夏小偉，靳瑰麗，安沙舟，范燕敏，魏秀紅

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

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伊犁絹蒿荒漠草地圍封后的土壤動(dòng)態(tài)

夏小偉，靳瑰麗，安沙舟，范燕敏，魏秀紅

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

摘要：本研究對(duì)伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地的土壤理化性質(zhì)及光譜進(jìn)行測(cè)定，探討圍封對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響和草地光譜的響應(yīng)。結(jié)果表明，土壤含水量在各土層隨植物生長(zhǎng)期呈遞減趨勢(shì)，5月與9月土壤含水量隨圍封年限的延長(zhǎng)總體上呈增加趨勢(shì)，并對(duì)群落光譜和土壤含水量間關(guān)系進(jìn)行建模，R2=0.63；土壤有機(jī)質(zhì)隨封育年限增加呈升-降-升的趨勢(shì)，圍欄內(nèi)外有機(jī)質(zhì)差值在5月隨封育年限的增加而增加，封育7年、10年草地有機(jī)質(zhì)差值，植物生長(zhǎng)期內(nèi)呈線性遞減。通過(guò)室內(nèi)土壤光譜及野外裸地光譜對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行建模，均取得較好效果，R2分別為0.64與0.38。研究表明，草地土壤含水量及有機(jī)質(zhì)對(duì)于草地恢復(fù)狀況較為敏感，可用于該類草地封育狀況的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：伊犁絹蒿；土壤含水量；有機(jī)質(zhì)；全氮；堿解氮；建模

伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)主要分布于天山以北的荒漠地帶，地處中亞荒漠氣候控制之下，為典型的中亞氣候荒漠代表性植被。伊犁絹蒿荒漠是新疆荒漠草地的組成部分之一，總面積114.25萬(wàn)hm2，是當(dāng)?shù)刂匾拇呵锬翀?chǎng)，對(duì)畜牧業(yè)意義重大[1]。

伊犁絹蒿荒漠生境嚴(yán)酷，降水不足，且蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。近年來(lái)，隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，草地過(guò)牧現(xiàn)象普遍，利用價(jià)值下降，生態(tài)系統(tǒng)處于崩潰的邊緣。為合理利用與保護(hù)這一資源，研究者們對(duì)種群生物學(xué)特性[2-4]、植被演替趨勢(shì)[5]、植物生態(tài)適應(yīng)對(duì)策[4]、土壤種子庫(kù)及幼苗輸出[6]等方面已經(jīng)進(jìn)行了詳實(shí)的研究，并為草地的合理利用與保護(hù)提供了科學(xué)合理的理論支撐，同時(shí)也為采用遙感技術(shù)快速監(jiān)測(cè)草地提供了生理生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，有關(guān)土壤遙感方面闡述封育對(duì)草地生態(tài)恢復(fù)方面的研究相對(duì)較少[1]，特別是從高光譜遙感的方向?qū)Ψ庥莸赝寥览砘再|(zhì)恢復(fù)狀況的研究少有報(bào)道。

目前，采用遙感技術(shù)在農(nóng)田土壤方面已進(jìn)行了大量詳實(shí)的研究，主要側(cè)重于土壤有機(jī)質(zhì)[7]、氮素[8]、鹽分[9]、含水量[10]、氧化鐵[11]等理化性質(zhì)的估測(cè)與填圖。對(duì)于荒漠土壤來(lái)說(shuō)，由于其在生產(chǎn)上地位較低，故研究者們采用遙感技術(shù)對(duì)荒漠區(qū)土壤的鹽堿化[12]、沙化[13]等方面有較少的研究。針對(duì)荒漠草地的遙感研究主要側(cè)重于地上部分的估測(cè)，也有基于地面高光譜對(duì)不同干擾下特征植物[14]光譜特征變化的研究?；哪畢^(qū)植物群落蓋度低，土壤背景影響大，在草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中土壤是必不可少的一環(huán)。而且，荒漠草地在新疆的畜牧業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位[1]，故對(duì)于伊犁絹蒿荒漠草地封育恢復(fù)地監(jiān)測(cè)具有其特殊的意義。

