作物春季播种期土壤温湿因子的分析及预测研究——以内蒙古河套灌区为例

以改进本地作物播种期土壤含水量和耕层地温的预报服务及提升农业生产安排决策能力为目的。利用内蒙古河套灌区1980~2011年年春季和作物播种期间气温、降水、风速、地温、土壤相对湿度等资料,采用相关分析、回归分析、Mann-Kendall趋势检验等方法 ,在土壤温湿因子诊断分析基础上,建立不同层次逐日土壤温度和逐旬相对湿度预报模型。结果表明:1980年以来河套灌区大部地区春播期平均土壤相对湿度在0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层均呈下降趋势,影响的主要因子依次为前一旬土壤相对湿度、当旬的平均气温和降水量;河套灌区气温及0 cm、5 cm和10 cm地温变化趋势相同,均呈现上升的趋势,影响的主要因子为平均气温和平均风速;建立了各层土壤相对湿度预测模型84个和各层地温预测模型36个,均通过信度检验(P≤0.05);土壤相对湿度模型回代和预报检验准确率分别大于85%和80%,有的甚至超过90%;地温模型回代检验平均误差为1.9~2.3℃,2011、2012年预报检验平均误差为2.1~2.5℃。模型输出结果更能反映当地作物适宜播种期间土壤温湿匹配效果,预报精度达到了一定的水平,可用于干旱地区土壤相对湿度和地温的预报。     

基于深度学习的内蒙古河套灌区2000—2021年种植结构提取与动态

河套灌区是中国重要的粮油生产基地,掌握其多年种植结构的时空演化,不但可以为探讨农田产量和灌溉用水量提供数据,还可以为未来农业结构调整提供科学依据。该研究基于Landsat-5和Landsat-8遥感影像,计算得到灌区年内时间序列归一化植被指数（normalized differnce vegetation index,NDVI）数据,对影像缺失区域则利用MODIS NDVI数据进行插补,在此基础上还计算得到了光谱特征、纹理特征等数据。构建了多层感知机(multilayer perceptron,MLP)神经网络的深度学习算法,并将模型进行年际迁移从而得到2000—2021年的种植结构,进行多年时空变化分析。结果表明,2021年总体分类精度达到89%,Kappa系数为0.87,其中玉米、小麦和蔬菜等主要作物的分类精度高于90%,与统计种植面积比较,相对误差在2%～8%之间。2000—2021年间,葵花、玉米的种植面积呈上升趋势,小麦种植面积大量缩减;研究时段内葵花种植面积发生演变较大,玉米次之,均主要由小麦转入。该模型具有较高的分类准确性及迁移效果,可为内蒙古河套灌区农业管理、资源合理利用提供参考。     

基于GEE和机器学习的河套灌区复杂种植结构识别

河套灌区作为中国重要的商品粮油生产基地,准确快速地获取主要作物空间分布对灌区的农业可持续发展具有重要意义。然而,河套灌区土壤盐渍化严重,作物分布破碎散乱,生育期前后紧邻的作物在遥感影像中难以区分。因此,基于Google Earth Engine（GEE）云计算平台,采用Sentinel-2遥感数据提取作物种植结构,通过引入GlobeLand30地物分类数据集、红边植被特征和作物纹理特征,利用随机森林、支持向量机、朴素贝叶斯和分类回归树4种分类器,探讨了不同分类特征及分类器组合对分类精度的影响。结果表明,使用全部特征波段时,随机森林的分类效果优于另外3种分类算法,灌区平均总体精度达到81%,Kappa系数达到0.68;在作物空间分布提取中,光谱特征对分类精度起决定性作用,基于红边波段计算得到的植被指数比其他常用遥感植被指数更有优势;进行波段优选后的光谱、植被和纹理特征方案是平均分类精度最高的组合,平均精度为86%。研究结果可为复杂种植结构地区准确快速获取农作物空间分布信息提供新的思路和可靠的参考方法。     

