基于NDVI分区的全国草地生态系统覆盖区土壤水分遥感反演

为了建立土壤水分遥感反演模型,反演2016年全国草地生态系统土壤水分并分析其时空变化特征,通过结合表观热惯量(ATI)和温度植被干旱指数(TVDI)的混合模型反演2016年全国草地生态系统的土壤水分,并在实测数据与反演结果精度验证的基础上确定归一化植被指数(NDVI)阈值。结果表明:(1)NDVI≤0.2的像元区域,采用ATI模型反演精度较高; NDVI≥0.78的像元上,基于增强型植被指数(EVI)的TVDI反演精度较高; 0.2相似文献   

温度植被干旱指数反演全国土壤湿度的DEM订正

 用温度植被干旱指数(TVDI)反演土壤湿度的原理,是基于水分蒸发和植被蒸腾对地表温度的降低作用。随高程增加气温降低,气温影响地表温度,因而随高程增加气温对地表温度也有一定的降低作用。用数字高程模型(DEM)对地表温度t s进行订正,可以减少气温对地表温度的影响,使得经过DEM订正获取的TVDI,能更好地反映土壤湿度。订正前后结果的对比分析也表明,经过DEM订正获取的温度植被干旱指数,与实测值有更好的相关性,能更好地反映土壤湿度分布的实际情况。     

利用改进温度植被干旱指数反演农田表层土壤水分的研究

土壤水分作为土壤的重要组成部分,是气候、农业和生态系统的关键组成要素。快速、大面积和实时地监测土壤含水量,对旱情预报、农田灌溉和作物估产有着十分重要的作用。本文主要结合Landsat 8光学影像数据对地表土壤含水量进行反演,在温度植被干旱指数（TVDI）的地表温度－植被指数特征空间基础上引入分形覆盖度,构建地表温度－分形覆盖度特征空间,从而计算得到改进温度植被干旱指数（ITVDI）,采用研究区实测土壤含水量数据对计算的结果进行对比分析。为了分析TVDI和ITVDI与土壤体积含水量的关系,分别制作TVDI、ITVDI与土壤体积含水量的散点图并分析相关性。研究结果表明:在小麦拔节期内,研究区域大部分地区处于干旱状态,轻旱地区主要分布在研究区西部、北部以及中部的高植被覆盖地区;重旱地区主要分布在城市中心及部分裸露地面和小麦种植地区。TVDI和ITVDI与地表土壤含水量线性相关显著,两者均可表征研究区干旱的实际情况。但ITVDI引入分形植被覆盖度参数,在一定程度上避免干旱指数受到地表覆盖类型的限制,使得ITVDI与实测土壤含水量的相关性和反演精度都高于TVDI。因此,ITVDI能够更好地反映研究区域土壤含水量的状况,更适合高植被覆盖度地区土壤含水量反演。     

基于4种植被指数TVDI模型的三江平原土壤湿度反演

利用遥感手段监测土壤湿度有利于分析大尺度区域的土壤干湿状况。比对分析不同植被指数计算的温度植被干旱指数（TVDI）的精度能够提高TVDI反演土壤湿度的实际应用价值。以三江平原为研究区,基于2013年5—9月的四期MODIS影像,利用归一化植被指数（NDVI）、增强型植被指数（EVI）、修正土壤调节植被指数（MSAVI）、比值植被指数（RVI）分别计算TVDI,并以地面实测土壤湿度数据及降水数据进行精度验证。结果表明:（1）4种植被指数计算的TVDI与土壤湿度数据均具有一定的负相关关系,即TVDI值越高,土壤湿度值越低;（2）不同植被指数计算的TVDI在5月、6月、9月与土壤湿度回归分析的R²数值相近,均适合用来反演这3个时间段的土壤湿度,在7月份,相较于NDVI和RVI计算的TVDI结果（R²均在0.15左右）,基于EVI和MSAVI计算的TVDI （R²均在0.35左右）更适合反演该时期的土壤湿度;（3）5—9月期间,干旱现象主要发生在三江平原的中部及西南部,干旱程度主要为轻旱,东部及东北部在不同时期基本保持在正常或轻微湿润状态。     