本研究以烏魯木齊市米東區(qū)伊犁絹蒿荒漠草地為對(duì)象，針對(duì)草地土壤高光譜特征進(jìn)行研究，篩選相關(guān)參數(shù)，探討在封育條件下伊犁絹蒿荒漠草地土壤理化性質(zhì)的變化趨勢(shì)及光譜是如何響應(yīng)的，構(gòu)建伊犁絹蒿荒漠草地土壤理化性質(zhì)高光譜模型,以期為快速、有效監(jiān)測(cè)荒漠草地土壤養(yǎng)分提供理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆烏魯木齊市米東區(qū)蘆草溝鄉(xiāng)，43°53′ N，87°45′ E，海拔840～1 100 m，屬大陸性中溫帶干旱氣候，光照充足，蒸發(fā)量大，年內(nèi)、晝夜溫差大，年平均降水212 mm，年均溫7.3 ℃，無(wú)霜期165 d，全年多西北風(fēng)。該研究區(qū)以伊犁絹蒿半灌木為建群種，伴生叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)和葶藶(Drabanemorosa)一年生植物，春季澀薺(Malcolmiamaritima)和彎果胡盧巴(Trigonellaarcuata)短生植物發(fā)育較好。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2014年5月、7月和9月測(cè)定圍欄內(nèi)外植物群落。研究區(qū)設(shè)有3個(gè)封育年限，分別為2、7和10年，作為不同干擾強(qiáng)度，在每個(gè)圍欄內(nèi)設(shè)5個(gè)樣方，圍欄外設(shè)3個(gè)樣方，1 m×1 m，共24個(gè)。

1.3數(shù)據(jù)測(cè)定方法

1.3.1野外光譜數(shù)據(jù)采集采用美國(guó)SVC HR-768便攜式光譜儀(350-2 500 nm)。采集光譜盡量選擇在晴朗干燥微風(fēng)無(wú)云的天氣，為減少太陽(yáng)高度角對(duì)反射率的影響，測(cè)定時(shí)間為北京時(shí)間12：00-14：00。每次開(kāi)機(jī)進(jìn)行一次暗電流校正，測(cè)定植物群落光譜反射率時(shí)，探頭與地面始終保持垂直，距冠層1 m高，在樣方中均勻的測(cè)5條光譜反射率。

1.3.2室內(nèi)土壤光譜的采集在暗室內(nèi)，采用便攜式光譜儀在45 W鹵光燈下進(jìn)行室內(nèi)土壤光譜的測(cè)定。光源的傾角為15°，光譜儀離土壤表面40 cm，視場(chǎng)角8°。將過(guò)2 mm篩的土樣倒入一個(gè)直徑約15 cm的圓盤(pán)內(nèi)，土壤厚度為3～4 cm，將表面用尺子刮平，置于鏡頭正下方，重復(fù)10次，每次測(cè)量后將圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)30°左右，儀器每隔30 min進(jìn)行一次暗電流校正，每隔10 min進(jìn)行一次白板校正。

1.3.3土壤理化性質(zhì)測(cè)定 在植被指標(biāo)測(cè)定的同時(shí)，在野外同步同點(diǎn)采集0-5、5-10和10-20 cm土層樣品，然后室內(nèi)檢測(cè)土壤樣品的理化性質(zhì)[7，10]：土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀。土壤含水量采用烘干法測(cè)定；速效氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷先用NaHCO3浸提，然后采用鉬銻抗比色法，速效鉀先用NH4OAC浸提，然后采用火焰光度法測(cè)定，全氮先用H2SO4-H2O2消煮，然后采用奈氏比色法，有機(jī)質(zhì)采用比色法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

光譜數(shù)據(jù)受儀器溫度和電流影響，可能會(huì)出現(xiàn)異常大或小的光譜反射率，需先剔除光譜反射率異常的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)按樣本歸類取均值。

1.4.1光譜平滑由于光譜各波段對(duì)能量響應(yīng)上具有差異，加之儀器受電壓及溫度的影響，光譜曲線總存在噪聲，難以得到平穩(wěn)的信號(hào)。對(duì)于光譜曲線的高頻噪聲，在處理中常進(jìn)行平滑處理，較常用的平滑方法有，移動(dòng)平滑，Savitzky-Golay平滑和小波平滑等，本研究選擇9點(diǎn)加權(quán)平滑對(duì)光譜進(jìn)行去噪[15]。

