北京郊区田块尺度土壤质量评价

该研究以北京郊区3个典型田块为研究对象,T1与一山地接壤,T2紧邻京承高速公路,T3位于人为活动密集的村落附近。为了评价该区土壤质量以及初步探讨周边环境对其影响,选取土壤肥力因子pH值、有机质、有效磷、速效钾和硝态氮作为土壤肥力质量的评价指标,采用模糊隶属度函数模型分别对研究区T1、T2和T3进行定量评价;选取重金属Cu,Zn,Cr,Pb,Cd,As,Hg作为土壤环境质量评价指标,采用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数相结合的方法进行评价。结果表明,T1、T2和T3土壤肥力质量综合指数分别为:0.494、0.624和0.630,土壤养分含量相对均一。T1、T2和T3土壤环境质量内梅罗指数分别为0.876、0.972和0.903,均处于土壤环境质量第Ⅱ级;各田块尤其是T2田块存在重金属污染的潜在风险。综合两方面的评价结果认为,研究区肥力质量良好,土壤环境质量尚清洁,适合作为设施农产品生产基地。T1田块受山地影响,肥力质量较差;T2田块环境质量最差;人为活动密集的村落对T3土壤质量尚未见影响。

田块尺度下农田重金属污染特征及其源汇关系响应解析

农田土壤作为保证粮食安全及人类发展的重要资源,近年来其受到的重金属污染备受关注。文章选取长三角发达地区某田块作为研究对象来分析同源情形下重金属的污染特征及主要影响因素。结果表明:该田块Cd平均质量分数为3.74 mg/kg,超出二级标准值达12.5倍,高值区主要分布在入水口及出水口附近。其余重金属元素(Pb,Cr,As,Co,Cu,Ni,Zn)均未超标。运用地累积指数、Hakanson潜在风险指数、内梅罗综合污染指数等多种污染评价方法均发现,Cd的严重超标导致该田块已达到重金属污染的最高等级。采用相关分析及通径分析方法,揭示了Cd污染的主要影响因素,Cd与土壤理化性质在0.01水平上均不存在显著相关,表明与持续的Cd外源输入相比,土壤对Cd的吸附能力极其有限。距入水口出水口的距离是影响Cd空间差异的最直接因素和决定性因素。减少外源Cd的持续输入及改良灌溉排水设施是解决田块Cd重污染的有效途径。

田块尺度下土壤磷素的空间变异性

采用经典统计学与地统计学相结合的方法,对中国科学院沈阳生态实验站30 m×42 m样地进行网格法分层(0～10和10～20 cm)取样,研究了田块尺度下土壤全P和Olsen-P的空间变异特征.结果表明,49对样本土壤Olsen-P的变异系数(46.56%～56.42%)远高于全P(11.68%～13.33%);全P和Olsen-P具有较好的空间结构且具有较相近的空间相关距离.最佳理论模型的参数显示各变量空间变异主要受结构性因素的影响,各变量半方差变异函数的C/(C0+C)均高于66%.全P和Olsen-P之间及在2个土层之间均具有较相似的空间分布格局.变异系数结合空间格局分析可以大大降低试验取样的数量.

田块尺度下的苏北滩涂新垦农田土壤盐分空间变异性分析

为了消减盐碱障碍和提升地力,研究了苏北典型滩涂新垦农田土壤盐分的空间变异性。结果表明,农田土壤盐分东低西高,整体上属轻度盐渍化(含盐量1.27～1.98g/kg),但存在着盐斑(含盐量大于2g/kg)。表层及次表层土壤含盐量空间自相关程度强烈,其结构方差比分别为88.88%、80.75%;而其余土层含盐量间自相关程度为中等。垂直方向上,土壤盐分主要集中在犁底层(20～40cm)。

基于田块尺度的高标准农田建设空间形态判别研究

鉴于高标准农田工程布局、结构具有自身特殊性以及相较于一般农田具有空间形态上的显著差异,本研究基于农田田块尺度,以《高标准农田建设通则》为评价出发点,从田块规模、田块形态、农田道路、灌排设施和农田防护等方面构建了一套高标准农田建设合规性评价指标体系,利用布尔型赋值方式和短板原理综合评价高标准田块建设的质量和状况,并以吉林省松原市土地整治项目区为例进行试验实证。研究表明:从农田建设规范的内涵出发,构建的评价体系能有效测度不同维度和不同方面的高标准农田建设效果;提出的方法体系可进一步挖掘高标准农田建设工程的短板,为下一步改进工程措施和提高建设的合理性提供依据;试验区契合与不契合高标准农田建设标准的田块分别占总面积的78.2%和11.8%。

