基于EM38-MK2的南疆干旱区表观电导率反演土壤水分研究

土壤水分含量是农田进行定额灌溉的基本参数,南疆地处干旱区,土壤水资源稀缺,实现田间定额灌溉更利于充分利用土壤水分。EM38-MK2快速和高效获取土壤水分含量数据,适时监测土壤水分含量,可成为农田精准灌溉的重要途径。用EM38-MK2测定轻度、中度和重度3个不同程度盐渍化区域土壤0～0.75 m和0～1.5 m的表观电导率,结合同步采集的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土壤剖面剖面及室内测定含水量数据,对比三个不同盐渍化程度表观电导率反演土壤含水率模型精度,比较分区模型和全区模型的反演精度,分析土壤盐分含量对反演土壤含水率精度的影响。结果表明,用EM38-MK2对土壤含水率反演效果在轻度盐渍化表现最好,中度盐渍化次之,重度盐渍化较差。不同深度土层的分区模型精度均高于全区模型精度,分区模型R~2为0.73～0.88,RMSE低于全区模型,全区模型各层的RPD均低于1.5,不具备预测能力。土壤盐分含量对土壤水分的反演有影响,并且随土壤盐分含量的增加,反演精度下降。     

基于电磁感式大地电导率仪的南疆干旱区土壤电导率反演研究

土壤盐渍化是南疆农业和生态环境可持续发展的主要障碍因素。本文以南疆阿拉尔地区不同程度盐渍化土壤区域为研究对象,分析不同程度盐渍化及不同土壤水分含量区域土壤电导率电磁感应反演模型的差异,旨在为电磁感应技术应用于区域尺度土壤盐渍化监测提供有效的参考和借鉴。通过EM38-MK2电磁感应仪采集3个不同程度盐渍化土壤的电磁感应数据并同步采集土壤剖面样品,采用局部建模和全局建模的思路构建了土壤电导率的电磁感应反演模型。结果表明,土壤电导率电磁感应的线性模型、指数模型、对数模型和乘幂4种模型中,线性模型的精度最高。基于表观电导率数据所构建的土壤电导率局部模型精度优于全局模型,0～20、20～40、40～60 cm等不同深度土层局部模型的R2在0.78～0.89之间,全局模型则在0.70～0.80之间。土壤含水率对电导率电磁感应反演模型精度有明显影响,当土壤含水量小于10%时,土壤电导率电磁感应模型的R2为0.73,10%～20%时为0.85,大于20%为0.86。研究结果为同类地区土壤盐渍化的电磁感应监测提供了良好的借鉴。     

干旱区棉田表层土壤盐渍化时空变异研究

明确土壤盐渍化时空变异特征是确保干旱区棉田精准灌溉和作物良好生长发育的基础。考虑棉田不同灌溉节点和灌溉方式,利用大地电导率仪(EM38-MK2),在棉花生育期内进行3次表观电导率数据和土样的采集,采用局部建模和全局建模的思路构建表观电导率与实测电导率间的反演模型。综合利用经典统计方法和地统计学方法,分析表层土壤盐渍化的时空变异特征。结果表明,表观电导率与实测电导率建立的局部模型具有较好精度,R2均大于0.79,而全局模型的R2仅为0.52,表明局部模型优于全局模型;不同时期表层电导率变异性差异较大,3月和10月变异系数均小于50%,属中等变异,而7月变异系数大于50%,属强变异;各时期半变异函数的最优模型均为球状模型,基台值与块金值之比均小于25%,表明表层盐分变异主要由气候,蒸降比、地下水埋深度等结构性因素引起;研究区盐渍化土壤面积由播种前的0.49%增加到棉花收获后的98.23%,在棉花生育期内,表层土壤以轻度盐渍化和中度盐渍化为主;土壤盐渍化空间变异强度主要以中等变异为主,强变异次之,弱变异所占面积最小,而强变异集中分布在研究区南端,弱变异区域主要集中在研究区中部。研究结果为干旱区田间尺度的棉田土壤盐渍化时空变异研究提供了一定的思路和方法。     

