时域反射仪对水分非均匀分布土壤含水率的测定

为了评估时域反射仪测定水分非均匀分布土壤的含水率的性能,该研究在室内试验中将土柱纵向分为上下2层,设置土壤水分差为0.05、0.10和0.15 cm3/cm3 3种情况,进行不同含水率梯度下水分非均匀分布对该仪器测定土壤含水率的影响试验,并在田间试验中进行了实地测试。结果表明,在室内新型时域反射仪随着上下2层土壤含水率梯度差的增加,测定土壤含水率的均方根误差略有增大,在水分分布相对均匀的土壤中测定土壤含水率的均方根误差小于 0.028 cm3/cm3。在田间竖直埋设探头,上湿下干和上干下湿的土壤     

基于探地雷达波振幅包络平均值确定土壤含水率

为了评估探地雷达探测地表土壤含水率的准确性,该研究使用雷达波振幅包络平均值(average envelope amplitude,AEA)方法在室内对含水率为0.05、0.15及0.25 cm3/cm3的砂质土壤进行了探测,并与时域反射仪(time domain reflectometry,TDR)所得土壤含水率进行了对比。结果表明,在实验室内,在0.05、0.15及0.25 cm3/cm3的土壤含水率条件下,使用AEA方法探测所得土壤含水率均比TDR所得含水率大,均方根误差分别为0.026、0.015及0.01 cm3/cm3,这3个含水率条件下,AEA方法探测土壤水分的有效深度分别为0.9、0.6和0.3 m。利用AEA方法在野外进行地表含水率探测,并与TDR和钻孔取样探测的地表含水率进行对比。野外探测结果表明,AEA方法所得含水率与TDR探测所得含水率的均方根误差为0.020 cm3/cm3,与取样实测所得含水率的均方根误差为0.031 cm3/cm3,使用AEA方法能够得到与TDR及钻孔取样精度相近的土壤含水率分布图。研究表明利用探地雷达AEA方法在探测浅部地层土壤含水率是可行的。     

ECH2O EC-5水分传感器测定沙地土壤含水率的可靠性

[目的]对ECH2O EC-5土壤水分传感器测定科尔沁沙地土壤含水率的可靠性进行验证。[方法]以烘干法测定数据为基准值,采用回归分析方法建立ECH2O EC-5水分传感器测定沙地土壤含水率的校正方程,并用独立的样本进行验证。[结果]ECH2O EC-5水分传感器测定值与烘干法测定值之间具有很好的线性回归关系(R2=0.96),呈显著正相关(p0.01);验证结果显示,ECH2O EC-5土壤水分传感器测定值经回归方程校正后与基准值之间的均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(RRMSE)分别为0.38%和6.29%。[结论]ECH2O EC-5土壤水分传感器测定的沙地土壤水分值准确度较高,具有很高的可靠性。     

环境因子与玉米生长对地表温度监测土壤水分的影响

针对当前地表温度受太阳辐射、气象因素及作物生长状态影响,对早晨与傍晚土壤水分估算精度较差的问题,该研究在2020年夏玉米生长的拔节期与抽雄期,利用无人机搭载热红外传感器获取09:00、11:00、13:00、15:00以及17:00的地表温度数据,探究了太阳高度角、饱和水汽压差、植被覆盖度三者与地表-空气温差的相关性,提出了综合调整温度,构建了土壤含水率监测模型,分析模型在玉米吐丝期与水泡期的适用性并绘制了土壤含水率分布图。结果表明：1）同一时刻不同灌溉处理的地表温度与土壤含水率呈现负相关性,同一灌溉处理的地表温度日变化呈现上午升温较快下午降温较慢的负偏态分布趋势。2）太阳高度角正弦4次方根、饱和水汽压差、植被覆盖度与地表-空气温差的线性相关系数分别为0.509、0.948、-0.659。3）相比较基于地表温度构建的土壤含水率监测模型,基于综合调整温度的监测模型将决定系数由0.230提高到0.771,标准均方根误差由18.8%降低至10.3%。4）利用综合调整温度监测其他生育期的土壤含水率,决定系数由0.238提高到0.831,标准均方根误差由18.9%降低至9.5%,表明模型在玉米生长季的各个生育期的不同时段均有较强适用性。该研究可为无人机热红外遥感精准监测土壤水分亏缺状况提供参考。     

