红壤坡地农业景观(旱季)地表界面水分传输研究——Ⅱ．叶面冠层一大气界面水分传输

定位观测红壤坡地典型作物系统叶面冠层 大气界面水分传输结果表明 ,叶面冠层 大气界面水汽传输通量大小取决于景观植物群落的构建 ,稳定群落叶面冠层 大气界面水汽传输通量有明显日变化规律 ,除受植物生理机制影响外 ,还明显受土壤水分和气象条件的影响。植株叶片蒸腾速率有明显日变化规律且呈单峰型曲线及多峰态势。净辐射、空气饱和水汽压差、气温、地表温度、风速对蒸腾的影响均达极显著水平 (正相关 ) ,其中净辐射、气温为主要影响因子。叶片气孔导度可反映叶片蒸腾速率 ,叶片气孔阻力日变化规律是植物对气象条件的响应 ,且受土壤水分状况强烈影响。改善作物生长环境 ,调节气孔行为 ,进而协调作物蒸腾作用和光合作用耗水制约 ,可调控叶面冠层 大气界面水分传输 ,提高作物水分利用效率     

基于无人机遥感影像的玉米冠层温度提取及作物水分胁迫监测

针对当前无人机热红外遥感提取冠层温度不准确、监测作物水分胁迫状况精度不高的问题,该研究以不同水分处理的拔节期夏玉米为研究对象,利用无人机获取试验区域热红外和可见光图像资料,分别采用Otsu算法、EXG-Kmeans算法和Otsu-EXG-Kmeans算法获取冠层区域图像,并对提取结果进行精度评价,而后采用最优算法求得对应作物水分胁迫指数（Crop Water Stress Index,CWSI）,通过分析CWSI同土壤含水率相关关系以及CWSI日平均变化趋势来监测玉米水分亏缺状况。结果表明：1）相比于其他方法,Otsu-EXG-Kmeans算法对冠层温度提取精度更高（用户精度为95.9%）,提取的冠层温度更接近实测温度（r=0.788）,可以准确获取图像冠层温度。2）相比于冠层温度,CWSI与土壤含水率的相关性更高（r= -0.738）,CWSI日平均变化趋势更符合实际情况,可更加精确地监测玉米缺水状况。该研究为无人机遥感精准监测作物水分胁迫状况提供参考。     

红外遥感估算春小麦农田土壤含水率的试验研究

根据水分亏缺条件下作物蒸发蒸腾量计算公式及作物水分胁迫指标CWSI(Crop Water Stress Index)的定义，提出了基于遥感作物冠层温度和土壤水分修正系数的春小麦田土壤含水率估算公式，其中土壤水分修正系数采用了幂函数形式。用该公式对春小麦田土壤含水率在分蘖后-拔节抽穗期、抽穗开花-灌浆期和乳熟-黄熟期3个生育阶段进行了估算，并对估算值和实测值进行对比和误差分析，结果表明该模型估算春小麦根层土壤含水率误差保持在18%以内。     

电阻率成像法监测人工梭梭林土壤水分

土壤水分是影响干旱半干旱沙区植物生长发育的主要限制因素。快速、准确地监测土壤水分时空动态可为干旱半干旱区植被建设与生态恢复提供科学依据。以乌兰布和沙漠东北部人工梭梭固沙林土壤为研究对象,在林内、外(根际、冠中、冠缘、行间、林外)设置了5条监测样线,分别于一次强降雨后的第2天、第15天、第55天用多电极电阻仪定位测定了土壤电阻率,同步采取土样用烘干法测定了土壤实际含水率,建立了土壤含水率与土壤电阻率之间的相关关系,并对二维剖面土壤水分空间分布特征进行了分析。结果表明:1)土壤含水率与土壤电阻率之间为极显著负相关关系(P0.01),可用幂函数表示。2)5条测线的土壤电阻率在3次监测时均随土层深度增加而减小,而土壤含水量随土层深度增加而增大,根际冠中冠缘行间林外。强降水后的不同时间内,由于受土壤属性、树冠对水分再分配、树干径流、根系吸收水分等影响,二维剖面上土壤水分空间分布格局有明显变化。随着雨后干旱时间的延长,0～51 cm水分含量由于受蒸发、植物吸收利用的影响而明显降低。3)电阻率成像技术在野外能快速准确,长期定位监测土壤水分含量;对地表扰动小,实现了非破坏性测量;保证测定精度的同时,还能提供尺度较大的土壤水分空间分布的详实数据,可高效快速地获取连续的土壤水分分布信息。     