Study of soil respiration and fruit quality of table grape (Vitis vinifera L.) in response to different soil water content in a greenhouse

ABSTRACT

To understand the response of grape (Hutai No.8) quality and soil respiration (R_s) to different soil relative water contents (SRWCs), this study was designed with three soil moisture levels (A: 80–95%, B: 60–75%, and C: 40–55% of SRWC) for grape cultivation. Meanwhile, environmental factors, including air temperature (T_a), air relative humidity, and light intensity, were also recorded. The results showed the following: (1) Through the comprehensive analysis of fruit quality by the method of subordinate function, we concluded that the optimum soil moisture treatment was 60–75% SRWC, and the soluble sugars, proanthocyanidin, and resveratrol were most abundant. In addition, vitamin C (Vc) content was the largest under C treatment. (2) Photosynthetic characteristic under high soil moisture was better than those under low soil moisture condition during grape coloring periods, and it was largest under A treatment in 2015. R_s rate was in accordance with the trend of grape photosynthesis. High soil moisture could accelerate the photosynthetic rate of grape leaves and increase R_s. (3) Correlation analysis showed that higher soil moisture and air humidity and lower soil temperature (T_s) and T_a could promote the accumulation of more nutrients in grape berries; it also could increase photosynthetic rate and R_s during grape coloring periods. In conclusion, 60–75% SRWC was the optimum soil moisture condition, which could improve the nutrient contents and accumulate more bioactive substances. Of course, keeping a lower T_s and T_a, as well as higher air humidity, was also necessary.

Abbreviations: SRWC: soil relative water content; A, 90-95% SRWC; B, 70-75% SRWC; C, 40-55% SRWC; Rs: soil respiration; Ta: air temperature; Ts: soil temperature; OPC: proanthocyanidin; TSS: total soluble solids.     

Dependence of soil respiration on soil moisture, clay content, soil organic matter, and CO2 uptake in dry grasslands

The effects of abiotic and biotic drivers on soil respiration (R_s) were studied in four grassland and one forest sites in Hungary in field measurement campaigns (duration of studies by sites 2-7 years) between 2000 and 2008. The sites are within a 100 km distance of each other, with nearly the same climate, but with different soils and vegetation. Soil respiration model with soil temperature (T_s) and soil water content (SWC) as independent variables explained larger part of variance (range 0.47-0.81) than the Lloyd and Taylor model (explained variance: 0.31-0.76). Direct effect of SWC on R_s at much smaller temporal and spatial scale (1.5 h, and a few meters, respectively) was verified.Soil water content optimal for R_s (SWC_opt) was shown to significantly (positively) depend on soil clay content, while parameter related to activation energy (E₀) was significantly (negatively) correlated to the total organic carbon content (TOC) in the upper 10 cm soil layer. Dependence of model parameters on soil properties could easily be utilized in models of soil respiration. The effect of current (a few hours earlier) assimilation rates on soil respiration after removing the effect of abiotic covariates (i.e. temperature and water supply) is shown. The correlation maximum between the R_s residuals (R_{s_res}, from the R_s (SWC, T_s) model) and net ecosystem exchange (NEE) was found at 13.5 h time lag at the sandy grassland. Incorporating the time-lagged effect of NEE on R_s into the model of soil respiration improved the agreement between the simulated vs. measured R_s data. Use of SWC_opt and E₀ parameters and consideration of current assimilation in soil respiration models are proposed.     

土壤秸秆注孔对土壤含水量及作物生长的影响

[目的] 研究土壤秸秆注孔对土壤含水量及作物生长的影响,为旱作农田增加雨水蓄集能力及提高水分利用效率提供理论依据。[方法] 开展玉米-小麦轮作田间试验,设置常规种植(CK)、土壤秸秆注孔2孔/m²(T₁),4孔/m²(T₂),8孔/m²(T₃)4个处理。[结果] 秸秆注孔所有处理均提高了整个试验期表层土壤含水量。T₂,T₃处理提高了收获期深层土壤含水量,试验结束时两者底层土壤(60-80 cm)含水量较CK分别提高了29.19 %和28.18 %。秸秆注孔处理提高了作物株高、经济产量和生物量,以及降水利用效率和水分利用效率,T₂,T₃处理的提高效果最明显,且彼此差异不显著。[结论] 秸秆注孔具有保水性能和增产能力,根据成本和效果综合考虑,推荐秸秆注孔4孔/m²(T₂)作为优选处理。     