三深度土壤水分传感器的研制及试验

针对当前植物根区不同深度下土壤含水量测量存在的传感器安装困难、对原位土壤扰动大以及传感器间一致性差等问题,该文基于阻抗法设计了一种三深度土壤水分传感器。该传感器不仅可以同时测量3个不同深度的土壤含水量,并且在安装时对原位土壤扰动极小。试验标定结果显示,该传感器具有较高的精度,所测的土壤含水量与烘干法所得的实际含水量非常吻合,决定系数R2和均方根误差(RMSE,root mean square error)分别达到0.996和0.013 cm3/cm3;传感器可适用于多种不同质地的土壤,在3种不同质地土壤中的输出灵敏度均大于1V/(cm3/cm3)。传感器的输出与土壤体积含水量呈现良好的线性关系,对黏土、砂土及壤土的决定系数R2分别达到0.983、0.965和0.975;土壤水分入渗试验结果进一步表明,该传感器性能良好,3个不同深度的传感器电极具有较高的一致性,在壤土和砂土样本中3个深度传感器电极的输出,相对误差分别小于2%和5%。     

黄土山地苹果园土壤水分最大利用深度分析

有效利用果园土壤调蓄作用,是进行果园高效水肥管理的基础。该文采用中子仪与烘干法相结合,对黄土山地苹果园土壤水分进行连续9a监测,以达西定律为基础,通过实测果园土壤水分特征参数,分析了黄土山地苹果园土壤水分最大利用深度。结果表明:在有效含水率范围内,根据达西定律,理论山地苹果园土壤水分最大利用深度为3.0～5.17m。黄土山地果园不同坡向间土壤含水率差异明显,阳坡含水率较低,阴坡较高,半阴坡和半阳坡介于两者之间;根据多年实测土壤含水率变化规律,山地苹果园土壤水分最大利用深度分别为:阳坡3.0m,阴坡4.5m,半阳坡3.5m,半阴坡4.0m;在有效含水率范围内,随土壤含水率提高,土壤水分最大利用深度加大。     

灰色关联及非线性规划法构建传递函数估算黑土水力参数

土壤水分特征曲线和饱和导水率是重要的水力参数,为了简便准确获取这些参数,以松嫩平原黑土区南部为研究区域,采集136个采样点土样用于测定不同土层土壤水分特征曲线、饱和导水率以及土壤理化性质,并运用灰色关联分析确定影响土壤水力参数的主要土壤理化性质,采用非线性规划构建土壤分形维数、有机质、干容重、土壤颗粒组成与土壤水分特征曲线、饱和导水率之间的土壤传递函数,并通过与现有土壤传递函数对比分析进行精度验证。结果表明:1)土壤分形维数是估算土壤水分特征曲线模型参数和饱和导水率的主要参数之一,同时,干容重和有机质含量也在不同土层土壤传递函数中起到重要的作用;2)通过验证分析,不同土层各参数平均绝对误差接近于0,均方根误差值也都较小,其中在不同土层土壤传递函数估算的土壤含水率均方根误差分别为0.022、0.017cm~3/cm~3;3)对比分析其他已存的土壤水分特征曲线和饱和导水率的土壤传递函数,该文构建的土壤传递函数均方根误差值均较小,决定系数值都在0.66以上,表明估算精度较高,均好于其他方法估算精度,具有良好的区域适应性。综上,所构建的土壤水分特征曲线和饱和导水率土壤传递函数可以用于松嫩平原黑土区土壤水力参数估算。     

