【摘要】：土壤鹽漬化是一種嚴(yán)重的土地退化過程,它不僅降低了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量,而且還給生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞。土壤鹽漬化的治理、生態(tài)系統(tǒng)的防治及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)需要對鹽漬土的含鹽特性進(jìn)行快速、大范圍的有效測量。松嫩平原鹽漬化土壤具有很好的膨脹收縮特性,其水分的蒸發(fā)過程往往導(dǎo)致土壤表面產(chǎn)生裂紋,這一龜裂特征與鹽漬土含鹽組分、含鹽量緊密相關(guān),也影響鹽漬土的反射光譜特性。因此,通過對鹽漬土龜裂特征的識別與光譜特性的研究,能夠為鹽漬化土壤特性的無損監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。論文在國家自然科學(xué)青年基金項目“基于主動光學(xué)與被動微波遙感技術(shù)的鹽堿土特性無損探測研究”(No.41201335)的資助下,以及中國科學(xué)院長春凈月潭遙感實驗站和中科院東北地理所微波遙感課題組的支持下開展研究工作。以松嫩平原典型蘇打鹽漬土為研究樣本,在實驗室可控條件下,結(jié)合鹽漬土理化參數(shù)的測量,利用數(shù)字照相技術(shù)觀測不同含鹽量、不同含水量土壤樣本呈現(xiàn)的裂紋狀態(tài),通過圖像處理技術(shù)提取干燥后樣本的裂紋長度、面積、紋理等特征參數(shù),進(jìn)而分析鹽漬土樣本裂紋的發(fā)展規(guī)律和影響因素。同時,在樣本的2 mm粉末狀態(tài)、局部未開裂狀態(tài)和穩(wěn)定裂紋狀態(tài)下,利用光譜儀對樣本進(jìn)行了反射光譜特性的測量,運用光譜分析方法和統(tǒng)計分析方法,進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和光譜特征參數(shù)的提取。主要研究結(jié)論如下:1.飽和鹽漬化土壤失水過程分為勻速蒸發(fā)階段、減速蒸發(fā)階段和穩(wěn)定階段三個發(fā)展階段。在勻速蒸發(fā)階段,土壤樣本表面產(chǎn)生裂紋并不斷發(fā)育;在減速蒸發(fā)階段,土壤樣本不再產(chǎn)生新的裂紋,但裂紋的形態(tài)仍在變化;到達(dá)穩(wěn)定階段時,樣本逐漸達(dá)到干燥,含水量的變化不再改變樣本的裂紋形態(tài),表面結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定。2.土壤樣本的表面龜裂狀態(tài)不影響光譜吸收特征和特征吸收譜線的位置。受到Na Cl和Na HCO3等主要鹽分礦物離子間的諧振作用,反射率曲線在990nm和1150nm處呈現(xiàn)Na Cl的微弱吸收特征,在1470nm,2000nm和2170nm附近還表現(xiàn)出Na HCO3的微弱吸收特征。3.土壤鹽分礦物隨水分蒸發(fā)集中在土壤樣本表面,增加了鹽分對光譜特征的影響,土壤反射率與土壤含鹽量呈較明顯的反比關(guān)系,主要表現(xiàn)為2 mm粉末樣本光譜反射率最高,穩(wěn)定裂紋樣本的光譜反射率最低,尤其是在大于1400nm的波譜范圍,這種趨勢更為明顯,在1990 nm處,受到鹽分礦物的影響,土壤樣本反射率與土壤鹽分含量的相關(guān)性最高。此外,基于990 nm,1470 nm,1990 nm和2170 nm等主要鹽分礦物敏感波段的反射率建立了多元線性回歸模型,實現(xiàn)了對土壤理化參數(shù)的精確預(yù)測。4.當(dāng)土壤樣本的質(zhì)地相近時,由于可溶性陽離子與土壤顆粒間形成的水膜改變了土壤的力學(xué)性質(zhì),含鹽量是影響蘇打鹽漬土開裂程度的主要因素。在固定樣本面積和干燥條件下,樣本裂紋長度是描述樣本龜裂特征的重要參數(shù),與其內(nèi)部Na+、電導(dǎo)率(EC)、總含鹽量等表征土壤鹽漬化程度的主要參數(shù)呈現(xiàn)明顯的正線性相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)高于0.9,與p H、HCO3-及CO32-等參數(shù)呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。5.利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對干燥龜裂狀態(tài)下土壤樣本的紋理特征分析結(jié)果表明,紋理特征參數(shù)與樣本的Na+、EC、總含鹽量、Cl-、HCO3-等參數(shù)具有更好的相關(guān)性。6.在實驗室條件下研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,開展了龜裂蘇打鹽漬土的野外觀測實驗。結(jié)果表明,自然干燥龜裂的蘇打鹽漬土表面裂紋長度和紋理特征與土壤鹽分含量具有明顯的線性關(guān)系,這與實驗室的研究結(jié)果完全一致,表明基于土壤裂紋長度和紋理特征的土壤理化參數(shù)預(yù)測模型能夠應(yīng)用于自然條件下土壤參數(shù)的在線測量。上述研究結(jié)果為蘇打鹽漬土含鹽特性的快速識別和無損探測,提供了新的探測手段和方法,也為遙感大面積動態(tài)觀測鹽漬土的鹽分變化奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S156.41
【圖文】：

