Improved spatial resolution in soil moisture retrieval at arid mining area using apparent thermal inertia

A surface soil moisture model with improved spatial resolution was developed using remotely sensed apparent thermal inertia（ATI）.The model integrates the surface temperature derived from TM/ETM＋ image and the mean surface temperature from MODIS images to improve the spatial resolution of soil temperature difference based on the heat conduction equation,which is necessary to calculate the ATI.Consequently,the spatial resolution of ATI and SMC can be enhanced from 1 km to 120 m（TM） or 60m（ETM＋）.Moreover,the enhanced ATI has a much stronger correlation coefficient（R^2） with SMC（0.789） than the surface reflectance（0.108） or the ATI derived only from MODIS images（0.264）.Based on the regression statistics of the field SMC measurement and enhanced ATI,a linear regression model with an RMS error of 1.90%was found.

神木北部风沙黄土区不同植被类型土壤水分特征

为进一步了解风沙黄土区不同植被类型土壤水分特征,选择陕西省榆林市神木市大柳塔镇5种典型植被类型的7个样地柠条1、柠条2、草地1、草地2、樟子松、沙棘、杏树为研究对象,采用单因素方差分析法比较不同样地间土壤水分的差异性。结果表明:(1)在0~100 cm土层,研究区不同植被类型间土壤含水量和土壤蓄水量均存在显著差异(P<0.05),均表现为杏树>沙棘>柠条1>柠条2>草地1>樟子松>草地2。(2)不同植被类型土壤含水量随着土层深度的增加整体上都成增加趋势。其中草地1、樟子松、草地2的变化趋势不明显。(3)不同植被类型土壤蓄水量随土层深度的增加整体上均表现出不断增加的趋势。各植被在0~40 cm土层的蓄水量均比较少且变化不大,在40~100 cm土层时土壤蓄水量变化较大且均在80~100 cm土层时的蓄水量达到最大。该试验分析出了该地不同植被类型下的土壤含水量及土壤蓄水量特征,对该地后续的水土保持与植被恢复和生态环境建设提供理论依据。

内蒙古大青山不同植被类型土壤CO_(2)通量及其对土壤温湿度的响应

为研究大青山典型植被土壤CO_(2)通量特征及其影响因素,采用静态箱‒气相色谱法测定内蒙古大青山主要植被类型油松(Pinus tabuliformis)人工林、白桦(Betula platyphylla)次生林、虎榛子(Ostryopsis davidiana)灌木林、荒草坡地土壤CO_(2)的排放规律及与土壤温湿度的关系。结果表明:(1)4种植被类型在观测期内土壤CO_(2)通量范围为11.00~673.47 mg.m^(-2).h^(-1),均为大气CO_(2)的源;(2)各样地土壤CO_(2)通量平均值大小为:荒草坡地<油松人工林<虎榛子灌木林<白桦次生林;(3)土壤温度是影响不同植被类型土壤CO_(2)通量的主要因子,土壤含水量影响不明显;(4)大青山4种植被类型土壤呼吸Q10值范围为1.07~5.64,不同植被类型间Q10值存在较大差异,Q10均值大小为:白桦次生林>荒草坡地>油松人工林>虎榛子灌木林。相关研究结果可为准确估算大青山典型植被土壤CO_(2)通量提供基础数据。

六盘山半干旱区华北落叶松林坡面土壤含水量的降雨响应

在宁夏六盘山外围半干旱区,土壤含水量是影响林木成活与生长的关键因子,需深入理解森林坡面不同坡位的土壤含水量对降雨量的响应差异。本文在宁夏六盘山叠叠沟小流域,选择一个华北落叶松人工林典型坡面,于2021年5—10月利用自动气象站和土壤水分仪连续监测降雨等气象条件和坡面土壤含水量变化,分析土壤含水量的坡位差异及对降雨量级的响应。观测期间总降水量为443.7 mm,虽然接近多年平均值,但夏季干旱严重。结果表明:(1)土壤含水量存在明显的生长季内变化,整体表现为先降低后升高的趋势,8月最低(0.112 m^(3)·m^(-3))。(2)土壤含水量存在明显的坡位差异,整体表现为:上坡[(0.191±0.044)m^(3)·m^(-3)]>中坡[(0.158±0.045)m^(3)·m^(-3)]>下坡[(0.146±0.034)m^(3)·m^(-3)],表明土壤含水量的坡位变化因处于干旱年,主要受植被蒸散耗水量大小的影响,而受坡面汇流影响不大。(3)在同一降雨量级时,因受土壤孔隙度和持水能力、林下草本截持、优先流等的影响差异,中坡的土壤含水量对降雨量增加的响应最敏感,其次是上坡,下坡最不敏感。(4)在本研究区,降雨以<10 mm的小降雨事件为主,7 mm是形成有效降雨的阈值,超过此阈值的降雨才有可能缓解0~20 cm土层土壤干旱和补给该层土壤水分。本研究有助于理解半干旱山区森林坡面的土壤含水量大小变化与分布特征,指导确定基于坡面土壤水分的植被承载力和进行林水综合管理。