光学与微波遥感协同反演藏北表层土壤水分研究

表层土壤水分是定量干旱监测的重要参量,对干旱区生态环境具有十分重要的意义。在采用归一化植被指数阈值法划分地表覆盖类型的基础上,利用MODIS数据选择适用的光学遥感算法估算土壤水分基准值,以及利用风云三号B星搭载的微波成像仪(Fengyun-3B/MicrowareRadiationImagery,FY3B/MWRI)数据采用微波遥感算法反演土壤水分日变化量,最后构建藏北表层土壤水分协同反演的遥感模型并应用于区域土壤水分的估算。结果表明:光学遥感与微波遥感协同反演的土壤水分含量与实测数据呈显著相关,决定系数达到0.89,均方根误差为0.97,协同反演模型具有较高的反演精度,并且协同反演的结果优于单一遥感源的反演结果。该模型可以较好地适用于藏北地区表层土壤水分的动态监测。     

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。     

黄土高原小流域坝地水分时空分布特征

为有效认识黄土高原淤地坝坝地土壤水分时空分布特征,通过对王茂沟小流域2号坝坝地土壤水分长期监测,分析了坝地土壤水分的统计特征。结果表明:(1)坝地各层土壤水分均表现为中等变异,表层土壤含水量的极差较大,0~2.40m土层土壤平均含水量变化范围为9.92%~23.70%,随深度的增加,土壤平均含水量表现为先减小后增大的趋势;(2)坝地土壤水分具有明显的分层现象,多数监测点的土壤水分在时间上属于中等变异,表层土壤水分变化剧烈,随着深度的增加变异系数开始变小,水分变化程度减弱;根据变异系数的大小,坝地土壤水分可以划分为4个层次:水分剧变层(0~0.20m),水分活跃层(0.20~0.60m),水分次活跃层(0.60~1.40 m),水分相对稳定层(1.40 m以下);(3)坝前各层土壤含水量均明显高于坝中和坝后,在0~0.40 m坝地的含水量明显高于坡地,0.40~1.40 m坡地含水量高于坝地,1.40m以下坝地含水量高于坡地,且坝地各层土壤含水量随时间的变异系数均小于坡地。     

多针热脉冲技术测定土壤热导率误差分析

土壤热导率是研究土壤热传输、水热耦合运移的基本物理参数。为了探知多针热脉冲技术的误差,该研究以能够准确测定热导率的单针法作为参比,在4种质地土壤上,对多针热脉冲技术在不同体积质量、含水率和气压条件下测定的热导率进行了分析。结果表明,多针热脉冲技术的热导率结果与单针法总体符合较好,其热导率测定值的平均误差为0.074 W/(m·K)。干土热导率随气压增大呈现对数增长,这是由于气体分子平均自由程下降的原因。多针热脉冲技术的测定误差主要出现在中等含水率区域,关键问题是加热针的温度升高偏大,促进了水汽潜热传输。另外,土壤与探针之间的热接触阻力、探针导致的土壤体积质量改变、温度梯度引起的液水流也影响测定结果的准确性。该研究可为农业水土工程中的土壤热导率模拟提供依据。     

探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响

在利用热脉冲方法测定热特性时,通常对探针形状做理想化处理,即假设探针为线性热源,热导率无限大而热容量为零。在实际应用中,探针本身的有限特性(有限半径以及有限热容量)会导致热特性测定误差。为了研究探针有限特性对热脉冲技术测定土壤热特性的影响,该研究采用改进的热脉冲探针(直径2 mm、长度40 mm、间距8 mm)测定土壤热特性,并分别使用PILS(pulsed infinite line source,无限长线性脉冲热源)和ICPC(identical cylindrical perfect conductors,近似圆柱形完美导体)2种理论估计土壤热特性,比较分析了探针有限特性对热脉冲技术测定热特性结果的影响。结果表明:1)与PILS理论相比,利用ICPC理论拟合得到的温度升高曲线,可以有效减少探针有限半径和热容量对土壤热特性测定结果的影响。与ICPC理论相比,在0.03~0.25 m3/m3的含水率范围内,用PILS理论得到的砂土热扩散率和热导率分别偏低11.8%和5.2%;与模拟热容量相比,PILS和ICPC理论分别将热容量高估16.1%和7.9%;2)探针有限特性对土壤热特性的影响与含水率有关:在干土上最大;随着土壤含水率的增加,其影响逐渐降低。该研究对提高热脉冲技术测定土壤热特性的准确性具有指导意义。     

