全 文 ：第３３卷第４期
Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．４
草　业　科　学
ＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ
５７３－５８３
４／２０１６
ｈｔｔｐ：??ｃｙｋｘ．ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＤＯＩ：１０．１１８２９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０６２９．２０１５－０５８７
夏小伟，靳瑰丽，安沙舟，范燕敏，魏秀红．伊犁绢蒿荒漠草地围封后的土壤动态．草业科学，２０１６，３３（４）：５７３－５８３．
Ｘｉａ　Ｘ　Ｗ，Ｊｉｎ　Ｇ　Ｌ，Ａｎ　Ｓ　Ｚ，Ｆａｎ　Ｙ　Ｍ，Ｗｅｉ　Ｘ　Ｈ．Ｓｏｉｌ　ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｓｅｒｉｐｈｉｄｉｕｍ　ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ
ｄｅｓｅｒｔ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ．Ｐｒａｔａｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１６，３３（４）：５７３－５８３．
伊犁绢蒿荒漠草地围封后的土壤动态　　　　
夏小伟，靳瑰丽，安沙舟，范燕敏，魏秀红
（新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐８３００５２）
摘要：本研究对伊犁绢蒿（Ｓｅｒｉｐｈｉｄｉｕｍ　ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ）荒漠草地的土壤理化性质及光谱进行测定，探讨围封对土壤理化性
质的影响和草地光谱的响应。结果表明，土壤含水量在各土层随植物生长期呈递减趋势，５月与９月土壤含水量随围
封年限的延长总体上呈增加趋势，并对群落光谱和土壤含水量间关系进行建模，Ｒ２＝０．６３；土壤有机质随封育年限增
加呈升－降－升的趋势，围栏内外有机质差值在５月随封育年限的增加而增加，封育７年、１０年草地有机质差值，植物
生长期内呈线性递减。通过室内土壤光谱及野外裸地光谱对土壤有机质进行建模，均取得较好效果，Ｒ２ 分别为０．６４
与０．３８。研究表明，草地土壤含水量及有机质对于草地恢复状况较为敏感，可用于该类草地封育状况的监测。
关键词：伊犁绢蒿；土壤含水量；有机质；全氮；碱解氮；建模
中图分类号：Ｓ８１２．２　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００１－０６２９（２０１６）４－０５７３－１１＊
Ｓｏｉｌ　ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ
Ｓｅｒｉｐｈｉｄｉｕｍ　ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ　ｄｅｓｅｒｔ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ
Ｘｉａ　Ｘｉａｏ－ｗｅｉ，Ｊｉｎ　Ｇｕｉ－ｌｉ，Ａｎ　Ｓｈａ－ｚｈｏｕ，Ｆａｎ　Ｙａｎ－ｍｉｎ，Ｗｅｉ　Ｘｉｕ－ｈｏｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｒａｔａｃｕｌｔｕｒａｌ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；
Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｇｒａｓｓｌａｎｄ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｃｏｌｏｇｙ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００５２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｔｕｄｙ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｓｏｉｌ　ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　Ｓｅｒｉｐｈｉｄｉｕｍ　ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ
ｄｅｓｅｒｔ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ　ｔｏ　ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅｉｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｓｏｉｌ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ
ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｐｅｒｉｏｄ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ　ｉｎ　Ｍａｙ　ａｎｄ　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ
ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　Ｒ２　ｏｆ　０．６３３．Ｔｈｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｓｉｄｅ　ａｎｄ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｏｆ　ｆｅｎｃｅ　ｉｎ　Ｍａｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ　ｐｅｒｉｏｄ
ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｌｉｎｅａｒｌｙ　ｉｎ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ　ｅｎｃｌｏｓｅｄ　７ａｎｄ　１０ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｓ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｂｏｔｈ　ｉｎｄｏｏｒ　ｓｏｉｌ　ｓｐｅｃｔｒａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｂａｒｅ　ｌａｎｄ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｗｅｒｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｗｉｔｈ　Ｒ２　ｏｆ　０．６４ａｎｄ　０．３８，
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｓｏｉｌ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ　ｗｅｒｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｏ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ　ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ
ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　Ｓ．ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ　ｄｅｓｅｒｔ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｅｒｉｐｈｉｄｉｕｍ　ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ；ｓｏｉｌ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ；ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ；ｔｏｔａｌ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ；ａｌｋａｌｉ－ｈｙｄｒｏｌｙｚａｂｌｅ　ｎｉ－
ｔｒｏｇｅｎ；ｍｏｄｅｌｉｎｇ
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ：Ａｎ　Ｓｈａ－ｚｈｏｕ　Ｅｍａｉ：ｘｊａｓｚ＠１２６．ｃｏｍ
　　伊犁绢蒿（Ｓｅｒｉｐｈｉｄｉｕｍ　ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ）主要分布于
天山以北的荒漠地带，地处中亚荒漠气候控制之下，为
典型的中亚气候荒漠代表性植被。伊犁绢蒿荒漠是新
疆荒漠草地的组成部分之一，总面积１１４．２５万ｈｍ２，
＊ 收稿日期：２０１５－１０－２６　　接受日期：２０１６－０２－２４
基金项目：国家自然基金项目（３１３６０５７１）
第一作者：夏小伟（１９９０－），安徽合肥人，在读硕士生，研究方向为草地资源与生态。Ｅ－ｍａｉｌ：６４６４５２３００＠ｑｑ．ｃｏｍ
通信作者：安沙舟（１９５６－），陕西富平人，教授，博导，博士，研究方向为草地资源与生态研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｊａｓｚ＠１２６．ｃｏｍ
草　业　科　学 第３３卷
ｈｔｔｐ：／／ｃｙｋｘ．ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
