基于光谱指数优选的土壤盐分定量光谱估测

[目的]探索基于光谱指数的盐渍土盐分估测的最佳技术路线,为研究区土壤盐分定量、快速遥感监测提供理论基础和技术参考。[方法]以山东省垦利县为研究区,野外采样,获取盐分及其主要离子(Cl-,Na+,Ca2+)含量及高光谱数据;然后采用2种思路:(1)先选取敏感波段,进而构建常见的5种光谱指数;(2)先任意两波段组合构建光谱指数,进而筛选敏感光谱指数。最后皆采用随机森林方法(random forest,RF)构建土壤盐分及其主要离子的光谱模型。[结果]基于筛选的敏感亮度指数(1 750,1 620nm)的RF模型精度最高,作为研究区土壤盐分的最佳估测模型,亮度指数作为最佳光谱指数;思路(2)明确的特征光谱范围涵盖思路(1)筛选的敏感波段,更有利于光谱特征分析;思路(2)建模的结果明显优于思路(1);确定最佳技术路线为:任意波段两两组合构建光谱指数后,利用相关分析筛选土壤盐分及其主要离子的敏感光谱指数,进而构建其RF模型。[结论]该技术路线适用于黄河三角洲地区土壤盐渍化信息的有效提取。     

土壤电动修复中电极切换对土壤微生物群落的影响

通过细菌计数和Biolog方法,研究了在3.0V·cm^-1的电压梯度下,不同电场切换周期（24h、5h、10min和1min）对土壤微生物群落的影响。结果表明,电压梯度为3.0V·cm^-1的电场作用能够促进土壤微生物的活性,但会轻微地降低土壤微生物功能多样性,电场切换不能改变这种电场对微生物群落的影响;长时间的电场处理下,电极反应对微生物数量和功能多样性损害严重,切换电场电极能有效消除电极效应,电场电极切换周期≤5h时,可保护电极附近土壤微生物多样性,当切换周期≤10min时,不仅可保护土壤微生物多样性,而且可以保护微生物数量。研究结果说明了电场电极切换能有效降低电极反应对微生物群落的影响,揭示了电场电极切换对土壤微生物群落影响的规律,为电场电极切换方法在污染土壤电动强化生物修复技术中的深化和应用提供理论依据。     

复合纳米材料修饰丝网印刷电极检测土壤中铅和镉

为了快速、准确、低成本检测土壤中痕量Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ),该研究应用电化学还原和滴涂方法制备了一种铋膜/Nafion/还原氧化石墨烯/离子液体复合纳米材料修饰的丝网印刷电极(Bi/Nafion/rGO/IL/SPE)。通过扫描电子显微镜、循环伏安法和能量色散谱手段表征了修饰电极的电化学分析性能,结果显示修饰材料增大了电极的比表面积、增强了电极的电子传输能力并提高了电极对目标重金属的沉积量。利用标准溶液优化了试验参数,最优参数下的修饰电极检测性能为:在1～80μg/L范围内,Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的峰值电流与其浓度的校正模型决定系数分别为0.993和0.985,Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的理论检测限分别为0.124和0.232μg/L(S/N=3)。应用实际土壤样品验证了Bi/Nafion/rGO/IL/SPE的实用性,结果显示:Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的平均加标回收率分别为98.71%和98.93%,表明该修饰电极可以用于土壤中痕量Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的检测。     