原状土与装填土热特性的比较

土壤热特性是研究土壤—植物—大气系统中能量传输的必要参数。目前的研究集中在室内装填土柱上热特性与含水率、质地、温度和体积质量(容重)等因素的关系,田间条件下土壤结构对热特性影响的报道很少。该研究通过比较2种质地土壤田间原状土和室内装填土热特性的差异,初步探讨了不同含水率范围内结构形成对土壤热特性的影响。采集田间原状土,在室内利用热脉冲技术测定其热容量、热导率和热扩散率;然后将样品磨碎、过2mm土筛,填装后得到相同体积质量和含水率的装填土壤样品,并测定其热特性。结果表明,装填土和原状土的热容量基本一致;在中等含水率区域(砂壤土:0.07～0.24m3/m3;壤土:0.15～0.31m3/m3),重新装填后砂壤土和壤土的热导率分别降低了9.7%和9.8%。另外,结构形成增加了土壤热扩散率,在中等含水率区域尤其明显;在接近饱和区域,原状土与装填土的热扩散率趋于一致。因此,土壤结构形成对土壤热容量没有显著影响,但提高了中等含水率区域土壤的热导率和热扩散率。     

Dual probe heat pulse technique for measuring soil water content and sunflower water uptake

Soil water content is the most sought-after soil physical parameter. Recent experiments have shown that dual probe heat pulse (DPHP) sensors can be used to determine volumetric water content of soil without roots. Little work has been done to document the performance of DPHP sensors in the presence of roots, and no work has been done with a taprooted plant. Thus, the objective of this experiment was to determine the accuracy of DPHP sensors in measuring volumetric water content (θ_v) and changes in volumetric soil water content (Δθ_v) in soil with a branched taproot system. Another objective was to determine plant water use. A sunflower plant (Helianthus annuus L. ‘Hysun 354') was grown in a column (0.20 m in diameter and height) with Haynie very fine sandy loam (coarse-silty, mixed, calcareous, mesic Mollic Udifluvents; FAO-Eutric Fluvisols) containing 11 DPHP sensors. Results from the sensors were compared with those from the gravimetric method. Discrepancies between measurements of soil volumetric water content and changes of soil volumetric water by the DPHP and gravimetric methods were small (within 0.018 and 0.01 m³ m⁻³, respectively). The sunflower had a small amount of nocturnal transpiration, and roots took up water at a higher rate near the surface of the soil than at deeper depths. The results showed that the DPHP technique can monitor volumetric soil water content in the presence of a taproot.     