遥感订正作物种植结构数据对提高灌区SWAT模型精度的影响

为确保灌区水文过程与营养物流失过程模拟更接近于真实过程,进一步提高模拟精度,该研究综合考虑作物种植结构空间位置的准确性与作物种植结构数据的精度2个因素,利用GF-1 16 m遥感影像对耕地作物进行分类提取,并对土地利用类型图进行修正,从而分析比较作物种植结构空间位置的订正与作物种植结构数据精度的提高分别对SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型模拟精度的影响。结果表明：作物种植结构空间位置的订正或作物种植结构数据精度的提高均可提高径流和硝态氮模拟效率。经作物种植结构空间位置的订正和数据精度的提高可使得模型在径流模拟中,率定期和验证期决定系数R2分别达到了0.76和0.82,效率系数分别达到了0.69和0.79,相对误差分别降低至3.50%和-0.30%;在硝态氮模拟中,率定期和验证期决定系数R2分别达到了0.70和0.63,效率系数分别达到了0.55和0.53,相对误差分别降低至10.06%和6.42%。综合订正作物种植结构空间位置和提高作物种植结构数据精度可有效提高SWAT模型在灌区的模拟精度。     

中国三大灌区参考作物蒸散量温度法模型的修订与适应性评价

为提高中国三大灌区（都江堰灌区、河套灌区和淠史杭灌区）参考作物蒸散量（reference crop evapotranspiration,ET 0 ）温度法的计算精度,选取 8 个代表性站点 1961-2014 年逐日气象资料,采用 Irmark-Allen（IA）、Hargreaves and Samani（HS）、Turc（Tur）、McCloud（MC）、Schendel（Sch）、Trajkovic （Tra）、Droogres and Allen?1（DA-1）和 Droogres and Allen?2（DA-2）共 8 种温度法计算 ET 0 ,以 FAO-56 Penman-Monteith（PM）法计算结果为标准,基于各方法计算的 ET 0 日值线性回归方程（y=kx+b）,分别 在都江堰灌区选取 IA 法和 Tra 法,河套灌区选取 HS 法、DA-1 法和 DA-2 法,淠史杭灌区选取 IA 法、 HS 法、DA-1 法和 DA-2 法,引入调差参数对模型进行修订,利用均方根误差（RMSE）、平均相对误差 （MRE）和 Nash-Sutcliffe 系数（NS）对其适应性进行评价。结果表明：都江堰灌区和淠史杭灌区所选 模型修订后计算精度均有明显提高,河套灌区提高不明显;都江堰灌区 IA 修订模型（IA-Du 法）在该灌 区计算精度最高,其日值、旬值的 RMSE、MRE 和 NS 分别为 0.318mm·d-1 、0.120 和 0.923,0.201mm·d-1 、 0.093 和 0.959,且在不同月份均有较高计算精度;河套灌区计算精度最高模型为 HS 法,其日值、旬值 的 RMSE、MRE 和 NS 分别为 0.898mm·d-1 、0.326 和 0.785,0.547mm·d-1 、0.223 和 0.904,且在 1-5 月 和 10-12 月具有较高计算精度;淠史杭灌区 IA 修订模型（IA -Pi 法）在该灌区计算精度最高,其日值、旬 值的 RMSE、MRE 和 NS 分别为 0.534mm·d -1 、0.195 和 0.861,0.390mm·d -1 、0.167 和 0.896,且在不同 月份均具有较高计算精度。因此,推荐 IA -Du 法、HS 法和 IA -Pi 法分别作为都江堰灌区、河套灌区和淠史 杭灌区计算参考作物蒸散量的方法。     

