江苏沿海滩涂地区典型剖面土壤性质演化及其高光谱响应研究

论文摘要

土壤性质的演化关系到土壤可持续利用和区域可持续发展,理解其演化速率、机制和效应及其与环境条件变化的相互关系是土壤资源可持续管理的基础。沿海滩涂位于海陆交互过渡带,能量交换、物质迁移转化频繁,对人类活动响应剧烈,其土壤在自然和人为综合作用下演化相对快速,特别是其处于动态环境中的时间序列,能够追踪到土壤性质的演化过程和相关中间产物,是研究土壤性质演化的理想类型。江苏沿海滩涂面积不断淤涨,随着沿海发展上升为国家战略,其土壤性质的演化过程势必要受到更多的人为影响。土壤高光谱反射率作为土壤性质的综合反映,具有指示土壤性质演化的作用,特别是生态高值农业的发展需要在高新农业技术方面进行创新,其中就包括全球卫星定位支持的精准农业技术。基于以上背景,本研究以Ti/Zr比值判定剖面土壤具有成土母质连续性后,通过建立江苏沿海滩涂地区土壤时间序列,并与沿海、内陆考古遗址盐碱土进行对比,分析土壤性质的时空变化规律；讨论成土母质和人类活动对土壤性质变化的影响,定量分离不同成土母质来源的贡献；结合反射高光谱快速、无损的检测优势,对时间序列滩涂土壤、及其与考古遗址土壤性质演化的差异进行表征,应用偏PLSR法,研究原始光谱（REF）、一阶微分光谱（FDR）、光谱倒数之对数（1g（1/R））和波段深度（BD）4类光谱指标对时间序列土壤性质的反演能力,应用相关分析和多元变量统计方法,构建考古遗址土壤性质的高光谱反演模型。通过研究得到以下结论：（1）江苏沿海滩涂土壤属性在水平和垂直方向上具有多种变化特征水平方向上,以粉砂为主的时间序列土壤粒度组成与成陆时间之间、土壤微量元素（除Cd）、常量元素（除Mg）与成陆时间之间均具有线性回归或先增（减）后减（增）的Shah指数函数关系；随成陆时间增加,土壤肥力不断提高；土壤基本理化性质与成陆时间之间存在一阶对数函数和线性回归的关系。垂直方向上,土壤粒度组成在时间序列剖面中呈线性变化；土壤肥力在沿海东台（DT）和掠港（JG）剖面随深度呈一阶指数函数变化,在安丰（AF）剖面呈Shah指数变化,而在考古遗址剖面总体.上表现为现代耕层高于古文化层；基本理化性质在DT剖面中呈Shah指数函数变化,在考古遗址剖面表层出现不同程度的酸化特征。十壤微量元素含量在时间序列和梁王城（LWC）考古遗址剖面呈线性回归和Shah指数变化。JG剖面Zn元素外源组份含量自1910年以来以0.39mg（kg.a）-’的速率减小,相对变化率达0.6%a-1；DT剖面和LWC考古遗址剖面土壤微量元素外源组份含量随时间分别呈指数递减和递增变化；藤花落（THL）遗址L-1剖面As元素外源组份含量从底部至表层似乎逐渐减小,而Pb和Zn则似乎不断增加,而L-2剖面微量元素外源组份含量在各层位相对稳定。（2）成土母质奠定了江苏沿海滩涂土壤属性的总体状况,人类活动对其产生深刻影响1910年以来,JG剖面长江入海携带泥沙成土母质贡献率从剖面底部的3%上升至表层的21%,黄河入海携带泥沙成土母质贡献率从97%降至79%；AF剖面底部具有较高的海相堆积成土母质,至剖面上部,河流搬运泥沙母质占主导；DT剖面河流沉积母质变化于23%至46%之间,湖泊沉积母质的贡献率介于54%至77%之间；THL遗址的生活区（L-1）剖而土壤残积母质从表层的94%下降至底层的32%,坡积母质则呈相反变化；生产区（L-2）剖面土壤残积和坡积母质的含量相对稳定；LWC遗址剖而表层土壤坡积母质占97%,河流沉积母质仅占3%,以下下各层位坡积母质变化于44%至76%之间,剖面局部层位可能存在下蜀黄土成土母质。时间序列土壤Cr、Cu、Ni和Pb含量主要受成土母质控制,而zn含量主要受人类活动影响,Cd元素受上述两类因素综合作用。河流沉积母质对Cd、Cr和Ni的贡献率分别为47%、29%和48%,海洋沉积物的贡献率分别为53%、58%和40%,下蜀黄土贡献了另外13%的Cr和Ni含量。Zn元素含量自然来源占35%,低于人为强干扰组份65%的比重,说明人类活动已成为研究区Zn元素的主要来源。THL遗址剖面土壤微量元素具有2个来源,残积母质分别贡献了Cd、Cr、Cu和Zn含量的67%、58%和72%和33%,坡积母质则分别贡献了33%、42%、28%和66%；对Pb元素而言,自然组份和人为组份均贡献了50%。（3）高光谱反射率能够有效表征江苏沿海滩涂地区土壤性质演化的差异时间序列剖面土壤光谱反射率要低于考古遗址剖而土壤,且在可见光波段随着波长的增加,光谱反射率增长较快,曲线斜率较大。时间序列剖面上壤在Fe2+和Fe3+特征吸收波段的吸收深度要明显深于考古遗址剖面土壤,而在1400、1900和2200nm附近的光谱特征吸收波段的吸收深度则小浅十考古遗址剖面土壤。时间序列土壤性质的PLSR预测方程的收敛速度和反演精度具有成陆白年样本>成陆千年样本>总体样本的特征,所选主成分的个数则相反,模型R2分别大于0.9876、0.9805和0.71。光谱微分变换有助于提取考古土壤属性信息,基于多元线性逐步回归的反演模型要优于比率模型和弓曲差模型,R2均大于0.71,最大值为0.97,RMSE均小于6.18,最小值仅为0.004,表明模型较高的稳定性和预测性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 表格索引
