5期 张甘霖等:土壤时空变化研究的进展与未来 书的面世,表明数字土壤形态计量学体系已趋于 成熟。之后又有多篇论文问世,数字化土壤形态计 量学已应用于不同的学科领域2425。 ▲ 与传统土壤剖面形态描述相比,数字化土壤形 态计量学能够更精确地定量再现土壤形态属性,并 以一种相对客观的方式量化土壤变异1,从而实现 了土壤形态属性信息的数字化,并可进一步结合数 字土壤制图技术应用于不同尺度、不同专业领域。 23土壤调查:技术引领革新 土壤调查是获取土壤类型及其空间分布信息的 主要手段,是土壤资源管理的基础。然而,传统土 壤调査信息的获取周期长、成本高、过程复杂、复 杂区域不可达、现势性差,难以进行大范围、高覆 Qq00a00月自 盖度的重复调査。卫星与航空遥感、近地传感在 的星地传感技术的蓬勃发展为土壤调查提供了新 图1土壤形成演化过程耦合地表系统要素之间的物质迁机遇27 移与转化 按照工作原理,土壤星地传感技术包括光学与 Fg1 The coupling between the soil formation and the migration辐射型、电与电磁型、电化学型、机械式型等种类。 and transformation of materials of earth surface system 地面传感包括了这四类方式,卫星和航空遥感搭载 22土壤形态学:从描述走向数字化 的传感器主要是基于光学与辐射型27(图2) 土壤形态是现代土壤学的核心科学概念之 土壤航空光学遥感出现于20世纪20年代。1969 对土壤剖面的描述是研究土壤最直观和详实的有效年, MacDonald和Waie28利用航空成像雷达进行土 手段。在土壤学发展过程中,土壤剖面的描述标壤湿度监测试验。1972年世界第一颗资源卫星发射 准虽然也经历了一些变化,但其基本内容一直相当成功,1975年发射第二颗并更名为“ Landsa”,此后 稳定。以 Soil Survey manual、 Field Book for Landsat卫星开始用于大面积土壤调查。进入到21 Describing and Sampling Soils20、 Guidelines for Soil世纪,无人机遥感( Unmanned Aerial Vehicle,UAV) Description2等为代表的土壤形态描述工具实际上技术快速发展,已应用于田间尺度的高分辨率土壤 大同小异。 调查与制图。 传统土壤描述的信息采集设备简陋,无法充分 土壤具有感应电磁的特性,在地下土壤信息获 反映土壤在空间上的连续变异特征,描述结果受描取中,电与电磁型传感器能够基于电流的变化来度 述者个人经验所限,其适用性和实用性受到了一定量土壤导电能力,而随着土壤在空间位置上的变异, 程度的限制,因此历史上已经获取的大量土壤形态电流将发生瞬时变化。电与电磁型传感器能够有效 描述资料并未发挥应有的作用 反演黏土层埋深、土壤养分、土壤盐分、土壤质地、 随着不同传感技术在土壤信息获取领域逐步得土壤水分等属性。 到应用2,2014年 Hartemink和 Minasny23首先提 土壤光谱探测技术研究的主要任务是从探测信 出了数字土壤形态计量学( Digital Soil Morphometrics)号获取可与传统方法相比较的土壤性质,数据预处 该技术主要是通过不同的调査工具,定量获取土壤理与预测模型的构建是其核心内容。数据预处理主 剖面属性、剖面属性图及其深度函数。国际土壤联要针对野外土壤光谱受到的各种环境因素以及土壤 合会( International union of soil sciences,IUSS)本身的差异(土壤水分含量、土壤颗粒大小等)的 2014年设立了数字化土壤形态计量学工作组,并于影响2,目前国际上主要提出了三类方法:一是利 次年6月在美国举行了第一次数字化土壤形态计量用室内外干湿样光谱对比,采用分段直接标准化法 学国际专题研讨会。