近江平原区土壤水力参数及相关理化性质空间分布与影响因素

为研究土壤水力参数的空间分布特征,并揭示相关影响因素,以江汉平原典型近江农业区为研究单元,采集不同类型农用地的浅层(0~40 cm)原状和扰动土样,测定其水力参数和相关理化性质,揭示各水力参数及相关理化性质的空间分布特征,比较不同样地各参数和性质的差异,并分析相关影响因素。结果表明:研究区土壤各基本理化性质(土壤机械组成、有机质含量、容重、直径>0.1 mm和>0.3 mm大孔隙含量)和水力参数(饱和含水量(θ_(s))、残余含水量(θ_(r))、水分特征曲线拟合参数α和n、田间持水量(θ_(f))、凋萎系数(θ_(w))和最大有效水含量(θ_(AW)))均具有明显的空间异质性;近江区土壤机械组成、有机质含量、容重等部分理化性质与距江远近具有较强的空间相关性;直径>0.1 mm和>0.3 mm大孔隙含量,θs和θr,以及θf和θ_(AW)的空间分布特征相似。不同样地的有机质含量、容重和直径>0.3 mm大孔隙含量具有显著差异。土壤理化性质的差异显著影响了Ks和水分特征曲线参数(特别是θs和n)。不同农用地土壤的水力性质也存在差异,稻田和旱地的入渗性能较好,表现为最高的中位Ks(18.7 cm/h),其他样地的Ks差异较小(9.2~10.5 cm/h)。菜地的持水能力最强,表现为较高的θf(0.46 cm^(3)/cm^(3))、θw(0.07 cm^(3)/cm^(3))和θAW(0.39 cm^(3)/cm^(3)),其他样地的土壤水力参数差异较小。河流冲积物的分布显著影响了研究区农用地的土壤机械组成,对容重和有机质含量分布也有一些影响;而人类耕作活动可以显著改变土壤的有机质含量、大孔隙含量和容重,但对机械组成影响较小;自然要素和人为活动的共同作用影响了各水力参数的分布特征。在近江农业区开展土壤调查和农业生产规划时,需要考虑河流冲积物的分布特征。

基于RUSLE和地理探测器的鄂西北土壤侵蚀时空分异与归因

揭示鄂西北土壤侵蚀时空分异特征及成因可为该区域的水土保持工作提供借鉴。基于RUSLE模型定量分析2005—2020年鄂西北土壤侵蚀时空分异特征,利用地理探测器进行土壤侵蚀时空格局的主导因素和多因子间度量交互耦合程度的定量归因研究。结果表明:1)鄂西北2005—2020年土壤侵蚀强度整体持续下降,15年间平均土壤侵蚀模数下降了16.3 t/(km^(2)·a);整体以微度和轻度侵蚀为主(占总侵蚀面积的93%)。2)不同坡度下土壤侵蚀强度不同,8°~25°地区以中度、强烈和极强烈侵蚀为主(侵蚀占比为55.4%);>25°地区,65.6%的面积受到强烈及以上等级的高强度侵蚀。3)坡度和主要土地利用类型是土壤侵蚀的主导因子,二者共同作用对土壤侵蚀的解释力(q=0.479)均优于单因子。4)坡度>35°、高程在500~800 m、年降雨侵蚀力在4950.55~6378.09 MJ·mm/(hm^(2)·h·a)且以耕地为主要土地利用类型的区域均被识别为高风险侵蚀区。

