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1、引言

土壤支持果樹生長，為果樹提供水分及礦質(zhì)營養(yǎng)。土壤中的主要速效養(yǎng)分包括堿解氮、有效磷和速效鉀，能夠在當(dāng)季被作物吸收利用，其含量直接影響到作物的生長發(fā)育情況和果實質(zhì)量。氮磷鉀都是蘋果樹生長必需的重要營養(yǎng)元素，用于構(gòu)成果樹體內(nèi)各種蛋白質(zhì)、核酸和磷脂的主要結(jié)構(gòu)。氮元素可以促進(jìn)果樹對營養(yǎng)的吸收及葉綠素的形成，使植物枝葉繁茂，果實飽滿。磷元素能促進(jìn) CO2的還原固定，有利于碳水化合物的合成，并能促進(jìn)糖分轉(zhuǎn)運(yùn)，提高果實產(chǎn)量和含糖量。在磷元素供給充足時，果樹的根系能獲取豐富糖分來促進(jìn)根系生長，提高吸收根的比例，從而提升果樹攝取土壤養(yǎng)分的能力。鉀元素被科學(xué)家稱作“品質(zhì)元素”，因為其能夠提 高果樹的抗旱、抗寒、抗?jié)场⒖鼓妗⒖共∠x害和抗倒伏的能力，還有膨大果實、增糖增色、改善果實品質(zhì)的作用。

堿解氮含量與作物的氮素營養(yǎng)有較好的相關(guān)性，因此測定堿解氮含量可以反映出近期土壤供氮狀況的高低。施肥是綜合管理中的重要環(huán)節(jié)，由于各發(fā)育時期的果樹對不同元素的需求不同，因此了解果樹什么時期需肥急迫并及時補(bǔ)充肥料才能滿足果樹生長發(fā)育的需要。過量施肥不僅會污染環(huán)境、增加生產(chǎn)成本，還會降低果實的產(chǎn)量。因此，及時準(zhǔn)確地監(jiān)測果園土壤主要速效養(yǎng)分含量水平對果園科學(xué)施肥和園地質(zhì)量精準(zhǔn)管理具有重要意義。傳統(tǒng)的土壤養(yǎng)分化驗方法時間長、成本高，采樣時還會損害植物根系。高光譜技術(shù)憑借快速、無損、無污染的優(yōu)勢能夠在短時間內(nèi)大批量的測量土壤樣本，被應(yīng)用于果園的科學(xué)管理中。

果園選址多為山地丘陵地區(qū)，受地理、氣候及土壤質(zhì)地等因素的影響，土壤光譜信號較弱。常規(guī)的光譜變換如微分變換、對數(shù)變換等均能夠在一定程度上提升光譜與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性，但對其光譜敏感性的提升程度有限。為進(jìn)一步提升光譜信噪比，發(fā)掘更深入的光譜信息，本研究以山東省濟(jì)南市長清區(qū)雙泉鎮(zhèn)一處丘陵蘋果園為例，將數(shù)學(xué)變換和連續(xù)小波分析耦合對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立優(yōu)選土壤堿解氮（AN）、有效 磷（AP）、速效鉀（AK）三種主要速效養(yǎng)分含量的高光譜估測模型，探討不同光譜變換方式與不同建模方式對模型精度的影響；同時為將高光譜估測技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)管理，提出一套針對蘋果園土壤速效養(yǎng)分的簡便估測技術(shù)流程。

1、數(shù)據(jù)來源及蘋果園土壤光譜特征分析

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省濟(jì)南市長清區(qū)雙泉鎮(zhèn)（圖 1），地處泰山西北，三面環(huán)山，屬于魯中低山丘陵地區(qū)，海拔在29.4-998.6m，相對高差959.2m；屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，春秋短，夏冬長，年均氣溫14.7℃，年均日照時數(shù)2616.8h，年均降水量 671.1mm，主要集中在夏季。試驗所選蘋果園面積約33hm2，土壤類型為棕壤。種植果樹株距1.5m左右，行距4.5m左右，畝株數(shù)100左右，樹冠冠幅1-1.5m，果園整體郁閉度在0.6左右。果園種植蘋果品種主要為嘎啦，以及少量紅富士。均為八月成熟品種，樹齡6年，根系橫向分布與樹木冠幅成正比，縱向分布在0-50cm處。