1.4.2光譜變換光譜微分[16]數(shù)據(jù)可以有效快速地得出光譜的極值點(diǎn)與拐點(diǎn)，擴(kuò)大光譜信號(hào)，提供光譜斜率信息，降低低頻噪聲的影響，有助于提高光譜與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性；對(duì)數(shù)變換對(duì)于光譜特別是可見(jiàn)光部分，能擴(kuò)大光譜間差異[17]。

1.4.3去包絡(luò)線包絡(luò)線消除法[18]可以有效地突出光譜曲線的吸收與反射特征，并將其標(biāo)準(zhǔn)到一個(gè)一致的光譜背景上，有利于和其它光譜曲線進(jìn)行特征數(shù)值的比較，從而提取出特征波段，以供分類識(shí)別。

1.4.4相關(guān)性分析先選定進(jìn)行相關(guān)性分析的參數(shù)，植被方面有群落的平均高度、蓋度、鮮重、干重及群落植被含水率，土壤方面有不同土層土壤含水率、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮和有機(jī)質(zhì)；再選擇可能相關(guān)的參數(shù)與群落光譜反射率和室內(nèi)土壤光譜反射率間進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.5數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的整理、一階微分及標(biāo)準(zhǔn)化在Excel中完成，光譜的去包絡(luò)線在ENVI 4.7中進(jìn)行，數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析在MATLAB(R2010b)中進(jìn)行。

2結(jié)果與分析

2.1土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化

土壤含水量在各土層隨植物生長(zhǎng)期內(nèi)均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)(圖1)，這主要是因?yàn)橥寥篮康墓┙o主要來(lái)自春季冰雪融水。在5月與9月，不同封育年限的草地土壤含水量隨著土壤深度的增加逐漸增加；7月土壤含水量在封育年限及土層深度方面無(wú)明顯規(guī)律。5月和9月各土層多數(shù)表現(xiàn)為較其它封育年份，封育10年的土壤含水量最高(P<0.05)，未封育、封育2年和封育7年間土壤含水量差異不顯著(P>0.05)。

土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀在不同的封育年限下均隨土層深度的加深而減少(圖2)，在不同封育年限間，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷及速效氮變化規(guī)律不同，表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)先升高后降低再升高(10-20 cm層中先降低再升高)的趨勢(shì)，而全氮、速效鉀、速效磷及速效氮均表現(xiàn)為先降低后升高最后降低。其中，3個(gè)土層的速效鉀和速效磷均差異顯著(P<0.05)，0-5 cm的全氮、有機(jī)質(zhì)及速效氮與5-10和10-20cm土層均差異顯著，5-10與10-20cm間差異不顯著(P>0.05)。封育7年的全氮和速效鉀均顯著高于其它封育年限，封育10年的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其它封育年限。封育0年的草地土壤養(yǎng)分除有機(jī)質(zhì)外與封育10年間均無(wú)顯著差異，封育0年的土壤各養(yǎng)分含量均處與中等水平。

圖1　不同封育年限植物生長(zhǎng)期土壤含水量變化

注：不同小寫(xiě)字母表示相同土層不同封育年限間差異顯著(P>0.05)。

Note: Different lower case letters in the same soil layers indicate significant difference among different endose years.

為了排除各圍欄外由植被及微地形引起的差異，對(duì)各個(gè)圍欄內(nèi)外的養(yǎng)分做差值分析(圖3)。隨著封育年限的增加，圍欄內(nèi)土壤中全氮在封育2年和10年在植物生長(zhǎng)期內(nèi)先增加后減少的趨勢(shì)，而封育7年圍欄內(nèi)較圍欄外呈降低的趨勢(shì)；速效鉀在封育2年、7年隨植被生長(zhǎng)期呈先降低后增加，而封育10年先增加后降低；速效磷在封育2年呈先降低后增加，而封育7年、10年呈先增加后降低；圍欄內(nèi)外堿解氮的變化沒(méi)有明顯規(guī)律，不同封育年限具有不同的變化趨勢(shì)；土壤有機(jī)質(zhì)在5月隨著封育年限的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，封育2年的土壤有機(jī)質(zhì)植物生長(zhǎng)期內(nèi)圍欄內(nèi)外波動(dòng)十分小，而封育7年及10年的土壤有機(jī)質(zhì)植物生長(zhǎng)期內(nèi)呈線性遞減關(guān)系，在9月份圍欄內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)較圍欄外均為虧損狀態(tài)，且在封育7年下群落9月圍欄內(nèi)有機(jī)質(zhì)較圍欄外虧損最嚴(yán)重。