黑龙江省西部防护林地土壤水分动态及其预报

[目的]研究黑龙江省西部地区"三北"工程区不同类型土壤的水分动态特征及其与气象因子的相关性,为该地区土壤墒情预测提供科学参考。[方法]通过建立小型基准气象观测站定点观测土壤水分含量及气象因子,并利用回归分析建立了无降雨条件下土壤水分的预测模型。[结果](1)生长季土壤水分变化均呈现消退期的现象,其中以黑土和黑钙土表现最为显著。3种土壤类型水分含量的变异系数都随土壤深度增大呈递减趋势。(2)相关分析结果表明,土壤水分含量与光照强度和大气温度均表现为负相关,与空气湿度表现为正相关,与降雨量和风速相关系数较小。(3)黑土和黑钙土的土壤水分日消耗量可由光照强度(X1)、湿度(X2)、风速(X3)和大气温度(X4)的变化来解释。[结论]土壤水分受气象因子综合调控,根据气象因子建立的模型可以用来预测无降雨条件下土壤水分的变化。     

基于小波特征和冬小麦生理参数的土壤水分高光谱模型优化

土壤水分是影响作物生长的关键因子,在精准灌溉中估算土壤含水率有重要意义,结合作物生理参数与叶片光谱特性,能够在一定程度上增强土壤含水率遥感监测模型的稳定性。为了提高土壤含水率遥感监测模型在冬小麦多种物候期的适用性以及迁移能力,该研究通过连续小波变换增强光谱对叶片不同生化生理指标的响应后,通过变量投影重要性分析方法对冬小麦叶片含水率、叶绿素、叶面积指数敏感的光谱特征进行特征筛选,结合偏最小二乘回归构建土壤含水率模型,并与土壤含水率所选特征建立的监测模型在独立年份数据与不同传感器之间进行比较。结果表明,土壤含水率变化显著改变了冬小麦叶绿素以及叶面积,进而影响了小麦冠层光谱,小尺度小波变换可以增强冬小麦冠层光谱和土壤含水率的相关性（相关系数由0.46提升至0.61）。综合基于地面非成像数据集和机载成像数据集进行的模型验证结果,基于叶绿素所选小波特征在2021年高光谱非成像数据集和2022年机载成像数据集构建的土壤含水率监测模型表现最优,其中基于1尺度叶绿素小波特征构建的模型效果最好,其在独立非成像数据集验证中决定系数为0.541,均方根误差为2.42%,在成像数据集验证中决定系数为0.687,均方根误差为1.92%。因此,通过冬小麦叶片叶绿素与连续小波变换选取的光谱特征进行土壤含水率监测的适用性更强,可以进一步提高土壤含水率监测模型的准确性及稳定性。     