内蒙古平原灌区耕地土壤肥力评价方法研究——以土默川平原灌区为例

为了探索一种适合内蒙古平原灌区耕地土壤养分肥力评价的方法,本文以土默川平原灌区为例,采用三种不同的方法对当地耕地土壤养分状况进行了评价,并对评价效果做了比较。结果表明,三种方法的评价结果存在一定差异;其中,基于因子分析法样本综合得分的聚类分析法效果最好,其评价结果耕地的肥力等级高低与样点土壤养分含量相一致,即肥力等级评价结果可以直观反映土壤养分的高低。该方法是一种基于大量土壤样本进行耕地肥力评价的方法,其理论依据充分,方法简单,评价结果准确,适用于内蒙古平原灌区耕地土壤肥力的评价。     

基于层次-灰色关联法的河套灌区玉米田氮素面源污染防治技术综合评价

近年来为了实现面源污染的科学防控,研究提出了多种相应的防治技术;但因气候、土壤等条件的不同,面源污染防治技术的应用效果有很大的差异。因此,为了筛选适宜于河套灌区的面源污染防治技术,在对有机肥替代化肥、滴灌减量施肥以及综合优化施肥技术进行环境效应、生产效果、技术可操作性和可复制性评价的基础上,运用层次-灰色关联法对不同面源污染防治技术防治效果进行综合评价。结果表明,与传统施肥相比,不同面源污染防控技术均不同程度地降低了氮素流失并提高了氮肥利用率,同时能够维持或增加玉米产量。其中,综合优化施肥技术硝态氮淋失负荷平均削减43.2%,氮肥利用率平均提高149.79%,单项评价值平均为0.7500;滴灌减量施肥技术和有机肥替代化肥技术增加了必要的生产资料投入,综合优化施肥技术生产成本平均降低了21.78%,玉米产量平均增加20.54%,单项评价值为0.7290;综合优化施肥技术操作简单,因此有93.3%～97.3% 的农户愿意采用此项技术,95.5%～97.5% 的农户对该项技术较为熟悉,同时该项技术与当地政策的匹配程度居中,评分为85～88分,单项评分为0.9688。由层析-灰色关联法计算得出综合优化施肥技术综合评价值最高,平均为0.7649,适宜于在河套灌区面源污染防治过程中大力推广应用。研究结果可为实现区域农业绿色可持续发展提供数据支撑。     

基于熵权的改进的TOPSIS模型在灌区运行状况综合评价中的应用

为了评价灌区节水改造后的运行状况和分析近年来节水改造的综合效益,提出了一种灌区运行状况评价的改进TOPSIS模型评价方法,选择影响灌区运行状况的主要因素作为评价分析的特征指标,引入信息熵来计算各评价指标的权重,利用求得的贴近度综合评价灌区的运行状况。通过某灌区实例分析可知该灌区在10 a里的节水改造中,2006年的评价样本最优解的相对贴近度最大,灌区运行状况最优。该方法克服传统的TOPSIS法在确定评价指标的权重因子时采用专家意见打分或单一样本材料造成主观因素的影响,计算过程简单科学,结果合理,可为灌区节水改造后的运行评价提供科学依据和良好思路。     

现阶段作物生产的生态与经济效益评估 ——以江苏省为例

通过成本、效益比较和土壤养分投入产出分析,对江苏省现阶段的作物生产状况进行了生态与经济效益评估。结果表明:在农业劳动力多而耕地少的地区,棉花与玉米、小麦、油菜接作均可获得较高经济效益;在劳动力紧缺、规模化生产的地区,种植水稻 玉米、水稻 小麦、水稻 油菜为宜,不仅省工,且可获得较高的经济效益和产品能,水稻 玉米种植模式还能获得较高的秸秆能。在当前条件下,5种作物的N肥投入均大于产出,P肥产投接近平衡,而K肥投入远远小于产出。为兼顾经济效益和生态效益,维持土壤肥力平衡,水稻施N量应减少165～225 kg/hm2,小麦应减少75～105 kg/hm2,玉米应减少90～165 kg/hm2,棉花应减少120 kg/hm2,油菜应减少60～90 kg/hm2。棉花施K量应增加120 kg/hm2,而其余作物可通过秸秆还田来补充土壤K,维持K的产投平衡。     

