土壤剖面是土壤发生学研究的核心, 但过去几十年以来研究土壤剖面的技术并没有发生质的变化。 成像光谱技术可以提供高空间、 高光谱分辨率的土壤剖面数据, 能够弥补反射光谱技术采样深度间隔较大的不足, 用于定量研究土壤属性连续深度变化。 以室内采集的土壤剖面成像光谱数据为研究对象, 采用支持向量机方法进行光谱数据主成分分类, 探讨成像光谱数据用于剖面发生层划分的可行性并分析影响因素。 研究中首先定性分析各发生层平均光谱曲线形态特征, 然后通过分析剖面光谱数据主成分深度变化特征及其散点分布情况, 探讨其用于剖面发生层划分的可行性; 最后进行1 000次随机划分数据集并建模、 预测以减小误差, 定量证明成像光谱数据用于土壤发生层划分的可行性, 并通过样本分类错误频率来分析影响分类精度的因素。 研究结果表明, 受成土过程影响剖面内各发生层平均光谱曲线特征存在差异。 成像光谱数据的主成分可以定量呈现土壤剖面深度方向上属性的连续变化及样本散点分布的集聚特征, 能较好反映发生层之间的差异性, 可以用于发生层划分。 建模预测结果表明发生层的预测精度平均值达到93.08%。 同时发现, 光谱主成分分布相似区域的样本及位于发生层过渡区域的样本分类错误率较高。 该研究为利用成像光谱技术进行土壤剖面发生层划分提供了理论依据, 为下一步进行剖面发生层制图奠定了技术基础。

为了探索土壤剖面CO2浓度以及不同土壤层(腐殖质H层、A层、B层、C层)土壤呼吸的变化规律,应用非分散红外(NDIR)技术的新方法,持续不间断的测量土壤剖面二氧化碳浓度.实验所用的主要仪器为硅基非分散红外测量仪,能在高湿、高粉尘、污垢及其他恶劣环境中进行光谱数据采集.通过2013年全年光谱测定值的采集,并应用梯度法模型计算不同深度土壤碳通量,同时利用LI-8100碳通量自动监测系统持续监测的土壤碳通量值进行回归分析.结果显示:土壤剖面CO2浓度呈现明显的梯度变化,即随着土壤深度的增加,土壤CO2浓度增大;梯度法模型得出的不同土壤层的土壤呼吸模拟值与实测土壤呼吸值之间具有较好的线性相关,H,A,B,C层的模型预测的决定系数(R2)分别为0.906　9,0.718　5,0.838　2,0.903　0,均方根误差(RMSE)分别为0.206　7,0.104　1,0.015　6,0.009　6.均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析不同土壤层碳通量是可行的.该方法具有清晰揭示土壤CO2在不同土壤层之间的传输规律,以及有助于分析不同土壤层土壤呼吸特性的优点,能为全球土壤剖面碳通量计算提供基础数据,是一种具有发展前途的传感器。

实测光谱常含有大量干扰信息, 消噪在光谱数据处理和分析中极为重要, 它直接影响后续的定量分析和信息挖掘。因此, 选择适当的消噪方法是改善光谱分析精度, 提升光谱分析能力的一个关键性突破。集合经验模态分解(EEMD)方法是一个以信号固有特征尺度为度量的时空滤波过程, 能充分保留信号本身的非线性和非平稳特征, 在信号的滤波和消噪中具有较大的优势。结合EEMD的多尺度滤波特性, 提出了一种新的EEMD阈值光谱消噪方法, 并应用于新疆塔里木河中游典型绿洲33个土壤剖面反射光谱数据的预处理。为探讨EEMD阈值法在土壤剖面反射光谱消噪中的效用, 对EEMD阈值法和小波阈值法的消噪结果进行了对比分析。结果表明: 与传统的小波阈值法相比, EEMD阈值法消噪结果的信噪比从14.836 6 dB提高到34.275 7 dB, 均方根误差由6.786 1×10-5降到7.240 6×10-6, 相关系数从0.982 5提高到0.999 8, EEMD阈值法的三个消噪效果衡量指标均优于小波阈值法。证明了EEMD阈值法可有效地去除土壤剖面光谱噪声, 较好地保留了光谱的细节信息, 提高了光谱的定量分析精度, 且与小波阈值消噪方法相比具有较强的可靠性和自适应优势, 作为光谱数据预处理的一种新方法, 其应用前景良好。

针对X射线荧光光谱（XRF）法不确定度计算和测定地质样品中硫的准确度、 精密度与可靠性不高的难点, 研究了提高土壤中硫分析准确度的途径, 建立了土壤中S的XRF分析方法, 完善了偏振能量色散XRF测定土壤中主、 次、 痕量元素的方法, 利用不确定度评价、 证实了所见方法的有效性和可靠性。 测定、 获得了研究区土壤元素剖面, 通过对短期植被更替土壤剖面的土壤有机碳含量(TOC)、 有机碳稳定碳同位素((13C)特征及其与元素垂直分布的关系研究, 发现土壤中元素含量与有机碳含量和有机碳稳定碳同位素存在显著相关性。