地表覆盖对土壤热参数变化的影响

覆盖条件下土壤热性质的研究对于包气带水热运移及覆盖技术的应用均有重要意义。使用11针热脉冲探头对沙黄土不同深度(6 mm、18 mm、30 mm)的土壤热扩散率、热容量和热导率三个热参数进行测定,并进行地表覆盖(石子覆盖、秸秆覆盖)处理,旨在探究覆盖条件下表层土壤热性质动态变化过程及土壤热参数与水分的内在联系。结果表明:(1)相对于裸土,石子和秸秆覆盖条件下土壤热参数增大,且覆盖对于靠近表层土壤热参数的影响更加明显;(2)随降雨的发生,土壤热参数均增大,在两次降雨期间,土壤热参数逐渐减小,覆盖与裸土热参数差异逐渐增大;(3)三个热参数随降雨的发生,其动态变化过程表现不同,热容量对降雨的响应最为敏感,热导率次之,热扩散率开始减小的时间较热导率和热容量滞后,三个深度滞后时间均在48 h以上,而且覆盖以后热扩散开始减小的时间较裸土推迟(48 h以上)。土壤容重不变的情况下,在频繁干湿交替的过程中土壤水分为土壤热参数变化的最主要影响因素。覆盖条件下土壤热参数与土壤含水量关系研究表明:石子和秸秆覆盖条件下土壤热参数与土壤含水量的变化关系与裸土条件下一致,热导率与含水量呈幂函数增加的趋势,热容量随含水量线性增加,热扩散率随含水量增加先增后减,本研究所用沙黄土热扩散率峰值对应的含水量在0.20 cm3cm-3左右。由以上结果可以发现覆盖对近表层土壤热参数的动态变化有显著的影响,覆盖的保水效应直接影响土壤热参数的变化。     

基于热脉冲方法的南方红壤蒸发原位监测

基于热脉冲技术的能量平衡方法是一种原位实时监测土壤蒸发速率技术。热脉冲方法的准确性受地表气象条件、土壤类型等因素影响,目前该技术多应用于质地较砂北方旱地土壤。为进一步验证热脉冲方法在质地较黏的南方红壤上监测蒸发速率的适用性,该研究利用热脉冲传感器与微型蒸渗仪开展了为期30 d的监测试验,对比了热脉冲能量平衡方法与微型蒸渗仪测得日蒸发速率以及累积蒸发量,并通过监测土壤含水率变化和气象因子,评价了红壤区土壤蒸发的主要影响因素。结果表明,热脉冲方法测得的日蒸发速率与微型蒸渗仪监测值变化趋势相同,试验期间两种方法测得日蒸发速率最大相差0.80 mm/d,最小相差0.02 mm/d,决定系数R2=0.52。两种方法测得的累积蒸发量随时间变化值之间具有更强的相关性（R2=0.99）,30 d内微型蒸渗仪监测的总累积蒸发量为19.3 mm,热脉冲方法监测的累积蒸发量为24.4 mm。由于降水影响,微型蒸渗仪漏测了7 d的蒸发速率,剔除该7 d数据后,二者仅相差4.6%。相比于传统的微型蒸渗仪法,热脉冲方法具有自动化的优点,且能够实时监测剖面微尺度（mm尺度）上蒸发动态。研究区红壤的日蒸发速率与各因子的相关程度由大小为土壤含水率、净辐射、风速、气温。研究结果表明热脉冲能量平衡方法能够准确地监测南方红壤区土壤蒸发动态,研究可为红壤区水热循环研究提供技术和理论支撑。     

白膜和黑膜覆盖对黄绵土保水调温的效应

本研究量化了白膜和黑膜覆盖对黄棉土不同深度土壤水分和土壤温度的变化,探讨了地膜覆盖的"保水调温"效应。试验设置白膜、黑膜、未覆膜3个处理,监测覆盖处理下不同深度土壤温度,选用正弦曲线拟合和方程模型,量化分析黄绵土在不同覆盖条件下土壤水分、土壤温度和热容量变化过程。研究发现,40 cm深度处土壤水分和土壤热容量值均最大,10 cm深度处值最小。在0:00~8:00,黑膜覆盖下土壤温度普遍高于白膜覆盖,黑膜覆盖夜间保温性更好;8:00~16:00,白膜覆盖下土壤温度增加速率更快,对地温提升优于黑膜覆盖,白膜覆盖下土壤温度"峰值"出现比黑膜早1 h左右。覆盖处理均表现为浅层土壤(0~20 cm)升温快,降温也快,土壤温差变化幅度大于深层土壤(20~40 cm);随着土壤深度的增加,覆盖地膜对土壤增温效应不明显,土壤热容量显著增加。覆盖白膜、黑膜均能显著提高土壤水分和土壤温度,增加土壤热容量。白膜覆盖对土壤增温效应要大于黑膜覆盖的增温效应;白膜覆盖条件下土壤温度温差最大,未覆膜处理次之,黑膜覆盖处理最小。     