花石崖不同植被类型土壤水分特征

为充分了解黄土高原不同植被类型与土壤水分之间的关系,选择陕西省神木市花石崖镇5种典型植被类型刺槐、木枣、侧柏、柠条和草地为研究对象,采用单因素方差分析法比较不同样地间土壤水分的差异性。结果表明:在0~100 cm土层,研究区不同植被类型间土壤含水量和土壤蓄水量均存在显著性差异(P<0.05),均表现为草地>柠条>木枣>侧柏>刺槐。不同植被类型平均土壤水分亏缺度表现为刺槐>柠条>侧柏>木枣>草地,其中只有草地土壤水分不存在亏缺。综上,处于自然恢复状态下的草地对研究区土壤水分的维持具有相对积极的意义。

青藏高原多年冻土区不同海拔土壤含水量对气候变化的响应--基于ELM模型

多年冻土区活动层是地表水和地下水相互转化中十分重要的交换通道,活动层土壤含水量是多年冻土区水文循环中重要的组成部分,其动态变化与寒区生态环境密切相关。在气候变化背景下,深入了解活动层土壤含水量的动态变化特征具有重要意义。本文利用ELM(Extreme Learning Machine)模型对青藏高原腹地不同海拔高度多年冻土区土壤含水量进行模拟分析,结果表明:与BP神经网络模型相比,二输入变量ELM模型的模拟精度更高;ELM模型模拟后1天土壤含水量的NSE值在0.69~0.87之间,其中坡下20 cm深度处模拟NSE取得最大值(0.87),并且模拟精度随着推后时间的增加有所提升,模拟后3天和后7天的NSE值分别在0.76~0.92和0.75~0.93之间;坡下各深度含水量的模拟效果优于坡上。在此基础上,通过设置不同的气候变化情景,研究土壤含水量在气候变化背景下的动态变化规律及响应特征。研究发现,升温导致冻结初期以及融化初期不同深度的土壤含水量均出现增大的趋势,在完全冻结期和完全融化期变化不明显。且随着气温增幅的加大,冻结初期以及融化初期的土壤含水量变化也逐渐增大,深层土壤含水量较浅层土壤含水量的增加更加显著。在降水增加的情景下,降水增加越大,土壤含水量的增加趋势越明显,但整体变化幅度较小;坡上各深度土壤含水量的增加主要发生在融化初期和完全融化期,坡下则主要集中在融化初期,相比于深层土壤,浅层土壤对降水增加的响应更加强烈。

黄土露天矿区重构土壤质量含水量差异及影响因素分析

为揭示露天煤矿区重构土壤质量含水量在水平及垂直方向的差异特征及其影响因素,为重构土壤水分改善等工作提供一定依据,以山西平朔矿区为研究区,对重构土壤及未损毁土壤进行调查取样,采取单因素方差分析法进行差异性分析,通过逐步回归方法分析重构土壤典型理化性质对其的影响。结果表明:该区域重构土壤质量含水量低于未损毁土壤,变异性高于未损毁土壤;在水平方向上,不同植被恢复模式及植被配置下重构土壤质量含水量出现差异,差异主要集中在40~50 cm土壤深度,刺槐、油松和榆树配置的乔木混交林地重构土壤质量含水量最高;土壤密度是重构土壤典型理化性质中对质量含水量影响最大的因素,其次是土壤黏粒含量。