除速效磷外，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀和速效氮4種養(yǎng)分間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，速效磷只和速效鉀之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與另外3種養(yǎng)分間相關(guān)性均不顯著(P>0.05)(表1)。

2.2土壤光譜與養(yǎng)分的相關(guān)性分析

風(fēng)干后土壤3個(gè)土層中速效鉀、速效磷含量在380-2 500 nm范圍內(nèi)與光譜反射率相關(guān)系數(shù)為-0.3～0.2；全氮、有機(jī)質(zhì)與速效氮含量與光譜反射率在波段范圍內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)分別為-0.61、-0.63與-0.81(圖4)。其中，各指標(biāo)中有機(jī)質(zhì)含量與光譜反射率相關(guān)性最高，在380-850 nm范圍3個(gè)土層的相關(guān)性均小于-0.7，特別是在0-5 cm土層，在622 nm左右達(dá)到-0.81；速效氮在3個(gè)土層中相關(guān)系數(shù)最大值均在630nm左右，表現(xiàn)為自土壤表層向下遞減，相關(guān)系數(shù)分別為-0.63、-0.60和-0.58；全氮在3個(gè)土層中相關(guān)性最大值均在590 nm左右，表現(xiàn)為0-5 cm>10-20 cm>5-10 cm，相關(guān)系數(shù)分別為-0.61、-0.49和-0.46。

圖2　不同封育年限不同土層土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化

注：不同大寫(xiě)字母代表同一土層不同封育年限間差異顯著(P<0.05)，不同小寫(xiě)字母代表同一封育年限不同土壤土層間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different capital letters for the same soil layer indicate significant differences among the enclosing years at 0.05 level； Different lower letters for the same enclosing year indicate significant differences among soil layers at 0.05 level.

圖3　不同封育年限土壤養(yǎng)分圍欄內(nèi)外的月動(dòng)態(tài)

指標(biāo)Parameter全氮TN速效鉀AK速效磷AP有機(jī)質(zhì) SOM 速效氮 AN 全氮TN1.0000.244*0.0540.570**0.573**速效鉀AK1.0000.364**0.228*0.317**速效磷AP1.000-0.0280.128有機(jī)質(zhì)SOM1.0000.644**速效氮AN1.000

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

Note:*indicates significant correlation at 0.05 level,**indicates highly significant correlation at 0.01 level.

圖4　不同土層土壤養(yǎng)分與原始光譜相關(guān)性

2.3土壤光譜特征的分析

土壤的光譜主要受土壤質(zhì)地、土壤顏色及水分的影響，本研究采用風(fēng)干后土壤，去除了土壤自由水對(duì)光譜的影響，但土壤中大部分束縛水依然束縛在土壤中，在土壤中其它組分對(duì)光譜吸收不強(qiáng)時(shí)，由于水極高的吸光系數(shù)，依然會(huì)在1 450與1 940 nm處具有明顯吸收谷。另一方面，土壤中有機(jī)質(zhì)是全氮、速效氮、速效鉀重要的養(yǎng)分的來(lái)源，各自含量與土壤有機(jī)質(zhì)有相關(guān)性(表1)，土壤有機(jī)質(zhì)含量影響光譜的吸收特征。