The effect of mulching and tillage on the water and temperature regimes of a loess soil: Experimental findings and modeling

Crop residues and tillage are being advocated for their potential effectiveness to modify the soil hydrothermal regime. This study was carried out to quantify the effect of straw mulching and rotary hoeing on the soil water and thermal regimes of a loess soil. The field experiment consisted of four treatments: (1) no mulching and no rotary hoeing as control, (2) rotary hoeing, (3) wheat straw mulching, and (4) wheat straw mulching with rotary hoeing. During the study period from 5 August to 20 September 2002, soil water content and pressure head were measured daily at five soil depths (0.05, 0.15, 0.30, 0.45 and 0.60 m). Soil temperatures were measured at hourly resolution at three depths (0.05, 0.15 and 0.30 m). Mulching decreased soil water loss on an average by 0.39 mm d⁻¹ and rotary hoeing increased water loss on an average by 0.12 mm d⁻¹ as compared to control. Volumetric soil water contents at pF 1, 1.8 and 2.5 up to 30 cm depth were highest (0.418, 0.390, and 0.360 m³ m⁻³, respectively) with the application of wheat straw mulch and lowest (0.393, 0.363, and 0.333 m³ m⁻³, respectively) with the rotary hoeing. Soil thermal conductivity measured at pF 1, 1.8, 2.5, 3, and 3.7 decreased with increasing suctions in all the treatments. However, the tillage and mulching did not affect the soil thermal conductivity. Further, compared with the control, mulching reduced average soil temperatures by 0.74, 0.66, 0.58 °C at 0.05, 0.15, and 0.30 m, respectively, during the study period. The rotary hoeing tillage slightly increased the average soil temperature by 0.21 °C at 0.05 m depth compared to control. The tillage effect did not transmit to deeper depths. The numerical model Hydrus-1D was used to simulate the water and temperature regimes of the treatments. Simulations with hydraulic parameters derived from laboratory measurements did not yield satisfactory results. Only when the hydraulic parameters were optimized by the inverse method, simulations performed well. The largest deviations were observed in the wheat straw mulching treatment. Simulations were further improved by adjusting the potential evaporation rate from the measured data which was achieved by linking the inversion code UCODE to the Hydrus-1D. Soil temperatures at 0.05 and 0.15 m in all the treatments were modeled well, yielding root mean square errors between 0.3 and 1.7 °C. As for soil water, the largest temperature deviations were found for the mulching treatment. All simulations underestimated soil temperatures at 0.30 m. In conclusion, crop residue can be utilized as mulching to improve the soil hydrothermal regime and the Hydrus-1D model can be used as a tool for analyzing water and heat transport processes and for estimating hydraulic transport parameters under field conditions.     

Calibration of the time‐domain reflectometer and determination of the volumetric water content of the soil profile in an ultisol of Costa Rica

Abstract

An experiment was conducted to determine if time‐domain reflectometry (TDR) could be used to measure the water content at different depths in the O‐to‐75 cm soil layer. Probes of three wires (1/8 inch diameter and 30 cm exposed length) were installed in field plots differing in current crop‐fertilization history. Measurements of volumetric water content using bulk density and gravimetric water content were made to calibrate the TDR method. Comparison of water contents determined by TDR with those from gravimetric samples showed that there is a linear relationship (small offset but same slope) of water content with depth, indicating that there is little difference in volumetric water content from the 0 to 75 depth. However, the TDR method gives consistently lower water content values as compared with values obtained by gravimetric determination. Continuous measurements of profile soil water content with TDR in wet and dry periods during the year indicated that the mayor differences in volumetric water content correspond to the first 30 cm depth.