基于Sentinel-2卫星影像和土壤变量的盐渍化土壤水溶性盐基离子含量反演

本研究旨在探讨结合多光谱遥感技术和土壤物理化学属性进行土壤水溶性离子含量预测的可行性。研究区域位于新疆南部的盐渍化土壤区域,测定土壤中主要水溶性盐基离子含量(K^(+)、Na^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCO_(3)^(-)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)),并应用随机森林(Random Forest,RF),梯度提升回归树(Gradient Boosting Regression,GBR)和极端梯度提升(Extreme gradient boosting,XGBoost)3种机器学习算法构建基于遥感光谱特征及土壤信息的土壤离子含量反演模型,同时对比了纳入与未纳入土壤变量的模型预测精度。结果表明:仅使用多光谱遥感数据作为输入变量时,3种模型均仅能区分土壤离子含量的高低水平,但对各离子含量进行精确预测的能力有限。将土壤变量纳入模型后,预测精度均得到显著提升。在所选用的3种方法中,随机森林模型的预测精度最高,XGBoost次之,GBR模型的精度最低。就各个离子的预测而言,Mg^(2+)、Ca^(2+)和Na^(+)含量的预测精度较高且模型表现较为稳定;SO_(4)^(2-)、Cl^(-)和K^(+)的预测表现一般,具备定量预测能力;而HCO_(3)^(-)含量的预测仅GBR模型具有一定程度的可行性。不同离子的最优预测模型存在差异,其中随机森林模型对K^(+)、Mg^(2+)和Cl^(-)三种离子的反演效果最佳;XGBoost模型在Ca^(2+)、Na^(+)和SO_(4)^(2-)三种离子的反演中表现为最优;GBR模型则在HCO_(3)^(-)离子反演中展现了较好的性能。特别地,Mg^(2+)、Ca^(2+)和Na^(+)含量的最优相对分析误差分别为2.829、1.951和1.870,说明这些模型对于这3种离子含量的预测具有较高的可靠性。研究成果可以为干旱区土壤盐分主要离子含量的区域尺度预测提供科学参考。

基于分类梯度提升算法和人工神经网络的食松和樱核圆柏的气孔导度模拟

气孔导度是表征植物蒸腾状态的重要指标,气孔导度的准确量化对于地表水文循环研究具有重要意义。为探索提高气孔导度模拟准确性的方法,本研究利用分类梯度提升算法(CatBoost,CAT)和人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)两种机器学习模型对食松(Pinus edulis)与樱核圆柏(Juniperus monosperma)的气孔导度进行了模拟,并将二者的模拟结果与Ball-Berry模型和Medlyn模型进行了比较。机器学习模型以净光合速率A_(n)、叶表二氧化碳浓度C_(s)、相对湿度RH、饱和水汽压差VPD、叶片温度TL和黎明前叶水势LWP为输入变量,设计了3种建模策略:策略①输入变量为A_(n)、C_(s)和RH;策略②输入变量为A_(n)、C_(s)和VPD;策略③输入变量为A_(n)、C_(s)、RH、VPD、TL和LWP。结果表明①Ball-Berry模型和Medlyn模型模拟效果相近,RMSE分别0.0138和0.0139 mol/(m^(2)·s);②机器学习模型对气孔导度的模拟效果明显优于Ball-Berry模型和Medlyn模型,不同输入策略下CAT和ANN模型的RMSE相比于Ball-Berry模型分别降低了19.35%~45.65%和26.90%~55.07%;③机器学习模型中策略③模拟效果优于策略①和②,且ANN优于CAT,其中策略③中ANN模型的RMSE比策略①和②分别提高了36.70%和38.54%;④各模型和策略下对两种植物组成的整个数据集的气孔导度模拟与分别对食松和樱核圆柏的气孔导度模拟规律是一致的,其中对食松的气孔导度模拟结果优于樱核圆柏。研究表明,机器学习模型(特别是ANN模型)更适用于植物气孔导度的精准模拟,可为植物蒸腾能力估算和农业水文模拟提供实用工具。