原始光譜反射率圖中(圖5)，在380-580 nm范圍內(nèi)，光譜反射率急劇上升，自580 nm以后開(kāi)始出現(xiàn)分化。對(duì)于原始反射率，封育7年的光譜反射率最高，封育10年最低，0年及2年介于兩者之間；對(duì)于一階微分，封育7年的曲線在400-800 nm范圍內(nèi)由最大值變?yōu)樽钚≈?，而封?0年的曲線在這一范圍則由最小值變?yōu)樽畲笾?，另外兩條曲線基本介于兩者之間，這與去原始光譜反射率相一致；對(duì)數(shù)一階微分光譜中只在部分位置能夠看出4條曲線的差異，與一階微分相似；對(duì)于去包絡(luò)線光譜在660 nm處封育7年反射率最大。

圖5　不同封育年限土壤0-5 cm土層光譜特征動(dòng)態(tài)變化

2.4土壤理化性質(zhì)模型的構(gòu)建

伊犁絹蒿荒漠草地隨著封育年限的增加，土壤含水量呈逐漸增加的趨勢(shì)(圖1)。這主要由于植被的恢復(fù)增加了土壤保水能力，對(duì)于伊犁絹蒿荒漠草地群落來(lái)說(shuō)，群落的含水量等于植被含水量與土壤含水量的加權(quán)平均。筆者做出假設(shè)，土壤作為群落組成的重要端元，同時(shí)制約著群落中同種植被的含水量，所以群落含水量可以近似為土壤含水量的某一倍數(shù)，進(jìn)而可以通過(guò)群落含水量估算土壤的含水量，故運(yùn)用1 390-1 740 nm附近的吸收谷與吸收峰構(gòu)建了歸一化水分指數(shù)WDVI，大量文獻(xiàn)表明,這一波段范圍的吸收谷由水分吸收所形成，但是在這一范圍內(nèi)水分吸收谷與吸收峰發(fā)生移動(dòng)，可能是由于土壤顏色及組成的差異導(dǎo)致的，因此對(duì)這一波段范圍內(nèi)光譜反射率進(jìn)行排序后計(jì)算歸一化水分指數(shù)，公式如下：

WDVI=(吸收峰-吸收谷)/(吸收峰+吸收谷)。

土壤含水量與WDVI之間呈正相關(guān)(圖6)，運(yùn)用WDVI對(duì)土壤含水量進(jìn)行估測(cè)，R2=0.42，具有較高的決定系數(shù)。在低土壤含水量區(qū)域，散點(diǎn)分布相對(duì)集中，而在高土壤含水量區(qū)域，散點(diǎn)分布分散。由于植物生長(zhǎng)期內(nèi)伊犁絹蒿荒漠草地含水量基本呈遞減狀態(tài)，故對(duì)3個(gè)生長(zhǎng)期土壤含水量與WDVI間關(guān)系進(jìn)行分別討論。

圖6　植物生長(zhǎng)期土壤含水量變化

在3個(gè)生長(zhǎng)期，群落含水量與WDVI間關(guān)系差異較大，其中5月與9月，群落含水量與WDVI呈正相關(guān)，而休眠期群落含水量與WDVI間基本無(wú)相關(guān)關(guān)系。選取返青期與成熟期的群落含水量與WDVI間構(gòu)建群落含水量模型，R2=0.63，其中返青期為高含水量部分，成熟期為低含水量部分(圖7)。

圖7　土壤含水量最優(yōu)估算模型

對(duì)土壤光譜進(jìn)行去包絡(luò)線、倒數(shù)、開(kāi)方、開(kāi)方倒數(shù)、一階微分及對(duì)數(shù)微分處理，然后對(duì)處理后光譜做相關(guān)性分析，不同處理方式下，光譜與有機(jī)質(zhì)間相關(guān)性差異很大(圖8)。其中原始光譜與土壤有機(jī)質(zhì)開(kāi)方間呈負(fù)相關(guān)，而倒數(shù)、開(kāi)方倒數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，去包絡(luò)線、一階微分及對(duì)數(shù)微分與土壤有機(jī)質(zhì)之間相關(guān)性在前兩者間上下波動(dòng)，處理后光譜相比原始光譜相關(guān)性并沒(méi)有明顯提高。為了簡(jiǎn)單方便，直接選用原始光譜進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的估算，選擇了R587.9來(lái)對(duì)土壤各指標(biāo)進(jìn)行建模，其中選擇68個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，選擇34個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，精度=(1-|實(shí)測(cè)值-估測(cè)值|/實(shí)測(cè)值)×100%；對(duì)于0-20 cm的選擇每土層數(shù)據(jù)的2/3用于模型構(gòu)建，余下1/3用于模型的精度驗(yàn)證。0-20 cm范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)與光譜反射率呈負(fù)相關(guān)，模型估算精度均能達(dá)到81%(表2)。0-5 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)估算精度最高，R2=0.643(圖9，表1)，隨著土壤深度的增加，有機(jī)質(zhì)估算模型的R2逐漸降低。

