基于采样点光谱信息窗口尺度优化的土壤含水率无人机多光谱遥感反演

针对空间异质性导致的土壤含水率反演误差较大的问题,分别以玉米灌浆期和小麦苗期的土壤含水率反演为例,利用无人机多光谱遥感技术获取喷灌和畦灌灌溉方式下的正射影像。将34组光谱特征变量按照滑动窗口法提取不同空间尺度的光谱信息平均值,通过极端梯度提升(Extreme gradient boosting, XGBoost)、支持向量机回归(Support vector machine regression, SVR)以及偏最小二乘回归(Partial least squares regression, PLSR)3种机器学习模型确定采样点光谱信息最优窗口尺度;然后,采用皮尔逊相关系数特征变量筛选法(Pearson correlation coefficient feature variable screening method, R)结合XGBoost和SVR模型对提取的34组光谱特征变量进行筛选,选取与土壤含水率敏感的特征变量;最后,估算土壤含水率。结果表明:喷灌方式下所选择的采样点最优光谱信息窗口尺度比畦灌小,其最优窗口尺度范围分别为11×11~21×21和15×15~29×29;采用皮尔逊相关系数特征变量筛选方法结合机器学习模型可有效提高土壤含水率反演精度;5种机器学习模型(R_XGBoost、R_SVR、XGBoost、SVR、PLSR)中R_XGBoost模型估算土壤含水率精度最优,在喷灌和畦灌方式下玉米灌浆期R_XGBoost模型的测试集决定系数R2分别为0.80、0.83,均方根误差(Root mean square error, RMSE)分别为1.27%和0.98%,小麦苗期R2分别为0.76、0.79,RMSE分别为1.68%和0.85%;土壤含水率反演模型在畦灌条件下的精度优于喷灌条件下。该研究可为基于无人机多光谱影像分析的信息挖掘和土壤水分监测提供参考。

耕作方式与秸秆覆盖对夏玉米根系分布及产量的影响

为探究夏玉米根系分布及水分利用效率对不同耕作结合秸秆覆盖模式的动态响应,于2017年和2018年在河套灌区开展不同耕作模式田间试验。试验设置,常规(CK)、秸秆表覆(BF)、深翻结合秸秆深埋(SM)和深翻结合秸秆深埋与表覆(BFSM)4种处理。结果表明,BF处理显著提高水平向根长密度,较CK处理高24.7%,SM、BFSM处理显著提高深层根长密度,较CK处理高23.8%;2017年夏玉米根长密度与标准化根深呈显著的三阶多项式函数关系,用2018年实测值率定效果较好,可较好描述不同耕作模式根长密度分布。BF、SM、BFSM处理较CK处理根冠比显著提高3.8%、20.8%、26.4%(P<0.05),较CK处理夏玉米产量及水分利用效率分别显著提高8.6%、19.5%、19.7%和13.6%、32.3%、34.8%(P<0.05),SM与BFSM处理差异不显著。该研究为河套灌区农业耕作模式提供一定借鉴。

秸秆深埋下灌水量对土壤水盐分布与夏玉米产量的影响

为探究秸秆深埋下土壤水盐分布与夏玉米产量对灌水量的响应,于2017年和2018年在河套灌区进行了秸秆深埋下单次灌水定额60 mm(W1)、90 mm(W2)、120 mm(W3)3个处理及常规135 mm为对照(CK)处理的大田试验。结果表明:秸秆深埋下耕作层含水率随灌水量的增加先增后减,成熟期W1处理的两年平均含水率较CK降低21.3%,而W2和W3较CK提高8.6%和9.4%;秸秆隔层持水量随灌水量的增加先增后降,成熟期W1持水量较CK平均降低10.9%,而W2和W3较CK平均提高16.1%和17.1%;生育期W1、CK处理在隔层积盐,W2、W3处理脱盐,生育末期W1和CK平均积盐率为27.0%和11.1%,而W2和W3平均脱盐率为7.6%和7.1%;W1和W3较CK平均减产20.9%和0.5%,W2较CK平均增产1%,但W1、W2、W3处理的水分利用效率较CK分别提高15.2%、17.3%和5.1%(P<0.05)。当耕层含盐量为1.45~1.48 g/kg,单次灌水定额为82~111 mm时,秸秆深埋耕作模式可实现节水稳产的目标。