基于无人机热红外图像的核桃园土壤水分预测模型建立与应用

为了解北方核桃园区的土壤水分状况,实现优化水资源配置的目的。该文于2016和2017年采用固定式热红外成像仪(A310 f)连续观测得到核桃主要生长季节午后(13:00和14:00)的冠层温度,并同步观测温度、湿度、辐射、风速、降雨量和0~80 cm不同土层深度的土壤体积含水量。并于2017年8月11日利用无人机热成像系统(TC640)对连续灌溉区域和干旱胁迫区域进行了图像采集。结果表明,40~60 cm土层深度可能是核桃树主要吸收水分的区域。冠层温度普遍高于空气温度,其变化范围在0~5℃之间,冠气温差与土壤含水量呈负相关,与太阳辐射呈正向关系,其中,土壤含水量的贡献值达到了75%。利用2017年13:00时的冠层与空气温差数据来建立的土壤水分预测模型,R2=0.64;同时,利用14:00时的实测数据对所建立模型进行验证,R2=0.61,表明该模型具有一定的拟合精度。最后,将模型用于诊断核桃区域水分状况,证明了其具有较好的实际应用效果。该研究首次将固定式热成像设备与无人机热成像系统相结合来研究树木的冠层温度,并成功实现了从理论模型到实际应用,从单株水平到区域尺度的转换。

渭北旱塬不同覆盖对冬小麦生产综合效应研究

为了探讨旱地有效蓄水保墒对冬小麦的综合效应,从1998～2000年在渭北旱原合阳县西北农林科技大学试验基地进行实验研究。3年的试验结果表明,冬小麦在生长期采用渗水地膜、秸秆、常规地膜及不同覆盖技术,均有显著增产效果,能显著增加土壤贮水量(除常规地膜覆盖外),使土壤上层长期保持湿润状态,提高土壤温度,降低昼夜温差,避免降雨直接冲击地面,保持良好的土壤结构。与常规地膜覆盖和秸秆覆盖比较,渗水地膜覆盖冬小麦增产分别为43.1%和40.4%。秸秆覆盖能增加土壤有机质,提高土壤肥力。渗水地膜和常规地膜具有相同的增温效果,当气温达35℃以上时,渗水地膜还具有降低极端温度的调节功能。但是,覆盖易造成有机质大量矿化物和NO-3-N的淋失。

宁南黄土丘陵区不同生态恢复与重建中的土壤水分变化研究

针对宁南黄土丘陵区存在的生态脆弱、环境恶化的突出问题,对黄土丘陵区不同生态恢复过程中的土壤水分变化进行了研究。研究结果表明:在退化山地的植被恢复过程中,0￣60cm土层,土壤水分含量随恢复年限的增长而增加,在60cm土层以下,土壤含水量随着退耕年限的不断增长不断减小;对于不同恢复方式的土壤水分含量,88542水平沟>人工草地>鱼鳞坑>天然草地;对于不同植被类型的土壤水分含量,草地>灌木地>林地;对于不同地形的土壤水分含量,阴坡>半阴坡>阳坡,坡下部>坡中部>坡上部,并且随着坡度的不断增加,土壤水分含量不断减小。

在典型草原放牧退化过程中土壤环境质量的变化研究

在2001年5月～9月研究了三个不同退化强度草原群落的土壤含水量、有机质含量、全磷古量的差异及其季节变化特征，结果表明，春季和秋季未退化群落土壤含水量高于其他两个群落，夏季未退化群落含水量最低，不同群落土壤有机质和全磷含量大小顺序均为，未退化群落〉中度退化群落〉重度退化群落，方差分析指出中度退化群落与未退化群落土壤有机质在0～10cm土层处差异显著。而重度退化群落与中度退化群落土壤有机质在10～20cm土层处差异显著．三种群落全磷含最在0～10cm层次都没有显著差异，但在10～20cm和20～40cm层次上，未退化群落与中度退化群落、重度退化群落之间都存在极显著差异，而中度与量度退化群落之间差异不显著。

冬小麦遥感冠层温度监测土壤含水量的试验研究

在冬小麦主要生育期(2002年4月初到5月底),对不灌溉的冬小麦测定了冠层温度、地温、气温以及土壤含水量,计算了冠气温差且分析了冠层温度和冠气温差与不同土层厚度的土壤含水量相关关系。结果表明:14∶00的冠层温度能较好地反映20cm土层的土壤含水量变化,但与其它各土层相关性有较大的波动性;14∶00的冠气温差能较好地反映40cm以上土层的土壤含水量变化,二者的相关性很高,在20cm、40cm土层,两者相关系数R2分别为0 98866、0 99389,这为用区域遥感数据反演主要生育期冬小麦的冠气温差进而监测区域40cm土壤含水量提供了实验性的依据;拔节期和灌浆期,用14∶00冠气温差来拟合各土壤层的土壤含水量有较高的精度,从而为用区域遥感数据监测区域土壤含水量提供了经验性的模型。

