亚热带典型森林下垫面大气层结变化规律及其对潜在蒸散发估算的影响

为评估忽略大气稳定性对潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration,PET)估算的影响,本文以亚热带森林下垫面为例,结合涡动相关观测及莫宁-奥布霍夫相似原理,探讨了冠层上方大气层结变化规律,比较了基于中性假设和考虑大气稳定性影响的PET之间的差异。结果表明:①中性、稳定和不稳定3种大气层结具有明显的日内与季节变化特征,不稳定层结在中午居多,稳定层结在早晨和傍晚居多,而中性层结在昼间均有分布;同时,春夏两季的不稳定层结高频时段较长,而秋冬两季相对较短;总体上,观测期内不稳定、中性和稳定3种层结平均占比分别为41.4%、34.7%与24.0%。②基于中性假设的空气动力学阻力估算方法在一定程度上高估了空气动力学阻力,导致PET存在低估现象(RMSE=25.82 W/m^(2)),且误差偏离随着PET增大而愈加明显。③在当地条件下当量空气动力学阻力r_(a)与风速呈显著的指数关系(r_(a)=7.83u^(-2.92)+32.66,R^(2)=0.50,P<0.05,N=394),基于该关系估算的PET相对于中性假设而言具有更高的精度(R^(2)提高了3.26%,RMSE降低了19.83%)。

滴灌模式对棉花根系分布和水分利用效率的影响

理解膜下滴灌参数对土壤盐分运移和作物生长的影响是制定科学滴灌制度、合理利用水资源的重要环节。毛管布置方式和滴灌水质是膜下滴灌的重要参数,为研究其对土壤盐分变化、棉花根系分布及水分利用效率的影响,设计了2种毛管布置方式(一管四行(Ms)和一管两行(Md))和3个滴灌水质水平(淡水0.24dS/m、微咸水4.68dS/m、咸水7.42dS/m)。结果表明,滴管布置方式对土壤盐分变化和根系分布有显著影响。在相同滴灌水质条件下,Ms处理有利于降低棉花根区土壤含盐量。所有处理根系主要分布于0～40cm土层内,矿质水滴灌时Md中根系受抑制程度明显高于Ms,但其主要影响根系密度δR>0.5kg/m3区域的分布范围,对δR>0.2kg/m3区域范围分布无明显影响。生育期内棉花总耗水量随滴灌水矿化度的上升而降低,与滴管布置无关。相对淡水滴灌而言,矿质水滴灌时Ms处理产量有所降低,但其水分利用效率随灌水矿化度上升而升高;而Md处理产量和水分利用效率均随灌水矿化度上升而下降。

土壤盐分的原位测定方法

在干旱半干旱地区,土壤盐渍化是制约农业生产的重要因素。土壤盐分的测定和诊断是土壤盐渍化研究工作中的重要内容,传统上一般通过测定土壤浸提液电导率来测定土壤盐分,过程繁琐,费时费事,不可避免地要破坏原土样。在提倡精准农业的今天,土壤盐分的快速、有效和可靠的原位测定显得非常重要。土壤盐分原位测量方法有多种,在原理上可分为土壤溶液电导率法和土壤表观电导率法两大类。在现有条件下,土壤溶液电导率可通过原位采集土壤溶液后在实验室测定和用土壤盐分传感器直接测定;土壤表观电导率法主要通过四电极、电磁感应仪和时域反射仪测定。本文分析了不同方法和各种仪器的基本原理,探讨了不同方法的优缺点和发展前景,为土壤盐渍化研究中盐分测定方法的选用提供参考。

一种土壤盐分传感器的敏感场分析及其校正研究

从基本理论出发,计算了一种新型探针式四电极外部电势的理论分布,通过对敏感场分析得出了该四电极的敏感响应范围为径向直径约1.5倍电流电极间距的椭球体。通过研究土壤表观电导率(ECa)、土壤盐分(EC1:5)和土壤质量含水率(θ)之间的关系,利用非线性回归的方法获得了精度较高的ECa-EC1:5校正模型,为土壤盐渍化调查和监测提供了便捷有效且费用低廉的方法。