• 插图索引
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外相关研究概况
• 1.2.1 土壤性质的时空变化研究
• 1.2.2 土壤性质演化影响因素的作用机制
• 1.2.3 时间序列土壤性质变化的高光谱响应
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 关键问题
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 材料与方法
• 2.1 研究区概况
• 2.1.1 东台况
• 2.1.2 藤花落遗址概况
• 2.1.3 梁王城遗址概况
• 2.2 时间序列土壤的建立:江苏近代海岸线变迁
• 2.2.1 新石器时期古海岸线
• 2.2.2 新石器时代晚期海岸线
• 2.2.3 秦汉时期（约2000a B.P）海岸线
• 2.2.4 隋唐时期（1200a B.P前后）海岸线
• 2.2.5 200aB.P 前海岸线
• 2.3 样品采集及处理
• 2.3.1 采样与制样
• 2.3.2 样品测试分析
• 2.4 土壤剖面深度——年代关系建立
• 2.4.1 古文化遗址剖面深度——年代的考古判定
• 2.4.2 时间序列土壤剖面深度——年代的测定
• 2.5 数据处理与分析
• 2.5.1 光谱指标的提取
• 2.5.2 建模方法介绍
• 第三章 土壤性质的时空演化特征
• 3.1 剖面内成土母质的连续性判定
• 3.2 粒度组成的时空变化
• 3.2.1 粒度组成统计特征对比
• 3.2.2 时间序列土壤粒度组成的水平变化
• 3.2.3 粒度组成的垂向演化比较
• 3.3 土壤肥力指标的时空变化
• 3.3.1 土壤肥力指标统计特征比较
• 3.3.2 时间序列土壤肥力指标的水平变化
• 3.3.3 土壤肥力指标垂向演化对比
• 3.4 基本理化性质的时空变化
• 3.4.1 基本理化性质统计特征比较
• 3.4.2 时间序列土壤基本理化性质的水平变化
• 3.4.3 基本理化性质垂向演化比较
• 3.5 土壤微量与常量元素含量的时空变化
• 3.5.1 微量与常量元素统计特征对比
• 3.5.2 时间序列土壤微量与常量元素含量的水平变化
• 3.5.3 微量与常量元素含量垂向演化比较
• 3.5.4 微量元素外源组份含量的分离及变化
• 3.6 本章小结
• 第四章 土壤性质演化主要影响因素及其作用机制
• 4.1 粒度组成对成土母质物源的指示
• 4.1.1 研究区土壤成土母质来源
• 4.1.2 粒度组成对成土母质物源的指示意义
• 4.1.3 各剖面土壤粒度组成及其物源解析应用
• 4.2 C/N对人类活动的指示
• 4.2.1 时间序列土壤C/N
• 4.2.2 考古遗址土壤C/N
• 4.3 磁化率对人类活动的指示
• 4.3.1 时间序列土壤磁化率
• 4.3.2 考古土壤磁化率
• 4.4 微量元素含量多元统计分析对其来源指示意义
• 4.4.1 主成分分析
• 4.4.2 聚类分析
• 4.4.3 相关分析
• 4.4.4 频数分布函数
• 4.5 本章小结
• 第五章 土壤性质演化的高光谱响应
• 5.1 土壤剖面反射高光谱曲线
• 5.1.1 时间序列土壤剖面反射高光谱曲线
• 5.1.2 考古遗址土壤剖面反射高光谱曲线
• 5.2 反射光谱与土壤属性相关分析及最佳波段选择
• 5.2.1 粒度组成最优波段选择
• 5.2.2 肥力指标最优波段选择
• 5.2.3.基本理化性质最优波段选择
• 5.2.4 微量元素最优波段选择
• 5.3 土壤属性的建模反演
• 5.3.1 时间序列土壤属性的偏最小二乘回归反演
• 5.3.2 考古遗址土壤属性的多元统计建模反演
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 研究不足与展望
• 参考文献
• 博士期间参与项目与发表文章
• 致谢