圖 1 研究區(qū)區(qū)位圖

2.2 土壤樣品采集與處理

2.2.1 土壤樣品采集

土壤樣本采集于2019年5月30日。這時處于蘋果花期進(jìn)入果期的生長階段，幼果已經(jīng)基本成型，是調(diào)節(jié)蘋果產(chǎn)量和樹勢的關(guān)鍵時期。基于棋盤式取樣法，在蘋果園中布設(shè)140個采樣小區(qū)，每個采樣小區(qū)選取一棵果樹作為采樣點，在距離蘋果樹根部水平方向約 30cm處用土鉆采集土壤表層以下0-30cm混合土樣。采樣時應(yīng)盡量采集貼近毛細(xì)根部的土壤，以便最大程度降低對果樹的傷害。將采回的土樣置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，去除砂礫及動植物殘體后在陶瓷研缽中研磨，過100目篩，使樣品充分混合。然后將處理好的樣品分成2份，1份用于土壤光譜測定和室內(nèi)化學(xué)分析，1份放于自封袋中保存?zhèn)洳椋乐菇徊嫖廴尽?/span>

2.2.2 土壤光譜數(shù)據(jù)采集

光譜數(shù)據(jù)的獲取是對土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行光譜定量反演的基礎(chǔ)，由于野外實地測量條件受地形、天氣及周圍環(huán)境的影響，所獲光譜數(shù)據(jù)噪聲過大，模型精度無法保證；室內(nèi)光譜測定條件可控，所獲光譜數(shù)據(jù)受外界影響較小，模型精度高但無法適用于野外條件。因此本研究選擇在人工控制周圍環(huán)境的室外利用自然陽光進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的獲取。土壤光譜反射率的獲取在視野開闊無遮擋的空地上進(jìn)行，為保證太陽高度角，測量時間控制在 10:00-14:00。測量時將盛滿待測土樣的皿置于黑色橡膠上，探頭視場角為25°，距土壤樣本 15cm。測量時，為降低土壤光譜各向異性的影響，每個土壤樣本按90°旋轉(zhuǎn)3次，每個方向采集5條光譜曲線共20條，算術(shù)平均后得到該樣本的反射光譜，測量過程中及時用反射率為1的白板進(jìn)行校正，測完光譜后將土壤樣本再次裝入自封袋中，用于土壤主要速效養(yǎng)分含量的化學(xué)測定。

2.2.3 土壤樣本化驗分析

土壤 AN 含量的測定采用堿解擴(kuò)散法（公式 2-1）。

式中：c—硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度；V—樣液消耗的硫酸的體積（ml）；V0—空白試驗消 耗的硫酸的體積（ml）；14—1mol 氮的質(zhì)量，g；m—土樣的質(zhì)量，g；1000—換算成1kg樣品中氮的毫克數(shù)。土壤 AP 含量的測定采用鉬銻抗比色法（Olsen法）（公式 2-2）。

式中：ρ—查校準(zhǔn)曲線或求回歸方程而得測定液中 P 的質(zhì)量濃度，μg·ml^-1；V—顯色液體積，25ml；D—分取倍數(shù)，即試樣提取液體積/顯色時分取體積，本實驗為 50/10；10³和 1000—分別將μg 換算成 mg 和將 g 換算為 kg；m—風(fēng)干試樣質(zhì)量，g。土壤 AK 含量的測定采用乙酸銨浸提—火焰光度法（公式 2-3）。

式中：ρ—查校準(zhǔn)曲線或求回歸方程而得測定液中 K 的質(zhì)量濃度，μg·ml-1；V—加 入浸提劑體積，50ml；D—稀釋倍數(shù)，若不稀釋則 D=1；10³和 1000—分別將μg 換算成mg 和將 g 換算為 kg；m—風(fēng)干試樣質(zhì)量，g。平行測定結(jié)果以算術(shù)平均值表示。

2、土壤光譜特征分析

3.1 土壤光譜信號增強(qiáng)處理

在獲取土壤光譜數(shù)據(jù)的過程中，由于儀器自身及客觀環(huán)境因素的影響，使得光譜數(shù)據(jù)中包含大量噪聲信息。因此，在分析光譜時，如何剔除噪聲信息，獲取我們所需的光譜信息變得十分重要。

3.1.1 光譜去噪

受儀器自身特性的影響，邊緣波段處的光譜反射率曲線存在較大噪聲，無法獲取有 效的光譜信息。為保證數(shù)據(jù)可信性，刪除 350-399 和 2451-2500nm 處的數(shù)據(jù)，將剩余的400-2450nm 共 2051個波段作為輸入光譜。因光譜曲線數(shù)據(jù)在1350-1450nm 和1800-1950nm波長范圍內(nèi)受空氣水分及各種基團(tuán)影響，光譜反射率曲線波動程度劇烈，難以獲取有效信息，因此將這些波段剔除。

