崔慧瑾, 劉 菊, 杜自強, 嚴(yán)俊霞, 焦曉燕

(1.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 太原 030006 ; 2.山西省林業(yè)科學(xué)研究院, 太原 030012;3.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 太原 030006; 4.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所, 太原 030031)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其含碳量是大氣的2倍[1]，每年從土壤中釋放的碳是年化石燃料燃燒碳釋放量的10倍以上，在全球碳循環(huán)研究中起著關(guān)鍵作用[2]，其微小變化會顯著影響大氣中的CO2濃度，從而影響全球氣候變化[3]。因此，精確地估算土壤呼吸量不僅可以為全球碳平衡估算和評估全球變化的潛在效應(yīng)提供最基本的數(shù)據(jù)，而且能夠為政府決策和行業(yè)發(fā)展提供決策依據(jù)。氣室法由于方便、靈活，在土壤呼吸測定中得到了廣泛應(yīng)用，但該方法測定過程中對植被生長有一定的干擾性，且費時費力。如何快速準(zhǔn)確測定土壤呼吸成為研究者們普遍關(guān)注的問題之一。

研究表明，在其他自然因素，如土壤溫度、水分、質(zhì)地等相同的情況下，生物因子就成為影響土壤呼吸變化的主要因素，如植被類型、光合作用、根系生物量、葉面積指數(shù)等因素[4]。光合作用將光合產(chǎn)物分配給根系從而影響土壤呼吸[5]，然而，光合作用和生物量大范圍的觀測是很難實現(xiàn)的。衛(wèi)星遙感能瞬時獲取大區(qū)域和連續(xù)分布的地表各種參數(shù)，如植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、總初級生產(chǎn)力等，彌補了實地觀測的不足。高光譜遙感具有波段多、波譜分辨率高且連續(xù)分布的優(yōu)勢，已經(jīng)用于估算作物的地上生物量、葉綠素含量及葉面積指數(shù)等生理生化參數(shù)等研究[6-8]。利用高光譜指數(shù)進行土壤呼吸的研究已有報道，如Liang等[9]利用光譜植被指數(shù)對亞高山草甸的土壤呼吸進行了研究；Cicuendze等[10]利用野外實測光譜信息對玉米地的土壤呼吸進行了研究；Huang等[11]同樣利用光譜植被指數(shù)對農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸進行了研究。這些研究所建立的關(guān)系模型都借用于實際測定的其他因素如土壤溫度。而完全基于高光譜遙感數(shù)據(jù)模擬土壤呼吸的研究鮮有報道。本研究以高粱為研究對象，基于對4個處理[對照(CK)、生物炭(B)、地膜覆蓋(P)、生物炭+地膜覆蓋(B+P)]，同步觀測的土壤呼吸速率和冠層高光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，首先探討生物炭添加和地膜覆蓋對土壤呼吸及冠層高光譜特征的影響，并基于高光譜數(shù)據(jù)對土壤呼吸進行定量模擬，以建立一種利用高光譜特征指數(shù)估算土壤呼吸的方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗基地進行。該試驗地位于山西省晉中市東陽鎮(zhèn)(北緯37°32′，東經(jīng)112°40′)，海拔804.6 m，所在區(qū)域為暖溫帶半干旱大陸季風(fēng)氣候，年均氣溫9.7 ℃，年均降水量440.7 mm，年日照數(shù)不低于253.5 h。試驗樣地土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 樣地土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗供試對象為高粱，品種為晉雜34號，于2015年5月6日播種、10月8日收獲。共設(shè)4個處理：對照(CK)、生物炭(B)、地膜覆蓋(P)，生物炭+地膜覆蓋(B+P)。4個處理施肥量相同，N、P、K的純養(yǎng)分施用量分別為0.225，0.075，0.030 t/hm2，N肥一半基施，一半在高粱拔節(jié)期追施，P、K肥均作為底肥在播種前基施。生物炭施用量為13.05 t/hm2，在高粱播種前翻耕時與其他肥料一起均勻施入土壤。所施生物炭由河南三力集團生產(chǎn)，原料為小麥秸稈，含全C 434.11 g/kg、全N 6.8 g/kg、有效P 0.29 g/kg、速效K 22.73 g/kg，pH 10.00，電導(dǎo)率7.9 mS/cm。地膜覆蓋處理從播種到收獲一直覆蓋，覆蓋時行間預(yù)留10 cm寬空間用于放置土壤呼吸測定環(huán)。試驗小區(qū)面積為30(5×6) m2，隨機分區(qū)排列，每個處理設(shè)3個重復(fù)，共12個小區(qū)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤呼吸速率 土壤呼吸速率(Rs)用便攜式光合作用系統(tǒng)LI-COR6400連接土壤呼吸氣室6400-09測定，從2015年6月開始，至10月底結(jié)束，間隔10～15 d測定一次。第一次觀測前一天在每個小區(qū)隨機選擇3個樣點放置PVC環(huán)，每個處理樣地放置9個PVC環(huán)，每個環(huán)測定3個循環(huán)，取平均值作為該環(huán)的土壤呼吸速率，最終取9個樣點的平均值作為該處理樣地的Rs值，用于土壤呼吸與其他因子的關(guān)系分析。