2016年 Digital Soil Morphometrics( Piecewise Direct Standardization,PDS)、直接标准 http://pedologica.issas.ac.cn5 期 张甘霖等：土壤时空变化研究的进展与未来 1063 http://pedologica.issas.ac.cn 图 1 土壤形成演化过程耦合地表系统要素之间的物质迁 移与转化 Fig. 1 The coupling between the soil formation and the migration and transformation of materials of earth surface system 2.2 土壤形态学：从描述走向数字化 土壤形态是现代土壤学的核心科学概念之一。 对土壤剖面的描述是研究土壤最直观和详实的有效 手段[18]。在土壤学发展过程中，土壤剖面的描述标 准虽然也经历了一些变化，但其基本内容一直相当 稳定。以 Soil Survey Manual[19]、Field Book for Describing and Sampling Soils[20]、Guidelines for Soil Description[21]等为代表的土壤形态描述工具实际上 大同小异。 传统土壤描述的信息采集设备简陋，无法充分 反映土壤在空间上的连续变异特征，描述结果受描 述者个人经验所限，其适用性和实用性受到了一定 程度的限制，因此历史上已经获取的大量土壤形态 描述资料并未发挥应有的作用。 随着不同传感技术在土壤信息获取领域逐步得 到应用[22]，2014 年 Hartemink 和 Minasny[23]首先提 出了数字土壤形态计量学（Digital Soil Morphometrics）。 该技术主要是通过不同的调查工具，定量获取土壤 剖面属性、剖面属性图及其深度函数。国际土壤联 合会（International Union of Soil Sciences，IUSS） 2014 年设立了数字化土壤形态计量学工作组，并于 次年 6 月在美国举行了第一次数字化土壤形态计量 学国际专题研讨会。2016 年 Digital Soil Morphometrics 一书的面世，表明数字土壤形态计量学体系已趋于 成熟。之后又有多篇论文问世，数字化土壤形态计 量学已应用于不同的学科领域[24][25]。 与传统土壤剖面形态描述相比，数字化土壤形 态计量学能够更精确地定量再现土壤形态属性，并 以一种相对客观的方式量化土壤变异[18]，从而实现 了土壤形态属性信息的数字化，并可进一步结合数 字土壤制图技术应用于不同尺度、不同专业领域。 2.3 土壤调查：技术引领革新 土壤调查是获取土壤类型及其空间分布信息的 主要手段，是土壤资源管理的基础。然而，传统土 壤调查信息的获取周期长、成本高、过程复杂、复 杂区域不可达、现势性差，难以进行大范围、高覆 盖度的重复调查[26]。卫星与航空遥感、近地传感在 内的星地传感技术的蓬勃发展为土壤调查提供了新 机遇[27]。 按照工作原理，土壤星地传感技术包括光学与 辐射型、电与电磁型、电化学型、机械式型等种类。 地面传感包括了这四类方式，卫星和航空遥感搭载 的传感器主要是基于光学与辐射型[27]（图 2）。 土壤航空光学遥感出现于 20 世纪 20 年代。1969 年，MacDonald 和 Waite[28]利用航空成像雷达进行土 壤湿度监测试验。1972 年世界第一颗资源卫星发射 成功，1975 年发射第二颗并更名为“Landsa”，此后 Landsat 卫星开始用于大面积土壤调查。进入到 21 世纪，无人机遥感（Unmanned Aerial Vehicle，UAV） 技术快速发展，已应用于田间尺度的高分辨率土壤 调查与制图。 土壤具有感应电磁的特性，在地下土壤信息获 取中，电与电磁型传感器能够基于电流的变化来度 量土壤导电能力，而随着土壤在空间位置上的变异， 电流将发生瞬时变化。电与电磁型传感器能够有效 反演黏土层埋深、土壤养分、土壤盐分、土壤质地、 土壤水分等属性。 土壤光谱探测技术研究的主要任务是从探测信 号获取可与传统方法相比较的土壤性质，数据预处 理与预测模型的构建是其核心内容。数据预处理主 要针对野外土壤光谱受到的各种环境因素以及土壤 本身的差异（土壤水分含量、土壤颗粒大小等）的 影响[27]，目前国际上主要提出了三类方法：一是利 用室内外干湿样光谱对比，采用分段直接标准化法 （Piecewise Direct Standardization，PDS）、直接标准