基于电磁感应协同野外原位光谱的土壤盐分反演研究

快速准确监测土壤盐渍化可为土地资源合理开发利用与改良提供科学依据。利用 EM38-MK2大地电导仪和野外光谱仪测定的土壤表观电导率和光谱数据，构建表观电导率与土壤电导率的反演模型，依据相关性分析结果进行土壤盐渍化特征波段的提取，并采用反射率、反射率倒数和反射率一阶微分 3种数据变换形式构建土壤电导率的全波段与特征波段的偏最小二乘回归与主成分回归土壤盐分监测模型。研究结果表明，EM38-MK2测定的土壤表观水平电导率和表观垂直电导率相结合建立的电导率解译模型的拟合优度达到 0.89，在土壤盐渍化光谱建模中可快速提供电导率数据。全波段建模精度高于特征波段建模精度，偏最小二乘回归建模精度高于主成分回归建模精度，反射率一阶微分变换后建立的模型精度优于反射率倒数变换与反射率。研究区土壤电导率的预测模型选取经一阶微分变换后的全波段偏最小二乘回归建模方法为最佳模型，精度指标可达到 0.85，相对分析误差可达到2.56。     

基于电磁感应技术的棉田土壤电导率时空异质性研究

土壤剖面盐分的分布位置和含量的三维可视化研究,对干旱区盐渍化土壤定额灌溉具有重要意义。通过采集4个不同时期的土壤表观电导率数据和同步采集的土壤剖面样品的室内测定电导率数据,利用多元线性回归方法构建了土壤剖面不同土层实测电导率与表观电导率之间的反演模型,采用三维反距离权重插值法(3D-IDW)实现了土壤盐分的三维可视化,在此基础上研究了新疆干旱区膜下滴灌棉田土壤剖面盐分的时空变化。结果表明：表观电导率与实测电导率之间具有较好的相关性,基于表观电导率数据构建的实测电导率反演模型的决定系数(R2)在0.82～0.99之间;基于3D-IDW的三维可视化技术可高精度地展示出盐分在土壤剖面中的分布位置和含量,不同时期土壤电导率交叉验证的R2均大于0.75;土壤电导率的三维数据统计结果表明,由于灌溉、覆膜和揭膜活动等人为因素和气温、蒸发作用、地下水水位等自然因素的作用,不同时期土壤剖面盐分的分布特征和含量均存在较大的差异,3月份土壤剖面盐分分布类型为均匀型,0～100 cm土壤剖面的电导率范围为0.78～0.88 dS?m-1,6、7和10月份为表聚型,6月和10月份的盐分主要集中分布于0～20 cm,0～20 cm的电导率分别为3.32和5.28 dS?m-1, 7月份的盐分主要集中于0～40 cm,0～40 cm的电导率为2.25～2.45 dS?m-1。研究结果对于精确棉田灌溉时间节点和灌水量具有指导作用。     

基于EM38的滨海棉田土壤表观电导率空间变异与利用研究

土壤盐渍化和次生盐碱化是制约黄河三角洲农业可持续发展的关键障碍因子,了解和评估耕地土壤盐分的时空动态是对其进行科学利用和改良的前提。本文以黄河三角洲滨海盐碱地棉田为研究对象,在降水集中月份前后用EM38-MK2大地电导率仪测量了棉花两个关键生育期土壤根系层0~0.375 m和0~0.75 m剖面的土壤表观电导率,深入分析了棉花根区土壤表观电导率在空间上的分布特征与影响因素。结果表明:1)在降雨前后,黄河三角洲滨海土壤盐分空间变异较大,达到或超过中等变异水平;2)通过对大地电导率进行校正,排除影响其读数的干扰因素影响,大地电导率能快速表征0~0.375 m/0~0.75 m两个关键层次土壤盐分状态,可有效用于滨海棉田的土壤盐渍化的监测和评估;3)结合黄河三角洲地区地形地貌特征、降水蒸发、作物综合长势等因素的区域调查,作者认为在区域尺度上,优化土地利用格局,加强农田基本水利建设;在田间尺度上,加强土地平整和灌排配套等措施是治理和改良滨海盐碱土的基础。     

