浅地下水埋深条件下土壤水盐动态BP网络模型研究

针对浅地下水埋深条件下作物生育期内根系层土壤水盐动态模拟中存在的问题，将人工神经网络引入水盐动态的模拟和预报中，建立了根系活动层0～60 cm和0～100 cm深度内土壤水盐动态的BP网络模型。结果表明，以生育时段初平均土壤含水率、平均土壤盐分指标、地下水水位埋深、地下水盐分指标、时段内水面蒸发量、降雨量(包括灌水量)、生育期日序列7个因素为输入因子，以生育时段末平均土壤水分、平均土壤盐分指标为输出因子的BP网络模型可有效表征土壤水盐动态及其影响因素之间的内在复杂关系，并且有较高的精度。该研究为分析浅地下水埋深条件下作物生育期内土壤水盐动态规律的分析提供了一种有效可行的方法，是对传统土壤水盐动态研究的补充。     

作物种植条件下的土壤水盐动态变化研究

通过在大型模拟试验土柱上进行连茬作物的种植试验,运用一系列的监测仪器进行了土壤水分盐分及其它相关要素的数据获取,阐明了作物种植条件下土壤的水盐动态变化特征;并且侧重就植被与气候因素对土壤水盐动态的影响进行了相关分析和纵向研究,得出了水盐的动态变化规律,为土壤水盐运移模型的建立和土壤的盐渍化预测预报研究奠定了基础。     

基于FDR的土壤原位水盐一体传感器设计与应用

土壤中的水盐含量及其动态演化与农田生产及生态环境等密切相关。土壤水盐含量受到作物、土壤和栽培技术等多重因素的影响,其动态监测是业界的一大难题。该文结合水盐含量影响土壤介电特性这一特性,通过运用新型频域反射、分频技术,进行高频段土壤水分以及低频段土壤水盐含量的测定,再采用基于土壤质地的水盐标定方法,排除水分对盐分数据的影响,从而实现土壤孔隙水盐含量的同时测定。从2013年至今,将FDR传感器在天津市18个监测点的应用情况进行了分析,证明了该种传感器工作的有效性和准确性。     

基于实测数据及遥感图片的土壤采样方法

如何结合土壤特性和先进手段,制定具有代表性,同时又经济的土壤采样方案一直是土壤分析的难题。该文根据陕西省卤泊滩盐碱地改良区土壤含盐量的实测资料和相应的遥感图片数据,并结合土壤属性空间分布特性,提出一种新的土壤水盐含量采集方案。结果表明,用33个已知点的实测数据可以估算出101个未测点的含量并最终构成插值343个点的空间分布图,且水分与盐分含量预测结果相关的确定系数分别为0.869和0.817。在此基础上进而对工程改良措施下的卤泊滩盐渍土表层水盐空间变异性进行研究。分析结果表明,研究区土壤水盐含量具有中等较强的空间自相关性和较弱的变异性。通过对该地区水盐空间变异性的研究可以及时了解盐渍地试验区的改良效果及水资源管理情况。     

微咸水灌溉条件下含黏土夹层土壤的水盐运移规律

黏土夹层影响着土壤水盐运移及分布,为了研究在含黏土夹层的土壤中进行微咸水灌溉时土壤的水盐运移规律,进行了春小麦微咸水灌溉大田试验,并在此基础上运用数值模型对土壤盐分累积趋势进行了模拟预测。结果表明,黏土夹层对土壤水盐运移具有显著的阻碍作用,黏土夹层以上土壤平均含水量、含盐量呈随灌溉水矿化度增大而增加的趋势,黏土夹层以下各处理土壤水盐分布几乎不受微咸水灌溉的影响;大定额冬溉洗盐后,各处理0～70 cm土层最大积盐率仍高达65.7%,部分盐分滞留在黏土夹层以上;土壤盐分分布预测结果表明,微咸水连续灌溉5 a后,灌溉水矿化度为4和5 g/L的处理土壤盐渍化倾向明显,不宜在含黏土夹层地区长期使用矿化度>3 g/L的微咸水进行灌溉,否则将对土壤环境产生严重危害。     