冬小麦冠气温差及其影响因子研究

在冬小麦主要生育期，测定了3个不同水分处理冠层温度、气温、地面土壤温度以及土壤含水率和叶面积指数，计算了冠气温差和饱和差及相对湿度，并分析了冠气温差与土壤含水率和叶面积指数和饱和差及相对湿度间的关系。结果表明：不同的灌溉措施对冠气温差有显著的影响；14：00左右在冠层之上高度处的冠气温差能反映作物的水分特征，可以用此时刻的实测结果来检验遥感数据反演冠气温差的精度；在60～80 cm土层的土壤体积含水率能较好地反映14:00冠层之上冠气温差的变化情况，不同水分处理二者的关系显著，复相关系数分别为0.65809(节水灌溉)，0.99577(充分灌溉)，0.78206(不灌溉)；不同水分处理下的冬小麦主要生育期的叶面积指数与冠气温差相关性显著，冠层之上二者的相关系数分别为：0.76082(节水灌溉)，0.40548(充分灌溉)，0.99001(不灌溉)，这为区域遥感反演作物冠气温差来监测土壤含水率及作物估产提供了依据。     

大兴安岭南段白桦树干液流对土壤水分的响应

为了阐明不同径级白桦(Betula platyphylla)树干液流变化对不同土壤水分条件的响应差异,以期为揭示白桦树种对土壤水分的利用策略以及该地区生态恢复过程中水分循环机制研究提供参考。在2017年5月初—9月末,运用Granier热扩散边材树干液流探针(TDP)对白桦进行树干液流观测,并同步监测太阳辐射、空气温度、空气相对湿度、降雨量等气象因子及土壤水分动态,分析大兴安岭南段白桦树干液流特征对气象因子及土壤水分动态的响应。结果表明:非阴雨天气下液流密度日变化在土壤含水量相对充足和相对亏缺时表现为昼高夜低,与太阳辐射、空气水汽压亏缺变化较为一致。同一土壤含水量条件下两个径级液流密度差异显著,表现为大径级高于小径级;同一径级下表现为土壤含水量相对充足大于相对亏缺时。在不同土壤含水量时期采用饱和指数曲线分别对液流密度与太阳辐射和空气水汽压亏缺进行拟合,拟合效果可以较好地反映出液流密度对气象因子的响应规律。不同土壤含水量下白桦气孔蒸腾作用对土壤含水量变化具有较高的敏感性。     

六盘山华北落叶松人工林地土壤水分动态研究

利用平衡式张力计和时域反射仪(TDR)定位监测方法,研究了六盘山山地华北落叶松人工林地土壤水分动态规律.结果表明:研究时段内,华北落叶松林内土壤水分时间动态变化可划分为土壤水分的相对湿润期、持续消耗期和快速恢复期;依据水分利用特征可将垂直土层划分为土壤水分的微弱利用层(0-20 cm)、利用层(20-60cm)和水分调节层(60 cm以下).华北落叶松林内0-60 cm各土层土壤蓄水量与太阳辐射、大气温度、VPD和液流通量均呈极显著相关(P<0.01),对各因子进行多元逐步回归分析,得到0-60 cm各土层土壤蓄水量与气象因子间的多元线性回归方程.     

黄土高原2种典型灌木地土壤水分有效性及其影响因素

为确定土壤质地对旱生植物长柄扁桃(Amygdalus pedunculata Pall)和沙柳(Salix psammophila)幼苗不同生理指标水分有效性的影响,采用盆栽控水试验,研究了黄土高原2种典型质地土壤(砂土和壤土)下长柄扁桃和沙柳幼苗不同生理指标随相对土壤含水率(土壤含水率占田间持水率的比值)的动态变化。结果表明:2种质地土壤下长柄扁桃和沙柳幼苗各生理指标相对值在相对含水率降低至土壤水分阈值之前保持相对稳定,低于此阈值时随相对含水率的降低而迅速下降,且均可用非线性连续函数来拟合(R~2=0.8905～0.9864)。2种植物土壤水分有效性因选取指标的不同而略有差异,当以瞬时气体交换指标(相对净光合速率R_(Pn)和相对气孔导度R_(Gs))为评价指标时,砂土水分有效性高于壤土;当以相对水分利用效率R_(WUE)为评价指标时,壤土水分有效性高于砂土。瞬时气体交换指标(R_(Pn)和R_(Gs))的水分阈值高于日变化指标(相对日蒸腾速率R_(Td)),表明土壤质地和时间尺度均会影响植物生理指标对土壤水分有效性的响应。因此,在黄土高原进行植被恢复与生态建设时应考虑土壤质地对植物水分有效性的影响。     