是当地重要的春秋牧场，对畜牧业意义重大［１］。
伊犁绢蒿荒漠生境严酷，降水不足，且蒸发强烈，
生态系统十分脆弱。近年来，随着畜牧业的发展，草地
过牧现象普遍，利用价值下降，生态系统处于崩溃的边
缘。为合理利用与保护这一资源，研究者们对种群生
物学特性［２－４］、植被演替趋势［５］、植物生态适应对策［４］、
土壤种子库及幼苗输出［６］等方面已经进行了详实的研
究，并为草地的合理利用与保护提供了科学合理的理
论支撑，同时也为采用遥感技术快速监测草地提供了
生理生态学基础数据。但是，有关土壤遥感方面阐述
封育对草地生态恢复方面的研究相对较少［１］，特别是
从高光谱遥感的方向对封育草地土壤理化性质恢复状
况的研究少有报道。
目前，采用遥感技术在农田土壤方面已进行了大
量详实的研究，主要侧重于土壤有机质［７］、氮素［８］、盐
分［９］、含水量［１０］、氧化铁［１１］等理化性质的估测与填图。
对于荒漠土壤来说，由于其在生产上地位较低，故研究
者们采用遥感技术对荒漠区土壤的盐碱化［１２］、沙化［１３］
等方面有较少的研究。针对荒漠草地的遥感研究主要
侧重于地上部分的估测，也有基于地面高光谱对不同
干扰下特征植物［１４］光谱特征变化的研究。荒漠区植
物群落盖度低，土壤背景影响大，在草地生态系统恢复
过程中土壤是必不可少的一环。而且，荒漠草地在新
疆的畜牧业生产中具有重要地位［１］，故对于伊犁绢蒿
荒漠草地封育恢复地监测具有其特殊的意义。
本研究以乌鲁木齐市米东区伊犁绢蒿荒漠草地为
对象，针对草地土壤高光谱特征进行研究，筛选相关参
数，探讨在封育条件下伊犁绢蒿荒漠草地土壤理化性
质的变化趋势及光谱是如何响应的，构建伊犁绢蒿荒
漠草地土壤理化性质高光谱模型，以期为快速、有效监
测荒漠草地土壤养分提供理论基础。
１　材料与方法
１．１　研究区概况
研究区位于新疆乌鲁木齐市米东区芦草沟乡，
４３°５３′Ｎ，８７°４５′Ｅ，海拔８４０～１　１００ｍ，属大陆性中温
带干旱气候，光照充足，蒸发量大，年内、昼夜温差大，
年平均降水２１２ｍｍ，年均温７．３℃，无霜期１６５ｄ，全
年多西北风。该研究区以伊犁绢蒿半灌木为建群种，
伴生叉毛蓬（Ｐｅｔｒｏｓｉｍｏｎｉａ　ｓｉｂｉｒｉｃａ）、角果藜（Ｃｅｒａｔｏ－
ｃａｒｐｕｓ　ａｒｅｎａｒｉｕｓ）和葶苈（Ｄｒａｂａ　ｎｅｍｏｒｏｓａ）一年生植
物，春季涩荠（Ｍａｌｃｏｌｍｉａ　ｍａｒｉｔｉｍａ）和弯果胡卢巴
（Ｔｒｉｇｏｎｅｌｌａ　ａｒｃｕａｔａ）短生植物发育较好。
１．２　试验设计
本研究于２０１４年５月、７月和９月测定围栏内外
植物群落。研究区设有３个封育年限，分别为２、７和
１０年，作为不同干扰强度，在每个围栏内设５个样方，
围栏外设３个样方，１ｍ×１ｍ，共２４个。
１．３　数据测定方法
１．３．１　野外光谱数据采集　采用美国ＳＶＣ　ＨＲ－７６８
便携式光谱仪（３５０－２　５００ｎｍ）。采集光谱尽量选择
在晴朗干燥微风无云的天气，为减少太阳高度角对反
射率的影响，测定时间为北京时间１２：００－１４：００。每
次开机进行一次暗电流校正，测定植物群落光谱反射
率时，探头与地面始终保持垂直，距冠层１ｍ高，在样
方中均匀的测５条光谱反射率。
１．３．２　室内土壤光谱的采集　在暗室内，采用便携式
光谱仪在４５Ｗ 卤光灯下进行室内土壤光谱的测定。
光源的倾角为１５°，光谱仪离土壤表面４０ｃｍ，视场角
８°。将过２ｍｍ筛的土样倒入一个直径约１５ｃｍ的圆
盘内，土壤厚度为３～４ｃｍ，将表面用尺子刮平，置于
镜头正下方，重复１０次，每次测量后将圆盘旋转３０°左
右，仪器每隔３０ｍｉｎ进行一次暗电流校正，每隔１０
ｍｉｎ进行一次白板校正。
１．３．３　土壤理化性质测定　 在植被指标测定的同
时，在野外同步同点采集０－５、５－１０和１０－２０ｃｍ土
层样品，然后室内检测土壤样品的理化性质［７，１０］：土壤
含水量、土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾。
土壤含水量采用烘干法测定；速效氮测定采用碱解扩
散法，速效磷先用 ＮａＨＣＯ３ 浸提，然后采用钼锑抗比
色法，速效钾先用ＮＨ４ＯＡＣ浸提，然后采用火焰光度
法测定，全氮先用 Ｈ２ＳＯ４－Ｈ２Ｏ２ 消煮，然后采用奈氏
比色法，有机质采用比色法测定。
１．４　数据处理方法
光谱数据受仪器温度和电流影响，可能会出现异
常大或小的光谱反射率，需先剔除光谱反射率异常的
数据，然后将数据按样本归类取均值。
１．４．１　光谱平滑　由于光谱各波段对能量响应上具
有差异，加之仪器受电压及温度的影响，光谱曲线总存
在噪声，难以得到平稳的信号。对于光谱曲线的高频
噪声，在处理中常进行平滑处理，较常用的平滑方法
有，移动平滑，Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ平滑和小波平滑等，本
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第４期 夏小伟　等：伊犁绢蒿荒漠草地围封后的土壤动态
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研究选择９点加权平滑对光谱进行去噪［１５］。