圖8　不同處理方式土壤光譜與有機(jī)質(zhì)相關(guān)性

雖然上述結(jié)果表明高光譜可以進(jìn)行伊犁絹蒿荒漠草地土壤有機(jī)質(zhì)的估算，并用于該類草地土壤恢復(fù)狀況的監(jiān)測(cè)。但是上述方法需要在野外采集土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干過(guò)篩等工作，工作量較大，且相對(duì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，故探索進(jìn)行野外無(wú)損估測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)的可能性。對(duì)數(shù)據(jù)做部分處理，在圍欄內(nèi)外各測(cè)定3處裸地光譜，取平均值作為圍欄內(nèi)外裸地平均光譜，將圍欄內(nèi)外的5個(gè)樣點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)取平均，作為圍欄內(nèi)外土壤平均有機(jī)質(zhì)，因?yàn)橥寥?-5 cm的估算精度最高，因此只選取0-5 cm的土壤有機(jī)質(zhì)做探討，共18個(gè)數(shù)據(jù)(6個(gè)樣地×3個(gè)植被生長(zhǎng)期)。

圖9　土壤有機(jī)質(zhì)模型

依然采用R587.9對(duì)土壤表層有機(jī)質(zhì)進(jìn)行建模(圖10)，裸地光譜曲線與土壤表層有機(jī)質(zhì)之間呈較高的負(fù)相關(guān)，與室內(nèi)土壤光譜估算模型一致，R2=0.38，表明通過(guò)野外裸地光譜曲線可以無(wú)損估計(jì)土壤有機(jī)質(zhì)。但群落光譜受植被干擾，土壤有機(jī)質(zhì)的吸收特征被掩蓋，且土壤有機(jī)質(zhì)與植被生長(zhǎng)狀況間關(guān)系復(fù)雜，難以從冠層層次進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的估算。

表2　土壤有機(jī)質(zhì)模型

圖10　裸地有機(jī)質(zhì)模型

3討論

土壤是草地植被生長(zhǎng)的載體，同時(shí)土壤理化性質(zhì)又受草地植被的影響而改變。雖然土壤理化性質(zhì)相對(duì)于植被生長(zhǎng)狀況滯后，但其理化性質(zhì)對(duì)于草地植被未來(lái)的生長(zhǎng)狀況具有指導(dǎo)意義，植被恢復(fù)也伴隨土壤的恢復(fù)[19]。對(duì)于荒漠草地土壤含水量具有重要意義，它顯示著生境的優(yōu)劣受氣候、地形及植被狀況等的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，伊犁絹蒿荒漠草地植物生長(zhǎng)期內(nèi)土壤含水量呈遞減趨勢(shì)，由于該類草地主要由積雪融水補(bǔ)給，植物生長(zhǎng)期內(nèi)少雨干燥，在5月及9月土壤含水量隨著封育年限的增加而增加，認(rèn)為增加封育年限有助于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤孔隙度、增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而提高土壤的保水能力；土壤表層直接接觸大氣，受荒漠氣候影響，降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，故隨土壤深度增加，土壤含水量逐漸增加；7月用于測(cè)定的土樣在一次弱降水后第3天進(jìn)行采集，表層含水量可能是受降水的影響，因此才表現(xiàn)為0-20 cm土壤含水量基本一致。土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤肥力的重要指標(biāo)，其它養(yǎng)分大部分來(lái)源于有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量與其它養(yǎng)分間具有相關(guān)性[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著封育年限增加，全氮、速效鉀、速效磷與速效氮均先降低再升高最后再降低，而有機(jī)質(zhì)總體呈先降低后升高的趨勢(shì)。這主要因?yàn)椴煌B(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)周期具有差異，在圍欄封育過(guò)程中，土壤養(yǎng)分各指標(biāo)處于波動(dòng)變化狀態(tài)，各指標(biāo)的變化趨勢(shì)有所差異，與楊合龍等[20]的研究結(jié)果一致。在對(duì)圍欄內(nèi)外養(yǎng)分做差值分析后可以發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)在5月隨著封育年限的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，而封育7年及10年的土壤有機(jī)質(zhì)植物生長(zhǎng)期內(nèi)呈線性遞減關(guān)系，在9月份圍欄內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)較圍欄外均為虧損狀態(tài)，且在封育7年下群落圍欄內(nèi)有機(jī)質(zhì)較圍欄外虧損最嚴(yán)重，可能由不同封育年限下有機(jī)質(zhì)供給與消耗差異所造成，封育下植被供給的枯枝落葉增多，但植被的發(fā)育消耗的有機(jī)質(zhì)也增多，伊犁絹蒿荒漠草地植被隨封育年限增加在初期快速發(fā)育，隨后群落逐漸穩(wěn)定，在植被生育期內(nèi)植被對(duì)土壤養(yǎng)分消耗大于供給，在非生長(zhǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)得到積累。因此表現(xiàn)為，在5月剛返青時(shí)，封育7年和10年圍欄內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)大于圍欄外；在9月植物生長(zhǎng)期基本結(jié)束時(shí)，3個(gè)封育年限圍欄內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)均小于圍欄外，且在封育7年圍欄內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)相對(duì)于圍欄外達(dá)到最小值。

