生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响

为探明生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响,在大豆全生育期生长条件下,研究了东北黑土区草甸黑土5种生物炭添加量(0、25、50、75、100 t/hm2)下土壤物理性质(包括:土壤水分特征曲线、土壤含水率常数、土壤水分扩散率)和单次降雨土壤含水率变化特征,分析了生物炭对黑土区草甸黑土耕层土壤持水能力及雨后水分动态变化的影响。结果表明,施用生物炭能降低土壤残余含水率,增加土壤饱和含水率和田间持水量,其中对残余含水率的影响最显著,100 t/hm~2生物炭处理使残余含水率最多降低27.6%;施用生物炭能明显降低土壤水分扩散率,随生物炭添加量的增加依次比对照组减少34.8%、37.5%、71.4%和58.9%;在单次降雨过程中,施用生物炭能减小土壤含水率的变化幅度,使土壤含水率在降雨之后更快地由迅速下降期进入缓慢下降期,并能明显提高缓慢下降期对应的土壤含水率;施用生物炭可以提高大豆产量,以75 t/hm~2生物炭处理最高。研究结果可为黑土区农业水土资源高效利用与保护提供理论依据。     

土壤热特性参数空间变异性与拟合方法研究

采用3S技术相结合的方法,在陕西省泾惠渠灌区研究了土壤热特性参数区域尺度的空间变异性,结果表明:土壤热容量、热扩散率及土壤导热率在该区域尺度下属于中等变异,土壤热扩散率和导热率的空间异质性较强,而土壤热容量的空间异质性相对土壤热扩散率和导热率表现较弱,三者均具有较强的空间依赖性。土壤热容量、热扩散率及土壤导热率的最优拟合模型分别为指数、球型、高斯模型,推荐三者的采样间距分别为2.67、3.68、2.76 km,推荐该区域范围内土壤热特性参数空间变异采样间距的最优值为3 km。在描述土壤热特性参数空间变异特征的基础上,建立利用土壤物理基本参数拟合土壤热特性参数的简单公式,并验证了此方法的适用性,决定系数R2达0.80以上,利用此方法能够实现土壤热特性参数的空间变异特征在复杂程度上的定量化。     

含水率对土壤热物性参数影响的试验研究

土壤的导热系数、比热容和热扩散系数是表征其传热和蓄热的最重要热物性参数,是土壤热性质研究的重要内容。基于准稳态导热理论的平板仪法,对常用沙土的上述3种热物性参数进行了实验研究。结果表明:在土样未到达饱和状态时,导热系数、比热容、热扩散系数均随含水率的增加而增加,从含水率为0%增加到5%时的增幅最大。导热系数和热扩散系数随土壤质地类别和含水率的变化而变化,比热容的大小主要随含水率的变化而变化。平板仪测出的导热系数较热探针测出的值略微偏大,但两种方法测出的误差小于5%的数据占总数的97%,两种方法对土壤的应用等效。     

黑土区施加生物炭对土壤综合肥力与大豆生长的影响

为探明黑土区施加生物炭对土壤持水性能、土壤养分以及大豆生长的影响,以东北黑土区3°坡耕地田间径流小区为研究对象,进行为期4年的观测。按照生物炭施加量,2015年共设置C0(0 t/hm~2)、C25(25 t/hm~2)、C50(50 t/hm~2)、C75(75 t/hm~2)、C100(100 t/hm~2) 5个处理,2016—2018年分别连续施加等量的生物炭。结果表明:连续4年,0～60 cm土层土壤储水量随施炭量的增加呈先增大、后减小的趋势,而对60～100 cm土层土壤储水量影响不显著;连续4年,饱和含水率随施炭量的增加呈逐渐增大的趋势; 2015年田间持水率、凋萎系数随施炭量的增加呈逐渐增大趋势,2016—2018年呈先增加、后减小趋势;连续4年,施加生物炭提高了大豆各生育阶段的株高和叶面积,同期相对较优处理分别为C75、C50、C50、C25;连续4年,大豆冠层覆盖度与施炭量呈抛物线变化(R~2均在0. 89以上,P 0. 01),连续施加2年的C50处理各生育期提高量最大,与C0相比提高了81. 4%、36. 7%、31. 5%和39. 6%;连续4年,土壤pH值和有机质、速效钾含量随施炭量的增加呈逐渐升高趋势,碱解氮、有效磷含量呈先升高、后降低趋势,相对较优处理为C50、C50、C25、C25。采用改进的内梅罗指数模型计算的土壤综合肥力指数与产量呈正相关(R~2=0. 861 5,P=0. 001 2,RMSE为0. 75),土壤综合肥力水平最高的生物炭施用模式为连续2年施加50 t/hm~2的生物炭。     

