整合近地土壤传感与Sentinel-1/2遥感用于冬大麦变量施氮管理区划分与监测

《Smart Agricultural Technology》：Integrating proximal soil sensing and Sentinel-1/2 remote sensing for management zone delineation and monitoring of variable-rate nitrogen fertilization in winter barley

　　

均匀施氮(URNF)在田间土壤存在差异时效率低下，造成可避免的经济与环境损失。变量施氮(VRNF)可将氮素重新分配以匹配这种变异性，但缺乏监测作物对VRNF田间生长响应的实用框架。因此，研究人员评估了结合Sentinel-2(S2)光学与Sentinel-1(S1)C波段合成孔径雷达(SAR)观测的作物生长监测框架，在西班牙加泰罗尼亚一块商品冬大麦田中评价VRNF相对于农户URNF实践的效果。两种VRNF策略即King氏(VRNF-KS)与Robin Hood氏(VRNF-RHS)被对照URNF评价。对S2与S1时间序列进行时空聚类，用于评价卫星对近地土壤传感(PSS)识别的土壤属性田间异质性的敏感性，同时监测处理特异性（VRNF与URNF）作物生长。两种VRNF策略产生相反结果。VRNF-RHS在施用略少氮量下同时提高产量（+0.21 t ha-1）与毛收益（+41.15 EUR ha-1，相对URNF），农艺与经济上均优于URNF与VRNF-KS。VRNF-KS优先减少投入，实现节氮但伴随轻微减产（-0.20 t ha-1）与毛收益损失（-34.54 EUR ha-1）。各处理间产量无显著差异（p=0.116），表明这些经济差异在统计可比产量下浮现。交叉一致性分析显示卫星衍生区与PSS衍生管理区划分(MZD)间一致性始终偏低（总一致率<34%），表明S2光学与S1 SAR信号反映实现态作物状况而非底层土壤潜力。宽带S2指数仅弱区分处理，而S1 VH/VV更明显捕获处理关联冠层异质性，提示SAR可能是VRNF驱动田间变异更敏感指示，尽管这反映更大离散而非单季统计显著分离。总体而言，免费Sentinel-2光学与Sentinel-1 SAR数据可补充近地土壤传感(PSS)，支持地中海种植系统运营级位点特异性氮管理，但仍需多点多年验证。

研究背景方面，气候极端化加剧使氮肥优化成为焦点，欧洲农田约仅66%至69%施氮被作物吸收，余量经硝酸盐淋溶与氧化亚氮排放带来环境压力。均匀施氮(URNF)在土壤空间变异性下效率低下，变量施氮(VRNF)可重分配氮素但缺乏田间监测框架；光学遥感受云干扰，C波段SAR具全天候优势却少用于VRNF监测；且既往研究多按处理均值汇总，未解明卫星时序与土壤及产量空间对应。为此研究人员在西班牙加泰罗尼亚òdena三块共14.3公顷冬大麦田，整合近地土壤传感(PSS)、S1 SAR与S2光学，评价VRNF-KS（高肥区多施）与VRNF-RHS（低肥区多施）相对URNF的农艺经济表现及卫星监测能力。

关键技术方法上，研究人员于2024年秋用拖拉机车载vis-NIR光谱仪（305至1700纳米）以12米间距扫描，同步采138个土样送验pH、全氮(TN)、有机碳(SOC)、速效磷(P_AL)、交换钾(K_ex)等；以1D-CNN滤非土光谱，PLSR（偏最小二乘回归）预测土壤属性制图，选SOC、TN、P_AL、K_ex、阳离子交换量(CEC_B)、含水量(MC)作输入，k-means(k=5)划管理区(MZ)；依区施五种氮量（50%、75%、100%、125%、150%基准203 L ha^-1）成VRNF处方，18米条带随机排布URNF对照；作物季用S1 VH/VV与S2 NDVI等时序做时空聚类，收联合收割机产量监测经两段离群滤波，最后做交叉一致性分析比对卫星区、PSS区、质地与产量空间格局。

研究结果部分，引言指出5R精准施肥与Copernicus免费数据可支撑决策，但光学单传感器有隙，需S1补位并引入交叉一致性评价空间分配。材料方法中工作流显示PSS—MZD—处方图—卫星监测闭环，研究区为内陆地中海气候无灌溉免耕轮作（小麦—冬大麦）。近地扫描与实验室分析给出传感器平台与化验项；漫反射光谱建模用SNV与Savitzky-Golay预处理、Kennard-Stone分集、PLSR按RPIQ分级，1D-CNN分类精度99.43%。管理区划分融合六类属性归一化聚类，Field-3因坡陡仅用27采样点；施肥处理中RHS向低肥倾斜、KS反向，Field-3仅KS。位点施氮与产量图经机械阈值与15米KD-Tree滑动窗改良z-score(|z|≥2)清洗，面积加权求处理均值。

结论部分，VRNF-RHS增产0.21 t ha^-1、毛收益+41.15 EUR ha^-1且省氮，综合优于URNF与KS；KS节氮但减产0.20 t ha^-1、毛收益-34.54 EUR ha^-1；产量处理间p=0.116不显著，经济差来自分布偏移。S2宽带指数弱分处理，S1 VH/VV对冠层异质更敏，但属离散大非单季显著；卫星区与PSS-MZD总一致<34%，证明卫星捕“实现态”作物而非“潜力态”土壤。讨论指出免费S1/S2可补PSS支撑地中海位点施氮运营化，但单点单季限制需多点多年验证，且RHS优于KS的农艺经济结论依赖本区土壤肥力梯度与农户基线203 L ha^-1情境。

论文发表于《Smart Agricultural Technology》，其意义在于首次将交叉一致性分析引入PSS-MZD与S1/S2融合时序的空间错位诊断，并提供RHS优于KS的冬大麦实证，为地中海旱作 barley 变量施氮从制图到监测补全闭环。