１．４．２　光谱变换　光谱微分［１６］数据可以有效快速地
得出光谱的极值点与拐点，扩大光谱信号，提供光谱斜
率信息，降低低频噪声的影响，有助于提高光谱与土壤
养分的相关性；对数变换对于光谱特别是可见光部分，
能扩大光谱间差异［１７］。
１．４．３　去包络线　包络线消除法［１８］可以有效地突出
光谱曲线的吸收与反射特征，并将其标准到一个一致
的光谱背景上，有利于和其它光谱曲线进行特征数值
的比较，从而提取出特征波段，以供分类识别。
１．４．４　相关性分析　先选定进行相关性分析的参数，
植被方面有群落的平均高度、盖度、鲜重、干重及群落
植被含水率，土壤方面有不同土层土壤含水率、速效
氮、速效磷、速效钾、全氮和有机质；再选择可能相关的
参数与群落光谱反射率和室内土壤光谱反射率间进行
相关性分析。
１．５　数据分析
数据的整理、一阶微分及标准化在Ｅｘｃｅｌ中完成，
光谱的去包络线在ＥＮＶＩ　４．７中进行，数据的相关性
分析在 ＭＡＴＬＡＢ（Ｒ２０１０ｂ）中进行。
２　结果与分析
２．１　土壤养分的动态变化
土壤含水量在各土层随植物生长期内均呈现逐渐
降低的趋势（图１），这主要是因为土壤含水量的供给主
要来自春季冰雪融水。在５月与９月，不同封育年限的
草地土壤含水量随着土壤深度的增加逐渐增加；７月土
壤含水量在封育年限及土层深度方面无明显规律。５
月和９月各土层多数表现为较其它封育年份，封育１０
年的土壤含水量最高（Ｐ＜０．０５），未封育、封育２年和封
育７年间土壤含水量差异不显著（Ｐ＞０．０５）。
　　土壤全氮、有机质、速效氮、速效磷和速效钾在不
同的封育年限下均随土层深度的加深而减少（图２），
在不同封育年限间，土壤有机质、全氮、速效钾、速效磷
及速效氮变化规律不同，表现为有机质先升高后降低
再升高（１０－２０ｃｍ层中先降低再升高）的趋势，而全
氮、速效钾、速效磷及速效氮均表现为先降低后升高最
后降低。其中，３个土层的速效钾和速效磷均差异显
著（Ｐ＜０．０５），０－５ｃｍ的全氮、有机质及速效氮与５－
１０和１０－２０ ｃｍ土层均差异显著，５－１０与１０－２０
ｃｍ间差异不显著（Ｐ＞０．０５）。封育７年的全氮和速
图１　不同封育年限植物生长期土壤含水量变化
Ｆｉｇ．１　Ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎ　ｐｌａｎｔ　ｇｒｏｗｔｈ
ｐｅｒｉｏｄ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ　ｙｅａｒｓ
注：不同小写字母表示相同土层不同封育年限间差异显著（Ｐ＞０．０５）。
Ｎｏｔｅ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏｗｅｒ　ｃａｓｅ　ｌｅｔｔｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｓｉｇｎｉｆｉ－
ｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ａｍｏｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｄｏｓｅ　ｙｅａｒｓ．
效钾均显著高于其它封育年限，封育１０年的有机质含
量显著高于其它封育年限。封育０年的草地土壤养分
除有机质外与封育１０年间均无显著差异，封育０年的
土壤各养分含量均处与中等水平。
　　为了排除各围栏外由植被及微地形引起的差异，
对各个围栏内外的养分做差值分析（图３）。随着封育
年限的增加，围栏内土壤中全氮在封育２年和１０年在
植物生长期内先增加后减少的趋势，而封育７年围栏
内较围栏外呈降低的趋势；速效钾在封育２年、７年随
植被生长期呈先降低后增加，而封育１０年先增加后降
低；速效磷在封育２年呈先降低后增加，而封育７年、
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草　业　科　学 第３３卷
ｈｔｔｐ：／／ｃｙｋｘ．ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１０年呈先增加后降低；围栏内外碱解氮的变化没有明
显规律，不同封育年限具有不同的变化趋势；土壤有机
质在５月随着封育年限的增加呈现逐渐增加的趋势，
封育２年的土壤有机质植物生长期内围栏内外波动十
分小，而封育７年及１０年的土壤有机质植物生长期内
呈线性递减关系，在９月份围栏内土壤有机质较围栏
外均为亏损状态，且在封育７年下群落９月围栏内有
机质较围栏外亏损最严重。
　　除速效磷外，土壤有机质、全氮、速效钾和速效氮
４种养分间呈显著正相关关系（Ｐ＜０．０５），速效磷只和
速效钾之间呈极显著正相关（Ｐ＜０．０１），与另外３种
养分间相关性均不显著（Ｐ＞０．０５）（表１）。
２．２　土壤光谱与养分的相关性分析
　　风干后土壤３个土层中速效钾、速效磷含量在
图２　不同封育年限不同土层土壤养分动态变化