生物炭与化肥互作对土壤含水率与番茄产量的影响

为探明生物炭与化肥互作对番茄土壤含水率与及产量的影响,试验设置5个生物炭水平0t/hm~2(B1)、10t/hm~2(B2)、20t/hm~2(B3)、40t/hm~2(B4)、60t/hm~2(B5)和2个化肥水平中肥(F1)和低肥(F2)。结果表明:0～20cm土层土壤含水率均随生物炭施用量增加呈现增大趋势。在番茄生长阶段,0～20cm低炭处理土壤含水率与对照相比增幅在10%以内,高炭处理增幅达40%。20～40cm土壤含水率与0～20cm变化规律恰好相反,与对照相比施炭处理土壤含水率均呈下降趋势。其中B4F1和B4F2含水率最小,为对照的70%。施加生物炭后土壤含水率变化幅度(Ka)和变异程度(Cv)减弱。同一深度土壤随着施炭量增加Ka和Cv均减小。与对照相比较高施炭处理(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)变异系数Cv相对较小。随着番茄生长土壤水分在垂直剖面影响表现为较高施炭量(B4F1、B4F2、B5F1、B5F2)能有效保持耕作层有效水分,与对照相比差异显著。随着施炭量增加番茄产量增幅出现先升高后降低趋势,且均高于对照。B4F1、B4F2、B5F1、B5F2分别增幅46.34%、58.61%、49.63%和39.18%,其中B4F2产量最高。同一施炭不同施肥处理间差异不显著。研究成果可为内蒙古半干旱地区农业生产提供依据。     

生物炭、河沙对盐碱土水盐、氮素及玉米产量的影响

【目的】探究连续施用生物炭与河沙1 a和3 a对黄河三角洲地区中度盐碱土的改良效果、氮素及夏玉米产量的影响。【方法】采用田间小区试验,共设置CK、C1[5 t/(hm~2·a)生物炭]、C2[10 t/(hm~2·a)生物炭]、C3[20 t/(hm~2·a)生物炭]、S1(5%沙)、S2(10%沙)、S3(15%沙)7个处理。【结果】(1)施加生物炭对掺炭层土壤含水率提升效果显著,施用1 a较CK增加2.20%～7.34%,第3年较CK增加5.08%～16.38%。其中,C3处理效果较优;随施沙量增加,掺沙层的土壤含水率呈降低趋势。(2)3 a累积效应下,掺沙处理土壤降盐效果要优于生物炭处理,掺沙10%～15%的脱盐效果较好,较CK脱盐率达15.52%,且3 a累积效果优于1 a。(3)施加生物炭能明显提高0～40 cm土层的硝态氮(第1年:10.34%～60.60%;第3年:14.24%～41.92%)、铵态氮量(第1年:0.96%～16.96%;第3年:-4.56%～7.37%),其中,C3处理增幅显著,掺沙处理则仅提升了20～40cm土层氮素量。(4)生物炭处理对夏玉米产量的提升优于掺沙处理,第3年较第1年增幅为2.40%～19.86%,且随施炭量增加而增大。【结论】添加生物炭对盐碱地的改良效果、氮素量及作物产量的提升要优于掺沙,且3a的累积效果较优,因此,建议对黄河三角洲地区的中度盐碱地长期掺加20 t/(hm~2·a)的生物炭。     