夏玉米冠气温差及其影响因素关系探析

测定了夏玉米主要生育期四个不同水分处理的冠层温度、气温、土壤含水率、叶面积指数和株高,分析了冠气温差与土壤含水率、叶面积指数及株高间的关系。结果表明:不同的灌溉水质和灌溉量措施对夏玉米冠气温差有显著的影响;中午12~14时左右H1高度(2/3株高)处的冠气温差较H2高度(H1+50 cm)更能反映作物和土壤的水分特征,可以用此时刻的卫星遥感冠层温度结合地面气象站数据监测作物和土壤的旱情;80~100 cm土层的土壤体积含水率与节水灌溉处理的冠气温差之间存在良好关系(α=0.05),0~80 cm四个土层中以中午20 cm和40 cm处的土壤体积含水率与冠气温差相关关系最好且稳定,可以利用此关系评价作物的缺水状况;充足灌溉下的夏玉米主要生育期的叶面积指数与冠气温差也有显著的相关关系,节水灌溉下二者关系不显著,说明水分充足条件下叶面积指数对冠气温差的影响更大;株高与不同水分处理的冠气温差也有一定的相关关系,冠层2/3高度处二者的相关系数分别为:0.7027(淡水节水处理)、0.4150(淡水充足处理)、0.3683(咸水节水处理)、0.3062(咸水充足处理)。这为区域上遥感反演夏玉米冠气温差进而监测农田蒸散和土壤含水率提供了试验依据。     

基于茎直径变化监测番茄水分状况的机理与方法

该研究以春季温室番茄为试验材料,以筒栽和小区相结合的方法探索了番茄茎直径变化的机理与规律、外界环境因素对茎直径变化的影响以及如何消除气象因子对实测日最大收缩量（MDS）数值干扰等问题,目的在于为基于茎直径变化监测作物水分状况、实现自动灌溉的技术提供理论和实践依据。试验结果表明,番茄茎直径变化落后于叶水势变化,二者存在很好的相关性。番茄茎直径收缩过程是由韧皮部及木质部收缩同步构成,而恢复过程则是不同步的,木质部恢复较快。番茄盛果期蒸腾强度大于花果期蒸腾强度,蒸腾强度越大一天中最小茎直径出现的时间越晚,而其茎直径开始恢复的临界气孔导度值越小。番茄MDS的变化趋势和日均辐射的变化趋势一致,但变化幅度由土壤水分决定。当土壤相对含水率由田间持水率降至50%时,MDS随土壤水分的下降而变大,天气晴好时MDS能够很好的反映出土壤水分的差异;而当土壤相对含水率小于50%后,MDS随土壤水分的下降而变小。通过统计分析,由实测MDS与参照MDS相比的相对日最大收缩量（RMDS）指标基本上可以消除气象因子对监测结果的影响,稳定的反映土壤水分状况。     

