東北地理所在鹽堿-黑土交錯區(qū)土壤有機質(zhì)高精度遙感制圖方面取得新進展
土壤有機質(zhì)(Soil Organic Matter,SOM)是衡量土壤質(zhì)量和生態(tài)功能的重要指標,其精準監(jiān)測對于推進現(xiàn)代土地資源管理與生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。然而,在土壤類型復雜、環(huán)境異質(zhì)性顯著的鹽堿-黑土交錯區(qū),SOM的遙感制圖依然面臨諸多挑戰(zhàn)。
針對上述問題,中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)業(yè)遙感學科組的研究人員,基于多年多時相的Sentinel-2遙感影像,融合土壤分類等先驗知識,將研究區(qū)域劃分為鹽堿區(qū)與黑土區(qū),并系統(tǒng)評估了遙感觀測時間窗口、關(guān)鍵光譜指數(shù)(如鹽度指數(shù)與植被水分指數(shù))、環(huán)境因子(地形與氣候)以及局部建模策略對SOM預測精度的影響。

圖1. 基于先驗知識并結(jié)合鹽堿和黑土區(qū)劃分的光譜信息選取示意圖
研究表明,每年4月初至5月初(DOY 90–120)是鹽堿區(qū)與黑土區(qū)共同適用的最優(yōu)遙感觀測窗口。在引入環(huán)境因子后,SOM預測精度顯著提升,且黑土區(qū)對地形因子更為敏感,而氣候因子則在鹽堿區(qū)占主導作用。此外,鹽度指數(shù)對鹽堿區(qū)的SOM預測貢獻突出,但在黑土區(qū)反而可能干擾模型穩(wěn)定性。進一步分析發(fā)現(xiàn),基于土壤類型構(gòu)建的局部回歸模型相比整體模型具有更高的預測精度,尤其在地理空間異質(zhì)性強的區(qū)域表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢,盡管其空間不確定性相對較高,但為復雜區(qū)域的高精度SOM建模提供了關(guān)鍵突破。
本研究構(gòu)建了融合“先驗知識 + 多時相遙感 + 局部建模”的SOM預測框架,成功生成了吉林省省域尺度的10m分辨率土壤有機質(zhì)分布圖,為區(qū)域差異化耕地管理與生態(tài)保護提供了重要的數(shù)據(jù)基礎和決策支撐。該方法具有良好的可推廣性,未來可應用于其他復雜地貌與土壤類型混合的區(qū)域,助力土壤資源的高質(zhì)量監(jiān)測和可持續(xù)利用。

圖2. 吉林省土壤有機質(zhì)(SOM)空間分布全局與局部回歸模型預測結(jié)果比較。A:全局回歸模型預測的SOM空間分布圖。B~D:A圖中選取的典型區(qū)域。E:局部回歸模型預測的SOM空間分布圖。F~H:E圖中選取的典型區(qū)域。B~D和F~H圖中的條形圖分別表示各區(qū)域內(nèi)不同SOM含量的比例
相關(guān)成果發(fā)表在農(nóng)林科學領(lǐng)域1區(qū)Top期刊Journal of Integrative Agriculture上,由聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生孔德飄(第一作者)、羅沖助理研究員(通訊作者)和劉煥軍研究員共同完成。本研究得到了吉林省科技發(fā)展計劃項目(20240602052RC)資助。
論文信息及鏈接如下:Enhancing soil organic matter mapping in saline-alkali and black soil areas with prior knowledge and multi-temporal remote sensing. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095311925001546.
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