三峡库区茶园坡面土壤水分空间分布特征及对降雨补给的响应

利用高频率(5 min)的土壤水分探针和自动气象站监测三峡库区典型茶园坡面与林地坡面的土壤水分变化过程及其对降雨的响应,明确了林地和茶园土壤水分变化的规律,揭示了土地利用方式和微地形对土壤水分和降雨储蓄的影响机制。结果表明:(1)在时间上,茶园和林地土壤含水率随降雨量的变化而改变,土壤含水率随土层深度呈现“W”型和“S”型变化。土壤含水率年内变异系数随着土层深度的增加而降低,表层土壤(10 cm)含水率为中等变异水平(10%<CV<100%),深层土壤(20—120 cm)含水率为弱变异水平(0<CV<10%)。(2)单因素方差分析显示,茶园砂粒含量显著大于林地,黏粒含量小于林地(p<0.05),砂粒比表面积小,保水性差,因此林地各坡位储水量明显大于茶园。(3)坡位对林地和茶园土壤水分的影响体现为上坡土壤水分的季节变化幅度小于中下坡,在80—120 cm土层表现最明显,上坡80—120 cm土层水分较稳定,而中下坡80—120 cm土层水分波动较大。坡位对储水量补给量的影响表现为下坡补给量大于中上坡。(4)Pearson相关分析表明,林地和茶园各坡位土壤水分补给量与降雨量呈显著正相关关系(p<0.01),且线性回归结果表明,决定系数(R)除茶园上坡外均大于0.81,说明土壤水分补给量和降雨量的拟合度较好。研究结果可为山地丘陵区茶园坡面降水资源的合理利用和区域水土流失治理提供参考。

水耕历史对稻田-田埂过渡区土壤物理性质与水-氮分布的影响

选取水耕年限分别为2年、19年和>100年稻田,通过野外样品采集与室内分析相结合的方法,对比了稻田田内和田埂土壤物理性质与水-氮分布差异,揭示了水耕历史对稻田-田埂过渡区土壤物理性质与水-氮流失过程的影响机制。结果表明,耕作活动影响了稻田-田埂过渡区土壤容重、孔隙、土壤水分特征曲线和饱和导水率(Ks)等物理性质。随着水耕年限的增加,田内耕作层与田埂表土层、田内犁底层与田埂硬质层的容重差异增大;耕作层的中小孔隙(直径<0.03 mm)含量增加,其他土层的总孔隙和大孔隙(直径>0.3 mm和>0.03 mm)含量降低;田内土壤的Ks下降速度较田埂更快。在测定的吸力范围内(0~100 kPa),2年和19年的耕作层与表土层持水能力相近,而100年耕作层持水能力高于表土层;2年和100年的硬质层与犁底层持水能力相近,而19年硬质层持水能力更强;19年和100年田埂底土层持水能力较田内强。随着水耕年限增加,耕作层与表土层Ks差异减小,硬质层与犁底层Ks差异增加,2年、19年和100年硬质层的Ks分别是对应犁底层的1.10倍、6.90倍和6.32倍,100年田埂底土层的Ks明显高于田内。土壤物理性质的变化影响稻田-田埂过渡区的水-氮分布特征,主要表现为2年稻田的水-氮含量明显低于19年和100年稻田,且19年和100年稻田的水-氮在耕作层聚集。当水耕年限较短时,水-氮同时通过田内和田埂区域快速流失;随着水耕年限的增加,水-氮更易通过田埂发生渗漏。老稻田新修田埂的硬质层土壤会发生退化,再次成为水-氮快速流失位点。因此,对于耕作年限长的稻田,其田埂区域的水-氮渗漏更应引起重视。