渭北旱塬不同种植年限苹果园土壤水分的变化特征

对渭北旱塬不同种植年限和不同产量苹果园的土壤垂直深度含水量进行了研究。结果表明,不同种植年限的果园中,0-1 m的土层水分变化明显,随土壤深度的增加土壤含水量下降较快;在1-2 m土层中,含水量随土壤深度加深逐渐降低,随种植年限的增加也逐渐降低,且变化明显;2-8 m土层中各种植年限的不同深度土壤含水量变化不大,种植年限越长含水量越小,且不同年限果园之间的差异明显;10-15 m土层的含水量随种植年限增加土壤含水量逐渐降低,差异明显。不同产量园中,0-2 m土层,产量越高的果园土壤含水量越大,随着土壤深度的增加含水量先升高后降低;2-8 m土层中含水量较稳定,没有剧烈波动,8-10 m土壤出现含水层;10-15 m土层含水量在15%左右,波动不大。

黄土丘陵区不同林龄乔灌林地土壤水分及持水性能研究

土壤水分是黄土丘陵区生态恢复过程中的主要制约因素,对该区典型流域不同林龄主要乔灌林地土壤容重、水分特征和持水能力的分析结果表明,表层土壤容重表现出天然灌木林<乔木林<人工灌木林<果园,且容重随林龄的增加而减小,即20a>25a>30a。下层土壤容重与表层变化规律相似。土壤总孔隙度与土壤容重和非活性孔度变化规律相反,与土壤活性孔度和土壤孔隙比变化基本一致。0-50cm土层土壤含水量变化顺序为果园>刺槐>柠条>狼牙刺,50-500cm土层则是刺槐林地最小,灌木林地在50-200cm土层的变动幅度较大,200-350cm土层柠条小于狼牙刺,350-500cm土层狼牙刺则小于柠条,主要受人工林种植密度和人为干扰措施影响。苹果园经过隔坡梯田整地措施,其林下0-500cm土层土壤水分含量最高。该区提倡"灌木先行"的植被恢复措施是必要的。表层土壤总持水量随林龄增加而增加,土壤总持水量变化顺序为天然灌木林地>乔木林地>人工灌木林地,有效持水量却表现出与总持水量相反的变化趋势,容重越低,土壤有效持水性越强。20-40cm土层及40-60cm土层的持水特性表现出与表层土壤相似的规律。

划破草皮对祁连山不同地形高寒矮嵩草草甸土壤呼吸特征的影响

以青藏高原东北缘祁连山高寒矮嵩草草甸为对象,用土壤呼吸测量仪分别进行了平地和缓坡地两种地形草甸经划破改良后的土壤呼吸排放速率测定。结果表明:经划破处理的高寒草甸土壤呼吸排放速率呈明显的季节动态,最大值出现在7月。土壤呼吸排放速率与地表温度、5 cm处土壤温度均呈指数正相关关系,与土壤含水量具有拟合度较高的二次多项式相关性,与地上、地下生物量存在正相关关系。土壤呼吸温度敏感性指数Q10显示,划破干扰均增加了两种地形地表温度的Q10值,而5 cm土壤温度仅增加了缓坡地的Q10值。通过随机森林变量重要性评估可知,影响该区域平地土壤呼吸的主导因素为土壤含水量,影响缓坡地土壤呼吸的主导因素为5 cm处土壤温度。因此,在应用划破草皮改良技术时应充分考虑制约条件,因地制宜,才能真正达到改良草地的目的。

不同覆盖条件对陇东旱塬苹果园土壤水分及果实品质的影响

为了提高苹果园的水分利用效率和果实品质,以长富2号17年生苹果树为试材(基砧为山定子,中间砧为M26),覆盖条件共设覆黑膜+覆麦草(处理Ⅰ)、覆麦草(处理Ⅱ)、覆玉米秆(处理Ⅲ)、生草(处理Ⅳ)4种处理,以清耕为对照,就不同覆盖条件对苹果园土壤集雨保墒的影响情况进行了试验研究。结果表明:在5～7月干旱期的各测定日期,处理Ⅰ～Ⅲ这三种覆盖条件下土壤各层的绝对含水量均显著或极显著高于处理Ⅳ和对照;在干旱程度较重的6月中旬,不同覆盖条件下土壤全层(0～60 cm)的绝对含水量比生草处理Ⅳ和对照的提高13.54%～37.77%,其中0～20 cm土层的绝对含水量提高25.25%～55.92%,20～40 cm土层的绝对含水量提高了5.26%～26.13%,40～60 cm土层的绝对含水量提高了7.15%～33.82%,说明集雨保墒效果明显,但处理Ⅰ～Ⅲ这三种覆盖处理间保墒效果的差别不大。处理Ⅰ～Ⅲ的果实单果质量比处理Ⅳ和对照增加6%～10%;果实中的可溶性固形物含量,处理Ⅱ与对照接近,其他覆盖处理的均显著低于对照;果实去皮硬度,处理Ⅱ的最大,为10.69 kg·cm-2,极显著高于其他处理及对照。

