基于Sentinel-2遥感与土壤采样的西班牙Biota灌区石质土壤有效水定量制图研究

《Irrigation Science》：Mapping soil water properties using soil samples and satellite images in the irrigated area of Biota (Spain)

本研究针对西班牙Biota灌区浅层石质土壤有效水(TAW)难以精确制图的问题，通过整合172个土壤样本与82期Sentinel-2卫星影像，开发了单时相与多时相组合回归模型。结果表明组合模型对萎蔫点(WP)、有效深度(Z)、石质度(STO)、TAW和田间持水量(FC)的预测R2分别达92%、89%、84%、77%和72%，生成的定量TAW图与玉米产量图相关性达0.35，为高异质性土壤的水分管理提供了精细化空间决策支持。

　　

在地中海沿岸的灌溉农业区，浅层石质土壤就像一块块"吸水能力有限的海绵"，其高度异质性的土壤特性使得传统方法难以精确绘制土壤有效水分布图。西班牙Biota灌区的农民们长期面临这样的困境：虽然灌溉系统已完成现代化改造，但如何根据土壤实际蓄水能力进行精准灌溉，依然是一个悬而未决的难题。特别是在能源成本持续攀升的背景下，优化灌溉用水不仅关乎作物产量，更直接影响到农场的经济效益。

这项发表于《Irrigation Science》的研究创新性地将多时相卫星遥感与地面采样相结合，对1185公顷的Monte Saso de Biota(MSB)灌区开展了土壤有效水(Total Available Water, TAW)定量制图研究。研究人员通过172个采样点的实地调查，结合2018-2024年间82个冬春时相的Sentinel-2卫星影像，建立了土壤关键参数的预测模型，最终生成了比传统土壤单元图更具空间细节的TAW分布图。

关键技术方法包括：利用Sentinel-2卫星的B02、B08、B11、B12等多光谱波段建立回归模型；通过NDVI<0.15阈值筛选裸土像元；采用反向逐步回归法筛选显著预测变量；结合数字地形模型(DTM)进行地形分析；使用最小标准误差(SE)和最大决定系数(R2)双策略进行像元级模型优选。

土壤特性空间变异规律

研究发现MSB土壤以钙积石化简育干淋溶土(Petrocalcic Calcixerept)为主，有效深度30-60厘米，石质度5%-56%，田间持水量20%-30%，萎蔫点9%-18%。通过14个土壤剖面观测发现，土壤有效深度与石质度呈负相关(-0.42)，与黏粒含量呈正相关(0.43)，说明地形沉积过程对土壤形成具有决定性影响。

遥感预测模型性能

研究开发的组合模型(combi models)显著优于单时相模型，对萎蔫点(WP)的预测精度最高(R2=92%)，其次为有效深度(Z，R2=89%)、石质度(STO，R2=84%)、总有效水(TAW，R2=77%)和田间持水量(FC，R2=72%)。短波红外波段(B11、B12)成为最频繁出现的预测因子，这与既往研究中该波段对土壤黏土矿物和有机质响应的敏感性一致。

制图成果对比验证

定量TAW图清晰显示出与地形特征的高度一致性：汇流区土壤颜色较深、石质度低、有效水深、TAW值高；而高地势区域则呈现相反规律。与玉米产量图的对比分析显示，在灌溉均匀的29号中心支轴式喷灌机区域，TAW与产量的相关系数达0.35(p<0.001)，证实了定量图在识别土壤生产力空间变异方面的实用价值。

研究结论与意义

该研究证实了多时相Sentinel-2影像在石质土壤水分特性制图中的巨大潜力。尽管验证R2(19%-45%)相对校准模型有所降低，但这与土壤空间异质性和遥感技术局限性相符。定量TAW图相比传统定性图能提供更精细的空间细节，为精准灌溉管理、水资源优化配置和能源效率提升提供了科学依据。特别是在灌溉现代化背景下，这种结合遥感与地面验证的制图方法，为类似生态区域的可持续农业管理提供了可复制的技术框架。