电导电极边界效应及消除方法

以HI76303电导电极为例,从电学基本理论出发,研究了电导仪产生边界效应的原因,分析得出电极外部回路是产生边界效应的根本原因。电导仪测定的电导率结果为探头外部和探头内部溶液并联形成的电导率值;通过计算发现,电极敏感区域为直径约8 cm的椭球体。切断电极外部回路是消除边界效应的根本方法。以HI76303电导电极为基础,设计了一种改进型电极,计算表明,改进型电极工作时电势在激励电极之间均匀下降,电极外部溶液电势处处相等且为零,电极内部电流密度处处一致,电极外部电流密度为零。实验数据显示其有效地消除了边界效应。

基于电磁感应的典型干旱区土壤盐分空间异质性

为研究干旱区土壤盐分空间异质性,指导农业生产实践,运用大地电导率仪(EM38、EM31)对研究区域进行移动式磁感调查,获取表观电导率(ECa)。同时,通过27个校准点的采样和ECa测量,建立土壤盐分的电磁感应解译模型。干旱区土壤盐分质量分数与EM38、EM31水平模式读数(H38、H31)显示出良好的相关性(R=0.935),可以利用ECa结合GIS和地统计学知识研究土壤盐分的空间分布。采用两种方法进行研究:一种是先利用解译模型获取磁感调查点的土壤盐分质量分数,然后进行地统计分析研究其空间分布;另一种是先利用地统计分析研究H38和H31的空间分布,然后利用解译模型通过栅格运算计算盐分质量分数,精度检验显示前者预测值与实测值之间的相关性更好(R2,0.888>0.873);标准差较低(std.0.414<0.426),具有更高的预测精度。研究结果表明,基于电磁感应研究干旱区土壤盐分空间异质性是切实可行的,这对于土壤盐渍化的快速诊断,指导农业生产和促进精准农业的发展具有重要的意义。

沿海滩涂土壤盐分空间分布的三维随机模拟与不确定性评价

为揭示滨海滩涂地区土壤盐分三维空间分布特点并提供相关技术方法与思路,以苏北海涂围垦区典型地块为例,综合采用三维克里格和随机模拟方法对土体盐分含量的三维空间分布进行估值、模拟与对比分析,并对土体盐分三维分布的空间不确定性进行评价。结果显示,由克里格法得到的土壤盐分空间分布具有明显平滑效应,减小了数据间的空间差异并改变了数据的空间结构;序贯高斯模拟结果整体分布相对离散,突出了原始数据分布的波动性;研究区土壤盐分随深度增加而升高,存在一定次生盐渍化风险;围垦后研究区土壤盐渍化的发生概率已有所降低,轻度盐化土和中度盐化土的高概率区是改良利用的重点区域。该研究表明随机模拟方法能真实地反映土壤属性的三维空间变异特点,其结果亦为围垦区盐渍障碍耕地的治理利用提供了技术对策。

膜下滴灌灌水频率对土壤水盐运移及棉花产量的影响

通过棉花膜下滴灌大田试验,研究了灌水频率对土壤水盐运移和分布规律的影响,并对不同灌水频率的保墒、控盐、增产效果进行了评价。试验结果表明：在灌溉水质为淡水且定额为375 mm时,低频（10 d）和适频（7 d）灌溉下膜内0~60 cm土层的含水量适宜,低频灌溉的含水量最高,而高频（3 d）灌溉下各土层在花铃期处于轻度干旱状态。低频灌溉对膜内及背行的综合控盐效果略优于高频,远优于适频。灌水频率对棉花产量有显著影响,高频灌溉的棉花产量最高。

近30a玛纳斯县北部土壤有机碳储量变化

研究玛纳斯县北部土壤有机碳时空变异特征,可以为当地土壤肥力管理提供理论依据。本文采用地统计学和GIS相结合的方法,研究了玛纳斯县北部地区1980-2011年间土壤有机碳的时空变异特征。研究结果表明:研究区32a来1m深土体土壤有机碳密度和储量呈现增加的趋势,分别较1980年二次土壤普查时增加1.81kg/m2和7.7×106kg;2011年0～20、>20～60和>60～100cm土壤有机碳质量分数平均值为5.74、4.44和2.17g/kg;0～20cm和>20～60cm土壤有机碳含量符合正态分布特征,相应土壤有机碳变异函数理论模型分别符合指数和球状模型;0～20cm土壤有机碳和>20～60cm土壤有机碳均具有中等程度的空间变异性,土壤有机碳的空间分布受土壤母质、地形等结构因素和耕作、施肥等随机因素的共同影响并呈现出南部和东北部高,中部地区偏低的分布特征;>60～100cm土壤有机碳呈现出南部高北部低的空间分布特征。本文获取了玛纳斯县北部地区土壤有机碳时空变异特征,该结果对研究区域土壤肥力管理具有重要意义。