圖 3-1 研究區(qū)概況圖第二節(jié) 實驗樣本的采集與處理一、土壤樣本采集方案根據(jù)不同的研究目的，土壤樣本的采集方案、采集數(shù)量和采集方法也不同。下面根據(jù)本文研究需要的不同，分別介紹土壤樣本的采集與處理。為定量研究鹽漬土開裂過程、光譜特征及其隨失水開裂過程的變化規(guī)律，充分考慮到樣本的異質(zhì)性、鹽分分布及環(huán)境因素的影響，分別在 2013 年7 月和 2014年4月選取了17個及40個不同鹽漬化程度的土壤樣本點用于實驗室的可控開裂實驗，對每個土壤樣點采集 0-15 cm 的土樣，用 GPS 記錄經(jīng)緯度信息，采樣點分布如圖 3-2 中藍(lán)色圓形標(biāo)志所示。室內(nèi)將所有土壤樣本風(fēng)干、研磨并過 2 mm篩，然后將每個樣本分為三部分：第一部分用于土壤理化參數(shù)的實驗室測量；第

第三章 研究區(qū)選擇與實驗設(shè)計鹽漬土裂紋區(qū)以 20m 為半徑，按照梅花布點的規(guī)則選取 6-7 個采樣點，用 GPS記錄其經(jīng)緯度信息，采樣點分布如圖 3-2 中綠色三角形標(biāo)志所示。對每個采樣點進(jìn)行拍照獲取其野外自然條件下的開裂狀況，對每個采樣點進(jìn)行拍照時，用內(nèi)徑50cm*50cm 木框確定采樣區(qū)域，保證相機(jī)鏡頭離地 1 m 且鏡頭中心與木框中心重合，拍照完畢后采集木框內(nèi) 0-15 cm的土壤樣本。在實驗室內(nèi)將所有樣本風(fēng)干、研磨并過 2 mm 篩，用于測量土壤理化參數(shù)。

圖 3-3 樣本的裂紋圖像拍照過程及光譜反射率測量過程一、龜裂蘇打鹽漬土裂紋長度及裂紋面積提取本文采用數(shù)字圖像處理的方法在 MATLAB 軟件環(huán)境下通過編程處理將裂像的裂紋區(qū)域與背景區(qū)域分離，同時對裂紋部分進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化處理，進(jìn)而到的合理裂紋二值圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行樣本裂紋識別，結(jié)合圖 3-4，圖像的詳理步驟介紹如下。

本文編號：2768439