长江三峡山地集水区土壤水分空间变异特征

为阐明亚热带湿润气候区山地坡面土壤水分的时空变化及影响因素,以三峡库区针叶林覆盖的中山凹坡为研究对象,采用经典统计学和地统计学的方法,对2019—2020年5 m×5 m网格点监测的117个点位0—70 cm土层深度的土壤水分数据进行分析,研究了湿润和干旱条件下典型凹坡集水区内土壤含水量的统计学特征与环境因子的相关性,以及土壤含水量的空间变异特征。结果表明:(1)水平方向上,集水区内各层土壤水分均表现为中等变异(10%<CV<100%),随土层深度增加,变异系数先增大后减小。0—40 cm土壤水分呈强烈的空间相关性,40—70 cm呈中等的空间相关性。集水区土壤水分的变程为8.40~18.47 m;(2)垂直方向上,湿润和干旱时期土壤水分的剖面变化规律基本相同。土壤水分基台值在剖面上呈“倒S”型变化趋势,随土层深度先增加后减小再增加。湿润时期土壤水分变程随土层深度增加而增大,而干旱时期变程随土层深度增加呈现波动变化;(3)湿润时期集水区土壤水分比干旱时期变异程度更高,空间相关性更好,较深层(40—70 cm)比较浅层(0—40 cm)空间相关性更好。0—30 cm土壤水分受地形(坡度)影响较大,变化趋势不稳定,30—70 cm土层深度土壤机械组成(黏粒、粉粒、砂粒含量)的作用加强,变化趋势趋于稳定。研究结果可为亚热带湿润气候区山地坡面生态水文过程研究提供数据与理论参考。

不同初始含水率下粘质土壤的入渗过程

土壤入渗是降雨渗入土体形成土壤水的基本水文过程,土壤渗透能力影响着地表径流和土壤侵蚀强度。土壤初始含水量决定了入渗初期的土水势,是影响土壤入渗过程的重要因素。利用环刀法,观测了三峡库区林地和草地的土壤入渗过程,对比分析了不同初始含水率下土壤入渗率和常用入渗模型的适宜性。结果表明,随土壤初始含水率的增大,林地和草地下土壤初始入渗率减小,入渗趋于稳定所需时间缩短,累积入渗量和稳定入渗率增大。土壤含水率为12%的林地初始入渗率为8.95 mm/min,是含水率40%林地初始入渗率的4倍,但1h累积入渗量仅是含水率40%林地的2/3。有机质含量丰富的草地土壤入渗过程对初始含水率的敏感性较弱,干湿草地相比较入渗参数的差异不如林地明显。随时间的延长,土壤入渗率逐渐降低,入渗曲线渐趋平缓,最小二乘法拟合结果显示Horton模型对林地和草地下土壤入渗过程的拟合效果较好,且模型参数具有物理意义,是分析和预测三峡库区林草覆盖下土壤入渗过程的适宜模型。

三峡库区森林土壤大孔隙特征及对饱和导水率的影响

土壤大孔隙是土体内孔径较大能优先传导水分的根孔、洞穴或裂隙,大孔隙内优先流的产生是土壤水分运动研究由均衡走向非均衡的标志。利用原状土柱的水分穿透试验,对三峡库区山地不同林型覆盖下土壤的大孔隙结构进行了研究,分析了温性阔叶林棕壤、针阔混交林黄棕壤、暖性针叶林黄壤及弃耕草地剖面内大孔隙的剖面分布特征及其对土壤饱和导水率的影响。结果表明:研究区内森林土壤的大孔隙当量孔径在0.3—3 mm之间,占土壤总体积的0.15%—4.72%。大孔隙中孔径0.3—0.6 mm的大孔隙密度最大,占大孔隙总数量的72.2%—90.4%;而孔径>1 mm的孔隙仅占大孔隙总数量的1.26%—8.55%。土壤大孔隙密度和大孔隙面积比的顺序为:温性阔叶林棕壤>针阔混交林黄棕壤>针叶林黄壤>弃耕坡地。各孔径段的大孔隙密度在不同样点均呈现A层-B层-C层逐渐减小的趋势,大孔隙密度与有机质含量呈显著正相关关系。土壤饱和导水率与不同孔径大孔隙的密度、面积比均成显著正相关关系,孔径>1mm的大孔隙仅占大孔隙总数量的1.26%—8.55%,但决定了饱和导水率84.7%的变异。此外,森林土壤饱和导水率与各土壤层的有机质含量成显著正相关关系,有机质的增多有利于改善土壤的入渗性能。

