秸秆覆盖措施对辽宁地区黑土土壤水文物理性能的影响

为探讨秸秆覆盖对东北黑土水文物理特性的影响,文章利用辽宁昌图县黑土试验区进行同步观测试验,分析秸秆覆盖措施下黑土土壤含水量、孔隙度以及养分的变化。试验表明:相比于秸秆覆盖前,黑土水文物理特性得到明显改良,土壤容重平均可降低7.4%,孔隙度平均可提高40%。土壤有机质含量也明显改善,含量平均可提高16.69%,使得土壤肥力增强。研究成果对于东北黑土土壤特性改良试验具有参考价值。

东北黑土土壤磷的纬向分异

以中国东北的中纬度黑土区为样带,研究了有机磷浓度与有机质、全氮浓度的关系;全磷、有机磷、无机磷及有机磷和无机磷的比率与纬度分布的关系。结果表明,有机磷和有机质、全氮浓度具有良好的相关性,它们之间的相关系数分别为0.90和0.92,呈极显著正相关(P<0.01)。全磷、有机磷、无机磷、Po/Pi在纬度上都存在不同程度的分异规律,即随着纬度的升高,其浓度或比率均有逐渐升高的趋势;其相关系数分别为0.68、0.77、0.26和0.60,相关分析表明,这些纬向分异规律都达极显著水平(P<0.01)。除了无机磷的纬向分异原因尚不明确之外,其他纬向分异的原因可能是由于黑土南北样带气候热量上的差异和人类活动的影响所致,从而造成南北样带之间有机质的矿化程度和速率产生差异。

不同含水量黑土土壤光谱反射率半经验模型构建

土壤含水量的变化情况与时空分布对热量平衡、农业墒情等具有显著的影响。利用反射率光谱信息反演土壤含水量的研究,可为实现土壤含水量速测、揭示土壤含水量时空变异规律提供科学依据。构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型,深入探究土壤重量含水量与反射率光谱的关系。制备了12种不同湿度的土壤样品。采用ASD Field Spec Pro 3地物波谱仪对制备的不同湿度梯度的黑土土壤进行反射率光谱测量。利用菲涅耳反射率建立土壤表面反射模型;在以往的研究中,Kubelka-Munk(KM)模型中的漫反射率R∞通常被视为对于给定材料和照明波长的常数或需要反演的参数。通过研究发现,漫反射率R∞不仅与材料和波长有关,还与土壤含水量相关。利用与土壤含水量相关的吸收系数及散射系数描述了土壤含水量与漫反射率R∞的关系,并基于KM理论对体散射分量进行建模;进而构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型。根据实际测量数据选用最小二乘算法对模型参数进行反演,并通过分析反演参数简化模型。最后,将未参与建模的不同含水量梯度的数据代入模型中,验证模型的有效性。结果表明:对比不同含水量土壤反射率光谱的模拟值与实测值在400~2 400nm波段范围内的模拟精度发现,含水量为200g·kg^-1的土壤反射率光谱的均方根误差最大,为0.008,含水量为40g·kg^-1的土壤反射率光谱的均方根误差最小,为0.000 6,不同含水量下土壤样品反射率光谱的均方根误差的均值是0.005 1。在400~2 400nm波段范围内,不同波长下黑土土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.008,1 920nm波长处的预测均方根误差最小,为0.002 062。采集长春地区的土壤检验模型的可靠性,配制15个不同含水量样品并对其进行反射率光谱测量。选取9个样品数据用于建模,6个样品数据用于验证。结果表明:在400~2 400nm波段范围内,不同波长下的长春土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.015,525nm波长处的预测均方根误差最小,为0.000 922 5。综上所述,所建立的模型具有很高的预测精度,可很好地适用于不同含水量黑土土壤反射率光谱的模拟。

基于TASI热红外数据的黑土土壤发射率光谱与土壤全钾含量关系研究

土壤钾元素含量是评价土壤营养程度重要的指标之一。利用热红外发射率(TASI)数据对钾元素的反演研究较少且模型精度较低。利用在黑龙江海伦地区采集的热红外航空成像光谱仪TASI数据,经过预处理和温度与发射率分离后,探究黑土土壤热红外发射率与钾元素含量关系。在对比了常规的多元逐步回归与偏最小二乘建模方法后,使用了一种新的逐步回归方法-全二次多元逐步回归建立模型,相对于常规多元逐步回归,引入了更多的参数进行模型的建立,有效提高反演精度。研究发现,土壤发射率数据对于选用有效特性波段建立的模型对钾元素具有较高的反演精度,所选特征波段均为负相关,波段分别为6(8.602μm), 11(9.150μm), 15(9.588μm), 23(10.464μm),相关系数依次为-0.658,-0.673,-0.645和-0.627。钾元素通过多元逐步回归建模与预测的均方根误差RMSE:0.027和0.032,判定系数R^2:0.667和0.82,相比于常规多元逐步回归建模与预测的均方根误差RMSE:0.031和0.031,判定系数R^2:0.569和0.78与偏最小二乘法建模与预测的均方根误差RMSE:0.033和0.037,判定系数R^2:0.45和0.51评价指标精度均有所提高,说明该方法有效提高了利用发射率数据对钾元素的反演精度。在利用学生化残差对模型进行去除异常值的改进后发现,建模精度有了明显提高但是测试精度却有所降低,过度拟合训练集数据导致模型泛化性下降,因此不建议对模型过度拟合。

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场,利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据,对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究.根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、5 cm、10 cm及15 cm四种不同深度,对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析,研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况,了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响.结果表明:在北京时间08:00、14:00及20:00,阳坡15 cm、10 cm、5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、0.9216、0.5989、0.7281,斜率平均标准偏差分别为0.017、0.019、0.095、0.056,截距平均标准偏差分别为0.17、0.25、1.31、0.83.阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系.阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著.在整个冻结融化期,因受太阳辐射、降水及蒸发的强烈影响,阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著,但比5 cm深度的关系显著.