Ｆｉｇ．２　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｎｕｔｒｉｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ　ｙｅａｒｓ
注：不同大写字母代表同一土层不同封育年限间差异显著（Ｐ＜０．０５），不同小写字母代表同一封育年限不同土壤土层间差异显著（Ｐ＜０．０５）。
Ｎｏｔｅ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｐｉｔａｌ　ｌｅｔｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ　ｙｅａｒｓ　ａｔ　０．０５ｌｅｖｅｌ；Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏｗｅｒ　ｌｅｔｔｅｒｓ　ｆｏｒ
ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ　ｙｅａｒ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｍｏｎｇ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒｓ　ａｔ　０．０５ｌｅｖｅｌ．
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第４期 夏小伟　等：伊犁绢蒿荒漠草地围封后的土壤动态
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图３　不同封育年限土壤养分围栏内外的月动态
Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｍｏｎｔｌｙ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｉｎｓｉｄｅ　ａｎｄ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ　ｙｅａｒｓ
表１　不同土层土壤养分间相关性分析
Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｏｉｌ　ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒｓ
指标
Ｐａｒａｍｅｔｅｒ
全氮
ＴＮ
速效钾
ＡＫ
速效磷
ＡＰ
有机质　
ＳＯＭ　
速效氮　
ＡＮ　
全氮ＴＮ　 １．０００　 ０．２４４＊ ０．０５４　 ０．５７０＊＊ ０．５７３＊＊
速效钾ＡＫ　 １．０００　 ０．３６４＊＊ ０．２２８＊ ０．３１７＊＊
速效磷ＡＰ　 １．０００ －０．０２８　 ０．１２８
有机质ＳＯＭ　 １．０００　 ０．６４４＊＊
速效氮ＡＮ　 １．０００
注：＊表示显著相关（Ｐ＜０．０５），＊＊表示极显著相关（Ｐ＜０．０１）。
Ｎｏｔｅ：＊ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｔ　０．０５ｌｅｖｅｌ，＊＊ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｈｉｇｈｌｙ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｔ　０．０１ｌｅｖｅｌ．
３８０－２　５００ｎｍ 范围内与光谱反射率相关系数为
－０．３～０．２；全氮、有机质与速效氮含量与光谱反射率
在波段范围内最大相关系数分别为－０．６１、－０．６３与
－０．８１（图４）。其中，各指标中有机质含量与光谱反射率
相关性最高，在３８０－８５０ｎｍ范围３个土层的相关性均小
于－０．７，特别是在０－５ｃｍ土层，在６２２ｎｍ左右达到
－０．８１；速效氮在 ３ 个土层中相关系数最大值
均在６３０ｎｍ左右，表现为自土壤表层向下递减，相关
７７５
草　业　科　学 第３３卷
ｈｔｔｐ：／／ｃｙｋｘ．ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
图４　不同土层土壤养分与原始光谱相关性
Ｆｉｇ．４　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｏｉｌ　ｎｕｔｒｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒｓ
系数分别为－０．６３、－０．６０和－０．５８；全氮在３个土
层中相关性最大值均在５９０ｎｍ左右，表现为０－５ｃｍ
＞１０－２０ｃｍ＞５－１０ｃｍ，相关系数分别为－０．６１、
－０．４９和－０．４６。
２．３　土壤光谱特征的分析
土壤的光谱主要受土壤质地、土壤颜色及水分的
影响，本研究采用风干后土壤，去除了土壤自由水对光
谱的影响，但土壤中大部分束缚水依然束缚在土壤中，
在土壤中其它组分对光谱吸收不强时，由于水极高的
吸光系数，依然会在１　４５０与１　９４０ｎｍ处具有明显吸
收谷。另一方面，土壤中有机质是全氮、速效氮、速效
钾重要的养分的来源，各自含量与土壤有机质有相关
性（表１），土壤有机质含量影响光谱的吸收特征。
　　原始光谱反射率图中（图５），在３８０－５８０ｎｍ范