土壤水盐运移的简化数学模型在水盐动态预报上的应用研究

对土壤水盐运移的确定性数学模型 ,采用数值模拟的简化法 ,实现对方程的求解。并引入水分运动原理、质量守恒原理 ,根据地下水、土壤水盐运动的特点 ,建立土壤剖面含水量分布的概化模型和土壤盐储量的预报模型。以期从土壤水盐运动的机制出发 ,提出一种应用简化数值模拟方法来预报土壤水盐动态的途径。同时为适应大面积田间土壤盐分预报的特点 ,希望不通过方程的求解来达到应用简化数学模型实现水盐动态预报的目的。所建简化数学模型可为田间大面积土壤水盐动态预测预报提供参考     

冬小麦种植条件下土壤水盐运移特征的数值模拟与预报

种植作物条件下水盐在土壤中的转化和运移构成了一个非常复杂的物理-化学-生物系统。研究种植作物条件下土壤水盐运移的动态规律和运行特征,建立水盐运移的数学模型对于指导盐渍土的灌溉管理及劣质水利用、土壤盐渍化与持续农业和生态环境之间的相互作用及土壤盐渍化预测等方面具有重要的意义。本研究首先提出了自主开发的土壤水盐运移的数学模型SWSTM(Soil Water and Salt Transport Mod-el),然后对冬小麦种植条件下土壤水盐的运动规律和特征进行了数值模拟,最后对不同地下水位和不同气象条件下的土壤水盐运移规律进行了数值预测,以期从土壤水盐运动的规律出发,提出一种应用数值模拟方法来预报土壤水盐动态的途径,同时为种植作物条件下田间大面积土壤水盐动态预测预报提供参考。     

区域土壤水盐空间分布信息的BP神经网络模型研究

针对黄河下游三角洲盐渍区土壤水盐动态的复杂性和空间的变异性,将人工神经网络引入土壤水盐信息的模拟和预测中,探讨了3层网络结构下隐含层神经元数对网络训练和预测的影响,建立了0～20cm表土层水盐含量及其空间分布的BP神经网络模型。结果表明:研究区域表土层水盐与土壤容重和地下水性质间均具极显著的关联性,表土层盐分BP网络的输入因子以经、纬度坐标、土壤容重、地下水埋深和矿化度5个变量为宜,含水量则为经、纬度坐标、土壤容重和地下水埋深4个变量;隐含层神经元数过多会导致"过拟合",当表层土壤盐分和含水量BP网络的拓扑结构分别为5:8:1和4:6:1时,其预测精度最高;表土层水盐BP神经网络模拟值与观测值得到的分布图表现出相似的空间格局,BP神经网络模型有效地模拟了表土层水盐含量及其空间分布特征。该研究为黄河三角洲地区土壤盐渍化的发生、发展及演变规律分析提供理论基础,并为盐渍土地的水盐调控与科学管理提供决策依据。     

新型FDR土壤水盐一体传感器标定研究与应用

运用新型频域反射(FDR)技术和分频技术,实现传感器水盐同时测量。因土壤质地、容重等差异,土壤水盐标定是利用FDR监测土壤水盐过程中的必要环节。以东北壤土为试验对象,利用"由湿到干,由小到大"的土壤水盐运动规律,通过土柱试验,用烘干法和土壤溶液电导率法对FDR进行室内标定研究。同时,将时域反射(TDR)式水盐传感器作为对照系,进行稳定性、精准度比较。结果表明:1)经土壤水分标定曲线校正后,FDR式水盐一体传感器具有很高的测量精度,可达±1%~3%;2)在土壤里对同一水盐含量进行百次重复测定,TDR传感器水分平均值为20.07%,相对标准偏差为0.18%;盐分(电导率)平均值为0.29 m S/cm,相对标准偏差为11.06%;新型FDR传感器水分平均值为20.08%,相对标准差为0.21%;盐分(电导率)平均值为0.31m S/cm,相对标准差为8.49%。新型FDR土壤水盐一体传感器可用于农田土壤连续水盐监测,提供稳定、精确的基础数据,结合数据分析软件,指导种植生产。     