土壤光譜受土壤質(zhì)地、土壤顏色及水分等因素的影響，國(guó)內(nèi)外很多研究都表明，土壤化學(xué)成分的變化會(huì)引起光譜的變化，并可以用以定量地判斷土壤的水分[21]、有機(jī)質(zhì)[7，22-23]及氮素[24]等。本研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于原始光譜，在380-850 nm范圍內(nèi)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及堿解氮具有較強(qiáng)相關(guān)性，這與胥靜等[18]的研究結(jié)果相符，土壤在這一范圍內(nèi)具有有機(jī)質(zhì)吸收谷，本研究發(fā)現(xiàn)，400-880 nm范圍內(nèi)土壤原始反射率與有機(jī)質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，而導(dǎo)數(shù)光譜及對(duì)數(shù)光譜的一階導(dǎo)數(shù)在這一范圍內(nèi)出現(xiàn)由負(fù)相關(guān)向正相關(guān)的轉(zhuǎn)變，而去包絡(luò)線光譜將負(fù)相關(guān)范圍收縮至580-880 nm范圍內(nèi)。有機(jī)質(zhì)是很多土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源，氮素與有機(jī)質(zhì)相關(guān)性較高，故全氮與速效氮的含量可通過(guò)有機(jī)質(zhì)含量間接估測(cè)；較原始光譜而言，去包絡(luò)線處理后光譜多了1 500和2 000 nm左右兩個(gè)高相關(guān)性波段范圍，這主要位于水分及有機(jī)質(zhì)和氮素官能基吸收范圍內(nèi)，同時(shí)速效鉀與速效磷的相關(guān)性擴(kuò)大到0.4以上，可以認(rèn)為去包絡(luò)線、一階微分及對(duì)數(shù)微分處理有利于擴(kuò)大各物質(zhì)與官能基的吸收特征。

在返青期群落蓋度大，群落含水量主要來(lái)自于植被的含水量，故此時(shí)的含水量水平相對(duì)較高，但由于群落植被組成及結(jié)構(gòu)的差異，所以群落含水量與WDVI間相關(guān)性水平相對(duì)差，群落含水量的估算精度較低；在休眠期，受高溫干旱的影響，不同植被的應(yīng)對(duì)方式不一，加上封育的影響，植被含水量水平差異巨大，各物種在夏季休眠期光譜特征有巨大差異，所以在休眠期群落含水量與WDVI間基本無(wú)相關(guān)性；在成熟期，伊犁絹蒿荒漠草地群落隨著類短命生植被與部分一年生植被的退出，草地群落蓋度大大降低，群落含水量以土壤為主要組成端元，加之此時(shí)植被物種單一，故群落含水量與WDVI間具有較高的相關(guān)性，且此時(shí)的估算精度在植被3個(gè)生長(zhǎng)期中最高。