农村土地综合整治社会风险评价——以南京市江宁区为例

[目的]分析农村土地综合整治社会风险水平,以弥补已有农村土地综合整治社会风险诊断中指标体系及评价方法的不足。[方法]在界定农村土地综合整治社会风险内涵的基础上,从环境、制度、经济和社会4个方面构建了社会风险的评价指标体系,采用主客观赋权法和模糊综合评价模型,对南京市江宁区良田建设工程社会风险进行评价。[结果]江宁区良田建设工程总体社会风险介于第三级"风险中等"和第四级"风险较小"之间,但更接近第三级,说明工程开展的社会风险程度不高,在当地不会造成大的社会不稳定,但对于存在的社会风险仍然需要加以防范。[结论]为了进一步规避农村土地综合整治带来的社会风险,应该从完善整治目标、健全公众参与、强化工程监管和科学评估风险4个方面采取措施,促进农村土地综合整治事业的健康有效开展。     

内蒙古河套灌区土地利用与景观格局变化研究

利用1985年和2000年的土地利用数据，对内蒙古河套灌区的土地利用变化及景观格局变化进行了研究。借助GIS软件ArcInfo和ArcView及景观格局分析软件包FRAGSTATS等软件，分别对灌区的土地利用变化总体特征、速度、变化过程以及景观级别的动态特征进行了分析，同时，比较了灌区土地利用变化以及景观变化的区域差异。结果表明：灌区中的耕地与草地占绝对优势，表明灌区以农牧为主的社会经济结构；土地退化现象十分明显，26.9％的高覆盖度草地转化为中覆盖度草地，部分低覆盖度草地转化为荒漠地，耕地退化主要表现为     

内蒙古河套灌区农田土壤中微塑料的赋存特征

为阐明内蒙古河套灌区农田土壤中微塑料的赋存特征及其与覆膜年限、灌溉类型等的响应关系,该文采用田间取样与室内试验相结合的方法进行了系统研究,分析了研究区地膜覆膜现状,并考虑覆膜年限(覆膜5、10、20 a)及灌水方式(滴灌和畦灌)2个因子,探索了河套灌区农田土壤中微塑料的丰度、类型、颜色、粒径等赋存特征,并通过扫描电镜、能谱仪等对微塑料表面特征及表面附着物进行观察与分析。结果表明:内蒙古河套灌区不同覆膜年限下(5、10、20 a)土壤中微塑料平均丰度分别为2526.00、4352.80、6070.00个/kg,单层土的微塑料含量最大值(2133.50 ind/kg)出现在覆膜20 a的0~10 cm土层,最小值(678.00个/kg)出现在覆膜5 a的>20~30 cm土层;不同覆膜年限和灌溉类型影响土壤微塑料丰度,滴灌农田微塑料丰度值略大于畦灌农田,在不同土层深度上微塑料丰度值随土层深度增加逐渐减小;微塑料类型主要有纤维类(23.34%)、碎片类(26.31%)、薄膜类(38.57%)和颗粒类(11.78%)等4种,且薄膜类在不同土层占比都较高,微塑料颜色包括黑色、透明、绿色、红色、蓝色等,比例分别为24.56%、23.83%、19.34%、16.52%和15.75%,其中0~10 cm土层中微塑料以黑色为主,占比30.25%,在>10~20、>20~30 cm土层中微塑料以透明为主,占比30.15%和29.23%,粒径则随覆膜年限增加而呈逐渐减少趋势,粒径小于1 mm的微塑料居多,随着覆膜年限的增加,微塑料粒径在0~10、>10~20、>20~30 cm土层间的差异逐渐减小,且粒径大小与灌溉类型无显著关系(P>0.05);微塑料样品表面特征粗糙,呈现不规则孔隙,纤维类、薄膜类和碎片类微塑料均具有较多规则微小孔隙,而颗粒类微塑料表面孔隙则不规则且呈凹凸状,土壤中微塑料的多孔特性造成微塑料比表面积增大,进而增加对土壤中其他污染物和微生物的吸附;微塑料的表面孔隙附着有机体和污染物,表面存在稳定的铁氧化物、稀土元素等,并容易形成有机-无机复合污染效应。研究对于明晰微塑料在河套灌区土壤中的分布现状及危害具有重要意义。     