秸秆与地膜覆盖方式对咸淡交替灌溉模式下水盐调控及玉米产量的影响

为探明秸秆与地膜覆盖方式对咸淡交替灌溉模式下水盐调控及玉米产量的影响,筛选出适合内蒙古河套灌域轻度盐碱地地区玉米种植的耦合技术。通过田间试验,研究了在已有优化的咸淡交替灌溉模式下地膜覆盖(H1)、上膜上秸(地膜覆盖+秸秆表覆)(H2)、上膜下秸(地膜覆盖+秸秆深埋)(H3)、对照(无覆膜无秸秆)(CK)4种处理对玉米生长效应和水盐运移机理的影响。结果显示:1)H1、H2、H3处理的玉米收获指数均显著高于CK处理(P<0.05),分别比CK提高了5.39%、14.48%、16.50%,H2处理提高了玉米生育前期的生长指标,H3处理提高了玉米生育后期的生长指标,但H3比H2处理玉米产量、水分利用效率高;2)咸淡水交替灌溉节约淡水资源,秸秆隔层与地膜覆盖减少了水分散失,提高了土壤含水率,20~40 cm土层H3处理的含水率最高且比CK增加了7.13%;3)秸秆隔层能够减弱盐分表聚,把盐分控制在秸秆层以下位置,淡化了玉米根层土壤含盐量,20~60 cm土层H3处理的土壤含盐量分别比H1、H2、CK处理降低了30.97%、23.21%、44.07%。总之,优化咸淡交替灌溉模式下上膜下秸(H3)耦合技术具有较好的蓄水控盐效果,为轻度盐渍化土壤玉米的生长提供了较好的生态环境,获得了较优产量,在内蒙古河套灌域轻度盐碱地地区较为适用。

麦田土壤水分时空变异特性及CA-Markov模型模拟预报

为揭示农田土壤水分时空变异特征,精准预测土壤含水量,该研究以河北省太行山山前平原井灌区典型麦田为例,在监测土壤水分的基础上,采用时间稳定性指数法、空间自相关性评价法研究土壤水分时空分布规律,构建了适用于模拟预报田间水分时空变化的CA-Markov模型,并将该模型的模拟预报效果与HYDRUS模型进行比较。结果表明:随着土层深度的增加,土壤水分等值线由密变疏,变异系数逐渐减小。随着小麦生育期的推移,前期监测的土壤水分稳定性高于后期;在土壤较湿润的情况下,土壤水分空间相关性较强,土壤水分全局Moran’s I指数随小麦生育期的推移呈现先增大后变小的规律。CA-Markov模型模拟预报的各土壤相对湿度等级面积误差的平均值为1.61%,比HYDRUS模型模拟预报的面积误差平均值(10.86%)小9.25个百分点;CA-Markov模型对研究区4月下旬、5月上旬的土壤水分干旱等级预测的空间分布Kappa系数分别为89.31%、91.46%。该模型可综合考虑麦田墒情的时空变化及随机特性,模拟预测土壤墒情的精度较高、效果良好,可以作为麦田水分管理的重要工具。

井渠轮灌下秸秆还田对土壤含盐量与玉米产量的影响

为探究井渠轮灌下不同秸秆还田的耕作模式对土壤含盐量及玉米产量的影响,设置"渠井渠"灌溉模式下无秸秆还田的常规耕作(CK)、秸秆表覆旋耕(BF)、秸秆深埋深翻(SM)和秸秆混拌旋耕(HB)4种处理,于2018年和2019年在河套灌区开展了井水与渠水轮灌下不同秸秆还田方式的田间试验。结果表明,井渠轮灌下各处理收获后1 m土体均积盐,秸秆还田处理均显著降低土壤积盐率(P<0.05),BF、SM和HB处理积盐率较CK处理分别下降8.7、12.4、6.9个百分点,SM处理积盐率最小,仅为3.2%,且在20~40 cm土层形成脱盐区;收获后CK处理不同土层饱和浸提液的钠吸附比(SAR)较初始值提高10.2%~53.3%,土壤钠质化风险很大;秸秆还田处理有效降低了SAR,SM处理收获后不同土层的SAR最小,较初始值下降了0.4%~73.0%,可有效缓解土壤钠质化。通径分析表明,玉米产量主要决策因子是穗长,限制因子是秃尖长。BF、SM和HB处理分别较CK增产11.2%、19.8%、11.6%,水分利用效率提高18.4%、36.1%、21.2%,SM处理综合效果较好。该研究可为河套灌区地下微咸水安全利用和秸秆资源化利用提供理论依据。