生物炭对有机菜心产量、品质及水分利用的影响

为探究生物炭对提升有机菜地土壤保水能力与菜心水分利用的作用,基于田间小区定位试验,研究不施肥（CK）、单施有机肥（MC0,110t/hm2）、有机肥+低量生物炭（MC1,110t/hm2+85t/hm2）和有机肥+高量生物炭（MC2,110t/hm2+17t/hm2）对土壤水分动态以及有机栽培菜心产量、品质及水分利用效率的影响。结果表明,有机肥配施生物炭可显著提高有机菜地表层土壤（0～20cm）含水率,增加0～70cm土壤贮水量,与处理MC0相比,处理MC1和MC2全生育期平均含水率分别提高4.7%和8.6%（P<0.05）,0～70cm土壤贮水量分别提高12.3%与3.4%。CK处理0～20cm土层含水率变化幅度大（10.5%～31.2%）,处理MC1变化幅度相对较小,为15.4%~30.4%。相比处理MC0、MC2和CK,处理MC1可显著促进菜心生长,增加产量,改善菜薹品质。菜心株高、叶片数和叶围面积均以处理MC1为最高,相比处理MC0,处理MC1生物量与产量分别提高36.7%、59.1%,而硝酸盐含量降低20.0%～44.3%。与MC2、MC0和CK相比,处理MC1周年耗水量分别降低3.6%、6.8%和13.7%（P<0.05）,而产量水分利用效率分别提高49.8%、75.7%和2264.8%（P<0.05）,生物量水分利用效率分别提高45.4%、46.6%和720.1%（P<0.05）。处理MC2与MC0相比,菜心产量和水分利用效率虽明显增加,但均显著低于处理MC1。研究结果可以为西北旱区有机蔬菜合理制定培肥制度提供理论依据。     

黑土区坡耕地连年施加生物炭的最佳模式研究

为探讨东北黑土区连续多年施加生物炭的应用效果及其综合影响,寻找最佳的施碳量以及施加年限,于2015年在位于黑龙江省北安市的红星农场开展了生物炭最佳施用模式的研究。按照生物炭的施加量设置Y0(0 t/hm~2)、Y25(25 t/hm~2)、Y50(50 t/hm~2)、Y75(75 t/hm~2)、Y100(100 t/hm~2) 5个处理,每个处理重复两次,连续施加4年(2015—2018年),对土壤理化性质、水土保持效应以及节水增产效应等指标进行观测,建立基于优化遗传算法的投影模型,对指标进行了综合评价。结果表明:随着生物炭施加量、施加年限的增加,土壤容重呈现降低趋势,土壤p H值、土壤碳氮比则呈现上升趋势,且生物炭的累积施加量越大,这种趋势就越明显。Y25、Y50处理下的田间持水率随着施加年限的增加呈现逐年升高趋势,Y75处理则呈现出先升高、后降低的趋势,Y100处理则呈现逐年下降趋势,其中2018年Y25处理下的田间持水率为37. 33%。径流系数与土壤侵蚀量均与施炭量呈现先降低、后升高的趋势,连续施加两年50 t/hm~2生物炭的径流减少效果与抗侵蚀效果最优。连续施加4年25 t/hm2生物炭的玉米产量在所有处理中最高,为10 350 kg/hm~2。水分利用效率(WUE)的最优处理为2015年的Y50,为32. 85 kg/(mm·hm~2)。通过综合评价模型得出,连续3年施加32. 63 t/hm~2生物炭为东北黑土区最佳生物炭施用模式。该研究结果可为生物炭对黑土区土壤改良提供理论依据。     

黑土坡耕地连续施加生物炭的土壤改良和节水增产效应

东北黑土区土壤肥沃、性状优良、适宜作物生长,然而大面积坡耕地的水土流失问题严重威胁着区域生态环境和国家粮食安全。为探明施加生物炭对该区域坡耕地的节水增产效应,以及最优施加量与施加年限,基于田间径流小区进行为期两年的观测试验。2015年,试验根据生物炭施加量设置为C0(0 t/hm2)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)和C100(100 t/hm2)5个处理;2016年,各处理分别连续施加等量生物炭。试验结果表明:施加两年生物炭均降低了土壤容重、提高了孔隙度和有机碳密度,且随施加量的增加效果越显著;2015年实测田间持水量随生物炭施加量呈上升的趋势,2016年则呈先升后降的趋势,上升至C50处理达到最佳;2016年C50处理土壤三相比较合理,广义土壤结构指数(GSSI)高于其他处理;连续两年施加生物炭均减少了3°坡耕地的年径流量,各年份年径流系数降低最多的分别为C75(15.44%)和C50(17.27%)处理。适量生物炭也可增加单次降雨后雨水蓄积量和其随时间下降的速率和幅度;2015年和2016年大豆产量最高的处理分别是C75和C50,增产率分别为27.16%和28.17%。比较2015年和2016年试验结果,连续两年施加50 t/hm2生物炭时,大豆水分利用效率较对照处理增幅最高,为27.67%,节水增产效果最佳。     