不同时间尺度下刺槐蒸腾耗水与环境因子关系

探究不同时间尺度下植物蒸腾变化与环境因子的关系,对理解植物生长的驱动机制及估算林分耗水具有重要的理论意义。以晋西黄土区蔡家川人工刺槐纯林为研究对象,于2021年5—12月采用热扩散探针(TDP)测定8株样树树干液流,并同步监测太阳辐射、空气温度、降雨量、土壤温度、土壤含水量等环境因子,分析不同时间尺度(小时、日、月)下刺槐蒸腾特征及其对环境因子的响应。结果表明:(1)环境因子对刺槐蒸腾耗水的影响在不同时间尺度下存在差异,整体上随着时间尺度的变大,土壤含水量成为影响刺槐蒸腾的主要因子,并且短时间尺度是主要取决于表层土壤水分,长时间尺度不仅为表层同时也取决于较深层土壤含水量。小时尺度下,刺槐蒸腾随太阳辐射、空气温度、水汽压亏缺、土壤温度变化而变化,但蒸腾峰值与环境因子的峰值均存在时间差异性,并无完全同步,差异时长可达-180~30 min,在各环境因子中太阳辐射与空气温度对刺槐蒸腾的影响较大;日尺度下,刺槐蒸腾速率主要取决于浅层土壤含水量,并随浅层含水量的增加而增大;月尺度下刺槐蒸腾耗水则取决于浅层与深层土壤含水量的共同作用;(2)构建了不同时间尺度下环境因子与刺槐蒸腾耗水的模型,各时间尺度下模型拟合度均较高。(3)在短历时尺度下可使用测定植物蒸腾的仪器直接测定与计算蒸腾耗水,而较大时间尺度下可以通过监测较少的环境因子应用建立模型进行蒸腾耗水的计算,可大大提高效率且可减少蒸腾耗水监测的成本。     

元谋干热河谷不同水分处理石榴的水量平衡研究

对元谋干热河谷微区域集水造林试验区不同水分处理下石榴的水量平衡研究结果表明:(1)降雨和坡面汇集径流是集水系统植树带的水分输入,其中降雨占输入的90.2%;坡面汇集径流量占水分输入量的9.8%。蒸散是水分输出项,整个生长季内,不同水分处理的土壤水分均有盈余,但不同水分处理间的蒸散量和土壤水分盈余量存在差异,土壤含水率为10.08%,11.63%,13.23%,14.79%,16.85%和19.14%的总蒸散量分别占系统水分输入的44.5%,60.8%,67.0%,82.0%,85.4%和87.0%;土壤水分盈余量分别占系统水分输入的55.5%,39.2%,33.0%,18.0%,14.6%和13.0%,表现出蒸散量随土壤含水率的增大而增大,土壤水分盈余量随土壤含水率的增大而减小。(2)石榴的生长状况与土壤水分状况相关。土壤含水率的增加有利于石榴的生长发育。对于元谋干热河谷而言,土壤含水率控制在14%~15%的供水较好,这时,在节水的同时又对石榴的生长未造成严重影响。     

半干旱区人工林生长与水分生态研究

对黄土高原半干旱区5种主要造林树种生长状况及土壤水分变化规律进行了研究分析,比较了5种人工林的生长与水分适应性。结果表明:(1)不同人工林生长受坡向、坡位等立地因子影响;几种主要人工林总体生长水平,乔木林山杏>小叶杨,灌木林山桃>沙棘>柠条;(2)不同立地条件下,土壤含水率变化特点为阳坡<半阳坡<半阴坡;不同立地土壤含水率呈现出相同的变化趋势,即随坡位上升土壤水分呈下降趋势,0~200 cm为主要的水分利用层,200 cm以下土壤含水率均为逐渐上升,说明植物根系对水分的吸收在逐渐减弱;(3)不同人工林土壤平均含水率为8%左右,表现出土壤干旱的特点。不同人工林对土壤水分的利用可分为2种情况,山杏、沙棘和柠条,属于对水分利用强度大的树种,而小叶杨和山桃属于水分利用强度较低的树种,水分利用强度由大到小为:柠条>沙棘>山杏>小叶杨>山桃。     

基于冠层叶气温差的苹果园土壤水分预报模型

该研究于2003～2004年采用便携式红外测温仪观测得到苹果主要生长季节晴天14∶00时冠层叶温数据，结合同步观测得到的空气温度数据及0～80 cm土壤相对有效含水率， 分析、建立以苹果树冠层叶气温差为指标的果园水分预报模型。该模型中，土壤相对有效含水率和冠层叶气温差的相关系数为－0.819(n=50)，通过0.01水平显著性检验。并利用2002年及2005年的实测土壤水分数据对所建模型进行验证，结果表明：土壤相对有效含水率的观测值与计算值吻合较好，二者线性相关系数可达0.9137(n     