多水源交替灌溉模式对玉米生长特性及产量的影响

为了节约地表淡水资源,以玉米为指示作物,通过大田试验对井水(地下微咸水)、渠水(地表淡水)2种水源联合灌溉模式进行研究,试验设置8个多水源交替灌溉模式:井井井(JJJ)、井井渠(JJQ)、井渠井(JQJ)、渠井井(QJJ)、井渠渠(JQQ)、渠渠井(QQJ)、渠井渠(QJQ)、渠渠渠(QQQ)及空白对照的处理。研究较适宜的多水源交替灌溉模式对玉米生长特性、产量及水肥利用效率的影响。结果表明:灌溉井水次数的增加,对玉米的叶片生长及地上地下部生物量的积累有不同程度的抑制作用,其中QJQ处理与QQQ处理在地上部生物量积累上无显著差异。拔节期灌溉井水对玉米穗的外观形态及产量影响最大且土壤积盐程度较高,其次为灌浆期,抽雄期最小。QJQ处理的水肥利用效率均高于其他灌溉模式,且与QQQ无显著差异。综上所述,考虑玉米叶片生长、生物量积累、产量及水肥利用效率等因素的基础上,QJQ处理为当地较适宜的多水源交替灌溉模式,既有利于玉米作物生长和保证玉米产量,还可节约地表淡水资源。

秸秆覆盖与氮减施对土壤氮分布及地下水氮污染影响

为探究不同秸秆覆盖方式与氮减施对土壤氮分布、地下水氮污染及夏玉米产量的影响,于2017~2018年在河套灌区开展田间试验.本试验设置常规施肥为对照(CK处理),以30%氮减施(N1)、20%氮减施(N2)和10%氮减施(N3)为3个减施水平处理,每个减施水平设秸秆表覆(B处理)和秸秆深埋(S处理)这2个处理.结果表明,CK土壤氮随土层加深呈波状分布,总体呈降低趋势;秸秆表覆的氮素在0~20 cm土层表聚,NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N含量较CK平均提高22.2%和42.7%,随土层加深而降低;秸秆深埋的氮素在20~40 cm土层聚集,NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N含量较CK平均提高29.8%和48.1%,随土层加深呈先增后降趋势;不同秸秆覆盖下氮素聚集量随氮减施水平提高而减小.收获后,在>80 cm土层,秸秆表覆的NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N累积量较CK平均降低19.9%~58.2%和31.1%~61.7%,而秸秆深埋平均降低36.7%~70.9%和82.6%~89.2%,效果较秸秆表覆显著(P<0.05);秸秆表覆仅BN3较CK平均增产0.4%,秸秆深埋SN2较CK平均增产9.3%;夏玉米产量与氮减施水平的拟合结果表明,秸秆深埋较秸秆表覆增产效果显著(P<0.05),秸秆深埋与14%~20%氮减施增产效果最优;秸秆覆盖与氮减施可缓解氮素淋溶损失,收获后秸秆深埋显著降低地下水氮污染风险(P<0.05),达到改善灌区农田生态环境和提高夏玉米产量的目的.

基于多元回归分析的肇州县地下水埋深影响因素分析

选取肇州县8口长序列观测井的地下水埋深资料,利用ArcGIS中反距离权重法分析研究区的年内和年际地下水埋深的变化特征并利用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)探究其影响因素,根据多元回归分析方法建立回归方程。结果表明:肇州县地下水变化类型为人工开采型;地下水埋深的空间分布特征大致为东北—西南;降水量变化与地下水埋深因受包气带厚度的影响存在滞后的现象。研究结果将为更加合理和科学地分配地下水资源提供依据,为肇州县地下水资源的可持续利用提供参考。