施用生物炭对膜下滴灌玉米土壤水肥热状况及产量的影响

为探究生物炭在河套灌区滴灌玉米种植过程中的适用性,试验设置不施用生物炭(CK)、生物炭施用量为15 t/hm~2(ST1)、30 t/hm~2(ST2)、45 t/hm~2(ST3)和60 t/hm~2(ST4)共5个处理,研究了不同施炭量对土壤含水率、温度、养分含量和玉米产量指标的影响。结果表明:随生物炭施用量的增加,玉米耕层土壤含水率呈先增加后减小的趋势,但均明显高于CK,且当施炭量达到45 t/hm~2,效果最为显著,各生育期0~20 cm平均含水率较CK高15.01%、19.60%、13.12%、11.06%和3.38%。施用生物炭显著提高了耕层土壤养分含量,玉米全生育期内,各施用生物炭处理土壤有机碳含量平均较CK高37.48%~56.09%,差异性显著,以处理ST4增幅最大;速效磷平均较CK高51.26%~69.75%,差异性显著,且处理ST3增幅最大;速效钾平均较CK高25.97%~49.37%,差异性显著;碱解氮含量平均较CK高29.91%~51.88%,差异性显著,以处理ST3增幅最大。施用生物炭显著提高了耕层土壤温度,且随施炭量的增加呈增加趋势,但当施炭量达到45 t/hm~2后,增温效果减弱。施用生物炭显著提高了玉米产量,处理ST1、ST2、ST3和ST4分别较CK增产11.05%、18.56%、22.46%和18.72%,差异性显著。综上所述,施用生物炭显著改善了耕层土壤的水肥热条件,且增产效果显著,较适宜在河套灌区膜下滴灌玉米种植过程中应用推广。     

遥感计算土壤含水量方法的比较研究

对目前国内外遥感计算土壤含水量的主要方法进行了对比研究,对不同遥感卫星数据在计算土壤含水量中的应用情况进行分析,指出这些方法和数据的应用概况、适用条件、存在问题以及改进的措施。对研究遥感计算土壤含水量方法,具有一定的指导意义。     

基于无人机热红外的水分胁迫指数与土壤含水率关系研究

为了实时快速监测作物根系活动层的土壤含水率,利用低空无人机搭载的热红外相机获取经4种水分处理的棉花花铃期一天中5个时刻的冠层温度,并连续观测5 d,应用水分胁迫指数(CWSI)的理论模式、简化模式、定义模式计算得到3种CWSI,与棉花根系不同土壤深度含水率建立模型。研究表明:3种胁迫指数与土壤含水率具有幂函数关系,其中理论模式与土壤含水率的相关性最佳,定义模式次之,简化模式最差;在一天中不同监测时间点上,3种CWSI的监测精度在13∶00最高,9∶00和17∶00最差;在监测深度上,3种胁迫指数与0～60 cm处的土壤含水率关系最为紧密,0～30 cm次之,0～15 cm最差。该研究可大面积获取作物根系层土壤含水率,提高作物根系层土壤含水率的反演精度。     

基于脉动燃烧技术的土壤消毒蒸汽发生装置设计与试验

为解决设施园艺土壤蒸汽消毒的蒸汽来源问题,设计了基于脉动燃烧技术的蒸汽发生装置。该装置主要由脉动燃烧发动机和锅体两部分组成,脉动燃烧发动机作为热源,其主体浸没在锅体内部水中。通过功率计算,在饱和蒸汽压力为0.6 MPa条件下满足130 kg/h蒸汽产量需要功率107.12 k W,8组脉动燃烧发动机可以满足功率需求。设计了双化油器脉动燃烧发动机,两只化油器同时进油、进气,通过"Y"型喉管连接,燃烧室呈圆柱形,尾管由3根螺旋管并联组成。试验结果表明,脉动燃烧发动机在空气中和水中均具有良好的启动性和工作稳定性,在空气中工作频率保持在90.80~90.89 Hz之间,平均频率90.86 Hz,在水中工作频率保持在87.27~87.81 Hz之间,平均频率为87.51 Hz。额定工况和非额定工况下,蒸汽发生装置热效率分别为95.5%、95.8%。额定工况下蒸汽产量150 kg/h、油耗9.7 kg/h、功率110.8 k W、尾气温度108℃、过量空气系数1.026,满足土壤蒸汽消毒蒸汽量的要求。     