自然地理野外综合实习的改革

自然地理野外实习是高校地理科学专业的主要实践环节之一。传统的野外实习以巩固和验证理论知识为目的,实习过程多是部门自然地理课程分别在不同学期进行课程实习,实习内容侧重部门自然地理学内容,实习中往往忽略了自然地理学的综合性,对学生创新思维和综合分析能力的培养不够。本研究从创新型人才培养入手,从地理科学的综合性和应用性出发,结合自身实践,以华中师范大学自然地理野外实习为例,对传统部门自然地理分阶段的课程实习进行实践评价,对新开展的宜昌地区自然地理野外综合实习进行分析。通过与传统实习方式相比较,对野外综合实习的内容、方法、绩效评价等方面的改革与创新进行评价,探讨高师地理科学专业自然地理实习的发展方向。

农田耕作措施对近地表风沙运动的影响

我国北方传统耕作模式的犁耕、耙磨及磨平整地措施对农田近地表风沙活动影响显著。通过对春季半干旱沙区农田风沙活动的观测，本文对犁耕、耙磨磨平两种处理下近地表0～60cm内输沙率和风沙流结构随田块长度的变化规律进行了研究。结果表明，耙磨磨平处理破坏了犁耕在农田地表形成的非可蚀性土块结构，使近地表0～60cm内输沙率增大，在强沙尘事件中增加幅度可达数10倍。犁耕地表上输沙率随田块长度的增加呈指数关系递增，而耙磨磨平后风沙流发育的饱和路径长度减小，在强沙尘事件中近地表输沙率随田块长度的增加而递减。此外，上风向处犁耕地表低层输沙比例（Q（0-10）／Q（0-60））小于耙磨磨平地表，且随田块长度的增加逐渐增大，而耙磨磨平后风沙流结构随田块长度的变化不大。

农田休闲期不同保护性耕作措施的防风效应研究

保护性耕作是旱作农田土壤风蚀防治的必要措施。通过野外试验，对深松、浅耕、翻耕覆盖、免耕油菜低茬和高茬、免耕小麦低茬和高茬等7种保护性耕作措施和传统翻耕、草地两种对照下0～4m的风流场进行了观测，对各种下垫面上空气动力学粗糙度、摩阻速度、风速绝对脉动强度和相对脉动强度进行对比分析。结果显示，不同保护性耕作措施降低风的侵蚀力，防治土壤风蚀的机制不同。留茬主要通过增加地表空气动力学粗糙度和摩阻速度，利用作物残茬和秸秆等粗糙元分解风对地表的剪切应力，降低风蚀强度。而深松、浅耕、翻耕覆盖等措施在增加地表粗糙度和摩阻速度上效果不如留茬，但近地表0．05m处风速脉动较弱，相同风速下对地表的剪切应力较小，土壤风蚀速率降低。此外，作物残茬、秸秆和牧草等粗糙元的高度、密度及直立性均对下垫面的空气动力学粗糙度、摩阻速度及风速脉动有一定影响。

耕作地表土块状况及其对近地表风场的影响

为深入理解非可蚀性土块吸收风能、降低侵蚀力的机制，利用野外风速资料，对半干旱区农田传统耕作模式下犁耕、耙耱及抹平等的地表土块大小、土壤表面粗糙度、近地表风速及空气动力学特征进行了研究。结果表明，犁耕后农田土块长、宽、高均在15cm以上，盖度为27．67％，耙耱、抹平后土块大小和盖度显著降低，抹平地表土块盖度仅为2．1396；土块的破碎导致土壤表面粗糙度降低，近地表风速增大；与犁耕地表比较，耙耱后土壤表面粗糙度降低34％～64％，抹平后降低幅度甚至在90％以上；耙耱抹平后地表以上0．5m高度内风速显著增大，空气动力学粗糙度由1．1cm降低至0．05cm，侵蚀力增强。因此认为，合理选择犁耕、耙耱和抹平的时间对农田风蚀防治有实际意义。