1.3.2 光譜測定 冠層光譜采用美國ASD公司生產(chǎn)的手持式地物光譜儀FieldSpecHandHeld2測定，其光譜范圍為325～l 075 nm，視場角為25°。測定選擇晴朗無云的天氣進行，測定時間為10：00—14：00，與Rs測定日期相同。測定時保持傳感器探頭垂直向下，距冠層垂直高度約1 m。每個小區(qū)選擇3個點測定，每個點獲得10條光譜曲線，取平均值作為該處理的光譜反射值，每個小區(qū)測定前、后都立即進行白板校準(zhǔn)。用ViewSpec Pro軟件對原始光譜曲線進行預(yù)處理和一階微分計算。本文所用的光譜特征參數(shù)主要有：原始光譜反射率、一階導(dǎo)數(shù)光譜、從原始光譜和一階微分光譜提取的基于高光譜位置、高光譜面積、高光譜植被指數(shù)的變量，詳見表2。選用的已經(jīng)報道的植被指數(shù)見表3。

1.4 模型構(gòu)建、評價與驗證

采用交叉驗證法對數(shù)據(jù)建模，從所有的有效樣本中，隨機選取2/3的樣本作為建模數(shù)據(jù)，分別以高光譜特征參數(shù)、植被指數(shù)為自變量，土壤呼吸為因變量，選取直線模型、指數(shù)模型、對數(shù)模型、拋物線模型及乘冪模型建立估測模型，用決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE作為精度評價標(biāo)準(zhǔn)。用剩余1/3的樣本作為驗證數(shù)據(jù)，對模型進行精度檢驗，用驗證模型的R2，RMSE和斜率(Slope)作為精度評價標(biāo)準(zhǔn)。R2越高，RMSE越低，Slope越接近于1，模型的精度就越高。RMSE的計算公式如下：

式中：ym是土壤呼吸速率的實測值；yc是模型的估測值；n為樣本的數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和地膜覆蓋對高粱地土壤呼吸的影響

4個處理高粱地的Rs季節(jié)變化趨勢一致，最高值出現(xiàn)在7月21日，之后持續(xù)下降(圖1)。方差分析表明，各生育期之間總體差異顯著，CK和B處理抽穗期均值最高分別為10.01，9.92 μmol/(m2·s)，P和B+P處理拔節(jié)期最高分別為13.08，13.61 μmol/(m2·s)，4個處理均值最低值均出現(xiàn)在收獲期。Rs的季節(jié)變化幅度(最大值與最小值之差除以平均值)B處理最高為246%，其余3個處理差異不大，分別為183%(CK)，179%(B+P)，175%(P)。方差分析表明，全生育期4個處理Rs的總體差異顯著(p<0.05)，P和B+P處理顯著高于B和CK，從大到小依次為：B+P [9.43 μmol/(m2·s)]>P[8.88 μmol/(m2·s)]>B[7.35 μmol/(m2·s)]>CK[6.68 μmol/(m2·s)]。從單個生育期來看，除拔節(jié)期B處理的Rs[9.20 μmol/(m2·s)]顯著高于CK[7.34 μmol/(m2·s)]外，在其余3個生育期(抽穗期、灌漿期、成熟期)與CK均差異不顯著；P和B+P處理在拔節(jié)期、抽穗期、收獲期均顯著高于CK和B處理，灌漿期B+P處理顯著高于CK和B處理，而P與CK和B處理差異不顯著；B+P在4個生育期與P均無顯著差異。單個生育期與全生育期的規(guī)律相一致，表明地膜覆蓋可以使土壤呼吸明顯提高，而生物炭的添加對土壤呼吸的影響不顯著。