夏玉米冠层温度变化的时滞效应及其对土壤水分监测的影响

考虑冠层温度变化的时滞效应,可能在一定程度上能够提高土壤含水率的监测精度.该研究以灌浆期的夏玉米为研究对象,利用精密红外温度传感器(SI-411)连续监测I1(田间持水量的85％～100％)、I2(田间持水量的70％～85％)和I3(田间持水量的50％～65％)3个不同水分处理下的冠层温度,并同步获取试验地地面净辐射、...     

掺混菜籽油渣减少土壤入渗改善持水特性

针对目前植物油渣较少应用于农业生产的现状,为探明植物油渣对土壤水分运动和土壤持水特性的影响,采用室内一维土柱入渗试验,以耕作层土壤为研究对象,定量掺混植物油渣,对比研究3种不同掺混深度(14、24和34 cm)条件下的土壤水分入渗特性,并对掺混油渣土壤的持水能力进行分析。结果表明:1)Philip和Kostiakov入渗模型均可用于描述掺混油渣条件的土壤水分入渗特性及参数拟合(R~20.99);2)与纯土相比,掺混植物油渣可有效减小累积入渗量和入渗速率,根层掺混油渣(34 cm土层)最大可分别减少累积入渗量和入渗速率约11.0%和41.7%;3)入渗结束时基于土壤剖面水分分布特征,土壤掺混植物油渣有利于提高土壤饱和含水率和根层土壤含水率,与纯土相比分别提高约14.3%和11.3%,有效增强了土壤持水能力;4)土壤掺混植物油渣可增加黏粒和粉粒、降低砂粒含量。该研究可为农田生产中植物油渣推广奠定理论基础,同时为植物油渣的田间土壤改良及应用提供参考。     

枣树茎直径日最大收缩量影响因子分析

选取4年生梨枣树(Zizyphus jujuba Mill.),设置4个土壤水分梯度,研究不同水分条件下梨枣树不同生育期茎直径日最大收缩量(DMDS)变化规律,确定DMDS与土壤水分及气象因子(参考作物蒸发蒸散量E、水汽压亏缺日均值V)的关系。结果表明:1)土壤水分条件影响梨枣树DMDS对气象变化的敏感度,水分适宜处理梨枣树DMDS对气象变化最为敏感,其余水分处理梨枣树DMDS的变化规律与其一致,但波动幅度较小;2)不同生育期DMDS与气象因子关系存在差异,果实膨大期、果实成熟期与E、V关系均极显著,萌芽展叶期与开花坐果期相关系数较小;3)不同水分处理梨枣不同生育期DMDS与气象因子关系不同,高水分处理(T1)开花坐果期DMDS与V关系显著,与E极显著,其他处理均不显著;4)在不同水分条件下,梨枣全生育期内参考作物蒸发蒸散量E是影响茎直径日最大收缩量的关键因素。     

表层有效土壤水分参数化及冠层下土面蒸发模拟

通过观测田间微气象数据、土壤表层水分变化状况及荞麦作物冠层下土面蒸发等资料,引进一个表面体积含水率的函数,构建了基于表层有效土壤水分的土壤蒸发模型。该模型包含了土面蒸发的2个过程:水蒸气从土壤孔隙中扩散到地表面及水蒸气由地表面传输到大气中。模型中表层有效土壤水分参数不仅取决于表层土壤含水状况,而且受风速影响。采用波文比能量平衡法及微型蒸发器观测荞麦地实际蒸腾蒸发量及冠层下土面蒸发的变化规律,并验证模型精度。结果表明,所构建模型可以成功预测冠层下土面蒸发,其平均相对误差为13.5%。该研究对于实现土壤蒸发及作物蒸腾的分离估算,减少无效水分消耗具有重要意义。