三峡库区不同垂直带森林土壤大孔隙染色实验

降雨过程中森林土壤大孔隙内优先流的发生,是森林植被调蓄径流和保持水土的主要方式。利用染色示踪法,对三峡库区宜昌大老岭-邓村地区不同垂直带内森林土壤大孔隙特征进行了实验研究。结果表明,山地植被-土壤类型的梯度变化使不同垂直带内土壤大孔隙数量差异显著,在土壤垂直剖面内呈现不同分布模式。亚高山阔叶林覆盖的山地棕壤下,土壤剖面染色面积比达62.3%,染色区域主要集中在根系发达的腐殖质层,染料下渗深度较浅。低山针叶林黄壤剖面染色比例低于亚高山阔叶林棕壤,但染料下渗深度较深可达69.5 cm,腐殖质层、淋溶淀积层和母质层间染色比例无显著差异。中山灌丛幼林黄棕壤剖面染色比例和染料下渗深度较小,腐殖质层染色比例显著高于淋溶淀积层,母质层几乎无染色现象。与森林土壤相比,低山弃耕坡地的染料下渗深度和染色面积比显著减小,染色区域集中在耕作表层。植物根孔、母质裂隙、土壤发育程度和土地耕作是造成山地不同垂直带间土壤大孔隙结构差异的主要因素。

垄作对旱作农田油菜生长发育的影响研究

通过田间定位试验,研究了不同结构的垄作和平作对旱作农田油菜植株高度、叶面积指数、地上生物量及产量的影响,并运用生长分析法对不同耕作措施下油菜植株高度日增长率、地上生物量的绝对增长率和相对增长率进行了对比分析。结果表明:盛花期以前,平作的油菜植株高度、叶面积指数、地上生物量的绝对和相对增长速率比垄作的大,而自盛花期至成熟期,均低于垄作。由于油菜植株密度较低,除T4外垄作下生长季末单位土地面积的地上生物量、生殖器官干物质重、实际产量和理论产量均低于平作。而T4(垄脊高25cm,垄高与垄沟宽之比为1/24)比其它结构的垄作和平作更有利于油菜的生长发育和产量的提高,是旱作农田作物垄沟种植时较为适宜的垄作方式。

农田休闲期作物留茬对近地表风场的影响

留茬是防治农田休闲期土壤风蚀的有效措施。该文利用野外观测数据,通过比较不同高度的4种作物留茬及冰草覆盖地表的风速廓线,分析各种处理下近地面风速和空气动力学特征,揭示作物留茬防止土壤风蚀的机制。结果表明:作物留茬降低了地面以上2m高度内的风速,降低幅度与留茬高度成正比,与观测高度成反比。高度相同时不同类型的留茬比较,莜麦和小麦茬下风速降低幅度较大,植株稀疏的油菜茬和秸秆较细的胡麻茬的防风效果较差。同类作物不同高度的留茬覆盖下,地表空气动力学粗糙度随留茬高度的增加而增大,在莜麦、油菜和小麦茬高度达到15、30和15cm时显著增大,是3种留茬防风的有效高度。可见,高度适宜的作物留茬能降低近地面风速,削弱侵蚀力,有效防治土壤风蚀。

山地土壤优先流路径的染色示踪研究

在山地林区开展土壤大孔隙及优先流的实验研究,可深化对森林土壤涵养水源机理的认识,为山区的水土流失防治和植被恢复提供依据。利用剖面染色与图像分析相结合的方法,沿长江三峡大老岭-邓村一线,对山地不同垂直带内土壤优先流特征进行了调查,分析了优先流路径对剖面水分入渗过程的影响。结果显示,中山常绿落叶针阔混交林-山地黄棕壤、低山暖性针叶林-山地黄壤中大孔隙孔径大、分布广,有利于优先流的形成和入渗。受耕作扰动的弃耕土壤中大孔隙结构遭到破坏,优先流路径与森林土壤不同,且渗流强度较弱,染色区域较浅。森林土壤各发生层内优先流特征差异显著,腐殖质层内以洞穴流为主,水分与土壤基质域交换较少,多通过大孔隙快速下渗。淋溶淀积层内洞穴流消失或减弱,侧向渗透增强。低山暖性针叶林-山地黄壤质地较粗,出现以裂隙为主的大孔隙,优先流表现为裂隙流。弃耕土壤各发生层均表现为指流,染色面积随深度减小,侧向渗透基本稳定。植被-土壤垂直地带性分布是山地土壤优先流存在差异的主要原因,山区生态环境建设中应促进土壤优先流路径的发育。