圖1 生物炭和覆膜對土壤呼吸的影響

2.2 生物炭和地膜覆蓋對高粱冠層高光譜的影響

從圖2可以看出，不同生育期4個處理的高粱冠層光譜變化趨勢基本一致，可見光范圍550 nm處有明顯的綠峰、680 nm處出現(xiàn)低谷、680～760 nm光譜反射率隨波長增加快速增加，近紅外波段有一個較高的平臺。同一生育期不同處理在近紅外平臺的反射率有所差異，拔節(jié)期至抽穗期，CK和B處理的近紅外反射率顯著上升，從0.30～0.50左右，之后逐漸下降，至灌漿期后期和收獲期下降到0.27左右；P和B+P處理近紅外平臺在拔節(jié)期最高，此后逐步減低，灌漿期和成熟期降至0.30以下。總體而言，拔節(jié)期近紅外平臺反射率大小表現(xiàn)為B+P>P>CK>B，差值達到0.14；抽穗期相差0.12，從高到底依次為CK>B>P>B+P，灌漿期和收獲期4個處理差異不大，平均差值在0.02左右。

圖2 生物炭和地膜覆蓋下高粱不同生育期冠層光譜反射率

2.3 土壤呼吸與高光譜變量的相關(guān)性分析

2.3.1 土壤呼吸與高光譜反射率及其一階導(dǎo)的相關(guān)性分析 用4個處理所有測定的數(shù)據(jù)分析表明，高粱地Rs與光譜反射率的相關(guān)系數(shù)在325～721 nm呈負相關(guān)，其中328～329，332～337，339～340，343～349，354～361，363～364，368，372，376，381～382，384～387，389～393，395～514，577～610，706～711 nm達到顯著水平(p<0.05)，338，341～342，350～353，362，365～367，369～371，373～375，377～380，383，388，394，611～705 nm達到了極顯著水平(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)絕對值最高為0.453，對應(yīng)波段為681～686 nm。在波段722～1075 nm范圍內(nèi)為正相關(guān)，其中729，730 nm處為顯著正相關(guān)(p<0.05)，730～1 075 nm為極顯著正相關(guān)(p<0.01)，波段779～782 nm的相關(guān)系數(shù)最高均為0.737(圖3)。

在325～503 nm范圍內(nèi)Rs與光譜一階微分導(dǎo)數(shù)的相關(guān)性弱，僅有個別波段達到顯著或極顯著水平；在503～534 nm相關(guān)性較好相關(guān)系數(shù)從0.334～0.552，之后相關(guān)系數(shù)由正值變?yōu)樨撝?，?50～680 nm相關(guān)系數(shù)在-0.383～-0.704，其中625，651 nm處相關(guān)系數(shù)絕對值都大于0.70；683～691 nm范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)由負變正，均未達到顯著水平(p<0.05)，693～779 nm范圍內(nèi)相關(guān)性較好，在731～754 nm范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)都高于0.80；在780～961 nm波段范圍內(nèi)，除785，786～787，795～798，806～813，818～819，824～827，856～862，867～894，899～912，917～929，935～941，947～954，960～961 nm相關(guān)性達到顯著或極顯著外，其余波段處相關(guān)性都不顯著，962～1 075 nm整體相關(guān)性較弱。

圖3 高粱地土壤呼吸與冠層高光譜反射率及其一階導(dǎo)的相關(guān)系數(shù)