有机物料添加对内蒙古河套灌区碱化土壤可溶性有机碳的影响

通过研究不同有机物料添加对内蒙古河套灌区碱化土壤可溶性有机碳含量变化的影响,寻找合理高效的增碳方式,降低碱化土壤有机碳损失。以内蒙古河套灌区轻度、中度盐碱土为对象进行田间试验,设置生物炭（BC）添加、羊粪（GM）添加,对照（CK）3个处理,对比和分析不同有机物料添加后土壤有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）、土壤理化性质的变化。结果表明：（1）与CK相比,轻度碱化土壤BC、GM处理土壤DOC含量分别增加3.28%,20.66%,SOC含量增加5.40%,10.30%,中度碱化土壤BC和GM处理下可溶性碳增加41.32%,74.10%,土壤SOC含量增加60.24%,79.16%;（2）轻度碱化土壤BC和GM处理土壤DOC含量与SOC含量呈负相关,中度碱化土壤BC和GM处理下呈正相关;（3）盐碱土壤SOC、DOC含量主要与土壤pH、电导率的变化有关;BC处理较GM处理相比土壤电导率低约1.93%~29.15%,而GM处理土壤pH、碱化度比BC处理低0.31%~1.53%,7.10%~24.63%。总体来看,有机物料添加后均能使土壤中SOC、DOC含量提高,不同程度地降低土壤碱化程度,且羊粪添加较生物炭略好,因此羊粪添加对河套灌区碱化土壤碳含量的提高比生物炭添加更有效,土壤改良效果更好,土壤理化性质改善更明显。     

冬季咸水结冰灌溉对河套重盐碱地改良效果研究

采用田间大区试验,连续3年在河套重盐碱区开展了冬季咸水结冰灌溉试验研究,设置冬季咸水结冰灌溉(FSWI)和无灌溉对照(CK)两个处理,其中FSWI处理的灌水量为180 mm,矿化度为6.79～7.97 g·L~(–1),种植作物为青贮玉米,以分析不同处理下土壤水盐和钠吸附比(SAR)的周年动态以及对作物生长的影响,探究冬季咸水结冰灌溉对河套重盐碱地的改良效果。结果表明:与CK相比,FSWI处理显著改变了春季土壤水盐和SAR动态。0～20 cm土层,春季FSWI处理的土壤含水量显著高于CK处理,玉米苗期, FSWI处理的土壤含水量平均为24.3%,显著高于CK的21.6%; FSWI处理的春季土壤含盐量和SAR显著低于CK处理,其中, FSWI处理的土壤含盐量由灌溉前的33.86 g·kg~(–1)降低至玉米苗期的5 g·kg~(–1)以下,而CK处理土壤含盐量逐渐升高至玉米苗期的34.2 g·kg~(–1); FSWI处理土壤SAR由灌溉前的21.9降低至玉米苗期的9.86, CK土壤SAR则逐渐升高至玉米苗期的25.00。后续地膜覆盖和夏季降雨使FSWI处理的土壤含水量维持在23.0%以上,土壤含盐量保持在5 g·kg~(–1)以下,土壤SAR保持在9左右。20～40 cm土层与0～20 cm土层的土壤水盐和SAR变化趋势与表层一致,但没有表层变化剧烈。此外,随着灌溉年限的延长,同时期土壤含盐量和SAR呈逐年降低的趋势。FSWI处理玉米出苗率在70%以上,干物质产量为9～12t·hm~(–2),而CK处理由于土壤含水量较低(21.0%),并且土壤含盐量和SAR均较高,造成玉米出苗率极低,进而导致绝收。因此冬季咸水结冰灌溉改变了土壤水盐动态过程,变春季积盐为脱盐,显著降低了土壤SAR,并补充了土壤水分,保证了饲用玉米的正常种植和生长,这为该地区盐碱地改良和饲料作物种植提供了技术支持。     