农田休闲期垄作地形对近地表风场的影响

垄作是旱作农田常用的保护性耕作技术,而其防风抗蚀的机制尚需研究。通过野外试验,对垄脊高25cm,垄沟宽1.5m的垄作田上风向、垄间及下风向地带0～4m的风流场进行了同步观测,对不同观测位置的时均风速、空气动力学粗糙度、摩阻速度和风速脉动进行了对比分析。结果表明,土垄间和下风向近地表0～1m内时均风速比上风向平坦地表明显降低,其中高0.3m处降低幅度最大。水平方向上风速降低幅度、空气动力学粗糙度和摩阻速度均随观测点与垄作地表距离的增大而减小。受风速递增的影响,风速的绝对脉动强度随高度呈对数关系递增。风速的相对脉动强度在0～1m内随高度增大而降低,1m以上基本无变化。高0.05m处风速的相对脉动强度在水平方向上随与垄作田距离的减小而增大,其中垄间最大,时均风速相同时对地面剪切力最大。

长江三峡山地不同垂直带土壤入渗研究

山地土壤入渗性能研究是评价植被涵养水源和保持水土功能的基础。利用盘式张力入渗仪,通过设置3种负压(-0.49kPa,-0.69kPa和-0.98kPa),分析不同负压条件下三峡山地各垂直带土壤的入渗过程,比较不同类型山地土壤的入渗性能和常用入渗模型的适宜性。结果表明,不同垂直带间土壤腐殖质层与淋溶淀积层入渗性能的差异呈现不同规律。腐殖质层的入渗率表现为,亚高山温性阔叶林棕壤>中山针阔混交林黄棕壤>低山暖性针叶林黄壤,针叶林黄壤饱和导水率仅为3.84mm/min,不足阔叶林棕壤的8%。腐殖质层入渗主要受土壤结构的影响,疏松多孔的棕壤表层的入渗能力比风化率低、质地粗的黄壤表层更强。淋溶淀积层的入渗率相比较,中山黄棕壤饱和导水率最小,为1.21mm/min,亚高山棕壤和低山黄壤较大。同一类型土壤的不同发生层相比较,亚高山棕壤、中山黄棕壤和低山弃耕地的腐殖质层入渗率均大于淋溶淀积层,而低山黄壤则相反,淋溶淀积层饱和导水率是腐殖质层的5.82倍。林地腐殖质层和弃耕地耕作层的入渗率随时间下降明显,林地淋溶淀积层和弃耕地犁底层降低幅度较小,趋于稳定入渗的时间较短。入渗曲线拟合显示,方正三通用经验公式对4种山地土壤入渗过程的模拟效果较好,是描述三峡库区山地土壤入渗过程的适宜模型。

沙区旱作农田作物垄沟种植下土壤水分动态观测——太仆寺旗油菜种植试验结果

在沙区旱作农田设计了4种种植油菜的垄沟种植试验,观测了其与传统平作下的土壤重量含水率.野外对比观测表明:在油菜生长季内,垄沟种植下土壤的水分含量高于传统平作,尤其在地表0～30cm的耕作层;土壤水分在生长季内呈'双峰双谷'型波动特征,可分为'墒情恢复期--缓慢耗墒期--墒情恢复期--迅速耗墒期--墒情恢复期'五个阶段,迅速耗墒期与油菜的旺盛生长期一致,而该时段垄沟种植下土壤重量含水率较高;在同一深度土层,垄沟种植下土壤水分的变异系数小于传统平作,土壤水分季节速变层和活跃层厚度小,稳定层靠近地表,土壤干湿波动较小.该试验研究可以为调整沙区旱地耕作方式,优化土地利用结构及风蚀防治提供参考.