农业强国建设要义及着力点探微

农业强国建设以提升粮食产能和农业综合生产能力为基本要素,以高水平农业科技自立自强为关键要素,以农业新业态的发展为新增要素。在当前“大国小农”基本国情状况下,面对优质耕地资源稀缺及碎片化分布、种源量与质的不均衡、农业科技自主创新活力不足、高素质农业从业人员大量流失等困境,必须始终坚持以农业农村优先发展为核心,牢牢把握地、技、人、制度四个着力点,强化落实藏粮于地、藏粮于技、人才振兴与机制保障,助力中国特色农业强国建设目标早日实现。

也谈节水农业发展战略

针对目前掀起的发展节水农业的热潮中所出现的一些问题，就如何发展节水农业提出了一些不同的看法。指出发展节水农业首先要有科学态度，同时不仅要重视技术问题的研究，更为重要的是要从社会经济、法律法规。

基于EPO-PLS回归模型的盐渍化土壤含水率高光谱反演

表层土壤含水率对于指导农业灌溉有重要的作用。研究表明,土壤光谱受到土壤水分和盐分的共同影响,但对于盐渍化地区的土壤含水率高光谱反演却很少涉及。该文通过对11组不同含盐量土壤室内蒸发过程连续监测,获取相关反射率光谱和水分、盐分的变化数据,利用外部参数正交化方法（external parameter orthogonalisation,EPO）预处理土壤光谱,滤除盐分（质量比0.1%~5.0%）的影响,建立经过EPO预处理后的偏最小二乘（partial least squares regression after EPO pre-processing,EPO-PLS）土壤水分预测模型。与偏最小二乘（partial least square model,PLS）模型相比,验证样本的决定系数R2和对分析误差RPD（residual predictive deviation）分别从0.722、1.976上升到0.898、3.145;均方根误差RMSE从5.087 g/（100 g）减少到3.237 g/（100 g）。通过EPO算法预处理后的模型性能提升显著,利用该方法能够有效的消除土壤盐分的影响,很好地实现盐渍化地区的水分含量估测。

土壤盐分与施氮量交互作用对葵花生长的影响

为了研究盐分和氮素交互作用对葵花生长的影响，采用双因素随机区组设计在内蒙古河套灌区义长试验站开展微区试验，观测指标包括葵花的出苗率、成熟期株高、叶面积、地上部分干物质量、吸氮量和产量等。试验结果表明土壤0～20cm初始盐分质量分数是影响葵花生长的主要限制因素，将土壤0～20cm初始盐分质量分数由〈0．25％（S）增加至1％以上（S4）能够使不同施氮水平下葵花出苗率、株高、叶面积、干物质量和产量的均值分别降低72．O％、40．0％、58．5％、41．7％和76．41％，并且在不同的施氮量水平下，葵花的出苗率均与土壤0～20cm初始盐分质量分数呈线性下降的关系。当土壤盐分水平为〉0．5％～1．0％（S3）时，将施氮量水平由Ⅳ1（90kg／hm2）增加至N3（180kg／hm^2）能够使葵花出苗率、株高、叶面积、干物质量和产量分别增加16．7％、35．6％、39．1％、69．9％和80．0％；当土壤盐分水平大于1．0％（＆）时，将施氮量水平由Ⅳ1增加至M能够使上述5项指标分别增加45．4％、20．5％、47．4％、42．7％和76．2％。但是当土壤初始盐分质量分数小于0．5％时，增施氮肥对上述5项指标的影响效果降低。此外，尽管葵花的吸氮量随氮肥施入量的增加而增加，但是葵花对氮肥的利用效率还与受到土壤盐分水平的影响，当土壤0～20cm初始盐分质量分数小于0．5％时，葵花对氮肥的利用率随施氮量的增加而降低，而当土壤0～20cm初始盐分质量分数大于0．5％时，增施氮肥有助于提高葵花对氮肥的利用率。综合考虑收益、环境影响以及农业灌溉措施的等因素，建议适合河套灌区的合理施氮水平为135kg／hm2。