Cd胁迫对5种植物体内Cd积累及根际土壤特性的影响

以大豆、棉花、曼陀罗、蓖麻和玉米为供试材料,采用土柱栽培试验,探讨Cd胁迫后,5种植物根系活力与各器官间cd含量的差异,以及5种植物根际土壤酶活性与根际土壤营养含量对Cd胁迫的反应.结果表明:(1)5种受污染的植物体Cd富集量超出对照不受污染的植物体达3～7倍之多,但都未达富集临界值100 mg/kg.(2)不同植物不同器官Cd运转积累部位不同,以根冠比衡量,蓖麻、玉米、棉花R/S大于1,称作根优势植物;大豆、曼陀罗R/S小于1,称作冠优势植物;棉花R/S近于1,称作冠根均衡植物.5种植物吸收富集最强的前3位植物(大豆、玉米、棉花)都是人工驯化的栽培植物,其吸肥能力强于野生植物的,这种吸肥能力与吸Cd能力是否呈正相关关系,吸肥能力的差异是否可以作为污染土壤利用改良的依据值得进一步研究.(3)大豆、曼陀罗茎秆中Cd含量均较根、叶、籽实中的高,考虑到大豆是粮食作物,同时其根部Cd含量仅次子茎的,而曼陀罗作为一种杂草,其地上部Cd转移系数大于1.0,因此,比较供试5种植物,应优先选择曼陀罗用于Cd污染区域的土壤净化.(4)Cd胁迫(5 mg/kg)提高了5种植物根系还原TTC强度,抑制了大豆和蓖麻根际土壤多种酶活性,而促进了曼陀罗和玉米根际土壤多种酶活性以及棉花根际土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性;比较5种酶活性,碱性磷酸酶活性对Cd反应较不敏感,脲酶和蔗糖酶活性对Cd反应较敏感,多酚氧化酶和过氩化氯酶活性对CA的敏感程度因不同植物而异.结果还表明Cd胁迫不同程度地提高了供试5种植物根际土壤营养含量.(5)研究为有效开展Cd污染土壤的植物修复资源提供理论依据.     

北方地区滨海盐渍土型稻田土壤供氮能力的研究

采用短期淹水密闭淋洗培养法(恒温30℃),研究北方地区滨海盐渍土型旱地土壤(种植苜蓿草)开垦种植水稻5年和30年稻田土壤供氮能力。结果表明:(1)3种土壤初始矿质氮主要分布在0~20 cm土层,且土壤初始矿质氮含量的高低顺序为旱地土壤>30年稻田土壤>5年稻田土壤;5年稻田土壤与旱地土壤之间初始矿质氮含量差异达5%显著水平。(2)相同土层,土壤矿化氮量高低顺序为30年稻田土壤>旱地土壤>5年稻田土壤;任意2种土壤之间矿化氮量差异均达1%显著水平。(3)相同土层,土壤供氮能力大小为30年稻田土壤>旱地土壤>5年稻田土壤;其中,在0~20 cm和40~60 cm土层,任意2种土壤之间供氮能力差异均达1%显著水平,在20~40 cm土层,30年稻田土壤与旱地土壤、5年稻田土壤之间供氮能力差异均达1%显著水平,而旱地土壤与5年稻田土壤之间供氮能力则无明显差异。这表明滨海盐渍土型旱地土壤开垦种植水稻后,不仅影响了土壤有机质(氮)含量,而且也影响了土壤有机氮品质,种植水稻5年使土壤供氮能力显著下降,而种植30年使土壤供氮能力显著上升。     

外源铜对土壤果树系统中酶活性影响的研究

利用褐土和红富士苹果嫁接苗为供试材料 ,研究外源铜对土壤—苹果树系统中酶活性的影响。结果表明 ,低量的外源铜能使果树叶片的过氧化氢酶、多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶及根系过氧化氢酶的活性加强 ,而高量铜使活性大幅度降低 ,加入钙铁后在一定程度上使抑制缓解。土壤过氧化氢酶的活性与外源铜量具显着的曲线相关性 ,(y =x ( - 1 1 .2 6 0 .75x) ,r=0 .995 5 ) ,蔗糖酶活性与土壤施铜量呈Logistic函数关系 (y =2 .95 ( 1 0 .5 7exp( - 5 .0 2× 1 0 - 5x) ,r=- 0 .982 0 )。脲酶对铜过量非常敏感 ,大于 1 0 0mgkg- 1的各处理均未测出其活性     