松嫩平原盐渍化水田土壤表观电导率空间变异研究

运用电磁感应仪EM38结合GPS定位,以盐渍化水田为研究对象,通过经典统计学和地统计学相结合的方法研究了盐渍土区新开水田表观电导率的空间变异特征,分析了土壤表观电导率与土壤盐碱指标关系。结果表明,经典统计分析土壤水平方向表观电导率(ECh)与垂直方向表观电导率(ECv)均为中度空间变异强度,且符合正态分布。地统计分析表明,ECh和ECv均具有强空间相关性,其变异特征主要是由结构性因素引起的,半方差拟合最优模型为指数模型。且ECh和ECv空间分布在一定范围内存在相似性,均表现为不同表观电导率的土壤呈斑块和条带状镶嵌分布。Pearson分析显示,土壤表观电导率与盐碱化指标土壤电导率(EC1︰5)和碱化度(ESP)呈正相关关系(P0.05),相关系数大于0.8。回归分析表明,土壤表观电导率与EC1︰5和ESP均为指数函数关系,决定系数大于0.76。ECh与土壤盐碱化指标相关系数和决定系数均大于ECv,因此可以用水平方向土壤表观电导率ECh来反映土壤的盐碱化程度。该研究可以为土壤盐分空间变异理论与盐碱地改良实践相结合的研究思路提供理论基础,为盐碱地实施定位、定区清除或消减土壤盐碱的均质化改良技术提供数据支持。     

基于磁感式大地电导率仪的土壤盐分解译模型

以新疆伊犁地区盐渍土为研究对象,通过分层采样测定土壤盐分含量,采用EM38和EM31两种磁感式大地电导率仪测定土壤表观电导率,分析不同土壤层次盐分与土壤表观电导率的相关性,应用逐步回归方法构建土壤盐分解译模型,并进行了模型精度验证。研究表明:土壤盐分含量与土壤表观电导率之间呈显著线性相关,构建的土壤盐分解译模型具有良好的精度。本研究将为精确解译伊犁地区土壤盐渍化特征提供重要的方法支撑。     

电导率法在土壤盐渍化中的改进和应用进展

土壤盐渍化是常见的地质灾害之一,对土壤盐分状况及盐渍化程度的空间分布特征进行了解是有效治理的前提条件。电导率法作为一种快速稳定测定土壤盐分时空分布特性的方法被广泛应用于土壤盐渍化研究中。土壤溶液电导率(ECw)、土壤浸出液电导率(ECe)及土壤表观电导率(ECa)都可以对土壤盐渍化程度进行量化,土壤溶液电导率(ECw)可以通过原位取样器和盐分传感器进行测量,通过制备饱和土浆则可以对土壤浸出液电导率(ECe)进行测量,电阻率法和电磁感应法则可以测定土壤的表观电导率(ECa)。本文就不同电导率法的测量原理及实际测量对象、常用技术设备、优缺点进行综述。为更好的理解电导率法在土壤盐渍化中的应用提供参考     

基于表观电导率和Hydrus模型同化的土壤盐分估算

精细刻画农田土壤盐分运移过程对盐渍化精准治理具有重要意义。该文以磁感式大地电导率仪EM38测定的土壤表观电导率作为数据源,利用表观电导率与剖面土壤盐分之间的反演模型作为观测算子,将集合卡尔曼滤波(ensemble Kalmanfilter,En KF)同化方法应用于土壤水盐运移过程模型(HYDRUS-1D),进行滨海盐渍农田周年土壤盐分动态的模拟,并分析了同化过程的敏感性。结果表明:与单纯使用HYDRUS模型相比,En KF同化方法对模型观测算子的更新,有效提高剖面土壤盐分模拟精度,且En KF同化值的精度优于En KF同化模拟值,在同化过程中的调整量亦最大;敏感性分析结果显示土壤盐分同化过程对状态变量集合数大小不敏感,对观测数据误差和引入观测数据的深度较为敏感,观测数据误差水平越高、引入观测数据的深度越浅其误差越大。研究表明基于水盐运移模型和土壤表观电导率数据的EnKF同化方法能提高土壤盐分的模拟精度,为利用多源数据和机理模型进行较大尺度生态过程模拟预测提供了有效手段。     