基于HYDRUS模型的华北平原小麦种植区水盐运移模拟

土壤中水分和盐分是影响作物生长的两个关键因素,揭示水盐运移机制对阐明作物利用土壤水过程具有重要意义。本研究以华北平原典型农田——中国科学院禹城综合试验站为试验地,基于试验站内冬小麦种植地的长期土壤水分观测数据及室内土柱试验,应用HYDRUS-1D模型分别阐明土壤水分及盐分变化规律及分布特征,探究影响水盐运移的驱动因素,并评价HYDRUS-1D模型对研究区水盐运移模拟的适用性。水分运移模拟结果表明:浅层土壤水分运移模拟因受外界因素的剧烈影响而较深层土壤产生更大的误差,10cm、20 cm、30 cm、40 cm和60 cm处水分运移模拟结果的均方根误差分别为0.0348 cm~3·cm~(-3)、0.0179 cm~3·cm~(-3)、0.0179cm~3·cm~(-3)、0.0122cm~3·cm~(-3)和0.0053cm~3·cm~(-3);水分运移模拟的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,表明模拟结果与实测土壤水分变化过程一致性较好。土柱试验结果显示:灌水8 L,入渗12 h、24 h、40 h、45 h和48 h后,各时刻土壤盐分含量在垂向上整体呈现先增大后减少的分布规律,均方根误差分别为0.181 g·kg~(-1)、0.131 g·kg~(-1)、0.120 g·kg~(-1)、0.034 g·kg~(-1)和0.027 g·kg~(-1),平均误差的平均值为0.174 g·kg~(-1)。受蒸发、耕作、根系等影响,理化性质变异性较大导致浅层土壤盐分运移模拟值与实测值偏差增大,纳什效率系数的变异系数达9.71。灌水8 L、16 L、24 L,入渗48 h后分别在土壤23 cm、26 cm、29 cm处出现盐分含量峰值,表明增加灌水量可加强盐分淋洗效果。此研究可为深入探究华北平原冬小麦土壤水盐运移规律、优化农田水资源管理、提高水资源利用效率提供一定理论基础。     

基于Sentinel-2卫星数据的灌区农田土壤水盐协同反演

土壤含水量（soil water content, SWC）和土壤含盐量（soil salt content, SSC）是影响作物生长和农业生产力的重要因素。光学卫星图像已成为SWC和SSC估计的主要数据源。然而,在SWC或SSC变化较大地区,土壤水分和盐分会影响对方对光谱反射率的响应,使得SSC和SWC的反演精度较差。对此,该研究提出了一个半解析性的反射率模型—RVS模型,来模拟植被光谱反射率（R_v）对作物根区土壤含水量和含盐量的响应;并通过构建的RVS模型,对植被覆盖区域的土壤含水量和土壤含盐量进行同步监测。研究表明：RVS模型在反演研究区土壤含盐量和含水量时,精度较为可靠(水分：决定系数R²为0.63～0.74,均方根误差为0.017～0.028;盐分：决定系数R²为0.68～0.75,均方根误差为0.0525～0.0617)。在作物生长过程中,植被光谱反射率对深层土壤的含水量和含盐量的响应比对浅层土壤的含水量和含盐量的响应更加明显,而且随着作物的生长,影响光谱反射率的主导因素从土壤水分慢慢转向土壤盐分和水盐相互作用。该研究在一定程度上揭示了土壤水分、盐分、水盐交互作用对作物光谱反射率的干扰过程,实现土壤水分和盐分的同步监测,对实现区域尺度上土壤含盐量和含水量的精准监测具有一定的意义。     