黄土丘陵缓坡风沙区不同土地利用类型土壤水分变化特征

为研究黄土丘陵缓坡风沙区不同土地利用类型下的土壤水分变化规律,采用时域反射仪TDR在山西省五寨县分别对玉米农地、柠条林地、苜蓿草地0-100 cm土层进行连续3年的土壤水分观测,掌握不同土地利用类型土壤含水量的季节变化规律和垂直分布特征。结果表明:(1)农林草地土壤水分随时间的变化曲线基本呈"M"形分布,三者季节变化规律相似,但土壤含水量差异达到极显著水平(P<0.01),表现为苜蓿草地>柠条林地>玉米农地;(2)玉米农地与柠条林地土壤含水量随土层深度的增加呈"S"形分布,苜蓿草地的变化趋势与两者完全相反,玉米农地仅土壤表层0-20 cm含水量与降水存在显著相关性,柠条林地和苜蓿草地0-60 cm土壤含水量均与降水显著相关;(3)土壤含水量具有明显的垂直分布特征,在0-100 cm土层层中,随着土层深度的增加,玉米农地CV先逐渐降低后保持稳定,柠条林地CV始终持续降低,苜蓿草地CV先呈现波动变化后明显降低,三者整体表现为表层土壤含水量变异系数大于深层;(4)0-100 cm范围内,玉米农地的土壤层自上而下依次可划分为速变层、活跃层2个层次,柠条林地和苜蓿草地的土壤层划分为速变层、活跃层和次活跃层3个层次。本研究结果表明林地和草地在涵养土壤水分方面优于农田,林地和草地为黄土丘陵缓坡风沙区适宜的土地利用方式,为该区域土壤水分管理及水土资源的合理开发利用提供理论依据。     

黄土高原退耕还草土壤水分对植物地上部化学计量特征的影响

揭示土壤水分含量变化对植物养分吸收的影响,对阐明草本植被对环境变化的响应和适应性具有重要意义,可为黄土高原区生态治理提供理论依据。研究以安塞纸坊沟流域不同退耕还草年限(6 a,15 a,25 a和45 a)的草本植物和0—50 cm深度土壤样品为研究对象,测定了植物地上部C,N,P,K,Ca和Mg含量及土壤含水率,并分析了植物养分含量及其生态化学计量与土壤含水率的关系。结果表明:土壤含水率随退耕还草过程呈先增加后降低趋势。植物体中C,N,K,Ca和Mg含量整体上随着退耕年限延长先降低后升高,植物P含量在退耕还草初期下降,中后期保持稳定。植物C/N,C/P和N/P比值随退耕年限呈先升高后降低的趋势,并且在退耕还草过程中植物生长主要受到N限制。植物Ca和Mg含量与土壤含水率呈显著负相关。另外,退耕45 a含水率最低,植物C/Ca,C/Mg,N/Ca,N/Mg,P/K,P/Ca,P/Mg比值也是最低的,表明植物可以增加吸收K,Ca和Mg以应对水分胁迫。研究表明土壤含水率随退耕还草过程降低,土壤水分降低促进干旱半干旱地区植被对环境的适应。研究结果为改善干旱半干旱区植被生态稳定性提供科学依据。     

