基于Sentinel影像融合的表层土壤有机碳含量时空反演研究

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表层土壤总有机碳(total organic carbon,TOC)含量的精细化反演为推进精准农业的发展提供重要的数据资料。以往研究对有机质含量的反演多基于单景或少数景影像,有机质估算趋于静态,难以捕捉其时空变化。而有机质受气候、植被、施肥、耕作等因素的影响较为敏感,在不同时间段的变化程度不容忽视。本研究以在保证反演精度的前提下,提升时间分辨率,融合多光谱数据Sentinel-2和Sentinel-3,充分利用Sentinel-2的高空间分辨率信息(10m)和Sentinel-3丰富的光谱信息(21个波段),在2016年11月至2018年11月间形成了可用于东海县土壤TOC含量反演的52期影像,并结合2017年与2018年两期实测数据进行模型的率定、估算与验证。基于比值植被指数(ratio vegetation index,RVI(B18/B9))法建立多元逐步线性回归模型:TOC=1.4+0.523×(B18/B9)-1.448×B20。本研究主要结论如下:(1)利用RVI(B18/B9)与B20组合建立的模型,建模集R2=0.6396,RMSE=0.4018%;验证集R2=0.6595,RMSE=0.1495%;建模集与验证集在1:1线两侧分布均匀,模型拟合效果较好。(2)东海县土壤TOC含量从80年代(0.59%)至2017年(1.29%)及2018年(1.59%)有上升的趋势,近两年52期均值为1.49%,粉碎秸秆就地还田,有机肥料的推广使用都促进了土壤肥力的逐步提升;土壤TOC含量呈现季节性差异:夏(2.17%)>春(2.11%)>秋(1.55%)>冬(0.78%),受温湿度影响较大,温暖湿润的春夏两季土壤TOC含量高于寒冷干燥的秋冬两季;春、夏、秋三季东部土壤TOC含量高于西部,夏季有机质含量普遍偏高,冬季普遍较低,春秋两季TOC含量分布不均匀。主要受秸秆还田、施肥等农业措施的影响。东部地区秸秆还田率较西部地区高,而西部地区的大型核桃基地由于冬季填埋大量有机肥,且西部地区分布四大畜禽养殖基地,均提高了该季节的TOC含量。(3)土壤TOC呈现从西北至东南方向升高的趋势,土壤质地影响土壤潜在肥力,TOC含量还受高程、坡度、坡向等地形因子的影响。温泉镇、李埝林场、李埝乡土壤TOC含量上升最快,主要受土地整治、绿化造林等因素影响。东海县不同土地利用类型土壤TOC含量:园地(2.01%)>水田(1.71%)>林地(1.65%)>旱地(1.48%)>草地(1.37%);变异系数:水田(15.13%)>林地(14.61%)>园地(10.08%)>旱地(9.77%)>草地(4.29%),与土壤质地、地形因子、施肥及人为扰动等因素关系密切。园地及水田除有机质本底值含量较高外,会加以施肥提高产量;林地有机质来自于地表枯枝落叶层的分解补充与积累,但由于林地海拔较高,水土流失较为严重,所以TOC含量处于中等水平;旱地土壤以棕壤为主,砂性大,养分含量较低且旱地水土流失较严重,另外,旱地受耕作活动等人为扰动的影响加速了有机质的矿化,因此TOC含量较低。在地形因子、土地利用类型、土类及土属等环境因子中,高程是影响TOC含量的主要驱动因子。
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