三峡库区不同植被覆盖坡地的土壤优先流运动特征研究

研究土壤优先流运动特征与植被覆盖、坡位及土壤结构的关系,既能丰富山坡水文学的研究内容,还能进一步揭示森林涵养水源、保持水土的机制。以三峡库首大老岭林区常绿林、林灌混合落叶林和弃耕草地覆盖的坡地为研究对象,运用染色示踪和图像处理的方法,定量分析了3种植被覆盖的坡上和坡下位置优先流染色特征,阐明了植被覆盖和坡位对土壤优先流运动和坡面水分入渗特征的影响。结果表明:(1)各样地染色面积比(SAR)和染色路径数(SPN)均呈现浅层高、深层低的特征。不同植被覆盖下,0~60 cm土层的SAR表现为落叶林坡地(44.2%)>弃耕坡地(36.1%)>常绿林坡地(35.3%),SPN表现为落叶林坡地(43条)>常绿林坡地(19条)>弃耕坡地(15条)。不同坡位下,0~60 cm土层的SAR表现为坡上(41.5%)>坡下(35.6%),SPN表现为坡上(23条)<坡下(28条)。落叶林坡地土壤染色深度最大,60~110 cm深度土层仍有很多狭长的水流路径延伸,而其他样地较少出现;(2)各样地的染色路径宽度(SPW)以1~10 cm和>10 cm为主,二者之和占剖面总染色面积的84.2%。除弃耕地坡上位点缺少均质流与非均质指流外,其他样点0~30 cm土层以均质流和非均质指流为主,30 cm以下为不同类型大孔隙流的混合分布;(3)弃耕坡地的侧向流最为明显,染色剂延伸到染液喷洒区外50 cm处,常绿林地和落叶林地仅延伸至10~20 cm。植被覆盖类型与坡位的耦合作用影响了土壤理化性质,从而影响优先流路径的形成与水分的入渗过程。常绿林与落叶林的水源涵养能力强于弃耕坡地,耕作形成的犁底层限制了弃耕坡地的水分垂直入渗,增加了侧向入渗与地表径流的风险,需要通过破除犁底层或种植根系发达的乔灌木以增加降雨蓄存能力。

高光谱技术结合CARS算法预测土壤水分含量

高光谱技术已成为预测土壤含水量（soil moisture content,SMC）的重要方法,但因土壤高光谱中包含了大量冗余信息和无效信息,不仅导致SMC的高光谱估算模型复杂度高,而且影响了模型的预测精度。因此,该研究在室内设计SMC梯度试验,测定土壤高光谱反射率,经Savitzky-Golay平滑（Savitzky-Golay smoothing,SG）和连续统去除（continuum removal,CR）预处理后,基于竞争适应重加权采样（competitive adaptive reweighted sampling,CARS）方法分别优选出土壤在全部SMC的水分敏感波长变量,确定适用于土壤在全部SMC的共性波长变量,以其为优选变量集,采用偏最小二乘（partial least squares regression,PLSR）回归方法建立模型并进行验证。结果表明,SG和CR预处理后的光谱曲线在450、1 400、1 900、2 200 nm附近吸收峰的形状特征凸显;基于CARS方法对土壤在不同SMC的光谱曲线进行变量优选后,得出优选变量集为443～449、1 408～1 456、1 916～1 943、2 209～2 225 nm;CARS-PLSR模型性能优于全波段PLSR模型,模型预测R2、均方根误差、相对分析误差分别为0.983、0.0144、8.36,不仅提升了预测精度和预测能力,而且降低了变量维度和模型复杂度。该文通过优选土壤水分的敏感波段,有效提高了SMC预测模型的鲁棒性,为快速准确评估农田墒情提供了新途径,为开发田间SMC测定传感器提供了理论依据。