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。     

黄淮海平原土壤碱化度计算方法的探讨

用土壤碱化度(ESP)的计算值代替测定值已为国际上普遍采用。本文以黄淮海平原为例,运用数理统计方法,建立了一种根据土壤的钠吸附比、残余碱度和pH值计算土壤碱化度的方法,可分别运用水土比为1:1、5:1的样品分析数据,计算其土壤的ESP值。     

实测高光谱和HSI影像的区域土壤含水量遥感监测研究

基于典型研究区植被冠层实测高光谱数据和HSI高光谱影像数据,通过相关分析选择与不同深度土壤含水量响应敏感波段,建立两者的土壤含水量反演模型,并用实测高光谱土壤含水量反演模型校正HSI影像土壤含水量反演的模型。结果表明:土壤含水量响应敏感波段区域为450~650 nm和850~920 nm;两种土壤含水量反演模型对土壤深度为0~10 cm的土壤含水量估算效果最好,其中实测冠层高光谱土壤含水量反演模型精度高于HSI影像土壤含水量反演模型,判定系数(R~2)分别为0.659和0.557;经过校正的HSI影像土壤含水量反演模型精度有了较大的提高,判定系数(R~2)从0.557提升到0.719,均方根误差(RMSE)为0.043 5,较好地提高了区域尺度条件下土壤含水量监测精度,因此运用该方法进行土壤含水量遥感监测是可行的,为进一步提高区域尺度下土壤含水量定量遥感监测提供参考借鉴。     

土壤pH值的测定国际国内方法差异研究

将国际标准化组织于2005年2月15日发布的《土壤质量─pH的测定》(ISO10390:2005)的国际标准方法与国内使用的土壤pH测定方法做对比,研究了不同方法土壤样品制备、悬浊液制备、电极选择、温度和振荡时间等测定条件控制以及测试报告编写几个方面的差异,为分析方法改进作参考。     

基于EM38和WorldView-2影像的土壤盐渍化建模研究

在干旱半干旱地区,土壤盐渍化是常见的土地退化问题之一。本研究选取于田县克里雅河上游边缘典型盐渍化区域作为研究靶区,通过EM38大地电导率仪实测土壤表观电导率,提取不同系数下的土壤调节植被指数(SAVI),分析了SAVI指数与土壤电导率间的相关性,并利用同时期WorldView-2影像的敏感波段建立了基于高分辨率影像数据的土壤盐渍化偏最小二乘回归(PLSR)模型并进行了精度验证。结果表明:①从遥感影像提取SAVI指数时,在系数(L)调节范围内选取固定系数值,系数值(间隔为0.1)从0.1变化到1.0的过程中,相应提取的SAVI指数与土壤电导率的相关性明显提升,相关性系数(r)从0.30提高到0.50,并通过显著性检验(P0.01)。②选取的SAVI1.0、B6、B7、B8四种变量中,以SAVI1.0+B6+B8为变量组合所建立的PLSR模型为最优,该模型较其他变量组合建模的决定系数(R2p)提高了0.11,因此,在研究区该模型具有更好的预测能力,模型精度为RMSEC=0.77dS/m、RC2=0.68、RMSEP=0.79 dS/m、RP2=0.66、RPD=2.2。     

基于多源数据的中原黄泛区土壤盐分空间变异分析

为研究中原黄泛区土壤盐分空间变异,以河南省封丘县为研究区,综合考虑引起土壤盐渍化的土壤盐分、地形、地下水位及矿化度、植被情况及其他影响因素,基于遥感影像和磁感式探测获得的土壤表观电导率等多源数据建立了区域土壤盐分综合评估模型,并对研究区分层土壤盐分空间变异进行评估。结果表明:对于0~60 cm土层利用多源数据进行模型构建中土壤表观电导率与光谱指数占主要比例,模型对于各层土壤盐分的评价精度0~60 cm土层优于≥60~120 cm土层。土壤盐分含量随着深度的增加而增大,变异系数在0.22~0.28之间,属中等变异强度。土壤盐分主要集中分布在研究区北部与东南部,尤其是东南角黄河沿线区域,且随着土壤剖面显示出从表现到深层逐渐增加的趋势。利用多源数据建立的分层土壤盐分综合评估模型对于区域土壤盐分解析具有较高精度。该研究为中原黄泛区土壤盐化消减与土壤质量提升提供了可靠新方法。     