基于田块尺度的丹江上游坡改梯土壤养分空间变异性研究

通过对丹江上游流域的梯田和坡耕地样地进行网格法分层（0～10和10—20cm）取样，采用经典统计学与地统计学相结合的方法，研究了田块尺度上坡改梯土壤养分的空间变异性特征。结果表明，梯田土壤的养分含量变异系数整体小于坡耕地；全氮、全磷在梯田土壤中均具有强烈的空间相关性，空间变异程度微弱，且主要受结构因素影响。土壤有机碳空间相关性在梯田和坡耕地中均较强，更多受到成土过程影响。Kriging插值绘制的养分含量空间分布图显示出，梯田全氮、有机碳养分受梯田坎梗影响而呈阶梯状分布。梯田全磷养分分布较为连续，显示出相对较好的空间同质性特征。坡耕地田块的养分分布多呈层状和块状分布，养分含量不连续、不稳定，表现出一定的空间异质性特征。

确定田块尺度土壤水力参数不同方法的比较研究

结合不同类型的大田试验数据,分别利用瞬时剖面法、HYDRUS反演方法、直接方法反求土壤水力参数。将所得参数代入HYDRUS正演程序,分别预测试验后期剖面含水率,并与实测值对比。结果表明,瞬时剖面法与HYDRUS反演方法预测结果相近且优于直接方法。在实测范围内,前2种方法所得参数虽略有差异,但预测结果和表征的水力性质基本一致。直接方法由于试验尺度小、对土壤扰动大,结果并不理想。对比求参工作量,2种反演方法小于直接方法。2种反演方法计算成本对比,瞬时剖面法比HYDRUS反演方法更有优势。

田块尺度上的农田土壤Cd污染分布不均匀性

长江三角洲地区存在田块尺度上农田土壤Cd污染分布不均匀的现象。相关土壤环境地球化学调查结果显示,当土壤Cd>1.0 mg.kg^-1时,其田块中土壤Cd分布存在显著空间差异性。在一块面积不足0.13 hm^2的田块内土壤Cd含量最大可相差几十倍,且同时存在轻度、中度、重度污染。长条状田块土壤中Cd污染分布有近似的指数衰减趋势,距离源头最近地段土壤Cd污染最严重。旱地较水田土壤中Cd污染分布更不均匀。Cd污染分布不均匀主要表现在田块的水平方向上,在田块土壤垂直方向上Cd污染主要聚集在表层20 cm以上土层。与Cd相反,Cu、Pb、Zn、As、Cr等重金属在田块土壤中则以相对均匀分布为主。微地貌的差异、人工干扰不均衡等是导致田块土壤Cd污染分布不均匀的主要原因。

环渤海盐碱地田块尺度水盐时空变异特征

及时掌握田块尺度土壤水盐时空分布状况及其运动规律,可为采取针对性措施改良利用盐碱地、改善区域生态提供科学依据。以山东省滨州市无棣县柳堡镇盐碱农田为研究区,通过野外调查实测与室内化验分析获取土壤水盐数据,采用统计学方法和地理信息系统(geographic information system,GIS)技术分析田块尺度的土壤水盐时空分布状况和变异规律。结果显示,研究区表层土壤含水量总体偏低,在区内呈中等变异性,淡水短缺依然是影响该区农业生产的主要限制因素。研究区土壤总体上为中度盐渍化,并呈中等变异性,有效管理条件下可适合耐盐作物生长。在纵向空间维度,由表层到底层土壤盐渍化程度呈上升趋势,同时期的各层土壤含盐量呈极显著正相关(P<0.01);相邻土层间相互影响程度大于对隔层土层的影响,在滨海盐碱地地下水埋深较浅的条件下,可重点改良耕层土壤,在作物生长期营造适宜的生产环境。在横向空间维度,各时期土壤盐分均呈南低北高、西低东高的特征,但地块均质度差,重度盐渍化斑块状分布特征明显。在时间维度,冬小麦生长期(从返青到成熟)土壤含盐量总体逐步降低,但在5月底出现升高的现象。研究区应根据土壤水盐时空变异特点,采取蓄水防旱、施肥和栽培管理措施调控水盐含量,并对斑状重度盐碱地块采取综合改良措施。研究结果可为研究区和类似区域改良利用盐碱地提供借鉴。