基于综合干旱指数的毛乌素沙地腹部土壤水分反演及分布

为了克服单一干旱监测指数在复杂覆盖类型的适用性问题,以复杂覆盖类型的毛乌素沙地腹部乌审旗为例,在传统归一化干旱指数(normalized difference drought index,NDDI)、土壤湿度监测指数(soil moisture monitoring index,SMMI)、温度植被干旱指数(temperature vegetation drought index,TVDI)3个单一干旱监测指数的基础上,通过层次分析法确定各指数的权重,结合野外不同覆盖类型实测的土壤含水率数据,分别进行回归分析,建立多指数综合干旱监测模型,基于此模型分析研究区表层土壤水分的空间分布。结果表明:3个单一干旱指数在一定程度上均能客观反映旱情特征,与表层土壤含水率呈现不同程度的负相关,温度植被干旱指数相关性最好为0.604。引入结合多指数的综合干旱监测指数模型,在8月、9月草地和沙地与表层土壤含水率指数模型的决定系数R2均在0.7以上,高于基于单一指数模型的拟合精度。基于该模型,研究区研究区表层土壤含水率整体较低,体积含水率不高于0.15 cm~3/cm~3的面积分别占96.47%(8月)和94.8%(9月)。总体上从东到西,由北到南土壤含水率逐渐降低,与实测表层土壤样本的描述性统计结果有较好的空间一致性。     

基于温度植被旱情指数的徐州市郊干旱遥感监测

利用Landsat TM/ETM+数据,以徐州市郊为研究区,获取归一化植被指数(NDVI)、土壤调整植被指数(SAVI)和地表温度(Ts)信息,分别构建NDVI-Ts和SAVI-Ts特征空间,依据这两个特征空间计算出研究区2001年4月3日和2007年5月14日的温度植被旱情指数TVDI(NDVI)和TVDI(SAVI),并分别与地表温度(Ts)和降水量进行了相关评价.结果表明,TVDI可用于实现大范围的干旱监测,SAVI能够修正NDVI对土壤背景的敏感,基于SAVI的反演结果明显优于基于NDVI的反演结果,能够有效地运用于干旱监测.     

基于温度植被干旱指数的江苏淮北地区农业旱情监测

为实现江苏省淮北地区农业旱情监测,利用Savitzky—Golay(S-G)滤波方法,对2011—2012年江苏省淮北地区1-5月MODIS的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和地表温度(land Surface temperature,LST)8 d产品进行重构,去除原8 d数据的噪声,填补受云影响而缺失的数据。基于重建后的NDVI和LST数据,计算温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI);分析TVDI和土壤湿度之间的关系,构建土壤湿度反演模型。最后,利用另外1组数据验证所建土壤湿度模型的精度。研究结果表明:1)S-G滤波方法能够提高MODIS LST和NDVI数据质量,并能对缺失数据进行填补;2)TVDI方法能够实现试验区土壤湿度反演,所建模型在试验区具有一定的普适性,反演精度较高(R2=0.575,RMSE=2.59%);3)TVDI方法在江苏省淮北地区干旱监测中得到了较好的应用,能够成功地监测出江苏淮北地区2011年和2012年春旱。该研究可为农业旱情的快速监测提供借鉴。     

SOIL CO2 FLUX IN GRASSLAND,AFFORESTED LAND AND RECLAIMED COALMINE OVERBURDEN DUMPS: A CASE STUDY

The aim of this study was to measure the in situ soil CO₂ flux from grassland, afforested land and reclaimed coalmine overburden dumps by using the automated soil CO₂ flux system (LICOR‐8100® infrared gas analyzer, LICOR Inc., Lincoln, NE). The highest soil CO₂ flux was observed in natural grassland (11·16 µmol CO₂ m⁻²s⁻¹), whereas the flux was reduced by 38 and 59 per cent in mowed site and at 15‐cm depth, respectively. The flux from afforested area was found 5·70 µmol CO₂ m⁻²s⁻¹, which is 50 per cent lower than natural grassland. In the reclaimed coalmine overburden dumps, the average flux under tree plantation was found to be lowest in winter and summer (0·89–1·12 µmol CO₂ m⁻²s⁻¹) and highest during late monsoon (3–3·5 µmol CO₂ m⁻²s⁻¹). During late monsoon, the moisture content was found to be higher (6–7·5 per cent), which leads to higher microbial activity and decomposition. In the same area under grass cover, soil CO₂ flux was found to be higher (8·94 µmol CO₂ m⁻²s⁻¹) compared with tree plantation areas because of higher root respiration and microbial activity. The rate of CO₂ flux was found to be determined predominantly by soil moisture and soil temperature. Our study indicates that the forest ecosystem plays a crucial role in combating global warming than grassland; however, to reduce CO₂ flux from grassland, mowing is necessary. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