Sentinel-2多光谱卫星遥感反演植被覆盖下的土壤盐分变化

为克服植被覆盖条件下土壤盐分含量与光谱反射率之间相关性较差所带来反演精度较低的问题,该研究以内蒙古河套灌区沙壕渠灌域为研究区域,利用Sentinel-2卫星同步获取光谱数据,通过构建以归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）为分支标准的盐分深度决策树确定反演土壤盐分含量的最佳深度,然后构建以NDVI和表层土壤含水率为分支标准的类别决策树,将土壤样本划分为不同类别,以此分别构建土壤盐分反演模型,并评估反演效果。研究结果表明,决策树能增强光谱反射率对土壤盐分含量的敏感性,光谱反射率与土壤盐分含量的相关系数达0.66以上。基于随机森林（Random Forest,RF）的盐分反演模型可取得理想的反演效果,决定系数为0.77,均方根误差为0.27%,相对分布误差为2.65,相对分析误差为8.99。土壤盐分含量反演模型能较好地反演表层（<20 cm）和深层（>40～60 cm）土壤盐分含量,在反演中层（20～40 cm）土壤盐分含量上存在一定局限。当地表有植被覆盖时,利用决策树可有效地提高土壤盐分含量的反演精度（与未考虑决策树相比,决定系数和相对分布误差分别提高0.34和0.67）。研究结果可为监测灌区内作物生育期间土壤盐分含量的动态变化提供方法参考。     

塔里木河上游典型绿洲土壤水盐空间分异特征

结合传统统计学与地统计学方法,以塔里木河上游典型绿洲阿拉尔垦区为研究区,根据64个样点的试验数据,分析样区表层(0-10cm)和亚表层(10-20cm)土壤水盐空间分异特征。结果表明,土壤水分、pH值、电导率和全盐具有明显的空间变异性。样区土壤盐碱化程度较高,土壤水分表现为中等变异性,pH值为弱变异性,电导率、全盐及大部分离子含量为强变异性,盐分呈现强烈的表聚性特性。土壤水分和表层pH值的半方差理论模型较符合指数模型,亚表层pH值、电导率和全盐较符合球状模型。各指标块金值/基台值在0.122～0.316之间,且表层小于亚表层,空间自相关性较高,变异更多受结构性因素影响,空间结构较为复杂。指标的空间分布与区域环境密切相关,各层土壤水分、电导率和全盐均为西北高于东南,即沿河岸-绿洲-荒漠方向递减,而pH值表现为相反的规律。研究区棉田的长期连作,使得水盐运动在多年耕作棉区较为活跃,中小尺度下水盐空间分布的异质性增强。     

消除水分因素影响的野外原状土壤盐分高光谱建模估测

土壤水分被确定为土壤属性(有机碳、盐分等)光谱预测准确性下降的一个主要原因,该文通过两种方法的对比旨在探索去除土壤水分影响、提高盐分高光谱定量估测精度的方法和技术路线。首先以山东省东营市垦利区为研究区,采用地物光谱仪测定了96个样本的野外原状土和室内风干土光谱,并进行一阶导数变换;接着,对比分析盐分光谱特征及水分的影响;然后分别采用外部参数正交化(external parameter orthogonalization,EPO)和非负矩阵分解(non-negative matrix factorizing,NMF)方法校正和融合野外原状土光谱,去除土壤水分因素的影响,形成野外原状土光谱的校正和融合光谱;最后基于野外原状土光谱、校正和融合光谱,分别采用多元逐步线性回归(multiple step linear regression,MSLR)和偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)构建土壤盐分含量的估测模型,并进行验证和比较,分析预测精度变化。结果显示:土壤水分对野外原状土光谱及盐分光谱特征影响较大,需要研究去除;EPO和NMF均可提高土壤盐分野外原位光谱估测精度,比较而言,NMF效果更为显著;EPO结合PLSR或NMF结合MSLR可作为去除水分影响的土壤盐分校准模型的技术路线。     