直压式电导法测定厚包气带土壤岩性的应用研究

探索将厚包气带直压式测量土壤电导率(EC)用于绘制土壤岩性剖面的方法。研究区位于太行山山前平原,由于浅层地下水大幅度下降,该区已经形成了厚包气带。我们利用Geoprobe(r)直压式钻机和温纳排列(W enner Array)电极组测得EC剖面并钻取相应的土样。土样分析结果显示,深层土壤水分含量受岩性控制。由于研究区土壤为非盐渍土,因此土壤岩性是EC变化的主要控制因素,而土壤EC的空间变化也能表达岩性的分布。比较土样颗粒组成和EC值发现,EC值与土壤砂粒含量成负相关,与土壤粘粒含量成正相关。当土壤中砂粒含量由12%增加到100%时,EC由100 mS m-1减少到20 mS m-1;而粘粒含量由3%增加到26%时,EC由30 mS m-1增加到100 mS m-1。研究结果表明,厚包气带直压式测量EC资料可以推断土壤岩性。     

于田绿洲盐渍土水、盐、温度季节变化规律与相关性研究

以于田绿洲为研究区,借助ENVI 5.1、ArcMap 10.2、Origin 8.5、SPSS 20.0,同时结合野外实测数据,对盐渍土不同土层(0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm)的土壤含水量、温度、电导率的变化规律及相关性进行了研究。结果表明:研究区土壤含水量、温度、电导率从6月到8月呈升高趋势,绿洲南部和北部地区的5、8号点在60~80、80~100 cm土层的土壤含水量最高,8、22号点表层(0~20 cm)土壤电导率最高,而南部和西部地区的5、22号点在40~60 cm土层的土壤电导率最高;秋季和夏季的土壤含水量、温度、电导率均高于冬季和春季。研究区西部的16、22号点各土层的含水量与电导率呈显著正相关,在60~80 cm土层的土壤含水量与电导率的相关性最强,相关系数分别为0.970**、0.987**。     

脱硫石膏改良盐碱土壤综合效果评价研究

为探究区域脱硫石膏改良盐碱土壤的综合效果，通过文献调研统计分析了施加量在0~60 t·hm?2范围内的脱硫石膏，对土壤pH、交换性钠百分率、浸提液电导率和作物产量的变化特征。基于灰色关联分析法和熵权法建立了以脱硫石膏施加量为自变量的盐碱土壤综合改良评价模型。结果表明：施用脱硫石膏可降低土壤pH和交换性钠百分率，提高作物产量（油葵、苜蓿、玉米、水稻、小麦、枸杞和甜高粱），但增加了土壤浸提液的电导率值。随着脱硫石膏施加量的增加，土壤pH和交换性钠百分率的降低率及作物产量的增加率呈先增加后减少的趋势，而土壤浸提液电导率的增加率呈增加的趋势。在中度或重度盐碱土壤为获得作物高产，脱硫石膏施加量不宜超过30 t·hm?2。为综合分析脱硫石膏改良盐碱土壤的效果，本文基于熵权—灰色关联度评价模型，分析脱硫石膏最佳施加量。轻、中度盐碱土施加18～22 t·hm?2的脱硫石膏；重度盐碱土施加23～29 t·hm?2的脱硫石膏可取得良好的改土增产效果。研究成果为脱硫石膏改良盐碱土壤提供参考依据。     