基于无人机光谱遥感的田块尺度蒸散发空间分布估算

针对农田中高分辨率空间模式蒸散量(ET)缺少有效量化的问题,提出一种基于无人机(UAV)估算农田蒸散量的方法。构建了M100型多旋翼无人机搭载FLIR VueProR热像仪和Micasense RedEdge多光谱成像仪的采集数据平台;将无人机数据匹配卫星遥感蒸散模型,比较典型单层模型METRIC(Mapping evapotranspiration at high resolution with internalized calibration)模型和典型双层模型RSEB(Remote sensing energy balance)模型在农田中的适用程度;针对RSEB模型的土壤热通量计算方式不适用于农田环境的问题,对模型进行基于多光谱数据的改进;针对模型中温度参数易产生较大误差的问题,基于无人机热像仪数据与实际温度间的关系,对获取的热像仪数据进行校正;将模型计算值与涡度相关系统(OPEC)测量值进行对比。结果表明,结合无人机多光谱数据的RSEB模型经过温度校正可得到结果较为准确的通量数据,显热通量均方根误差为20.013 W/m^2,平均绝对误差为15.835 W/m^2,潜热通量均方根误差为40.202 W/m^2,平均绝对误差为26.017 W/m^2,进而得到分米级分辨率的农田蒸散量空间分布图。本文估算方法可以有效获取高分辨率空间模式的田间蒸散量,为精准农业灌溉提供技术支持。

基于Sentinel的时间序列田块尺度LAI重建与冬小麦估产

为了进行田块尺度的冬小麦单产估测,以陕西省关中平原为研究区域,基于Sentinel-1、Sentinel-2和Sentinel-3卫星数据反演叶面积指数(LAI),并利用增强的深度卷积神经网络融合模型(EDCSTFN)和增强的时空自适应反射率融合模型(ESTARFM)对Sentinel-1、Sentinel-2和Sentinel-3 LAI进行时空融合,进而重建尺度12 d的空间分辨率20 m LAI并用于冬小麦单产估测。结果表明,基于Sentinel-1后向散射系数和相干性能够准确地反演关中平原冬小麦种植区的20 m空间分辨率LAI,决定系数(R^(2))在冬小麦主要生育期可达0.70以上;相比于基于Sentinel-2和Sentinel-3的ESTARFM模型和EDCSTFN模型(EDCSTFN_S3),基于Sentinel-1和Sentinel-2的EDCSTFN模型(EDCSTFN_S1)可以明显提高距离参考影像获取日期较远的日期的LAI时空融合精度,ESTARFM、EDCSTFN_S3和EDCSTFN_S13个模型在5月下旬的融合结果对应的R^(2)分别为0.53、0.71和0.76;基于时空融合LAI的冬小麦估产结果与冬小麦单产数据具有良好的相关性(R^(2)=0.52,P<0.01),估产结果的均方根误差为358.25 kg/hm~2,归一化均方根误差为19%,平均相对误差为7.34%,并显示了丰富的田块尺度冬小麦单产分布细节特征,展现了进行田块尺度冬小麦精确估产的潜力。

基于时空滤波Sentinel-1时序数据的田块尺度岭南作物分布提取

为解决岭南地区作物制图中光学影像时空覆盖缺失以及作物种植结构复杂导致不确定性高等问题,以满足对高精度作物制图日益迫切的应用需求。该研究提出了一种基于Sentinel-1的双极化时间序列和作物物候信息建立时空维度典型物候特征的作物分类方法,选择广州市南沙区为试验区,通过XGBoost机器学习算法,实现了田块尺度下的不同作物类型的准确识别及种植面积的精细提取。结果表明:1)相比像素时序特征分类结果,经过雷达时空滤波后的田块时序特征分类方法不仅能有效抑制合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)影像斑点噪声产生,而且总体分类精度和Kappa系数分别提高了12.5个百分点、0.19;2)与仅基于Sentinel-1(VV+VH)时空滤波后的全年时序特征分类方法相比,在分类过程中添加物候特征变量的方法表现出更高的精度,Kappa系数可达0.91,甘蔗和香蕉播种面积提取精度分别达到82.04%和71.01%。研究结果表明中高分辨率SAR影像(10 m×10 m)时间序列结合XGBoost算法和雷达数据时空滤波策略可实现区域作物准确识别及种植面积提取,同时,可从数据源与分类方法上为岭南地区农业遥感应用提供思路,对该地区农业灾害管理和灾后救助具有重要参考价值。