基于遥感和地面试验的水分指数与土壤湿度及生理指标关系

为研究作物生长发育早期受干旱影响的作物水分光谱特征,对冬小麦返青期进行水分控制试验。利用野外光谱辐射仪在河北固城试验区测量冬小麦的光谱并分别计算归一化水分指数(NDWI)和简单比值水分指数(SRWI),同时测定冬小麦的叶绿素浓度(Chl)、叶面积指数(LAI)、株高(H)和叶片相对含水率(LRWC)等冠层生理指标和土壤湿度(SM)。分析结果表明:冬小麦生理指标与土壤湿度之间有着显著的正相关,最大相关系数为0.657,表明土壤水分状况直接影响作物发育早期的光合和生长状况。NDWI/SRWI与SM相关系数均为0.545,呈现弱的正相关;相反,水分指数与冬小麦生理指标之间的相关不明显,特别是,NDWI/SRWI与LRWC的相关系数仅为0.175。据此得出在作物低覆盖生长阶段,水分指数更多反映的是土壤水分状况而不是作物水分。

基于表观热惯量的土壤水分监测

土壤水分含量是监测农业干旱的重要指标,遥感法是大面积监测土壤水分时空特征的主要方法,热惯量法是遥感方法监测土壤水分的主要研究手段之一。本文提出了一个改进的表观热惯量模型计算表观热惯量,并通过地面验证试验对该模型的适用性进行了分析。在中国科学院栾城农业生态系统试验站,通过严格的控制试验,设计了10个不同植被覆盖、不同土壤水分含量的试验小区,针对表观热惯量的适用条件,利用实测的地表温度、植被指数、反照率、太阳辐射等参数计算了不同植被覆盖不同土壤水分含量下的表观热惯量,并与土壤体积含水量进行了相关和回归分析。结果表明:在植被覆盖度较低情况下[归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)<0.35],表观热惯量法具有较好的效果,表观热惯量与土壤体积含水量之间的相关系数大于0.7,通过了95%的显著性检验,两者具有很高的相关性,可以用热惯量法监测土壤水分状况;在较高植被覆盖情况下(NDVI>0.35),表观热惯量与土壤体积含水量之间没有相关性,热惯量法监测土壤水分失效;NDVI为0.35可以作为热惯量法监测土壤水分状况是否可行的判断条件。

边坡土壤含水率对不同植被土壤抗剪强度的影响

边坡土壤含水率是影响边坡稳定性的重要因素。本文通过直剪试验,研究边坡土壤含水率对不同植被类型土壤抗剪强度的影响。试验结果显示,天然含水率时,草地土壤抗剪强度高于裸地;随着含水率的增加,土壤抗剪强度及其指标(粘聚力和内摩擦角)基本呈现先增大后减小的趋势,其中裸地土壤抗剪强度在含水率约为10%时达到峰值,草地土壤达到抗剪强度峰值时的含水率约为12%,且草地土壤峰值时的抗剪强度值明显大于裸地;峰值过后含水率继续增加到饱和含水率的过程中,草地土壤抗剪强度减小的幅度小,受含水率变化的影响小。由此表明,边坡植被能显著减弱土壤含水率的增加对土壤抗剪强度的影响,增强边坡土体的稳定性。

六道沟流域典型坡面不同土地利用方式下土壤水分动态变化研究

以黄土高原水蚀风蚀交错带六道沟小流域典型坡面为研究对象,分析了雨季不同土地利用方式下土壤水分的动态变化。研究结果表明:雨季不同土地利用方式下不同测定时期土壤储水量的变异程度为退耕苜蓿地>荒地>退耕林地>农田,均为弱变异;土壤含水量在垂直剖面方向均存在显著差异,随土层深度的增加都呈现出减小趋势,且变异程度为荒地>退耕林地>退耕苜蓿地>农田;沿坡长方向从坡顶到坡脚土壤含水量和生物量的变化呈波浪状,且生物量波峰基本与土壤水分波谷相对应,这说明较高的植被生产力消耗较多的土壤水分。