不同地下水补给条件下非饱和砂壤土冻结试验及模拟

为研究土壤冻融过程中不同地下水位对土壤的补给规律,在室内进行了两组不同地下水边界条件下的土柱冻结试验:A组无地下水补给,土柱高度60 cm;B组地下水维持在距土柱表层60 cm深度处。土壤在冻结过程中水分及盐分均呈向上运移趋势,稳定浅地下水补给会加剧水分及盐分向上运移,造成上层土壤盐分的聚积,影响土壤剖面的热量平衡,引起剖面温度的重新分布,从而减缓冻结锋的推进速度。运用HYDRUS-1D冻融模块对不同地下水埋深(0.5 m,1.0 m,1.5 m,2.0 m,2.5 m)情况下冻结过程中水分运移规律进行了模拟。模拟结果表明:累积补给量在埋深小于1.5 m时随埋深增加而有所增加,而当地下水埋深大于1.5 m时,累积补给量随着埋深增加而有所减小,甚至保持不变。

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度,针对这一问题,在分层假设的基础上对模型进行了改进:将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层,采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律,结果表明,入渗条件一定时,过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小,积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率,而土壤饱和导水率则对其没有明显影响;过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线,而导水率随深度增加线性减小。在此基础上,通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法,对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示,改进后模型计算精度显著提高。

不同暗管布置下棉田排水的硝态氮流失量分析

为了研究不同暗管控制水深、暗管间距和暗管埋深条件下暗管排水中硝态氮流失量的变化规律,将暗管控制水深、暗管间距和暗管埋深的变化范围分别设为30～80cm、8～40m和80～120cm,采用通用旋转组合设计确定试验方案,并利用DRAINMOD模型对不同试验方案下暗管排水中硝态氮的流失量进行数值模拟。模拟结果表明:单一增加暗管出口控制水深或暗管埋深以及单一减小暗管间距都会使暗管排水中硝态氮流失量增加。暗管间距和暗管埋深对暗管排水中硝态氮流失量的影响要比暗管出口控制水深的影响大,当暗管出口控制水深小于40cm时,暗管埋深对其影响大于暗管间距;而当暗管出口控制水深大于70cm时,暗管间距对其影响大于暗管埋深。当暗管埋深不变时,增大暗管间距的同时减小暗管出口控制水深有助于减小暗管排水中的硝态氮流失量。

土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

为研究季节性冻土在冻融过程中水热盐的运移规律,在野外开展了一维及二维冻土水热盐运移试验,并通过Br离子示踪法及建立冻土水盐通量计算模型对土壤冻融过程中水盐的通量变化特性进行了计算分析。基于Hangen-Poiseuille孔隙通量方程,耦合孔隙冰柱体对水力传导度的影响机理,提出了冻土水流通量模型。结果表明,冻结过程中,液态水在水势和温度梯度作用下在冻结锋处聚集,形成通量峰值,冻融过程中自地表和最大冻深位置分别向下和向上的融化过程中,一维与二维试验水流通量变化对比表明,冻融过程中水流通量受到中间层冻土和地下水顶托的影响。冻土通量模型能够有效地描述冻土中不同温度条件下水流通量特性,从微观的角度很好地解释了土壤冻结过程中冰水共存状态下土壤中水流通量变化规律。

生物炭对粉黏壤土水力参数及胀缩性的影响

该文选取2种粒径（细炭0.013-0.048 mm、粗炭0.3-0.7 mm）的生物炭,以2种质量百分比（3%、6%）施入一种粉黏壤土,通过测定不同粒径生物炭及施加比例下土壤的水分特征曲线、饱和水力传导度、收缩性及饱和膨胀率,研究生物炭对粉黏壤土水力参数及胀缩性的影响。结果表明,2种粒径及添加比例的生物炭均降低了粉黏壤土的持水能力。但4种添加生物炭处理相互之间持水能力差异不显著。生物炭可降低粉黏壤土中极微孔隙和中大孔隙的比例,提高微孔隙和小孔隙所占的比例。生物炭的添加降低了该粉黏壤土的饱和含水率和凋萎系数。细炭对粉黏壤土的田间持水率没有显著影响,粗炭降低了粉黏壤土的田间持水率。两种粒径的生物炭均可提高粉黏壤土的有效含水率,并降低离心失水过程中土壤的收缩,在这2方面细炭的影响效果比粗炭显著;细炭的添加对粉黏壤土饱和膨胀率没有显著影响,粗炭则降低了粉黏壤土的饱和膨胀率。2种粒径生物炭的添加均降低了该粉黏壤土的饱和水力传导度。3%和6%的添加比例在大部分研究指标中未表现出明显差异。该研究可为生物炭在土壤环境修复应用方面提供一定的理论指导。