黄土丘陵区不同植被类型下土壤水分动态

[目的]探讨黄土丘陵区不同植被类型对土壤水环境分异规律的影响。[方法]以陕西省延安市燕沟鸡蛋卯小流域1997年退耕建造的样板坡面为对象,于2009年4—10月对其西坡面,自坡顶向下分布的7种植被类型(苹果园、刺槐林、沙棘灌丛、柠条林、紫穗槐灌丛、荒草地、农地(谷子)),采用土钻法每月中旬监测。[结果]生长季(4—10月)0—200cm深度平均土壤含水量大小呈现:紫穗槐灌丛荒草地农地(谷子)刺槐林柠条林沙棘灌丛苹果园。不同植被类型下土壤水分垂直剖面分布有较大差异,在浅层(0—40cm),恢复时段的紫穗槐灌丛、刺槐林下土壤含水量一般高于荒草地,沙棘灌丛、农地(谷子)、苹果园土壤含水量低于荒草地;在中层(40—120cm),荒草地土壤含水量最高,苹果园含水量最低,乔灌林地居中;在深层(120—400cm),只有紫穗槐灌丛、农地(谷子)土壤含水量高于荒草地,其他乔灌林地、苹果园含水量较低。[结论]延安地区植被恢复的乔灌林土壤含水量以紫穗槐灌丛偏高,柠条林、刺槐林、沙棘灌丛对深层土壤水分消耗较大,不利于土壤水环境及其永续利用。     

藏北高原土壤湿度MODIS遥感监测研究

利用Terra与Aqua两颗卫星的MODIS地表温度和植被指数数据,分别构建LST-NDVI与LST-EVI共四种不同组合的Ts-VI特征空间,并依据该特征空间提取温度植被干旱指数(TVDI)作为反映土壤干湿状况的指标,探讨一种合适的遥感监测藏北高原土壤湿度的方案,并基于同步的实地土壤表层含水量采样数据进行验证评价。研究表明,四种数据组合方案提取的TVDI分布图均能较好反映藏北土壤湿度,且Terra MODIS LST-EVI构建的特征空间提取TVDI指标效果最佳。在此基础上获得的藏北高原土壤湿度分级图表明,从东南到西北土壤湿度逐渐降低,并呈现明显的空间分异规律。     

黄土高原典型流域退耕还林土地利用变化及其合理性评价

黄土高原大规模退耕还林使得该区土地利用结构发生了深刻变化,区域生态环境得到了明显改善。研究由此引起的土地利用变化及其合理性,对于加快黄土高原植被恢复、控制黄河泥沙以及实现区域经济社会可持续发展等具有十分重要的理论意义和应用价值。该文应用遥感(remote sensing,RS)和地理信息系统(geographic information system,GIS)技术对黄土高原典型流域清水河流域2000-2014年土地利用变化特征进行了分析,并通过构建判别准则体系对土地利用变化的合理性进行了评价。结果表明,该流域实施退耕还林工程以来,土地利用结构发生了重大变化,主要土地利用类型耕地、园地、林地和草地的比例由2000年的1:0.06:2.05:3.95大幅度调整至2014年的1:3.22:12.03:5.51,其变化经历了3个阶段:2000-2005年以退耕还林及其配套措施为主,重点突出了工程的生态效益,土地利用变化合理度为78.60%,属于低度合理;2006-2009年在继续推进荒山造林和封禁的同时,大力开展基本农田与果园建设,兼顾了生态、经济与社会效益,土地利用变化合理度为91.71%,进入高度合理状态;2010-2014年进一步加大苹果产业发展力度,重点突出了经济效益,土地利用变化合理度为95.20%,延续了高度合理态势。建议新一轮退耕还林工程应注意严格控制新的退耕,保护经营好现有林地,适当控制园地规模。     