围内，光谱反射率急剧上升，自５８０ｎｍ以后开始出现
分化。对于原始反射率，封育７年的光谱反射率最高，
封育１０年最低，０年及２年介于两者之间；对于一阶
微分，封育７年的曲线在４００－８００ｎｍ范围内由最大
值变为最小值，而封育１０年的曲线在这一范围则由最
小值变为最大值，另外两条曲线基本介于两者之间，这
图５　不同封育年限土壤０－５ｃｍ土层光谱特征动态变化
Ｆｉｇ．５　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｉｎ　０－５ｃｍ　ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｃｌｏｓｉｎｇ　ｙｅａｒｓ
８７５
第４期 夏小伟　等：伊犁绢蒿荒漠草地围封后的土壤动态
ｈｔｔｐ：／／ｃｙｋｘ．ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
与去原始光谱反射率相一致；对数一阶微分光谱中只
在部分位置能够看出４条曲线的差异，与一阶微分相
似；对于去包络线光谱在６６０ｎｍ处封育７年反射率最
大。
２．４　土壤理化性质模型的构建
伊犁绢蒿荒漠草地随着封育年限的增加，土壤含
水量呈逐渐增加的趋势（图１）。这主要由于植被的恢
复增加了土壤保水能力，对于伊犁绢蒿荒漠草地群落
来说，群落的含水量等于植被含水量与土壤含水量的
加权平均。笔者做出假设，土壤作为群落组成的重要
端元，同时制约着群落中同种植被的含水量，所以群落
含水量可以近似为土壤含水量的某一倍数，进而可以
通过群落含水量估算土壤的含水量，故运用１　３９０－
１　７４０ｎｍ附近的吸收谷与吸收峰构建了归一化水分
指数 ＷＤＶＩ，大量文献表明，这一波段范围的吸收谷由
水分吸收所形成，但是在这一范围内水分吸收谷与吸
收峰发生移动，可能是由于土壤颜色及组成的差异导
致的，因此对这一波段范围内光谱反射率进行排序后
计算归一化水分指数，公式如下：
ＷＤＶＩ＝（吸收峰－吸收谷）／（吸收峰＋吸收谷）。
　　土壤含水量与 ＷＤＶＩ之间呈正相关（图６），运用
ＷＤＶＩ对土壤含水量进行估测，Ｒ２＝０．４２，具有较高
的决定系数。在低土壤含水量区域，散点分布相对集
中，而在高土壤含水量区域，散点分布分散。由于植物
生长期内伊犁绢蒿荒漠草地含水量基本呈递减状态，
故对３个生长期土壤含水量与 ＷＤＶＩ间关系进行分
别讨论。
图６　植物生长期土壤含水量变化
Ｆｉｇ．６　Ｓｏｉｌ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｇｒｏｗｉｎｇ　ｐｅｒｉｏｄ
　　在３个生长期，群落含水量与 ＷＤＶＩ间关系差异
较大，其中５月与９月，群落含水量与 ＷＤＶＩ呈正相
关，而休眠期群落含水量与 ＷＤＶＩ间基本无相关关
系。选取返青期与成熟期的群落含水量与 ＷＤＶＩ间
构建群落含水量模型，Ｒ２＝０．６３，其中返青期为高含
水量部分，成熟期为低含水量部分（图７）。
图７　土壤含水量最优估算模型
Ｆｉｇ．７　Ｏｐｔｉｍａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ
　　对土壤光谱进行去包络线、倒数、开方、开方倒数、
一阶微分及对数微分处理，然后对处理后光谱做相关
性分析，不同处理方式下，光谱与有机质间相关性差异
很大（图８）。其中原始光谱与土壤有机质开方间呈负
相关，而倒数、开方倒数与土壤有机质呈正相关，去包
络线、一阶微分及对数微分与土壤有机质之间相关性
在前两者间上下波动，处理后光谱相比原始光谱相关
性并没有明显提高。为了简单方便，直接选用原始光
谱进行土壤有机质的估算，选择了Ｒ５８７．９来对土壤各指
标进行建模，其中选择６８个数据构建模型，选择３４个
数据进行精度验证，精度＝（１－｜实测值－估测值｜／实
测值）×１００％；对于０－２０ｃｍ的选择每土层数据的
图８　不同处理方式土壤光谱与有机质相关性
Ｆｉｇ．８　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ　ａｎｄ
ｓｐｅｃｔｒａ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｒｅａｔｅｄ
９７５
草　业　科　学 第３３卷
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２／３用于模型构建，余下１／３用于模型的精度验证。
０－２０ｃｍ范围内土壤有机质与光谱反射率呈负相关，
模型估算精度均能达到８１％（表２）。０－５ｃｍ土层土
壤有机质估算精度最高，Ｒ２＝０．６４３（图９，表１），随着
土壤深度的增加，有机质估算模型的Ｒ２ 逐渐降低。
　　虽然上述结果表明高光谱可以进行伊犁绢蒿荒漠
图９　土壤有机质模型
Ｆｉｇ．９　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ
草地土壤有机质的估算，并用于该类草地土壤恢复状
况的监测。但是上述方法需要在野外采集土壤样品进
行风干过筛等工作，工作量较大，且相对费时费力，故
探索进行野外无损估测土壤有机质的可能性。对数据