暗管控制排水棉田氮素流失规律试验

为了研究不同排水出口埋深条件下田间氮素流失规律,2008年在湖北荆州丫角排灌试验站棉田进行暗管控制排水对照试验。结果发现,控制排水条件下,地表氮素累积流失量较暗管多。暗管排水量随控制排水出口埋深减小而减少,较自由暗管排水减少61.3%～86.9%。暗管排水氮素累积流失量主要受排水量影响。NH4+_N累积流失量随排水出口埋深减小而减少;当出口埋深为30cm时由于浓度增加,NO-3-N、TN累积流失量在两次降雨后较50cm处理和80cm处理增加。暗管排水出口埋深控制在30～50cm之间有利于减少排水量和氮素累积流失量。

基于三维copula函数的多水文区丰枯遭遇分析

不同水文区的丰枯遭遇概率分析属于多变量概率分布问题,涉及的水文区越多,变量的维数就越高,问题就越复杂.为找到一种简单通用的多变量(n≥3)水文概率问题的求解方法,以不同水文区丰枯遭遇概率分析为例,引入三维copula函数构建多变量联合概率模型,将其用于分析长江、淮河及黄河流域的径流量的联合概率和条件概率问题。研究结果表明,当变量维数n≥3时,由copula函数可以很容易地构建多变量概率分布模型;对一组水文数据系列,有多个不同copula函数可以选择,可采用拟合优度检验方法择优;copula函数构建的多变量概率模型,可以计算各种条件下的联合概率分布,可以分析各种不同量级水文变量的遭遇概率和条件概率;通过与多维转换为一维方法的比较,三维Frank copula函数具有更优良的拟合优度、无偏性及有效性,且计算更简便。

不同水肥处理条件下水稻生理指标及产量变化规律

根据湖北省团林灌溉试验站水稻水肥耦合试验资料,分析了不同水肥处理对水稻生长发育，水稻产量及其构成,水稻水分生产率等的影响规律。结果表明,在适当的施肥量和合理的追肥方式下,与传统的淹灌相比,节水灌溉有显著的节水增产效果,提高了水分生产率。通过分析的数据提出了一种高效利用水肥的稻田管理模式,并将该管理模式在江西鹰潭进行了示范。

灌溉用水效率尺度效应研究评述

在阐述灌溉用水效率尺度效应内涵及其产生原因的基础上,对研究现状进行了评述,并提出了今后的研究方向。灌溉用水效率尺度效应主要由灌区土壤、作物、气候、灌溉工程、灌溉水量等多种因素的空间变异性和回归水利用导致;现有灌溉用水效率指标应该拓宽供水效益内涵,同时在经济条件约束下来考虑回归水的再利用;现有各类指标随尺度变化规律并不固定,主要原因是尺度效应并非由单一因素决定;现有尺度效应转换研究都是单独针对空间变异或回归水重复利用而进行,缺少对两者的综合,更缺乏成熟的尺度转换公式。今后需要在完善评价指标体系的基础上,重点对尺度转换理论进行攻关,同时还应兼顾水循环伴生过程的尺度效应研究。