青海省东部不同土地利用方式下土壤饱和导水率分布及其影响因素

研究高寒地区土壤饱和导水率分布特征及其影响因素可为评估脆弱生态系统水源涵养能力和构建区域水文模型提供参数。通过测定青海省东部南北样线24个样点(0—30 cm)土壤基本理化性质和饱和导水率(K_s),分析了不同土地利用方式下K_s分布特征及其影响因素。结果表明:K_s均值表现为林地(1.89 cm/h)草地(1.62 cm/h)农地(1.41 10 cm/h),其中农地K_s(0.10～3.92 cm/h)随着土层深度增加逐渐减小,而林地(0.28～7.69 cm/h)和草地K_s(0.10～5.34 cm/h)随土层深度增加表现为先增加后减小。不同利用方式下K_s均与pH、容重、孔隙度、黏粒含量、有机质含量及饱和含水量显著相关(P0.05)。利用多元回归分析获得了农地以总孔隙度、非毛管孔隙度和饱和含水量为输入因子的K_s传递函数,林地以毛管孔隙度和非毛管孔隙度为输入因子的K_s传递函数和草地以容重、非毛管孔隙度和饱和含水量为输入因子的K_s传递函数。研究结果可为其他高寒地区不同土地利用方式下K_s的模拟和预测提供参考。     

四十年来嘉陵江中下游土地利用/覆被动态变化研究

运用GIS空间分析方法,以1960年1:5万地形图、1972年、1986年和2000年LandsatTM/MSS影像数据为基础,分析了1960─2000年40年来嘉陵江中下游地区各土地利用类型数量变化和空间变化特征。结果表明:1960─2000年间土地利用/覆被变化的总趋势是林地和草地减少,减少量分别为27087.0hm2和37696.5hm2,建设用地和耕地增加,分别增加15252.3hm2和14871.8hm2;但以1986年为界分为两个时期:1960─1986年土地利用的总趋势是林地大面积地转化为草地和耕地,林地面积减少;而1986─2000年间耕地向林地转化加快,导致林地面积有所增加,而耕地面积相对减少。在40年中建筑用地一直在增加。同时结合历史资料分析了自然和人文特别是政策因素在动态变化中所起的作用。     

土地利用数据在TVDI干旱监测方法中的应用研究——以甘肃省河东地区为例

温度植被干旱指数（Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI）因其物理意义明确而被广泛应用。然而不同土地利用类型的植被指数（Ⅵ）、陆地表面温度（LST）存在一定的差别,这种差别可能在利用TVDI监测干旱时带来一定的影响。以甘肃省河东地区为例,探讨了TVDI方法在研究区的适用性及土地利用类型对TVDI指数监测干旱的影响。结果表明:（1）TVDI对河东地区的庆阳、平凉、临夏、定西北部、甘南等地土壤相对湿度（RSM）有一定的指示作用,但对定西市南部地区、陇南地区、天水市的指示相对较差;（2）用不同土地利用类型的遥感数据建立的特征空间,能够提高TVDI对RSM指示的准确性和合理性。一方面,农地类型的TVDI值有所下降而林地、草地类型的TVDI值有所升高,这在陇东及甘南局部地区取得较好的改进作用;另一方面,历史TVDI各区间站次统计表明,经过土地利用类型数据的改进,TVDI值的分布范围得以扩大,从0.5～0.9扩大为0.2～0.9,这与实际RSM的分布特征有更好的对应,有利于区分不同干旱等级的RSM。     

基于TVDI的沁水煤田地表土壤水分时空演变分析

温度植被干旱指数（Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI）是表征地表干旱的有效指标,其时空格局分析是地表干旱与全球环境变化相互影响下的地表覆被变化的研究内容。以山西沁水煤田为研究区,结合2000—2010年MODND1M和MODLT1M数据,构建了NDVI-Ts特征空间并对干湿边拟合分析。结果表明:近11年来,沁水煤田年平均TDVI均大于0.4,且总体呈显著增加趋势,地表土壤湿度很低,部分区域处于中度和重度干旱之间。年度内,月平均TVDI处于0.5~0.7之间,且7月份TDVI存在明显波动。在空间上,研究区地表土壤湿度分布与地表植被分布基本一致。煤田南部和东部以干旱和极干旱为主,西北山区地带以正常或湿润为主,矿区密集区土壤湿度含量明显低于其他地区,矿井分布附近较其他区域地表干旱现象突出。