一种湿地土壤硝化微生物群落高光谱遥感监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种湿地土壤硝化微生物群落高光谱遥感监测方法，属于遥感技术应 用领域。
【背景技术】
[0002] 氮循环是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的物质循环，是土 壤生态系统元素循环的核心过程之一，其中硝化作用对于土壤的氮素循环意义重大。硝化 作用是连接固氮作用与反硝化作用的中间环节，其与植物的氮素有效利用程度、土壤酸化、 水体污染和温室气体氧化亚氮（N2O)释放等一系列生态环境问题直接相关。因此，硝化作 用是氮素生物地球化学循环的中心环节。
[0003] 硝化作用（nitrification)是一个主要由硝化微生物介导的反应，分两个阶段完 成，即氨态氮氧化为亚硝态氮的氨氧化过程（Ammonia oxidation)和亚硝态氮氧化为硝态 氮的亚硝酸盐氧化过程（Nitrite oxidation)。第一阶段氨氧化作用是硝化作用的限速步 骤。这两个阶段分别由氨氧化细菌（AOB)和亚硝酸氧化细菌（NOB)完成，它们分别参与的 硝化反应为：
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[0006] 土壤微生物的种类和数量是微生物生态学研究的重要内容。由于土壤环境条件、 硝化过程和硝化微生物本身的复杂多样性，会影响常规分子生物学技术对硝化微生物研究 结果的准确性。这类研究大多是零散地在某些特定位点上开展的，难以获得区域尺度的微 生物群落分布变化状况。而且，微生物群落的区域生态效应需要较长时期才能表现出来，仅 依据短时间的监测，难以给出准确的估算与评价。利用能够提取区域尺度面信息的遥感监 测技术，探索大尺度上微生物分布及土壤硝化作用的时空演变特征及驱动因子，是可以尝 试开展的新研究方向。
[0007] 湿地土壤有着区别于一般陆地土壤的水文条件和植被条件，由于自身独特的形成 和发育过程，表现出特有的理化性质和生态功能。湿地土壤是湿地生态系统氮素的主要蓄 积场所，湿地土壤中氮素含量及其迀移转化过程，显著影响着湿地生态系统的结构和功能 以及湿地生产力。土壤微生物是湿地生态系统中必不可少的重要组成部分，其参与湿地的 物质代谢和循环，在污染物降解和影响温室气体释放过程中发挥着重要的作用。由于微生 物对生态环境变化较为敏感，因此土壤微生物参数的变化可以指示湿地生态环境中发生的 各种变化，其组成和数量动态变化是表征湿地变化的重要指标。天然湿地土壤微生物研究 起步相对较晚，湿地土壤微生物群落结构和分布变化、种群特征及其与环境影响因素（如 土壤营养元素、土壤各种理化性质、植被分布）的相关关系，还有待于深入研究。这对于湿 地环境的保护和其微生物资源的开发具有重要的意义。
[0008] 湿地土壤微生物承担着土壤中氮素循环推动力的作用，其活动对湿地土壤团 粒结构形成与稳定起着决定性作用，从而影响着湿地土壤组分和结构的变化。一些研 究表明，硝化微生物群落的数量与NH/-N和TN含量均呈显著性相关关系（参见文献： 白洁，陈春涛，赵阳国，田伟君，董晓，尹宁宁.辽河口湿地沉积物硝化细菌及硝化 作用研究·环境科学，2010, 31 (12) :3011-3017 ;C0rdova_Kreylos A L, Cao Y, Green P G, Hwang H M, Kuivila K Μ, Lamontagne M G, Van De Werf horst L C, Holden P A, Scow K M.Diversity, composition, and geographical distribution of microbial communities in California salt marsh sediments. Applied and Environmental Micr obiology, 2006, 72 (5) : 2257-3366)。而土壤氮素光谱监测技术已被大量国内外研究所证明 (参见文南犬：Naveen J. P. Anne, Amr H. Abd-Elrahman, David B. Lewis, Nicole A. Hewitt. Modeling soil parameters using hyperspectral image reflectance in subtropical coastal wetlands.International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2014, 33:47-56;吴明珠，李小梅，沙晋明.亚热带红壤全氮的高光谱响 应和反演特征研究.光谱学与光谱分析，2013, 33(11) :3111-3115;徐永明，蔺启忠，黄 秀华，沈艳，王璐.利用可见光/近红外反射光谱估算土壤总氮含量的实验研究.地理 与地理信息科学，2005, 21 (1) : 19-22)。由于土壤中不同组分的跃迀能极差不同，因此土 壤光谱曲线存在不同的吸收特征波段。C-H、N-H和O-H等基团的基频振动以及合频和倍 频振动吸收，形成了这些吸收特征波段，基于此可以定量分析出土壤生化组分含量（参见 文献：Cozzolino D, Moron A. Potential of near-infrared reflectance spectroscopy and chemometrics to predict soil organic carbon fractions. Soil&TiIIage Research, 2006, 85:78-85) 〇
[0009] bootstrap技术是一种基于再抽样和数据模拟的统计推断方法。bootstrap技术 是通过对有限的数据样本进行随机的、等概率的、有放回的重抽样，重新建立起足以代表母 体样本分布之新样本，从而实现了扩大样本容量，有效地提高了所建模型的估算精度。多元 逐步回归模型（SMLR)是目前较为常用的回归建模方法，在考虑全部变量方差贡献值的基 础上，按照其重要性逐步选入回归方程。偏最小二乘回归模型（PLSR)集中了典型相关分 析、主成分分析和多元线性回归分析的优点，在变量系统中提取了若干对系统具有最佳解 释能力的新综合变量（即成分提取），在此基础上进行回归建模，给多元数据分析带来了极 大的便利。
[0010] 高光谱遥感以其高光谱分辨率和强波段连续性的特点，能够获取多光谱传感器无 法获得的精细光谱信息。高光谱遥感数据可以捕捉土壤精细的光谱特征，从而有利于定量 获取土壤的生化组分。光谱倒数的对数（LR)、光谱一阶微分（FD)、光谱二阶微分（SD)、包络 线去除（CR)、光谱波段深度（BD)是高光谱遥感较常采用的光谱变换技术。LR技术对光谱 反射率数据计算倒数后再进行对数变换，不仅增强了可见光范围的光谱差异，而且还降低 了由光照条件变化引起的多重变化因素的影响。FD通过分解重叠混合光谱进行分解以便识 另IJ，扩大了光谱特征的差异。FD方法可以减低对噪声影响的敏感性、去除部分线性或接近线 性的噪声光谱、减少背景对目标光谱的影响，尤其易于去除那些以"加"的形式混入光谱信 号中的噪声。SD相比于FD，可以放大较多的光谱有效特征，并且降低了环境影响因素信息 的干扰程度。CR被定义为逐点直线连接反射率波谱曲线上吸收或反射凸出的峰值点，并且 使折线在峰值点上的外角大于180°。经CR处理的反射率波谱曲线，能够将其归一到相一 致的光谱背景上，突出了光谱曲线的吸收和反射特征。BD是指由于某些物质成分在特定波 段具有吸收特性从而使得比相邻波段具有较低的反射率，一些研究表明，波段深度特征蕴 藏了较多与生理生化参数相关的信息。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题在于，从高光谱遥感技术角度，基于土壤氮素光谱监测 机理，提供一种湿地土壤硝化微生物群落高光谱遥感估算技术，进而估测其时空分布状况。
[0012] 本发明技术方案如下