无人机热红外反演土壤含水率的方法

以不同生育期夏玉米为对象,讨论无人机热红外反演夏玉米田土壤含水率的精度及反演方法.利用无人机获取试验区的可见光和热红外图像.通过可见光图像提取冠层掩膜并叠加在热红外图像上提取玉米冠层温度,分析冠层温度的变化趋势及与叶面积指数(LAI)的相关性.最后,利用冠气温差的相反数与叶面积指数构建了一个新指标(D_TL),讨论了冠气温差或D_TL指标反演土壤含水率的准确性.结果表明:冠层温度随着土壤含水量的增加而降低,夏玉米LAI在一定程度上可以表征冠层温度;对比4个时期的数据,发现冠气温差反演效果在灌溉后较好(如2次灌后R²分别为0.614 6和0.463 7);与冠气温差相比,D_TL指标可以提高土壤含水量反演的精度,如0~20 cm深度的R²从0.614 6和0.463 7提高到0.661 6和0.485 0.该研究对热红外反演夏玉米田间土壤含水率方法进行了新的尝试.     

冬季田间水热状况的数值模拟

根据土壤冻结过程中水热迁移的基本方程，推导了土壤水热耦合方程，改进了冻结条件下土壤水热迁移问题的求解方法。用该模型模拟了室内土柱冻结试验，模拟结果与试验结果吻合较好，同时计算速度较快。根据地表能量平衡原理、微气象学理论，建立了冻结条件下土壤蒸发模型，将其作为土壤水热迁移的上边界条件，模拟了北京永乐店试验站冬小麦试区１９９５～１９９６年越冬期（１９９５．１２．０１～１９９６．０２．２９共３个月）土壤的冻融过程，模拟结果与实测值基本符合。在模拟过程中，采用有限差分法求解土壤水热运动方程，水、热方程的上边界分别为第二、三类边界。根据模拟结果，分析了越冬期土壤水热状况的变化规律     

基于混合象元分解的Landsat8与MODIS数据融合反演土壤墒情方法研究

【目的】及时准确地获取灌区土壤墒情信息。【方法】以河南省焦作市广利灌区为研究对象,利用Landsat8及MODIS遥感数据分别以表观热惯量及植被供水指数法反演土壤墒情,以混合象元分解的植被和土壤的丰度作为权重因子,对2种方法反演的土壤墒情进行了融合计算。【结果】利用植被供水指数法和表观热惯量反演的土壤含水率与实测含水率相关系数分别为0.47和0.51,同时将2种方法相结合得到的反演结果精度更高,实测含水率与计算的土壤含水率相关系数达到0.73。【结论】融合方法可以更好地计算灌区非均匀覆盖区的土壤墒情。     

Retrieving Soil Moisture Using Spectral Mixture Analysis of Landsat8 and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer北大核心CSCD

【Objective】Soil moisture plays a critical role in many hydrological and ecological processes and understanding its spatiotemporal changes is imperative to ecosystem management and irrigation design. This paper presents and tests a method to estimate soil moisture distribution using satellite technologies.【Method】We took Guangli Irrigation District at Jiaozuo in Henan Province as our study area. The Landsat-8 and MODIS imageries from the area were used to retrieve soil moisture with the apparent thermal inertia and vegetation water supply index, respectively. Using the abundance of vegetation and soil moisture decomposed by the spectral mixture analysis as weighting factors, we retrieved the soil moisture distribution in the area using the two methods.【Result】The correlation coefficient between the measured soil moisture and the retrieved using the vegetation water supply index method and the apparent thermal inertia method was 0.47 and 0.51 respectively. We found that combining the two methods could improve the correlation coefficient between the measured and retrieved soil moisture to 0.73. 【Conclusion】Our results showed that the proposed method is reliable and can adequately estimate soil moisture in irrigation district grown with a diverse of crops. © 2019 Authors. All rights reserved.     