Upgrading a 1/20,000 soil map with an apparent electrical conductivity survey

Despite their shortcomings, choropleth soil maps remain the most widespread source of information on soil resources. Since most nationwide soil surveys were conducted in the second half of the previous century, a need for upgrading emerges. We evaluated the potential of detailed observations made by a mobile, non-invasive proximal soil sensor to upgrade a part of the 1/20,000 choropleth soil map of Belgium. This study was conducted on a 14 ha area which had been mapped twice in the 1950s: first, during the national soil survey yielding a 1/20,000 soil map, and second, during a detailed investigation resulting in a 1/5000 map. The first map failed to identify the presence of a Tertiary clay substratum at variable depths, while the second map indicated this substratum to be present within 1.2 m below the soil surface for about a third of the area. A recent survey with the EM38DD soil sensor provided 9192 measurements of the apparent electrical conductivity (EC_a) within the study area. The depth of the substratum (D_ts) was noted at 60 calibration locations by augering and the relationship between EC_a and D_ts was modelled by an exponential curve with an R² of 0.80. This allowed the detailed mapping of D_ts by regression kriging. The predictions were validated using 46 independent observations of D_ts indicating a reasonable average error of 0.24 m and a very good correlation coefficient between observed and predicted values of 0.94. A map accuracy assessment indicated that even after classification, the D_ts classes were better predicted by the sensor data than the 1/5000 map which was based on many more auger observations. Finally an upgraded 1/20,000 soil map was presented, illustrating the potential of combining existing soil maps with proximal soil sensing technology.     

基于光谱指数与机器学习算法的土壤电导率估算研究

土壤盐分是干旱区土壤盐渍化评价的重要指标。以新疆维吾尔自治区渭干河-库车河三角洲绿洲为例，基于土壤电导率 (Electrical conductivity，EC) 及可见光-近红外 (Visible and near infrared, VIS-NIR) 光谱数据，通过蒙特卡洛交叉验证 (Monte Carlo cross validation, MCCV) 确定364个有效样本。采用原始光谱 (Raw reflectance, R) 及其经过微分、吸光度 (Absorbance, Abs)、连续统去除 (Continuum removal, CR) 等6种预处理后的数据构建光谱指数。基于遴选出的21个最优指数，采用BP神经网络 (Back propagation neural network, BPNN)、支持向量机 (Support vector machine, SVM)、极限学习机 (Extreme learning machine, ELM) 三种算法对EC进行估算，并引入偏最小二乘回归 (Partial least squares regression, PLSR) 进行比较。结果表明：在基于R与6种光谱预处理数据构建的21个最优光谱指数之中，R_FD_RSI (R₁₉₁₃，R₂₁₄₂) 表现最佳 (r = 0.649) ；与PLSR相比，机器学习算法能够显著提高模型的估算精度，R²提高了34.55%。三种机器学习算法模型中，ELM表现最优 (R² = 0.884, RMSE = 3.071 mS?cm^-1, RPIQ = 2.535) 。本研究中所构建的光谱指数在兼顾遥感机理的同时能深度挖掘更多的隐含信息，并且基于机器学习算法的土壤EC估算模型精度显著提高，为干旱区土壤盐分定量估算提供了科学参考。     

Mapping soil salinity in 3‐dimensions using an EM38 and EM4Soil inversion modelling at the reconnaissance scale in central Morocco

Large areas of Morocco require irrigation and although good quality water is available in dams, farmers augment river water with poorer quality ground water, resulting in salt build‐up without a sufficient leaching fraction. Implementation of management plans requires baseline reconnaissance maps of salinity. We developed a method to map the distribution of salinity profiles by establishing a linear regression (LR) between calculated true electrical conductivity (σ, mS/m) and electrical conductivity of the saturated soil‐paste extract (ECe, dS/m). Estimates of σ were obtained by inverting the apparent electrical conductivity (ECa, mS/m) collected from a 500‐m grid survey using an EM38. Spherical variograms were developed to interpolate ECa data onto a 100 m grid using residual maximum likelihood. Inversion was carried out on kriged ECa data using a quasi‐3d model (EM4Soil software), selecting the cumulative function (CF) forward modelling and S2 inversion algorithm with a damping factor of 3.0. Using a ‘leave‐one‐out cross‐validation' (LOOCV), of one in 12 of the calibration sites, the use of the q‐3d model yielded a high accuracy (RMSE = 0.42 dS/m), small bias (ME = ?0.02 dS/m) and Lin's concordance (0.91). Slightly worse results were obtained using individual LR established at each depth increment overall (i.e. RMSE = 0.45 dS/m; ME = 0.00 dS/m; Lin's = 0.89) with the raw EM38 ECa. Inversion required a single LR (ECe = 0.679 + 0.041 × σ), enabling efficiencies in estimating ECe at any depth across the irrigation district. Final maps of ECe, along with information on water used for irrigation (ECw) and the characterization of properties of the two main soil types, enabled better understanding of causes of secondary soil salinity. The approach can be applied to problematic saline areas with saline water tables.     