做部分处理，在围栏内外各测定３处裸地光谱，取平均
值作为围栏内外裸地平均光谱，将围栏内外的５个样
点土壤有机质数据取平均，作为围栏内外土壤平均有
机质，因为土壤０－５ｃｍ的估算精度最高，因此只选取
０－５ｃｍ的土壤有机质做探讨，共１８个数据（６个样
地×３个植被生长期）。
　　依然采用Ｒ５８７．９对土壤表层有机质进行建模（图
１０），裸地光谱曲线与土壤表层有机质之间呈较高的负
相关，与室内土壤光谱估算模型一致，Ｒ２＝０．３８，表明
通过野外裸地光谱曲线可以无损估计土壤有机质。但
群落光谱受植被干扰，土壤有机质的吸收特征被掩盖，
且土壤有机质与植被生长状况间关系复杂，难以从冠
层层次进行土壤有机质的估算。
表２　土壤有机质模型
Ｔａｂｌｅ　２　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ
项目
Ｉｔｅｍ
土层
Ｓｏｉｌ　ｌａｙｅｒ／ｃｍ
方程
Ｍｏｄｅｌ
Ｒ２ 精度
Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
有机质
Ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ
０－５　 Ｙ＝－２．５１８Ｒ５８７．９＋９０．８９２　 ０．６４３　 ０．８９
５－１０　 Ｙ＝－１．６６２Ｒ５８７．９＋６４．９０１　 ０．５２０　 ０．８４
１０－２０　 Ｙ＝－１．７９１Ｒ５８７．９＋６４．６４１　 ０．５１３　 ０．８２
０－２０　 Ｙ＝－２．０４１Ｒ５８７．９＋７４．６３８　 ０．４５６　 ０．８１
图１０　裸地有机质模型
Ｆｉｇ．１０　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｂａｒｅ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒ
３　讨论
土壤是草地植被生长的载体，同时土壤理化性质
又受草地植被的影响而改变。虽然土壤理化性质相对
于植被生长状况滞后，但其理化性质对于草地植被未
来的生长状况具有指导意义，植被恢复也伴随土壤的
恢复［１９］。对于荒漠草地土壤含水量具有重要意义，它
显示着生境的优劣受气候、地形及植被状况等的影响。
本研究发现，伊犁绢蒿荒漠草地植物生长期内土壤含
水量呈递减趋势，由于该类草地主要由积雪融水补给，
植物生长期内少雨干燥，在５月及９月土壤含水量随
着封育年限的增加而增加，认为增加封育年限有助于
改善土壤结构，提高土壤孔隙度、增加土壤团粒结构，
从而提高土壤的保水能力；土壤表层直接接触大气，受
荒漠气候影响，降水少、蒸发强烈，故随土壤深度增加，
土壤含水量逐渐增加；７月用于测定的土样在一次弱
降水后第３天进行采集，表层含水量可能是受降水的
影响，因此才表现为０－２０ｃｍ土壤含水量基本一致。
土壤有机质含量是土壤肥力的重要指标，其它养分大
０８５
第４期 夏小伟　等：伊犁绢蒿荒漠草地围封后的土壤动态
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部分来源于有机质，有机质含量与其它养分间具有相
关性［２０］。本研究发现，随着封育年限增加，全氮、速效
钾、速效磷与速效氮均先降低再升高最后再降低，而有
机质总体呈先降低后升高的趋势。这主要因为不同养
分的物质循环周期具有差异，在围栏封育过程中，土壤
养分各指标处于波动变化状态，各指标的变化趋势有
所差异，与杨合龙等［２０］的研究结果一致。在对围栏内
外养分做差值分析后可以发现，土壤有机质在５月随
着封育年限的增加呈现逐渐增加的趋势，而封育７年
及１０年的土壤有机质植物生长期内呈线性递减关系，
在９月份围栏内土壤有机质较围栏外均为亏损状态，
且在封育７年下群落围栏内有机质较围栏外亏损最严
重，可能由不同封育年限下有机质供给与消耗差异所
造成，封育下植被供给的枯枝落叶增多，但植被的发育
消耗的有机质也增多，伊犁绢蒿荒漠草地植被随封育
年限增加在初期快速发育，随后群落逐渐稳定，在植被
生育期内植被对土壤养分消耗大于供给，在非生长期
内土壤有机质得到积累。因此表现为，在５月刚返青
时，封育７年和１０年围栏内土壤有机质大于围栏外；
在９月植物生长期基本结束时，３个封育年限围栏内
土壤有机质均小于围栏外，且在封育７年围栏内土壤
有机质相对于围栏外达到最小值。
土壤光谱受土壤质地、土壤颜色及水分等因素的
影响，国内外很多研究都表明，土壤化学成分的变化会
引起光谱的变化，并可以用以定量地判断土壤的水
分［２１］、有机质［７，２２－２３］及氮素［２４］等。本研究发现，对于
原始光谱，在３８０－８５０ｎｍ范围内对土壤有机质、全
氮及碱解氮具有较强相关性，这与胥静等［１８］的研究结
果相符，土壤在这一范围内具有有机质吸收谷，本研究
发现，４００－８８０ｎｍ范围内土壤原始反射率与有机质
呈负相关，而导数光谱及对数光谱的一阶导数在这一
范围内出现由负相关向正相关的转变，而去包络线光
谱将负相关范围收缩至５８０－８８０ｎｍ范围内。有机
质是很多土壤养分的主要来源，氮素与有机质相关性
较高，故全氮与速效氮的含量可通过有机质含量间接