基于电磁感应的典型干旱区土壤盐分空间异质性

为研究干旱区土壤盐分空间异质性,指导农业生产实践,运用大地电导率仪（EM38、EM31）对研究区域进行移动式磁感调查,获取表观电导率（ECa）。同时,通过27个校准点的采样和ECa测量,建立土壤盐分的电磁感应解译模型。干旱区土壤盐分质量分数与EM38、EM31水平模式读数（H38、H31）显示出良好的相关性（R=0.935）,可以利用ECa结合GIS和地统计学知识研究土壤盐分的空间分布。采用两种方法进行研究：一种是先利用解译模型获取磁感调查点的土壤盐分质量分数,然后进行地统计分析研究其空间分布;另一种是先利用地统计分析研究H38和H31的空间分布,然后利用解译模型通过栅格运算计算盐分质量分数,精度检验显示前者预测值与实测值之间的相关性更好（R2, 0.888＞0.873）;标准差较低（std. 0.414＜0.426）,具有更高的预测精度。研究结果表明,基于电磁感应研究干旱区土壤盐分空间异质性是切实可行的,这对于土壤盐渍化的快速诊断,指导农业生产和促进精准农业的发展具有重要的意义。     

Comparison of Geonics EM38 and Dualem 1S electromagnetic induction sensors for the measurement of salinity and other soil properties

The electromagnetic induction (EMI) Geonics EM38 (G‐EM38) and Dualem 1S (D‐1S) sensors are used frequently for assessment of soil salinity and other soil characteristics in irrigated agriculture. We compared these two sensors to determine whether they could be used interchangeably for the measurement of apparent soil electrical conductivity (ECa) in horizontal (ECa‐h) and vertical (ECa‐v) coil receiver modes. Readings were taken at 201 locations identified in three irrigation districts in both modes, and statistical comparisons were made on the raw data and from maps of a 2‐ha irrigated field made using 1680 horizontal mode readings. Both sensors gave the same ECa‐v readings (mean G‐EM38 and D‐1S difference = 0), whereas the ECa‐h readings were slightly greater with the Geonics EM38 than with the Dualem D‐1S (mean difference = 0.075 and 0.05 dS/m for the 201 and 1680 observations, respectively). The degree of coincidence between both sensors for soil profile ECa classification was acceptable: 82% for normal profiles (i.e. ECa‐h/ECa‐v < 0.9) and 90% for inverted profiles (i.e. ECa‐h/ECa‐v > 1.1). In practical terms, Geonics EM38 and Dualem 1S sensors could be used interchangeably with similar or very close results.     

地下水浅埋区重度盐碱地不同滴灌种植年限土壤盐分分布特征

采用时空替代的研究方法,研究地下水浅埋区重度盐碱地不同滴灌种植年限(0、1、2、3年)对土壤盐分及不同盐分离子分布的影响,旨在为采用覆膜滴灌技术进行盐碱地改良提供理论依据。试验结果表明滴灌种植枸杞第1年,土壤盐分变化主要为自上而下被淋洗,种植2年和3年土壤年内盐分含量和分布变化相似,盐分主要分布在土壤表层,且在枸杞生育期结束时,剖面土壤含盐量都低于年初水平;土壤溶液电导率(EC1:5)与主要离子之间都具有极显著的相关关系,其中Cl-和Na+与EC1:5关系最为紧密;HCO3-与EC1:5负相关,相关性随着种植年限的增加而减小;Cl-、Mg2+、Ca2+、Na+在盐分组成中的荷载随种植年限增加而增大;回归分析表明Cl-和EC1:5之间具有线性关系,SO42-与EC1:5之间具有对数关系,EC1:5可以通过Cl-和SO42-表达;利用咸水覆膜滴灌并没有根本改变土壤类型,但在距滴头水平距离0～30cm范围内土壤含盐量从13.1g/kg降低到4～6g/kg,由盐土脱盐演化为重度盐化土。因此,采用覆膜滴灌技术明显降低了作物根区盐分含量,改善了作物根系生长的土壤环境条件。     

