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(lèi)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、美國的密西西比平原、中國的東北平原以及南美洲阿根廷連至烏拉圭的潘帕大草原。我國東北平原典型黑土區耕地面積約2.78億畝，是重要的糧食生產(chǎn)優(yōu)勢區和全國最大的商品糧生產(chǎn)基地。
然而，近年來(lái)相關(guān)研究和調查發(fā)現，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，土壤有機質(zhì)含量也明顯降低，土壤侵蝕成了黑土地不容忽視的問(wèn)題之一。
保護黑土地對于保障國家糧食安全、生態(tài)安全，促進(jìn)農業(yè)綠色可持續發(fā)展具有重大的意義。接下來(lái)我們了解一篇在黑土地區探測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農田土壤侵蝕熱點(diǎn)探測方面的應用
土地退化影響著(zhù)世界上大約三分之一的農田 ，其中土壤侵蝕是最嚴重和最廣泛的退化形式。在侵蝕嚴重的地區，土壤剖面可能出現明顯的截斷現象，導致富含碳和營(yíng)養豐富的表土物質(zhì)空間重組，造成土壤有機碳（SOC）加速損失，土壤肥力下降，從而影響退化農田的糧食生產(chǎn)。據估計，每10厘米土壤損失作物產(chǎn)量平均減少約4%，而由于農業(yè)管理不當和施肥水平低，發(fā)展中國家減產(chǎn)的程度可能會(huì )加劇。聯(lián)合國可持續發(fā)展目標框架下的土地退化中立方案明確采用了SOC作為評估和監測土地退化狀況的關(guān)鍵指標。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）擁有高度的數據可訪(fǎng)問(wèn)性，然而，它仍然是一種經(jīng)驗方法，只考慮了水蝕，而忽略了其他形式，如耕作和風(fēng)蝕，并沒(méi)有模擬土壤沉積。另外，主要在流域規模上，存在許多基于過(guò)程的物理模型來(lái)模擬單個(gè)降雨事件中相互作用的侵蝕和沉積過(guò)程，但其模型結構的復雜性和模型參數化的不平衡往往會(huì )影響模型的空間預測能力，且當前評估侵蝕發(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侵蝕熱點(diǎn)。無(wú)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(jiàn)問(wèn)題還包括：(1)輸入過(guò)時(shí)的、靜態(tài)的和粗糙的分辨率數據，通常無(wú)法捕捉到侵蝕過(guò)程尺度上土壤侵蝕的時(shí)空變化；(2)缺乏空間分布的觀(guān)測數據來(lái)進(jìn)行嚴格的模型校準和驗證。此外，土壤侵蝕追蹤技術(shù)作為得出凈侵蝕空間估計的可行選擇，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(wèn)題，不僅因為高分辨率衛星圖像的日益普及，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土壤侵蝕熱點(diǎn)相關(guān)，且一些檢測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(lèi)的基本機制仍有待進(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繪方法，從而能夠精確地檢測出多重侵蝕過(guò)程導致的侵蝕熱點(diǎn)。中國東北黑土區是一個(gè)糧倉，年產(chǎn)量超過(guò)國家糧食產(chǎn)量的20%，然而其是中國受土壤侵蝕影響最嚴重的地區之一，因此，一種有效檢測局部侵蝕熱點(diǎn)的方法對于實(shí)施針對性的保護措施具有重要意義。為此，本研究的目標是建立一個(gè)方法框架，實(shí)現僅基于光譜特征對土壤侵蝕進(jìn)行準確分類(lèi)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、中國農業(yè)科學(xué)院農業(yè)環(huán)境與可持續發(fā)展研究所組成的一組研究團隊以中國東北吉林省中部德惠市木石河流域（44°34′-44°38′N(xiāo)，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)驗室內使用ASD Fieldspec 3 FR光譜儀測量土壤樣品VNIR光譜數據；建立地面真實(shí)數據集；結合主成分分析和綜合光譜判別分析（PCA-LDA）方法對實(shí)驗室高光譜數據進(jìn)行測試與分析、研究不同侵蝕影響下土壤的光譜可分性；建立侵蝕分類(lèi)方案、創(chuàng )建混淆矩陣，通過(guò)Kappa系數評估分類(lèi)性能；最后通過(guò)多時(shí)間裸土像素合成方法，優(yōu)化裸土反射率穩定性，基于哨兵-2衍生的寬帶光譜對研究區土壤侵蝕情況進(jìn)行測繪與驗證。
（a, b）中國東北流域數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。
【結果】
基于實(shí)驗室VNIR譜PC評分的線(xiàn)性判別分析（LDA）對三個(gè)斜坡位置進(jìn)行分類(lèi)。
基于土壤的三個(gè)土壤侵蝕強度等級表土實(shí)驗室平均光譜。(a)原始光譜和(b)連續體去除反射率。
用于侵蝕強度等級光譜分離的表土實(shí)驗室光譜指數的箱形圖。
基于哨兵2裸土壤光譜的PC得分的線(xiàn)性判別分析（LDA）確定三個(gè)侵蝕強度等級。
三種土壤侵蝕強度等級的平均光譜。(a)原始光譜和(b)連續去除反射率。
用于侵蝕強度類(lèi)別光譜分離的哨兵-2光譜指數的箱形圖。
10米分辨率下的土壤侵蝕強度圖。
2021年6月，農田范圍內三個(gè)侵蝕強度等級的NDVI密度圖；（b，c）是詳細土壤侵蝕模式的放大區域，（d，e）相應的田間尺度NDVI圖。
【結論】
本研究在中國東北黑土區流域尺度上測試了多時(shí)間遙感探測侵蝕熱點(diǎn)的潛力。建立了一個(gè)地面真實(shí)數據集，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，對應于中、重度和低侵蝕程度類(lèi)別。對實(shí)驗室和基于哨兵-2的土壤光譜數據的調查表明，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(lèi)別中的土壤顯示出明顯的光譜特征，特別是在嚴重侵蝕的地區，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出明顯的類(lèi)間光譜可分性，其對兩種數據源都產(chǎn)生了良好的分類(lèi)精度（Kappa系數> 0.9），對哨兵-2光譜更是如此，從而能夠開(kāi)發(fā)一種光譜分類(lèi)方案，該方案由確定的光譜指數閾值組成，用于基于哨兵-2裸土混合物質(zhì)的像素級土壤侵蝕測繪，其中15.9%的農田面積為侵蝕熱點(diǎn)，中等類(lèi)占65.4%。將侵蝕圖與NDVI圖進(jìn)行比較，從空間角度來(lái)看，顯示了土壤侵蝕對作物生長(cháng)的負面影響。制作的高分辨率土壤侵蝕圖可以對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幫助糧食安全和氣候的有針對性可持續農田管理方面的潛力。未來(lái)的研究應進(jìn)一步檢驗這種方法在其他領(lǐng)域和更大的空間尺度上的可轉移性。
請點(diǎn)擊下方鏈接，閱讀原文：
https://mp.weixin.qq.com/s/XFKEG8pFb0TeiMqhJwxL4Q