3.1.2 蘋果園土壤光譜特征

由于 AN、AP、AK經(jīng)過平滑處理后的光譜反射率曲線特征幾乎一致，此處以AN的光譜反射率曲線為例作圖展示。140個土壤樣本光譜反射曲線如圖（圖 2）所示。

圖 2 平滑處理后的光譜反射率（以堿解氮為例）

由圖 2可以看出，不同土壤樣本在不同波段的反射率不同，但是總體趨勢一致。通過分析圖 2總結(jié)出光譜曲線的總體趨勢有以下特征：（1）土壤原始光譜反射率主要集中在0.05-0.45之間，不同土壤樣本的光譜曲線在不同的波長范圍內(nèi)趨勢基本一致。（2）在 400nm-1350nm波段范圍內(nèi)，光譜曲線主要處于上升趨勢，其中在550nm-850nm坡度最陡，上升最快，其他波段上升趨勢較為平緩。在1450nm-1850nm波段范圍內(nèi)，光譜曲線呈平穩(wěn)上升趨勢，曲線坡度較為平緩。在1950nm-2100nm波段范圍內(nèi)，光譜曲線呈現(xiàn)急速上升趨勢，曲線坡度較陡。在2100nm-2450nm 波段范圍內(nèi)，光譜曲線總體呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，其中在 2100nm-2200nm處曲線最陡，其余部分下降趨勢較為平緩。（3）光譜曲線在近紅外波段范圍內(nèi)走向趨于平緩。在 1400nm、1900nm、2200nm附近存在較為明顯的水分吸收谷，這是由于該波長范圍內(nèi)，受到空氣中水分子的影響波動劇烈造成的。土壤速效養(yǎng)分含量不同，光譜反射率不同。分別選取堿解氮、有效磷、速效鉀含量等級不同的土壤樣本，將速效養(yǎng)分含量與光譜反射率作圖分析（圖3-5）。將果園土壤AN 含量（mg/kg）按照（0,80）、[80,90）、[90,100）、[100,+∞）等 級劃分，在各等級中隨機(jī)選取一個土壤樣本，將四個土壤樣本的AN 含量與光譜反射率的關(guān)系作圖展示（圖 3）。

圖 3 不同 AN 含量光譜反射率曲線

由圖 3可以看出，土壤AN含量與光譜反射率成正比，土壤中AN含量越豐富， 光譜反射率越高。將果園土壤 AP含量（mg/kg）按照（0,30）、[30,40）、[40,50）、[50,+∞）等級劃分，在各等級中隨機(jī)選取一個土壤樣本，將四個土壤樣本的AP含量與光譜反射率的 關(guān)系作圖展示（圖 4）。

圖 4 不同 AP 含量光譜反射率曲線

由圖 4可以看出，土壤AP含量與光譜反射率成反比，土壤中AP含量越豐富，光譜反射率越低。將果園土壤 AK含量（mg/kg）按照（0,20）、[20,30）、[30,40）、[40,+∞）等級劃分，在各等級中隨機(jī)選取一個土壤樣本，將四個土壤樣本的AK含量與光譜反射率的 關(guān)系作圖展示（圖 5）。

圖 5 不同AK含量光譜反射率曲線

由圖 5可以看出，土壤AK含量與光譜反射率成反比，土壤中AK含量越豐富，光譜反射率越低。

4、結(jié)論

該研究對研究區(qū)的地理位置概況、氣候特征、土壤類型、及實驗園區(qū)果樹分布、生長情況進(jìn)行了簡單的介紹；對研究中土壤樣本的采集化驗工作，以及獲取土壤光譜、 對光譜數(shù)據(jù)處理等工作進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對蘋果園地土壤高光譜進(jìn)行去噪增強(qiáng)了光譜特征，并分析了光譜反射率與土壤速效養(yǎng)分含量的關(guān)系；土壤原始光譜反射率主要集中在0.05-0.45之間，各土壤樣本的反射率曲線波長范圍內(nèi)趨勢基本一致；400-2100nm范圍內(nèi)土壤光譜曲線總體呈上升趨勢，2100-2450nm范圍內(nèi)土壤 光譜曲線總體呈下降趨勢；在1400nm、1900nm、2200nm附近存在較為明顯的水分吸收谷。土壤AN含量與光譜反射率成正相關(guān)，土壤AN含量越高，光譜反射率越高。土壤AP和AK含量與光譜反射率成負(fù)相關(guān)，土壤 AP和AK含量越高，光譜反射率越低。

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