土壤盐分的原位测定方法

在干旱半干旱地区,土壤盐溃化是制约农业生产的重要因素.土壤盐分的测定和诊断是土壤盐渍化研究工作中的重要内容,传统上一般通过测定土壤浸提液电导率来测定土壤盐分,过程繁琐,费时费事,不可避免地要破坏原土样.在提倡精准农业的今天,土壤盐分的快速、有效和可靠的原位测定显得非常重要.土壤盐分原位测量方法有多种,在原理上可分为土壤...     

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.     

基于VRML的土壤电导率三维空间变异性虚拟实现建模研究

如何表达土壤属性的三维空间变异性对传统的土壤剖面采样、空间变异分析和三维可视化表达提出了挑战。本研究以浙江省围垦海涂水稻田土壤盐分为例,采用EM38电磁感应线性模型结合二阶Tikhonov正则化方法反演剖面0~110 cm范围内10个土层深度的土壤电导率作为三维空间变异性研究的数据源;然后利用三维反距离权重方法进行土壤盐分的三维空间插值;最后分别采用虚拟现实建模语言（VRML）的球体、切片、地柱模型对土壤电导率剖面离散点、二维空间变异切片、三维变异土体模型进行三维虚拟现实可视化建模,并实现模型的网络发布。结果表明,在田间尺度上,三维反距离权重方法可较好的对土壤电导率在三维空间的分布进行预测插值;通过VRML方法进行可视化建模可较好的展示及解析土壤电导率的三维空间分布规律;水平方向上,土壤盐分从西北面向东南面逐渐增大,垂直方向上,土壤盐分随土层深度的增加而增大,且东南角土壤盐分最大;另外,用户可利用IE浏览器实现虚拟现实模型的可视化及对模型进行平移、放大、缩小、旋转等基本操作。基于VRML的虚拟建模方法可为土壤属性的三维变异性可视化及网络共享提供新途径。     

积分方法用于校定逆转型土壤盐渍剖面的磁感式电导

Various calibration methods have been propounded to determine profiles of apparent bulk soil electrical conductivity （ECa） and soil electrical conductivity of a saturated soil paste extract （ECe） or a 1：5 soil water extract （EC1：5） using an electromagnetic induction instrument （EM38）. The modeled coefficients, one of the successful and classical methods hitherto, were chosen to calibrate the EM38 measurements of the inverted salinity profiles of characteristic coastal saline soils at selected sites of Xincao Farm, Jiangsu Province, China. However, this method required three parameters for each depth layer. An integration approach, based on an exponential decay profile model, was proposed and the model was fitted to all the calibration sites. The obtained model can then be used to predict EC1：5 at a certain depth from electromagnetic measurements made using the EM38 device positioned in horizontal and vertical positions at the soil surface. This exponential decay model predicted the EC1：5 well according to the results of a one-way analysis of variance, and the further comparison indicated that the modeled coefficients appeared to be slightly superior to, but not statistically different from, this exponential decay model. Nevertheless, this exponential decay model was more significant and practical because it depended on less empirical parameters and could be used to perform point predictions of EC1：5 continuously with depth.     

电容式传感器测量水流泥沙含量的研究

首次提出了电容法测量水流含沙量的测量方法 ,并研制了两种结构形式的电容传感器 ,尝试测量了水流中泥沙含量与传感器输出间的关系 ,以及温度、径流流速、土壤种类、土壤含盐量对传感器响应特性的影响。结果表明 ,水流泥沙含量与传感器的输出呈线性关系 ;传感器的输出随温度的升高而逐渐增大 ;流速、土壤种类、土壤含盐量对传感器的输出影响较小。