土壤資源的合理利用與保護是關(guān)乎全球糧食和生態(tài)安全的重大課題。隨著高強度人類活動對土壤資源的壓力不斷增大，全球范圍內(nèi)以土壤侵蝕為核心的土地退化問題日漸凸顯。土地退化的典型危害體現(xiàn)在其對土壤物質(zhì)循環(huán)的擾動，使土壤屬性和功能呈高度時空動態(tài)性。因此，理解和表征土壤的時空變化，是實現(xiàn)土壤資源合理利用與管理的重要前提。當(dāng)前，傳統(tǒng)土壤信息獲取方法多依賴于地面土壤取樣和實驗室化學(xué)分析，周期長、成本高，難以實現(xiàn)大范圍、多頻次的土壤屬性量化。亟需構(gòu)建高效和經(jīng)濟的土壤屬性高精度量化方法，以實現(xiàn)大尺度、多頻次的土壤屬性調(diào)查與監(jiān)測。
針對上述瓶頸，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院王冬艷教授科研團隊中的石璞副教授、祝元麗博士與比利時新魯汶大學(xué)Kristof Van Oost、Bas van Wesemael教授合作，將碳穩(wěn)定同位素示蹤法、近地傳感、無人機遙感、航空高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤退化研究領(lǐng)域，構(gòu)成星-天-地一體化的土壤退化調(diào)查方法體系，在東北黑土區(qū)和比利時黃土區(qū)坡面和區(qū)域尺度開展了土壤退化參數(shù)反演與空間表征、侵蝕-沉積驅(qū)動土壤有機碳動態(tài)變化研究。取得主要認識如下：
(1)利用可見-近紅外高光譜近地傳感技術(shù)，構(gòu)建了基于偏最小二乘法的土壤團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的反演模型，實現(xiàn)了土壤退化參數(shù)的快速和精確預(yù)測（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)的土壤有機碳含量閾值得到了比利時瓦隆區(qū)農(nóng)業(yè)部門的采納，用以評估當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)退化。
圖1（a）土壤有機碳與團聚體穩(wěn)定性相關(guān)關(guān)系圖和（b）基于可見-近紅外光譜的團聚體穩(wěn)定性預(yù)測模型精度評估
(2)從近地傳感到航空高光譜遙感，利用Airborne Prism Experiment（APEX）高光譜影像，完成了比利時黃土帶區(qū)域尺度高空間分辨率的團聚體穩(wěn)定性空間表征，生成的分布圖可有效捕捉多尺度的土壤有機碳含量和土壤退化空間變異（圖2）。
圖2 基于APEX航空高光譜影像的（a）土壤有機碳和（b）團聚體穩(wěn)定性空間表征
(3)在坡面尺度對土壤侵蝕驅(qū)動黑土有機碳空間“遷移-再分布”的機制進行了研究，通過分析坡面侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤團粒結(jié)構(gòu)、各粒級SOC含量的動態(tài)變化，揭示了土壤侵蝕與土壤團聚作用的耦合過程造成的SOC巨大空間差異，沉積區(qū)SOC含量兩倍于侵蝕區(qū)（圖3）。
圖3 坡面尺度土壤侵蝕驅(qū)動團聚體有機碳空間分異
該系列研究引入星-天-地多源高光譜技術(shù)，建立了土壤退化參數(shù)高精度、高分辨率反演和空間表征方法，揭示了土壤侵蝕與土壤團聚作用的耦合過程導(dǎo)致的土壤有機碳數(shù)量和質(zhì)量的顯著空間變異，為國家“碳中和”背景下的耕地土壤固碳潛力研究提供了一定的理論依據(jù)。
該項研究得到了國家自然科學(xué)基金（41807059）、吉林省科技廳（20190103108JH）和瑞士國家科學(xué)基金會（P2EZP2_178494）的資助。研究成果發(fā)表在Geoderma, Remote Sensing, Catena等國際期刊上。
Shi, P.* (石璞), Castaldi, F., van Wesemael, B., Van Oost, K. Vis-NIR spectroscopic assessment of soil aggregate stability and aggregate size distribution in the Belgian Loam Belt. Geoderma, 2020, 357:113958. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.113958
Shi, P.* (石璞), Castaldi, F., van Wesemael, B., Van Oost, K. Large-scale, high-resolution mapping of soil aggregate stability in croplands using APEX hyperspectral imagery. Remote Sensing, 2020, 12(4), 666. DOI: https://doi.org/10.3390/rs12040666
Zhu, Y. (祝元麗), Wang, D. (王冬艷), Wang, X. (王興佳), Li, W. (李文博), Shi, P.* (石璞). Aggregate-associated soil organic carbon dynamics as affected by erosion and deposition along contrasting hillslopes in the Chinese Corn Belt. Catena, 2021, 199: 105106. DOI: https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.105106
