建筑和道路在城市中心区聚集度较高,而绿地景观在城市内部破碎度较高,进而主导了整体景观格局的梯度变化;景观组分的稳定与城市规模有关。(4)无人机航测技术可以更快速、准确地获取城市尺度上的景观生态信息,揭示景观格局对尺度效应的响应特征,可为景观格局优化和城乡景观规划提供科学依据。     

土地利用方式对土壤有机质的影响

通过对地带性常绿阔叶林、杉木人工林、农田、竹林等不同土地利用方式下土壤有机质总量、活性有机质及其组分的研究,发现土地利用方式对土壤有机质和活性有机质各组分的影响差异显著,其中阔叶林含量最高,杉木人工林低于阔叶林,竹林和农田最低。这些差别主要是由于凋落物的数量、质量以及各种管理措施不同所致。     

Comparison of leaf area index inversion for grassland vegetation through remotely sensed spectra by unmanned aerial vehicle and field-based spectroradiometer

Aims Remote sensing technology has been proved useful in mapping grassland vegetation properties. Spectral features of vegetation cover can be recorded by optical sensors on board of different platforms. With increasing popularity of applying unmanned aerial vehicle (UAV) to mapping plant cover, the study aims to investigate the possible applications and potential issues related to mapping leaf area index (LAI) through integration of remote sensing imagery collected by multiple sensors.     

保护性耕作和杂草管理对冬小麦农田土壤水分及有机碳的影响

在秸秆全量还田的试验田中(从2004年起),于2008-2009年及2009-2010年冬小麦生育期间,研究了不同耕作措施(旋耕、耙耕、免耕、深松和常规耕作)和杂草管理对冬小麦田土壤水分及有机碳的影响.结果表明:在未除草条件下,免耕、深松的杂草总密度显著提高;而在除草条件下,杂草密度显著下降.小麦从拔节期到灌浆期0～60 cm土层水分含量呈明显波动变化,田间保留一定量的杂草可增加不同耕作方式0～20 cm的土壤水分含量,表现出一定的土壤水分保持效应.保留杂草仅提高了拔节期0～20 cm土层的土壤有机碳含量;而在抽穗期和灌浆期,0～20、20～40和40～60 cm土层有机碳含量均低于去除杂草处理.去除杂草条件下,深松显著提高了冬小麦籽粒产量;保留杂草条件下,旋耕的籽粒产量最高,常规耕作产量最低.     

保护性耕作对稻田土壤有机质的影响

研究使用常规犁耕-休闲(DTF),常规犁耕-小麦(DTW),保护耕作-休闲(CTF),保护耕作-小麦(CTW)4个处理,评价连续实验10a后保护性耕作对稻作区SOM的影响。结果表明:垄作、免耕和小麦种植的结合是稻作区一种较好的保护性耕作实践。它不仅显著增加SOM在土壤表层的聚集,而且它也通过改变SOM的组成和结构显著影响土壤胡敏酸的光谱和热解特性。相比其他处理,垄作免耕(稻麦)在0～10cm土层拥有最多的SOM含量,但随着土层厚度的增加,这一含量下降的也较为迅速。垄作免耕(稻麦)土壤胡敏酸在波长665nm处的光密度为0.122,465nm处为0.705,而常规平作(中稻)在这两个波长处却分别为0.062和0.321。垄作免耕土壤胡敏酸DTA曲线在360～365℃处放热峰的焓变值比常规平作低,1000～1050cm-1吸收峰常规平作也比垄作免耕强。垄作免耕土壤腐殖质的氧化稳定系数增高,表明长期垄作免耕土壤腐殖酸的缩合度增高,芳构化程度增强。通过保护性耕作和作物实践可以管理稻田土壤,维持充分的SOM积累,缓解土壤有机碳的丢失。