不同膜下滴灌定额对土壤水热效应及甜菜产质量的影响

【目的】探究内蒙古半干旱区膜下滴灌甜菜土壤水热高效利用与甜菜提质增效的协同效应,为内蒙古半干旱区甜菜高产高效栽培提供理论依据。【方法】设置8个不同滴灌定额和滴灌频次(A处理滴灌定额450 m~3/hm~2、滴灌1次;B处理滴灌定额900 m~3/hm~2、滴灌2次;C处理滴灌定额1 350 m~3/hm~2、滴灌3次;D处理滴灌定额1 800 m~3/hm~2、滴灌4次;E处理滴灌定额2 250 m~3/hm~2、滴灌5次;F处理滴灌定额2 700 m~3/hm~2、滴灌6次;G处理滴灌定额3 150 m~3/hm~2、滴灌7次;H处理滴灌定额3 600 m~3/hm~2、滴灌8次),动态监测甜菜全生育时期土壤水分和温度,分析行上、行间土壤水热变化,结合甜菜产质量研究膜下不同滴灌定额的水热效应。【结果】各处理出苗稳定后72 h内土壤温度从17:00—次日11:00表现为行上>行间;从12:00—18:00表现为行间>行上,行上和行间最大土壤温差点分别在06:00—07:00和14:00—15:00;3 a内土壤有效积温变化规律与日平均土壤含水率变化规律相反,即随土壤积温增加,含水率逐渐降低。以2016年甜菜块根及糖分增长期为例,B、C、D、E、F、G、H处理行上土壤有效积温分别较A处理提高了5.61、29.11、-23.10、42.68、-10.85、-4.46、-22.79℃,B、C、D、E、F、G、H处理行上日平均土壤含水率分别较A处理提高6.96%、11.73%、-1.01%、11.76%、5.19%、22.14%、13.62%;随滴灌定额的增加,甜菜产量增加,含糖率降低,产糖量呈先增后降的趋势,以2016年为例,B、C、D、E、F、G、H处理分别较A处理产量提高4.73%、13.82%、26.38%、29.33%、31.48%、27.43%、25.78%,产糖量提高5.90%、10.61%、18.07%、20.01%、15.73%、9.78%、4.14%。【结论】在甜菜生长关键期进行适宜的滴灌可有效地提高土壤水热效应,最佳滴灌定额为1 800～2 250 m~3/hm~2,滴灌次数为4～5次,促进滴灌条件下甜菜产质量水平提升。     

常温土壤导热系数模型评价及改进

导热系数是土壤热传递的基本参数,在许多领域发挥着重要作用。土壤导热系数的获得需要耗费大量的时间和精力,为了方便准确地获得土壤导热系数,将5种土壤导热系数实测值与Campbell、Johansen、C?té-Konrad以及Lu-Ren导热系数模型计算值进行了比较,并且引入了一个与土壤质地有关的参数F对误差较大的Campbell模型进行了改进。改进后的模型其NES、RMSE和PBISA范围为0.938~0.996、0.039~0.084,-0.067~0.016,明显优于原模型0.632~0.975、0.089~0.217、-0.011~0.252。然后,利用其他地区10种土壤的导热系数对改进后模型进行了验证。结果表明,土壤导热系数预测值稳定分布在1∶1线附近,修正后模型也能准确地计算其他地区土壤导热系数。     

中国主要退化土壤的改良剂研究与应用进展

在中国主要退化土壤类型和分布的基础上,对比分析了退化土壤的不同改良技术;结合国内外土壤改良剂研究概况和土壤改良剂的原料来源及其分类,总结强调了土壤改良剂对土壤和农作物的主要功能影响.阐述了酸化地、盐碱地和重金属污染地土壤的土壤改良剂研究效果,提出不同类型退化土壤的土壤改良剂在应用过程中存在的问题.最后,进一步探讨土壤改良剂研发与应用过程中面临的主要问题,结合绿色和可持续发展导向,指出加强土壤改良剂的应用基础研究、新型环保低成本研发、应用评价、应用规范建立和认证管理以及退化土壤的综合治理是土壤改良剂研究与应用的发展趋势.