估测；较原始光谱而言，去包络线处理后光谱多了１
５００和２　０００ｎｍ左右两个高相关性波段范围，这主要
位于水分及有机质和氮素官能基吸收范围内，同时速
效钾与速效磷的相关性扩大到０．４以上，可以认为去
包络线、一阶微分及对数微分处理有利于扩大各物质
与官能基的吸收特征。
在返青期群落盖度大，群落含水量主要来自于植
被的含水量，故此时的含水量水平相对较高，但由于群
落植被组成及结构的差异，所以群落含水量与 ＷＤＶＩ
间相关性水平相对差，群落含水量的估算精度较低；在
休眠期，受高温干旱的影响，不同植被的应对方式不
一，加上封育的影响，植被含水量水平差异巨大，各物
种在夏季休眠期光谱特征有巨大差异，所以在休眠期
群落含水量与 ＷＤＶＩ间基本无相关性；在成熟期，伊
犁绢蒿荒漠草地群落随着类短命生植被与部分一年生
植被的退出，草地群落盖度大大降低，群落含水量以土
壤为主要组成端元，加之此时植被物种单一，故群落含
水量与 ＷＤＶＩ间具有较高的相关性，且此时的估算精
度在植被３个生长期中最高。
由于土壤光谱曲线主要受土壤有机质的影响，而
且土壤有机质是判断土壤肥力的主要指标之一，因此
本研究对单一波段的反射率和土壤有机质进行建模。
估算精度基本达到８１％，以０－５ｃｍ模型最好，主要
因为土壤中有机质大部分来自枯枝落叶，受植被生长
的影响，故表现为３个指标的估算精度自表层向下逐
渐递减。同时运用裸地土壤光谱对土壤表层有机质进
行估算，Ｒ２＝０．３８，故通过高光谱模型可对土壤的有
机质进行估测，结合５月土壤有机质差值，认为通过光
谱估测土壤有机质可以用于指示草地状况，但是仅限
于地面光谱的估测，难以从群落层次估算。另外，通过
５月与９月群落光谱对草地土壤含水量进行估算，取
得了较好结果，结合土壤含水量的变化情况，认为可以
通过群落光谱对伊犁绢蒿荒漠草地恢复状况进行监
测。
４　结论
通过封育草地有机质的变化规律，可以发现封育
１０年草地土壤有机质相对未封育草地处于高水平的
平衡状态。伊犁绢蒿荒漠草地５月有机质含量可用于
指示草地土壤状况，并可以通过Ｒ５８７．９对表层土壤有机
质进行估测。
对于伊犁绢蒿荒漠草地，土壤含水量随封育年限
的增加而增加，并可以通过群落冠层光谱对群落土壤
表层含水量进行估测。结合土壤有机质和含水量变化
规律，认为对于研究区草地在封育１０年时恢复状况最
好，可进行合理利用。
１８５
草　业　科　学 第３３卷
ｈｔｔｐ：／／ｃｙｋｘ．ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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２８５
第４期 夏小伟　等：伊犁绢蒿荒漠草地围封后的土壤动态
ｈｔｔｐ：／／ｃｙｋｘ．ｌｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｅｃｏｌｏｇｙ，２０１１，２２（１１）：２９３５－２９４２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）
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Ｘｕ　Ｊ，Ｗｕ　Ｈ　Ｑ，Ｊｉａｎｇ　Ｐ　Ａ，Ｓｈｅｎｇ　Ｊ　Ｄ．Ｓｏｉｌ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｇｒａｓｓｌａｎｄ．Ａｃｔａ　Ａｇｒｅｓｔｉａ　Ｓｉｎｉｃａ，２０１４，２２（５）：９８０－９８５．
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Ｓｅｒｉｐｈｉｄｉｕｍ　ｔｒａｎｓｉｌｉｅｎｓｅ　ｄｅｓｅｒｔ　ｇｒａｓｓｌａｎｄ．Ａｃｔａ　Ａｇｒｅｓｔｉａ　ｓｉｎｉｃａ，２０１５，２３（２）：２５２－２５７．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）
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Ｚｈｅｎｇ　Ｘ　Ｐ，Ｓｕｎ　Ｙ　Ｊ，Ｑｉｎ　Ｑ　Ｍ，Ｒｅｎ　Ｈ　Ｚ，Ｇａｏ　Ｚ　Ｌ，Ｗｕ　Ｌ，Ｍｅｎｇ　Ｑ　Ｙ，Ｗａｎｇ　Ｊ　Ｌ，Ｗａｎｇ　Ｊ　Ｈ．Ｂａｒｅ　ｓｏｉｌ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ
ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｓｉｂｌｅ－ｓｈｏｒｔｗａｖｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　Ｓｐｅｃｔｒａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，２０１５，３５（８）：２１１３－２１１８．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）
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