控制排水和施氮量对旱地土壤氮素运移转化的影响

为了研究控制排水和氮肥共同作用对旱地土壤氮素运移转化的影响,在湖北荆州丫角排灌试验站进行微区对照试验,以控制水位水平(30、50、100cm)和3个施氮水平(H:68.25/145.6kg/hm2;C:52.5/112kg/hm2,L:36.75/78.4kg/hm2,前面数值是施磷酸二铵量,后面为施硫酸钾复合肥量)为试验变量,组合成H30、H50、H100、C30、C50、C100、L30、L50、L100等9个处理测定了土壤剖面分层NO3-N、NH4+-N含量。对观测结果进行分析表明,常规施氮水平下,自由排水处理各土层NO3-N含量最高、50处理各土层NO3-N含量最低;低施氮水平下30处理NH4+-N含量最高;同一水位处理高施氮水平NH4+-N含量最低。同一施氮水平下,控制水位30cm的NH+4-N含量大于50cm的NH+4-N含量大于100cm的NH+4-N含量。同一施氮水平下实行控制排水可以增加氮素稳定性;实行控制水位处理时,不需增加或减少施氮量、常规施氮条件下氮素稳定性保持最高;而在自由排水时,减少施氮量,能够增加耕层土壤氮素稳定性。

基于高光谱与协同克里金的土壤耕作层含水率反演

为研究土壤耕作层（0-40 cm）含水率的空间分布情况,利用EO-1的Hyperion传感器高光谱数据,对研究区域（106°20′-109°19′E,40°19′-41°18′N）的表层（0-10 cm）含水率进行定量反演,并利用表层含水率反演结果作为协同克里金插值的协变量,同时利用103个采样点实测的耕作层含水率作为主变量,进行协同克里金插值。结果表明：通过特征指数法提取水分反演的敏感波段集中在1 295-2 224 nm波长区间,特征指数法模型校正的相关系数r〉0.5但模型验证的精度较低（r〈0.2）;通过偏最小二乘法建模,模型校正的r〉0.8,模型验证的r〉0.5,效果较好;运用协同克里金插值时,将反演的表层含水率作为协变量,可以弥补主变量耕作层含水率样本点少,变异函数欠稳定的缺点,同时,所提取理论模型的块金值（C0）与基台值（C0＋C）的比值均〈25%,随机因素比例小,模型稳健。此外,协同克里金插值方法与利用表层与耕作层含水率线性拟合进行预测相比,能够有效提高预测精度,决定系数r2和Nash效率系数（nash-sutcliffe modelling efficiency,NSE）分别提高72.6%和89.9%,因此,将高光谱反演与协同克里金方法相结合,可以综合两者优势,节约采样成本,提高预测效率。

石津灌区冬小麦水分生产率的尺度效应

以河北省石津灌区为研究对象,以2007—2009年两季冬小麦生育期为研究时段,基于Hydrus-1D和Modflow模型模拟分析了井渠结合灌溉模式下冬小麦的净入流量水分生产率和净灌溉水分生产率的尺度效应(作物、田间、分干、干渠和灌区尺度)。结果表明:①从作物尺度到灌区尺度,损失水量越来越多,使得净入流量水分生产率和净灌溉水分生产率分别减少了9.49%和16.59%;②由于研究区地下水埋深较大,冬小麦生育期内渗漏补给地下水库的重复利用水量很小,而净灌溉水分生产率因为考虑了这一小部分重复利用水量,比传统的灌溉水分生产率有了小幅提升;③在多年时间尺度上,由于渗漏水量能够全部进入地下水库被重复利用,净入流量水分生产率随尺度增大而增大,而不同空间尺度的净灌溉水分生产率也比冬小麦生育期时间尺度上提高37%～65%。

溶质势对地表蒸发速率的影响

针对盐碱化土壤地表蒸发速率研究的不足,以表层土壤为研究对象,采用土壤蒸发试验和数学模型相结合的方法分析了溶质势对地表蒸发速率的影响。结果表明:当土壤中盐分没有沉淀结晶时,溶质势是盐分引起地表蒸发速率降低的主要原因;溶质势越低,蒸发速率下降比例越大,该下降比例与溶质势有近似线性关系,但同时还受到空气温度与相对湿度、土壤温度以及土壤基质势等因素的影响;当表层土壤存在水盐补给时,地表蒸发速率总是变化趋向于水分补给速率,但含盐土壤蒸发速率变化较慢,而且若补给水分中含盐,那么其稳定蒸发速率会低于水分补给速率。