【摘 要】
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土壤质地信息是陆面过程模拟的关键参数。快速获取区域土壤质地空间分布信息,分析区域土壤质地分布规律,有助于开展土壤质量评价、推进区域农业精准化管理、促进农业可持续发展。结合可见光-近红外光谱数据和统计分析方法可以实现区域土壤质地信息的快速获取。传统的土壤质地反演模型如偏最小二乘回归(PLSR)忽略了土壤质地与高光谱关系的空间异质性,使得模型残差存在空间结构,导致参数估计结果有偏。地理加权回归模型(G
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土壤质地信息是陆面过程模拟的关键参数。快速获取区域土壤质地空间分布信息,分析区域土壤质地分布规律,有助于开展土壤质量评价、推进区域农业精准化管理、促进农业可持续发展。结合可见光-近红外光谱数据和统计分析方法可以实现区域土壤质地信息的快速获取。传统的土壤质地反演模型如偏最小二乘回归(PLSR)忽略了土壤质地与高光谱关系的空间异质性,使得模型残差存在空间结构,导致参数估计结果有偏。地理加权回归模型(GWR)适用于探究这种空间非平稳关系,在此基础上,多尺度地理加权回归模型(MGWR)还可以识别不同解释变量对因变量的差异化作用尺度。然而,应用MGWR探究土壤质地与光谱的空间非平稳关系的研究较为缺乏。针对上述研究不足,本研究基于204个云南省杞麓湖湖滨区农田土壤样点,分析土壤质地(粘粒、粉粒和砂粒)空间分布特征,探究不同土地利用方式对土壤质地高光谱反演的影响,并使用MGWR探究土壤质地与高光谱的空间非平稳关系。主要结论如下:(1)研究区粘粒、粉粒、砂粒含量均值分别为21.87%、68.37%和9.76%,三者显示出不同程度的变异特征,其中砂粒属于极强变异程度,变异系数高达1.43。半方差函数结果表明,粘粒、粉粒、砂粒的最优拟合模型分别为球状、高斯、球状模型,三者均为中等空间变异程度。空间分布趋势上看,土壤质地三种颗粒空间分布各不相同,其中,粘粒和砂粒含量呈现相反的空间分布特征。(2)分地类反演土壤质地结果显示,土地利用方式极大地影响了土壤质地与光谱之间的响应关系:基于全部样本建立的PLSR模型对粘粒和粉粒的反演精度一般,砂粒效果较差。而分地类后,基于水浇地和裸地样本构建的粉粒和砂粒反演模型,其精度明显优于全样本模型;其中,效果最好的是裸地土壤中的粉粒和砂粒模型,反演精度由0.49和0.17提升至0.93和0.88。水浇地中粉粒和砂粒反演结果逊于裸地,说明耕作强度高可能削弱了质地与光谱的响应关系。(3)PLSR、GWR、MGWR三种方法建立的土壤质地反演模型评估结果显示,MGWR模型的MAE、RMSE和R~2指标均优于GWR和PLSR,证明MGWR拟合土壤质地与光谱间关系效果最好;此外,MGWR模型残差呈现空间随机分布,也证明了它的可靠性。MGWR回归结果表明,光谱各潜变量对粘粒、粉粒和砂粒三种组分的响应效应显示出不同的空间格局。从系数绝对值上来说,LV1、LV6和LV2分别是对粘粒、粉粒、砂粒响应最大的光谱潜变量。这些结果证实了MGWR在识别光谱各潜变量与土壤质地的空间非平稳关系中的有效性。所有结果表明了土壤质地与可见光-近红外光谱的关系具有地类依赖性和空间非平稳性。获取这些知识为区域农田施肥灌水的精准化管理、土壤质量评价和水土流失的防治提供了科学依据。
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