滩涂土壤电磁感应仪与方差四叉树法采样布局研究

将电磁感应仪EM38和方差四叉树法VQT相结合,以EM38测量的土壤表观电导率作为土壤盐分的辅助变量,以表观电导率的空间分布为先验信息,利用VQT法对苏北滩涂围垦地土壤盐分的优化采样布局进行了设计、验证与精度评价。结果表明,VQT法设计的采样方案经Kriging插值形成的空间分布图与原始图件极其相似,但两者的样点数目相差近1/2。相同的样本数目,VQT法获取的空间分布图与原始图件的相似度高于网格采样法;同样的成图精度,VQT法需要的样本数量小于网格采样法;在允许最大偏差指数为10%的条件下,VQT法采样效率比网格法提高17.3%。该方法具有可根据局部部位变异大小进行密集或稀疏采样的优势,EM38和VQT法的结合运用为滩涂区降低采样成本、提高采样效率提供了有效手段与理论依据。

基于电磁感应的典型干旱区土壤盐分时空变异快速诊断

选取南疆典型干旱区研究其土壤盐分时空变异,在研究区域选取校正点测定表观电导率(ECa),并同时采集土壤样品,研究表明土壤盐分含量与大地表观电导率具有良好相关性(R=0.935),可由此建立土壤盐分电磁感应解译模型。构建移动式磁感调查系统对研究区域进行调查,获取足量表观电导率信息,结合G IS和地统计等相关知识研究土壤盐分的空间异质性。经过不同年份、不同季节的调查实现时空变异的快速诊断。结果表明,研究区域存在严重的盐渍化问题,且存在秋季盐渍化重于春季,2009年重于2008年的趋势。

不同膜下滴灌模式对土壤水分及棉花产量的影响

采用负压计法和烘干法,监测不同的灌溉定额、灌溉频率下膜下滴灌棉田在水平和垂直方向的水分含量,并调查棉花生长状况。结果表明,当灌溉水质为淡水且滴孔流量为1.6L·h-1时,过量灌溉(450mm)和适量灌溉(375mm)膜内0～60cm土层的含水量适宜,过量灌溉的含水量最高,少量灌溉(300mm)使土层在蕾期以后处于轻度干旱状态;低频(10d)和适频(7d)灌溉膜内0～60cm土层的含水量适宜,低频灌溉的含水量最高,而高频(3d)灌溉使土层在花铃期处于轻度干旱状态;灌溉定额和灌溉频率对棉花产量均有显著影响,过量和高频灌溉的棉花产量分别为区组内最高。

基于电磁感应的干旱区土壤盐渍化定量遥感研究

以南疆典型干旱区Landsat 7 ETM+遥感图像为数据源,利用决策树分类法提取农业用地,并对农业用地进行移动式电磁感应调查(简称磁感调查)和光谱特征提取,同时分析磁感数据和图像光谱特征与土壤盐分含量的相关性,从而建立土壤盐分的定量反演模型。研究结果表明:土地利用类型决策树的分类精度达到93.75%,Kappa系数达0.915 4;经多元逐步回归分析,磁感调查获得的土壤盐分含量与差值植被指数(DVI)、ETM+图像第二波段像元值(B2)以及比值植被指数(RVI)间具有显著相关性,由此建立的遥感反演模型可用于土壤盐分含量的定量反演。经89个样点检验,基于磁感调查的土壤盐分遥感反演精度虽低于基于磁感调查的地统计空间分析的精度,但遥感定量反演值与磁感调查实测值仍具有良好的相关性,而且精度较高,因此利用本文方法进行土壤盐渍化大面积监测是快速有效的途径。

膜下滴灌条件对棉花蒸散量影响的室内试验

【目的】探讨不同膜下滴灌条件对棉花蒸散量的影响,为滴灌技术参数的设计和灌溉制度的制定提供参考。【方法】设置室内模拟试验,采用称质量法获得棉花蒸散量,分析滴头流量(0.3,0.8 L/h)、灌溉水质(含盐量0.40,2.47,3.50 g/L)和灌溉水量(321,386 mm)对棉花蒸散量的影响。【结果】淡水充分灌溉时,小滴头流量(0.3L/h)下的棉花总蒸散量高于大滴头流量(0.8 L/h)。在灌水量、滴头流量相同时,咸水(含盐量3.50 g/L)灌溉棉花的总蒸散量明显低于淡水(含盐量0.40 g/L)和微咸水(含盐量2.47 g/L)灌溉,而淡水和微咸水灌溉棉花的总蒸散量基本相同。在滴头流量相同时,充分供水时棉花的总蒸散量高于非充分供水。【结论】棉花的蒸散量随滴头流量的增大而减小,随灌水量的增大而增大,随灌溉水矿化度的增大而减小,适量的微咸水灌溉不会明显影响棉花的蒸散量。