由于土壤光譜曲線主要受土壤有機(jī)質(zhì)的影響，而且土壤有機(jī)質(zhì)是判斷土壤肥力的主要指標(biāo)之一，因此本研究對(duì)單一波段的反射率和土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行建模。估算精度基本達(dá)到81%，以0-5 cm模型最好，主要因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)質(zhì)大部分來(lái)自枯枝落葉，受植被生長(zhǎng)的影響，故表現(xiàn)為3個(gè)指標(biāo)的估算精度自表層向下逐漸遞減。同時(shí)運(yùn)用裸地土壤光譜對(duì)土壤表層有機(jī)質(zhì)進(jìn)行估算，R2=0.38，故通過(guò)高光譜模型可對(duì)土壤的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行估測(cè)，結(jié)合5月土壤有機(jī)質(zhì)差值，認(rèn)為通過(guò)光譜估測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)可以用于指示草地狀況，但是僅限于地面光譜的估測(cè)，難以從群落層次估算。另外，通過(guò)5月與9月群落光譜對(duì)草地土壤含水量進(jìn)行估算，取得了較好結(jié)果，結(jié)合土壤含水量的變化情況，認(rèn)為可以通過(guò)群落光譜對(duì)伊犁絹蒿荒漠草地恢復(fù)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4結(jié)論

通過(guò)封育草地有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)封育10年草地土壤有機(jī)質(zhì)相對(duì)未封育草地處于高水平的平衡狀態(tài)。伊犁絹蒿荒漠草地5月有機(jī)質(zhì)含量可用于指示草地土壤狀況，并可以通過(guò)R587.9對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行估測(cè)。

對(duì)于伊犁絹蒿荒漠草地，土壤含水量隨封育年限的增加而增加，并可以通過(guò)群落冠層光譜對(duì)群落土壤表層含水量進(jìn)行估測(cè)。結(jié)合土壤有機(jī)質(zhì)和含水量變化規(guī)律，認(rèn)為對(duì)于研究區(qū)草地在封育10年時(shí)恢復(fù)狀況最好，可進(jìn)行合理利用。

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Soil physicochemical properties and hyperspectral feature ofSeriphidiumtransiliensedesert grassland

Xia Xiao-wei, Jin Gui-li, An Sha-zhou, Fan Yan-min, Wei Xiu-hong

(Department of Pratacultural and Environmental Science, Xinjiang Agriculture University;Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology, Urumqi 830052, China)

Abstract:The present study measured soil physicochemical and grassland spectrum of Seriphidium transiliense desert grassland to discuss their response to enclosure. The results showed that soil water content decreased during the growth period and increased with the enclosure period extending in May and September. The model of the relationship between community spectrum and soil water content was simulated with R2 of 0.633. The difference of soil organic matter between inside and outside of fence in May increased with the enclosure period extending. Difference of soil organic matter decreased linearly in grassland enclosed 7 and 10 years. The models simulated with both indoor soil spectra and the field bare land spectra were optimal with R2 of 0.64 and 0.38, respectively. These results showed that soil moisture and organic matter were sensitive to grassland restoration which can be used to monitor S. transiliense desert grassland.

Key words:Seriphidium transiliense；soil water content；organic matter；total nitrogen; alkali-hydrolyzable nitrogen；modeling

Corresponding author:An Sha-zhouEmai: xjasz@126.com

中圖分類號(hào)：S812.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-0629(2016)4-0573-11*

通信作者：安沙舟(1956-)，陜西富平人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)研究。E-mail：xjasz@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目(31360571)

收稿日期：2015-10-26接受日期：2016-02-24

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0587

夏小偉，靳瑰麗，安沙舟，范燕敏，魏秀紅.伊犁絹蒿荒漠草地圍封后的土壤動(dòng)態(tài).草業(yè)科學(xué),2016,33(4)：573-583.

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第一作者：夏小偉(1990-)，安徽合肥人，在讀碩士生，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)。E-mail：646452300@qq.com