基于近端土壤传感与地形属性快速无损评估砂质土壤抗剪强度的新方法

《Soil and Tillage Research》：Rapid non-destructive methods for estimating shear strength of sandy soils

本文推荐一项关于土壤力学特性快速评估的创新研究。针对传统方法评估土壤抗剪强度(τ)存在的破坏性、耗时费力等问题，研究人员开展了结合电磁感应(EMI)、伽马能谱(GRS)和地形属性(TA)的近端土壤传感(PSS)技术研究。结果表明，PSS-TA模型在估算0.15m和0.40m深度土壤τ时精度显著高于传统pedotransfer function(PTF)方法（RMSE分别为11kPa和8kPa），为农田土壤压实风险的快速、无损、大尺度评估提供了有效解决方案。

　　

在现代农业管理中，土壤压实已成为影响土壤功能和生态系统服务的突出问题。由农业机械作业引起的土壤压实不仅导致土壤孔隙度降低、结构破坏，还会对土壤碳含量、生物多样性和作物生长产生连锁性负面影响。特别是在砂质土壤地区，这种影响往往更为严重且持续时间更长。传统评估土壤抗剪强度(τ)的方法主要依赖实验室直剪试验，虽然精度较高，但存在采样破坏性强、工作量大、成本高等局限性，难以满足大尺度田间评估的需求。

近期发表在《Soil and Tillage Research》的一项研究为解决这一难题提供了创新方案。由奥胡斯大学Ameesh Khatkar领衔的研究团队开发了一种结合近端土壤传感(PSS)技术和地形属性(TA)的非破坏性方法，实现了对砂质土壤抗剪强度的快速、准确评估。

研究团队在丹麦Klejtrup地区35.5公顷的砂质土壤农田开展了系统研究。通过条件拉丁超立方采样(cLHS)方法选取23个采样点，分别从0.15m（表土）和0.40m（底土）深度采集土壤样品。关键技术方法包括：使用DUALEM-21H设备进行电磁感应(EMI)测量获取表观电导率(EC_a)，通过Medusa MS-2000探测器进行伽马能谱(GRS)测量；基于数字高程模型(DEM)提取坡度、坡向、水文特征等地形属性；采用直接旋转剪切试验测定土壤力学参数；运用多元线性回归(MLR)建立预测模型，并通过留一法交叉验证(LOOCV)评估模型性能。

3.1. 基本土壤性质

研究区域土壤质地以砂土为主，表土和底土的平均粘粒含量分别为5.2g 100g^-1和5.5g 100g^-1。表土有机碳含量(2.8g 100g^-1)显著高于底土(1.1g 100g^-1)，土壤容重则随深度增加而增大，这些性质为理解土壤力学行为提供了重要背景。

3.2. 凝聚力、内摩擦角和抗剪强度的田间变异

研究表明，表土凝聚力(c)均值为42.0kPa，底土为35.1kPa；内摩擦角(φ)表土均值为17.0°，底土为15.2°。抗剪强度(τ)随法向荷载(σ_n)增加而线性增加，在30-180kPa法向荷载范围内，表土τ值为51-98kPa，底土为43-84kPa。这种深度相关的变异模式与土壤有机质含量和结构特征的垂直分布密切相关。

3.3. 基于近端传感和地形属性的凝聚力与内摩擦角估算

多元线性回归模型在估算土壤力学参数方面表现出色。对于凝聚力，底土模型精度尤高（CCC=0.79，R2=0.73），其中反演后的EMI数据(EMI_0.30-0.60m)是最重要预测因子。内摩擦角的表土模型预测效果最佳（CCC=0.75，R2=0.66），EMI和GRS指标共同发挥作用。值得注意的是，EMI数据反演在三个模型中均成为关键预测因子，凸显了其对提高估算精度的重要性。

3.4. PTF与近端传感和地形属性方法抗剪强度估算对比

研究对比了两种方法的抗剪强度估算效果。基于PSS-TA的MLR方法在表土和底土均表现出更优的预测精度（RMSE分别为11kPa和8kPa），其估计值更接近1:1线。而传统pedotransfer function(PTF)方法虽然也能提供合理估计（R2_adj=0.80），但在高τ值时存在明显高估，且误差较大（RMSE分别为26kPa和27kPa）。

3.5. 研究展望

该研究展示了农业地球物理技术在土壤科学与工程交叉领域的应用潜力。通过整合EMI、GRS和TA等多种数据源，实现了对土壤抗剪强度的直接、非侵入式评估，概念上超越了传统的pedotransfer function方法。虽然当前研究基于单一田块且样本量有限，但为土壤压实风险的大尺度监测提供了新思路。

研究结论表明，结合近端土壤传感和地形属性的方法在估算砂质土壤抗剪强度方面显著优于传统PTF方法。特别是在底土深度，PSS-TA模型展现了更高的预测准确性。EMI数据反演被证明是提升估算精度的关键技术，在多个模型中成为主要预测因子。这种非破坏性方法为实现农田土壤压实风险的快速筛查和可持续土壤管理提供了有效工具，尽管其普适性仍需在不同土壤类型和更大样本量条件下进一步验证。该研究标志着土壤力学特性评估方法的重要进展，为精准农业和土壤保护提供了新的技术支撑。