南疆膜下滴灌棉花花铃期土壤盐分分布研究

膜下滴灌在节水灌溉同时,会增加了土壤次生盐渍化风险,不利于农业生产。本文选取南疆棉花花铃期典型膜下滴灌地,分别在滴头下,棉花窄行间,背行3个位置分层取样,测定土壤盐分含量,分析其盐分在水平方向和垂直方向上的分布规律,发现膜下滴灌的土壤盐分分布规律会因不同的滴灌模式等差异而与一般性规律有所不同。结合当地实际生产条件,分析盐分分布对于指导当地农业生产具有重要意义。

气候变化及人为活动对湘江流域径流和输沙的影响

湘江是洞庭湖流域最大的支流,在全球气候变化以及高强度人为活动影响的背景下,明确湘江流域水沙关系及其影响因素,对洞庭湖流域水资源安全以及洞庭湖湿地生态环境保护具有重要意义。以湘江控制站湘潭水文站1982—2011年水沙数据为基础,综合考虑气候和人为活动变化等因素,结合趋势分析、突变分析、相关分析等方法,分析了湘江流域年径流量、输沙量、植被覆盖和气候(降雨量(R)、降雨强度(R_i)、最大日降雨量(R_(x1))、最大5d降雨量(R_(x5))、干旱情势(Palmer Drought Severity Index(PDSI)和Standardized Precipitation Evapotranspiration Index(SPEI)的变化规律,并分三个阶段气候突变前(1981—1990年)、气候突变后至退耕还林前(1991—2002年)和退耕还林后(2003—2011年)探讨了湘江流域水沙变化的影响因素。结果表明,在1982—2011年期间,总体上湘江流域降雨呈下降趋势,但降雨强度、干旱情势和植被覆盖上升。流域径流与气候因子(降雨、PDSI,SPEI)波动步调基本一致,但输沙量呈持续下降趋势。径流和输沙量与气候和植被因子有良好的相关性。进一步分析表明,气候变化是径流变化的主要原因;对于输沙量而言,1995—2002年泥沙降低的主要原因是水利工程建设,而2003—2011年之间输沙量降低则主要因为退耕还林等生态保护措施的综合效应。

洞庭湖流域降雨和降雨极值时空分布及风险变化研究

洞庭湖流域是我国洪涝灾害最严重的地区之一,对当地农业生产、经济建设和生态环境造成了巨大的影响.研究降雨极值的规律和风险,对当地防洪抗灾具有重要指导意义.本文结合MK检验、概率模型和移动窗口法,基于降雨量(R)、平均降雨强度(Ri)、暴雨天数(R50)和年最大日降雨量(Rx1)为指标,研究了1960—2013年期间洞庭湖流域降雨变化规律及极值的风险特征.结果显示,洞庭湖流域平均年降雨量以-5.6 mm/decade的速率下降,且其中夏季和冬季降雨量上升,春季和秋季下降.然而,Ri、R50、Rx1均呈现总体上升的趋势(P>0.05).概率(风险)分析结果表明,Ri、R50和Rx1的五年一遇值(Ri5、R505和Rx15)均呈现东北高西南低的规律,说明流域东北部洪水风险较高,另外,Ri5、R505和Rx15在总体上呈现显著的上升趋势(P<0.05).这些结果表明,即使流域内降雨量无显著变化(P>0.05),但降雨有集中的趋势(Ri上升),极端降雨事件逐渐增强(R50、Rx1上升),洪灾风险显著上升(P<0.05).