基于HYDRUS-1D模型的荒漠绿洲水盐运移模拟与评估

针对河套灌区引水量逐年减少、荒漠绿洲农业生态环境恶化等问题,该研究以沙丘-荒地-海子系统为研究对象,通过2a定点观测,利用HYDRUS-1D模型对沙丘、沙丘-荒地交界和荒地进行了不同时期水盐动态模拟,揭示了荒漠绿洲水盐运移特征,评价了荒漠绿洲农业生态状况.结果表明:1)沙丘、沙丘-荒地交界和荒地土壤水分和盐分率定与验证...     

不同改良剂对河套灌区盐碱土入渗特性及水盐分布的影响

为对比研究改良剂对河套灌区盐碱土入渗特性及水盐分布的影响,设置对照组及2种施用水平(1%和2%)下的2种改良剂(生物炭和脱硫石膏)共5组处理,进行室内土柱试验。结果表明：(1)相比于对照组,1%施用量的生物炭能使入渗时间延缓8.9%,抑制水分入渗,降低相同时间内的土壤累积入渗量,2%施用量的生物炭对水分入渗过程起到先抑制后促进的作用,能使入渗时间缩短35.6%,2种施用量的脱硫石膏都能使入渗时间缩短91.1%,促进水分入渗,提高相同时间内的累积入渗量;只有2%施用量的生物炭使最终的累积入渗量大幅增加62.8%。(2)湿润锋运移距离与时间呈幂函数关系,用Kostiakov模型对累积入渗量和时间的关系拟合相对于Philip模型效果更好。(3)相比于对照组,只有1%施用量的生物炭使入渗后的土壤含水率降低2.7%,其余各处理均出现不同程度的增加;2种施用量的生物炭分别使入渗后的土壤含盐量显著降低28.5%和52.0%,但2种施用量的脱硫石膏分别使土壤表层含盐量显著提高184.3%和403.7%,其中2%施用量处理使土壤整体平均含盐量显著提高73.0%。综合考虑各处理改良后的入渗特性、土壤含水率...     

河套灌区沈乌灌域GF-1/WFV遥感耕地提取

为提高基于遥感影像的灌区耕地自动快速提取,该文针对河套灌区沈乌灌域种植结构特点,利用实地调查结果、Google earth和GF1-WFV遥感影像构建了研究区主要作物及土地利用类型的NDVI时间序列,并利用HANTS滤波法对NDVI时间序列进行了平滑处理。分别采用基于遥感与Google earth的目视解译、监督分类(支持向量机)、基于NDVI时间序列的决策树分类与监督分类相结合的方法、基于HANTS滤波法平滑处理后的NDVI时间序列决策树分类与监督分类相结合的方法对灌区耕地进行提取。利用基于Google earth与目视解译的10 000个随机验证点以及正确率(用户精度)、完整率(生产者精度)和整体精度(提取耕地面积与实际面积的比值)3个指标对提取结果进行了评价。验证结果表明:监督分类(支持向量机)提取结果的正确率、完整率和总体精度仅为84.82%、64.4%和75.68%;基于NDVI时间序列的决策树分类与监督分类相结合的方法提取精度分别为94.28%、84.21%和89.1%;基于HANTS滤波法平滑处理后的NDVI时间序列决策树分类与监督分类相结合的方法提取精度进一步提高,3个指标分别达到94.47%、87.32%和92.24%。在作物种类繁多的大型灌区,时空分辨率优异的GF1-WFV数据在耕地面积提取上具有很强的实用性;结合作物生长规律与遥感信息的联合方法能够有效提高耕地面积的提取精度。