中国田块尺度露天生物质燃烧NO_(x)遥感排放清单

针对不同土地覆盖类型特别是作物空间分布,提出一种顾及火点像元地物类别先验概率的排放因子加权策略,并结合热辐射功率(FRP)昼夜周期分布的假设,建立了我国逐日1 km的田块尺度露天生物质燃烧氮氧化物(NO_(x))遥感排放清单。为验证FRP昼夜周期分布假设的合理性,与Himawari-8 FRP反演结果进行比较,两者相关系数约为0.65。同时,为验证排放清单的有效性,将估算结果与全球火情数据库(GFED)、湖北省内三个环境监测站点观测资料、臭氧监测仪(OMI)遥感观测数据等进行了对比验证。对比结果显示所建立的排放清单与其中两站点观测数据的相关系数分别为0.56和0.65,与GFED数据库以及OMI数据具有较好的一致性,且具有更高的时空分辨率。

田块尺度设施菜田土壤健康评价方法的初步构建与应用

结合京郊设施菜田土壤健康管理需要、国内外土壤健康评价方法和北京地区1350个设施菜田土壤分析结果,初步构建了田块尺度设施菜田土壤健康评价系统。确定了物理、生物、化学和产出4类共21个评价指标,提出了各指标的阈值范围、评分标准、权重和评价模块。运用该系统在北京房山区开展设施菜田土壤健康评价,选取5个种植园,每个种植园设置1个试验点。5个试验点中1个试验点为亚健康等级、4个试验点为健康等级。针对亚健康等级试验点,开展了连续2年土壤改良与修复,试验点土壤健康指数由0.77提高到0.83,土壤健康等级提升为健康,土壤容重降低,有机质含量提高,土壤肥力水平提升,pH下降,蔬菜产量稳定,品质指数提高。针对健康等级试验点,开展了连续2年土壤管理,试验点土壤健康指数由0.86提高到0.87,土壤肥力水平稳定,病原菌指数下降,蔬菜产量提高,商品率提升。该评价系统对维持或提高设施菜田土壤健康水平具有较强的指导意义,建议进一步开展更广泛的设施菜田土壤健康评价和土壤修复管理。

基于田块尺度的土壤肥力模糊评价研究

论文以位于陕西关中平原腹地的杨凌为研究区域,以28个田块为采样的基本单元,选用土壤化学指标,运用模糊层次分析法确定评价指标的权重,并用模糊集理论中的贴近度和隶属度概念来识别土壤肥力质量,探讨基于田块尺度的土壤肥力评价方法。结果表明,评价结果与研究区域耕地的实际情况基本吻合。采用基于层次决策分析权重的模糊评价方法进行田块尺度上的土壤质量评价具有可操作性和可行性。

田块尺度下土壤水分和盐分的空间变异性

通过对 16m× 16m田块 2 89个土壤剖面的取样分析 ,测定土壤水分、pH、盐分、电导率。结果表明 ,土壤含水量均服从非正态分布 ;盐分的分布类型除 6 0～ 80cm呈非正态分布外 ,其它各层均服从正态分布。土壤水分和盐分的变异系数均呈中等变异强度。通过结构分析 ,发现土壤水分和盐分在一定范围内存在空间相关性。对土壤水分和盐分空间分布的动态变化进行了比较 ,同时采用CoKriging方法进行估值 ,与Kriging法相比 ,其估计方差减少百分数最大达到了 12 1.4 8% ,117.83%。