吉林黑土区土壤-作物系统重金属元素地球化学特征研究

在吉林中部系统的野外调查和土壤及玉米籽实样品采集、测试的基础上,采用统计对比及相关分析方法研究了土壤重金属元素含量、有效态含量及玉米籽实重金属元素含量的空间分异,并对土壤-作物系统重金属污染状况进行了评价,目的在于为这一重要粮食产区的环境保护提供科学的依据。结果表明:土壤重金属元素含量、有效态含量及玉米籽实中重金属元素含量在不同研究区存在差异;研究区没有As、Cr、Cu、Ni、Zn元素的外来污染源;Cd元素的表层富集趋势可能是使用化肥所致;吉林黑土区土壤环境质量非常好,处于Ⅰ级水平,十分安全。

基于深度神经网络与热红外成像高光谱数据的黑土土壤全磷含量预测研究

土壤磷素含量是评价土壤养分的重要指标之一。利用热红外发射率数据对土壤全磷含量进行反演的研究较少且多使用常规线性回归方法,本文利用东北海伦地区采集的热红外航空成像光谱仪TASI(Thermal Airborne Hyperspectral Imager)数据,通过机器学习方法探究黑土土壤发射率与全磷含量关系,选出最优模型对研究区土壤全磷含量进行预测研究。结果表明:在8~11.5μm范围内,土壤热红外发射率值随着全磷含量的增加而增加;除原始光谱10.792μm这一波段外,发射率值及其数学变换与全磷含量相关系数均在0.5以下,相关性较弱;在DNN(Deep Neural Networks)训练集和测试集中,从模型精度和PSO(Particle Swarm Optimiazation)算法优化时间来看,弹性传播训练算法(RP)表现最佳,决定系数R^(2)分别为0.51、0.7,均方根误差RMSE分别为0.0443、0.0301;激活函数对本次构建的网络精度影响非常有限,激活函数为Tansig和ReLU的深度神经网络模型训练集精度基本与偏最小二乘及逐步回归模型一致,测试集精度有所提高但稳定性较为欠缺;研究区土壤全磷含量整体较高,水田和旱田含量均大于0.8 g kg^(-1),城镇及建筑群密集程度与土壤全磷含量呈负相关,与偏最小二乘模型对土壤全磷含量预测结果相比,神经网络模型对研究区土壤全磷含量小于0.6 g kg^(-1)和0.6~0.8 g kg^(-1)两区间做了更多划分,将更多人为活动密集区附近像元划分到该含量区间内,从而使得预测含量更加符合真实情况分布;总体来看,全磷含量最高值集中分布于研究区西部、西北及西南部,但在东部及其北部区域则呈无规律性分散分布,中部地区及其余地区含量值大多为0.8~1.0 g kg^(-1)。综上,合适调参的深度神经网络模型在反演土壤元素类问题中的表现与偏最小二乘及逐步回归等方法相比更加具有发展的潜力,在样本数据量足够的前提下,深度神经网络能够得到充分训练从而使得预测结果更加精确、稳定。

生物炭对东北大豆不同生育期根际黑土环境的影响

为探讨施用生物炭对东北大豆不同生育期内黑土理化性质和土壤微生物数量的影响,研究不同用量生物炭T_(0)(0 kg/hm^(2))、T_(1)(350 kg/hm^(2))、T_(2)(750 kg/hm^(2))、T_(3)(1500 kg/hm^(2))对东北黑土土壤有机质、pH、碱解氮、有效磷、速效钾、土壤酶(脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶)、土壤团聚体、有机碳(总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化碳)和微生物量的影响。结果表明,土壤施加生物炭可提高大豆不同生育期土壤有机质的含量,其中T_(3)处理提高土壤有机质含量29.32%;生物炭对大豆成熟期土壤pH有一定改良作用;碱解氮在大豆生育期内逐渐下降,且含量均大于对照;生物炭对大豆开花期和成熟期土壤有效磷的提高有显著作用;生物炭对土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖转化酶和磷酸酶活性影响较大,整体上提高了这4种土壤酶的活性;生物炭可提高黑土土壤聚团体的稳定性及积累黑土土壤中总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化碳,且土壤中细菌和真菌总数显著增加。综上所述,生物炭施用后对东北黑土土壤的理化性质有显著影响,这些环境因子的改变驱动了土壤中微生物数量的变化。

东北地区生物滞留设施的构建要点研究

结合东北地区气候特点,对生物滞留设施的构建要素进行了探讨。分析认为,宜增加蓄水层高度,提高系统对雪融水水质和水量的抗冲击能力,营造缺氧环境,实现脱氮除磷;滞留层宜为换土型,并掺入碳渣或粉煤灰,减轻黑土粘性堵塞;增加种植土层厚度,延长流程,吸附污染物;采用连续级配砂层提高结构稳定性,砂层不宜过厚,以免过早结冻;按分区选用本土耐寒、抗逆性强、根系发达的植物;冬季增加覆盖层厚度或采取专门保温措施。