2.3.2 土壤呼吸與高光譜特征變量的相關(guān)性分析 從表2可以看出，Rs與Db，Dr，λr，λo，SDb，SDr，Rg/Rr，(Rg-Rr)/(Rg+Rr)，SDr/SDb，(SDr-SDb)/(SDr+SDb)，(SDr-SDy)/(SDr+SDy)呈極顯著正相關(guān)，與λy呈顯著正相關(guān)，與Dy，λg，Rr，SDy，SDo呈極顯著負相關(guān)，由表2還可以看出：Rs與λb，Rg，SDr/SDy相關(guān)性不顯著。其中，Rs與Rg/Rr，(Rg-Rr)/(Rg+Rr)，Dr，SDr的相關(guān)系數(shù)大于0.80，表明采用這些光譜特征變量對高粱地土壤呼吸速率進行估算具有較高的可行性。

表2 土壤呼吸與高粱冠層光譜特征變量的相關(guān)系數(shù)

注：*表示p<0.05；**表示p<0.01。

2.3.3 土壤呼吸與光譜植被指數(shù)的相關(guān)性分析 本文采用的已報到的植被指數(shù)見表3。相關(guān)分析表明，高粱地的Rs與9種高光譜植被指數(shù)之間的相關(guān)性均達到0.01極顯著水平，相關(guān)系數(shù)大于0.70的植被指數(shù)有DVI，RVI，EVI，VOG1，PRI，相關(guān)系數(shù)分別為0.763，0.775，0.770，0.755，0.760(圖4)。

表3 本文采用的高光譜植被指數(shù)

2.4 土壤呼吸的高光譜估算模型構(gòu)建與驗證

圖4 高粱地土壤呼吸與植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

表4 土壤呼吸與高光譜變量的線性與非線性擬合模型參數(shù)

3 討 論

大量研究表明，生物炭施用可以有效減低土壤容重、增加土壤有機質(zhì)含量、持留土壤養(yǎng)分，為土壤微生物的生長和繁殖提供良好的環(huán)境，從而改良土壤，提高土壤肥力，促進作物增產(chǎn)和品質(zhì)提升，進而影響土壤呼吸速率[19-21]。試驗規(guī)模、生物炭施用量、生物炭制備的熱解溫度等因素會影響生物炭輸入對土壤呼吸的影響效應(yīng)。研究表明，盆栽試驗中生物質(zhì)炭輸入對土壤呼吸具有顯著的促進作用，但是田間試驗卻沒有顯著性的影響[22]。隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，生物質(zhì)炭對土壤呼吸的影響程度加深。Stewart等[23]報道了當(dāng)施用100 t/hm2生物炭時土壤呼吸增加35%，而施用25 t/hm2時土壤呼吸僅增加8%。施用量較小的研究一般對土壤呼吸沒有顯著影響(20，40 t/hm2)[24]。高溫制備的生物炭一般比低溫制備的生物炭穩(wěn)定[25]。Sagrilo等[26]指出當(dāng)制備溫度低于350 ℃時，生物炭使土壤呼吸顯著增加，而當(dāng)制備溫度高于350 ℃時，則沒有顯著影響。本研究中生物炭的施用并沒有顯著改變高粱地的土壤呼吸速率，可能是因為我們的研究中生物炭施用量較低，每年施用量為13.05 t/hm2。

植被冠層近紅外波段光譜反射率能夠反映植被長勢狀況，當(dāng)植被生長旺盛、覆蓋度高時近紅外波段反射率較高，但植被受到環(huán)境脅迫(如病蟲害)或植被衰老時，近紅外波段反射率則較低。本研究中，高粱拔節(jié)期冠層近紅外波段反射率B+P和P處理顯著高于CK和B，抽穗期CK和B處理顯著高于P和B+P，灌漿期和收獲期4個處理差異不大，表明地膜覆蓋改變了作物的生育節(jié)律，在生育期前期促進了高粱植株的生長，中后期則有一定的抑制作用，使成熟期提前，提早進入衰老，與王穎等[27]研究結(jié)果相一致。本研究中，與CK相比，P處理和B+P處理拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期近紅外波段反射率的平均差值分別為0.06，-0.11，0.00，0.03(P-CK)和0.13，-0.12，-0.02，0.03(B+P-CK)，呈減小趨勢，即在高粱生長前期(拔節(jié)期)，地膜覆蓋促進高粱生長，而從抽穗期后，地膜覆蓋則抑制高粱生長；B處理的平均值差值分別為-0.01，-0.06，0.00，-0.02(B-CK)，沒有明顯變化，表明生物炭對高粱的生長沒有明顯的作用。

4 結(jié) 論