基于田块尺度的农田土壤和小麦籽粒镉砷铅污染特征及健康风险评价

以典型镉(Cd)、砷(As)和铅(Pb)复合污染农田为主要研究对象,在田块尺度上(纵向上受周边冶炼厂和污灌河流影响,横向上受道路交通影响)重点调查分析了农田土壤和小麦籽粒中Cd、As和Pb污染特征,并采用化学致癌物和化学非致癌物模型对小麦籽粒Cd、As和Pb含量进行了人体健康风险评价.结果表明,该农田土壤为中度污染水平,土壤Cd、As和Pb含量均有不同程度超标(GB 15618-2018),点位超标率分别为100%、100%和36.7%;小麦籽粒中Cd和Pb含量超标率分别为76.7%和13.3%,As含量未超过食品安全国家标准(GB 2762-2017).在纵向上距冶炼厂和污灌河流不同距离土壤Cd、As和Pb含量无显著差异,但小麦籽粒中Cd和As含量差异显著,近组Cd和As含量比远组分别高14.9%和41.8%(P<0.05).在横向上土壤和小麦籽粒Pb含量主要受道路交通影响,最近组土壤和籽粒Pb含量分别比最远组高78.9%和471%(P<0.05).该典型污染农田中小麦籽粒Cd和As对成人和儿童均存在致癌风险(致癌风险值Ri>1×10^-4),风险值Cd>As,儿童>成人,小麦籽粒Pb尚未产生健康风险.

黑土区田块尺度耕地质量遥感监测与评价

为了实现对田块尺度耕地质量的高空间分辨率监测与评价,本文以黑龙江省海伦东兴合作社为研究区,以多源遥感影像为基础获取以像元为单元的田块尺度的耕地质量信息,综合考虑当地耕地特点构建耕地质量评价指标体系,用主成分分析法确定各评价指标的权重,进行质量评价并将评价结果与干重(作物生物量)进行比较,探究利用遥感手段监测和评价田块尺度耕地质量的可行性。研究表明:利用遥感影像提取相应指数可以表征对应指标信息;在两期影像的基础上考虑地形因子进行土壤有机质(SOM)反演的精度较高;依据遥感影像进行评价得到的耕地质量结果与作物生物量相关系数为0.685,达极显著相关;借助多源遥感数据,将耕地质量差异精确到像元级,有利于实现田块尺度的耕地质量的定量评价。本研究成果可为耕地资源高效利用与管理、提高农田水肥利用效率提供参考。

黑土区田块尺度微地形因子对土壤侵蚀与碱解氮的影响

修正通用土壤流失方程流失方程(RUSLE)地形因子未体现田块微地形,造成土壤侵蚀模数模拟精度不高。本文考虑垄向对坡面径流方向影响,通过高空间分辨率DEM,以栅格为计算单元,沿垄向提取相邻栅格的方向性坡度、方向性剖面曲率微地形因子.揭示田块尺度土壤侵蚀与沉积在微地形上的时空变异特征,并以时空变异的实测碱解氮含量进行验证。研究结果表明:在规模化统一耕作管理的田块上,土壤侵蚀模数坡顶<坡中(阴坡<阳坡),方向性坡度为主控因子,凹形坡〉直型坡;微凸、微凹地形分别能加剧和抑制土壤ft蚀。研究成果可为黑土区坡耕地RUSLE模型中的地形因子修正提供依据。

田块尺度作物辐射温度获取方法对比研究

热像仪的优势在于可以获得组分辐射温度，常用于地面温度同步测量实验中，其数据与植被覆盖度联合还可以得到作物田块尺度的平均辐射温度。以黑河流域进行的星-机-地遥感综合观测试验加密观测——盈科绿洲玉米地的热像仪和手持式红外辐射计温度测量数据为基础对不同采样方式获得的地面辐射温度进行对比。对于热像仪数据：①采用阈值法对热像仪影像中的玉米和土壤背景两组分进行分离，获得了各自辐射温度的平均值；②利用LAB彩色变换法处理同步拍摄的真彩色照片，获得每块玉米样地的植被覆盖度；③最终结合组分温度和植被覆盖度求得地块平均的辐射温度。经过实验对比发现，由热红外图像计算获得的地面平均辐射温度与手持式红外辐射计垂直垄或顺垄条带采样获得的地面平均辐射温度差值较小，基本在±1℃以内，而3种测量方式的最大值、最小值相差较多。还模拟了几种常见尺度下利用手持式红外辐射计进行随机采样时，其采样平均值以不同的置信度处于真实温度±0．5℃之间所对应的采样次数。分析表明，基于点测量的采样方案难以仅利用1～2台手持式红外辐射计实现对田块或更大尺度平均辐射温度的准确测量，高时空采样频率是保障地面辐射温度测量精度的前提，与遥感像元尺度相匹配的地面真实性检验需要进行测量方法和设备的革新．