《AgriEngineering》：Geostatistical Integration of Soil Attributes and NDVI for Localized Management of Black Pepper in Eastern Amazon
Nelson Ken Narusawa Nakakoji,
ítala Duam Souza Narusawa,
Fábio Júnior de Oliveira,
Welliton de Lima Sena,
Félix Lélis da Silva,
Gabriel Garreto dos Santos,
Jo?o Paulo Ferreira Neris,
Pedro Guerreiro Martorano,
Alexandre da Trindade Lélis and
Paulo Roberto Silva Farias
+ 7 authors
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为应对巴西亚马逊地区黑胡椒生产中土壤物理限制因子空间变异不明确、管理粗放的问题，研究人员开展了基于土壤容重(BD)和归一化植被指数(NDVI)的联合空间分析研究。通过结合克里金插值与双变量莫兰指数，研究成功揭示了BD与NDVI在空间上的负相关关系，并据此划分了差异化田间管理区，为精准农业实践提供了基于数据的决策框架，有助于优化资源投入与提升生产力。
在亚马逊雨林的心脏地带，巴西亚马逊州，黑胡椒产业是当地农业经济的支柱之一。然而，在集约化生产模式下，一个看不见的威胁正悄然影响着作物的健康与产量——土壤压实。过高的土壤容重会限制根系生长，阻碍水分和养分的吸收，就像一个“紧身衣”束缚着植物的活力。传统的、一刀切的田间管理模式无法应对这种复杂且不均一的土壤物理问题，导致资源浪费和生产力瓶颈。为了应对这一挑战，一组研究人员在巴西亚马逊州巴伊昂市的一片黑胡椒种植园展开了一项研究，旨在为这片充满活力的土地绘制一张精准的“健康地图”和“处方图”，其成果发表在《AgriEngineering》上。
为了揭示土壤压实与作物长势之间的隐秘对话，研究人员采用了多技术融合的空间分析策略。首先，他们在研究区域布设了100个规则采样点，通过采集原状土样并测定干重与体积，精确计算了不同深度的土壤容重(BD)。与此同时，利用搭载专业相机的无人机进行航拍，获取了高分辨率的遥感影像，并基于近红外和红光波段的反射率，计算出表征植被活力与生物量的归一化植被指数(NDVI)。为了探究BD与NDVI在空间上的关联模式，研究运用了地统计学中的克里金插值法生成二者的连续空间分布图，并创新性地引入了空间统计学的双变量莫兰指数，定量评估了这两个变量在空间上的相关性。
土壤容重与NDVI的描述性统计与空间格局
研究发现，土壤容重(BD)的变化范围在1.14至1.80 Mg m-3之间，而NDVI值则介于0.07到0.91的广泛区间。初步的统计分析为后续的空间建模奠定了基础。通过克里金插值生成的BD空间分布图直观地展示了研究区域内土壤压实程度的高低区域，而NDVI图则清晰地指示了作物长势的优劣斑块。
基于双变量莫兰指数的空间关联分析
这是本研究的核心发现。应用双变量莫兰指数对BD和NDVI数据进行空间自相关分析，结果显示两者之间存在显著的负空间关联。这意味着，在空间上，土壤容重较高（即更紧实）的区域，其对应的NDVI值往往较低（即作物长势较差）；反之，土壤较疏松的区域，作物长势更好。这种清晰的逆向空间关系，首次通过定量化的空间统计方法在黑胡椒田中被明确揭示。
管理区的划定
基于上述BD与NDVI的负相关空间模式，研究人员将两者信息整合，成功划定了具有差异化的潜在管理区。这些分区标识出了需要重点关注土壤物理改良（如深松、增施有机质）的高BD-低NDVI区域，以及作物长势良好、可维持当前管理措施的区域。这种分区方法实现了从均一管理到定位管理的转变。
本研究通过整合传统土壤物理测定与无人机遥感技术，并结合先进的地统计学与空间分析方法，在巴西亚马逊黑胡椒种植系统中实现了重要突破。研究不仅量化了土壤容重(BD)的空间异质性，还通过双变量莫兰指数首次清晰揭示了BD与作物活力指标NDVI之间存在的显著负向空间关联。这一发现从空间维度证实了土壤压实对黑胡椒生长的抑制作用。最终，基于这种空间关系成功划定了具体的管理分区，为实施定位灌溉、变量施肥和针对性土壤改良等精准农业措施提供了直接、可靠的的空间决策依据。该研究框架将土壤属性与作物生理响应在空间上直接链接，为类似热带集约化农业系统的可持续精细化管理提供了一个可复制、高效率的技术范式，有助于在降低环境风险的同时，提升农业生产的盈利能力和资源利用效率。