不同地区稻田土壤甲烷氧化碳同位素分馏特征及其影响因素研究

稻田CH_4氧化是CH_4排放的自然调节,受多种因素的影响。中国水稻种植区分布广,不同地区的气候环境条件以及水肥管理措施,都会影响稻田CH_4氧化及碳同位素分馏过程。因此,对比研究不同地区稻田甲烷氧化和同位素分馏规律,甄别其影响因子,有助于进一步认识稻田甲烷氧化规律,也可为稻田温室气体减排调控提供科学依据。文章基于稳定性碳同位素的方法,结合室内好氧培养试验,测定了全国主要水稻产区(四川、湖南、江西、浙江、广东和辽宁)典型稻田土壤的CH_4氧化过程,确定了CH_4氧化碳同位素分馏系数α_(ox),研究了不同稻田土壤在不同水分条件下的CH_4氧化和同位素分馏的差异及规律。结果表明,四川资阳以及湖南宝洞峪的水稻土壤CH_4氧化潜力相对偏低,平均为其他地区土壤的六分之一。同时,不同地区稻田土壤CH_4氧化同位素分流系数(^(13)C)α_(ox)差异较大,且与CH_4氧化潜力呈显著负相关。在85%WHC(soil water holding capacity)和1∶1水土质量比时,相关系数分别为-0.85(P=0.032)和-0.82(P=0.047)。进一步研究发现,土壤CH_4氧化潜力与土壤活性铁含量呈显著正相关,在85%WHC和1∶1水土质量比时,相关系数分别为0.86(P=0.042)和0.90(P=0.035);而αox则与土壤活性铁含量呈显著负相关,85%WHC和1∶1水土质量比时,相关系数均为-0.92(P=0.026)。由以上结果可知,土壤水分和土壤活性铁是影响CH_4氧化潜力和碳同位素分馏的重要因素,而有关其作用机制仍需进一步的研究。

喀斯特地区不同退耕类型对土壤碳氮的影响

为探讨不同退耕模式对喀斯特峰丛洼地土壤碳氮特征的影响,选取广西环江典型退耕类型样地进行有机碳、全氮特征研究,结果表明:不同退耕类型之间的土壤有机碳、全氮差异显著;各退耕类型土壤有机碳和全氮都表现出随土层加深而逐渐降低趋势;土壤有机碳和全氮线性拟合呈显著正相关.表明退耕还林(草)显著提高了土壤有机碳、氮,但在植被类型和人为活动的影响下土壤碳氮特征差异明显.

滇中不同植被类型土壤甲烷氧化及其碳同位素分馏特征

土壤甲烷氧化是大气温室气体的重要调节,受到多种因素的影响。其中,植被可以通过多种途径影响土壤性质,进而影响土壤甲烷氧化能力。陆地生态系统正是由不同植被复合而成,因此,研究不同植被类型土壤CH_4氧化能力及碳同位素分馏特征,对理解土壤甲烷氧化机理、准确核算碳排放具有重要意义。以滇中高原6种典型植被类型(原始林、针叶林,针阔混交林、常绿阔叶林、草地及稻田)土壤为对象,基于好氧培养试验研究了CH_4氧化速率(Ψ_(ox))及碳同位素分馏特征,分析了Ψ_(ox)以及碳同位素分馏系数α_(ox)与土壤性质之间的关系。结果表明,不同土壤Ψ_(ox)差异明显,平均Ψ_(ox)表现为稻田(10.75)>针叶林(4.39μg·g^(-1)·d^(-1))>原始林(3.83μg·g^(-1)·d^(-1))>阔叶林(3.21μg·g^(-1)·d^(-1))>混交林(1.78μg·g^(-1)·d^(-1))>草地(0.95μg·g^(-1)·d^(-1))。同时,平均Ψ_(ox)与NO_3^--N(硝态氮,r=0.93,P=0.006)、DOC(可溶性有机碳,r=0.96,P=0.002)、TN(全氮,r=0.74,P=0.093)、TC(全碳,r=0.46,P=0.356)、NH_4^+-N(铵态氮,r=0.47,P=0.344)呈正相关,而与pH(r=-0.51,P=0.298)呈负相关,说明有机质和氮素对土壤甲烷氧化有促进作用,而pH则有抑制作用。同时,稻田、原始林、针叶林、混交林、阔叶林和草地土壤平均碳同位素分馏系数α_(ox)分别为1.022、1.017、1.013、1.012、1.015和1.012。与很多研究不同的是,α_(ox)与Ψ_(ox)呈高度正相关(r=0.92,P=0.010),这可能与不同土壤中甲烷氧化菌的亲和力和活力有关。而在Ψ_(ox)的影响下,α_(ox)与土壤性质的相关性基本与Ψ_(ox)相似。