一种土壤盐分传感器的敏感场分析及其校正研究

从基本理论出发,计算了一种新型探针式四电极外部电势的理论分布,通过对敏感场分析得出了该四电极的敏感响应范围为径向直径约1.5倍电流电极间距的椭球体.通过研究土壤表观电导率(ECa)、土壤盐分(EC1:5)和土壤质量含水率(θ)之间的关系,利用非线性回归的方法获得了精度较高的ECa-EC1:5校正模型,为土壤盐渍化调查和监测提供了便捷有效且费用低廉的方法.     

内蒙古河套灌区粮饲兼用高粱和谷子拔节期农艺性状对土壤盐分梯度的响应

粮饲兼用作物种植模式对内蒙古河套地区的农业、畜牧业可持续发展具有重要意义。本研究以粮饲兼用的2个高粱品种(‘F438’和‘2562’)和2个谷子品种(‘张杂19号’和‘张杂13号’)为试验材料,在内蒙古河套灌区五原县进行大田试验,研究2种作物拔节期的农艺性状对不同土壤盐碱水平的响应特征,并探讨作物不同农艺性状与土壤电导率(EC)的相关性。结果表明:以播种前样地的土壤EC为对照,至拔节期2个谷子品种土壤EC低于高粱品种;随土壤EC升高,谷子‘张杂13号’和‘张杂19号’的可见叶片数量、高粱‘F438’和‘2562’的叶片数均显著减少,表明高土壤含盐量显著抑制了2种作物的生长;高盐碱土壤显著限制了2种作物的株高和茎粗,谷子比高粱对土壤盐碱度的耐受能力更高;2种作物的叶面积对土壤盐碱水平都较敏感,低盐碱水平条件下叶面积已显著降低;随土壤盐碱程度增加, 2种作物叶片叶绿素含量均呈下降趋势, 2个高粱品种叶绿素含量受土壤盐碱梯度干扰相对较小。相关性分析结果表明,拔节期2种作物的茎粗、株高、叶面积和可见叶片数与土壤EC呈显著负相关。比较4个作物品种,谷子品种‘张杂19号’对土壤盐碱度的耐受能力较高,具有更强的盐碱地种植适应潜力。本研究结果对探明粮饲兼用作物在盐碱地种植模式的适应机制提供了科学依据,对内蒙古河套地区传统农业种植模式优化和畜牧业可持续发展具有重要意义。     

轮作对设施蔬菜大棚中次生盐渍化土壤盐分离子累积的影响

2007 年8 月在江苏省宜兴市采集10 个典型大棚土壤及其邻近露地蔬菜地土壤调查其离子组成和电导率, 并选择2 个土壤具有次生盐渍化特征的大棚研究轮作(蓖麻-白菜-蓖麻、辣椒-白菜-辣椒)对土壤电导率(EC)和离子组成的影响。结果表明, 大棚蔬菜地土壤EC 显著高于露地蔬菜地土壤, 20%的大棚土壤已发生次生盐渍化(EC>500 μS·cm^-1); 大棚土壤的SO₄^2-、NO₃^-离子浓度显著高于露地蔬菜土壤, 说明SO₄^2-、NO₃^-是影响大棚次生盐渍化的主要离子。2 年3 茬大棚蔬菜地轮作试验结果表明, 蓖麻-白菜-蓖麻轮作导致土壤EC 下降5%, 辣椒-白菜-辣椒轮作使土壤EC 下降33%, 表明后者对土壤次生盐渍化改良效果优于前者。两轮作系统盐分离子累积差异主要在于SO₄^2-, 辣椒-白菜-辣椒轮作能降低土壤SO₄^2-的累积, 而蓖麻-白菜-蓖麻轮作则不然。建议根据次生盐渍化土壤主控盐分离子以及不同作物对盐分离子吸收累积偏向性选择合适的轮作系统, 实现轮作改良次生盐渍化最佳效果。