基于高光谱数据的盐荒地和耕地土壤盐分遥感反演优化

盐荒地作为研究区的"临时盐库"，其土壤盐分远高于研究区平均水平，因此探究不同土地利用类型土壤盐分的光谱响应差异以及对盐分遥感模型的影响，是实现不同土地类型土壤盐分反演值更加接近真实值的重要途径。该研究以河套灌区永济灌域为例，针对耕地和盐荒地土壤分别进行原位高光谱测定（FieldSpec 4 Hi-Res，ASD），对光谱数据进行多种光谱变换（基础数学变换、导数变换及光谱指数）后，分别基于特征波长和特征光谱指数构建单一土地类型盐分反演模型（耕地（Agricultural Land，AL）、盐荒地（Salinized Wasteland，SW））和整体盐分反演模型（耕地+盐荒地（Agricultural Land + Salinized Wasteland，AL+SW）），对比分析2种建模方式下的模型精度，提出区域土壤盐分遥感反演的最佳建模方式。结果表明：AL、SW和AL+SW中土壤样本数据的平均含盐量分别为5.09、13.42和7.09 g/kg，且在各等级盐分区间内，SW的光谱反射率均大于AL，其中轻度盐化土、中度盐化土和重度盐化土的光谱反射率平均差值分别为0.040、0.020和0.034；光谱变换和光谱指数均能有效改善不同土地类型中土壤盐分与光谱的相关性。相比基础变换（倒数、对数、根式等），导数变换不仅增大了敏感波长的范围，还使得特定波长处相关系数得到显著提升。不同土地类型中基于特征光谱指数的模型精度均高于基于特征波长的模型；单一土地类型盐渍化反演模型明显提高了区域土壤盐分的反演精度，单一土地类型盐渍化反演模型中（AL、SW模型）各变换下光谱指数模型平均R2相比整体模型（AL+SW模型）由0.50提高到了0.61，其中基础变换、一阶导数和二阶导数模型平均R2相比整体模型分别提高了0.06、0.11和0.17，同时，基于最优光谱指数的单一土地类型盐渍化反演模型平均R2相比整体模型由0.74提高到了0.92。因此，当区域中存在盐分相差较大的多种土地利用类型时，对不同土地利用类型单独构建土壤盐分反演模型能确保反演结果更接近实际情况。     

基于小波变换的最大冻深期气温与土壤水盐特征分析

土壤冻融过程中水分和盐分的耦合迁移一直是土壤水科学研究的难点和热点。为了解最大冻深期日最低气温与土壤水盐的尺度变化关系,该文利用墨西哥帽小波变换分析方法对内蒙古河套灌区1994-2006年最大冻深期(2月)日最低气温、0～40cm土层平均水分和盐分的时间-频率的尺度变化特征进行了分析。结果表明:在所研究的时间域内,该地区最大冻深期日最低气温、土壤水盐变化具有周期性特征;最大冻深期日最低气温以3a周期振动最强,土壤水盐均以2a周期振动最强;日最低气温、0～40cm土层水分和盐分有比较好的对应关系,即气温偏高期对应水分偏低期和盐分偏高期;日最低气温、0～40cm土层水分和盐分的周期性突变点位于1997年和2000年左右;盐分表现出不同时间尺度的振动变化,较日最低气温和水分变化更为复杂。该研究可为进一步研究干旱寒冷地区节水改造和盐渍化的防治提供参考。     

西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移对产量影响的预测模型

为了定量计算微咸水膜下滴灌对土壤水盐和西葫芦产量的影响,根据微咸水膜下滴灌土壤水盐运移特点和西葫芦生长试验,建立了西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移模型和水盐生产函数,并将二者联立,建立了西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移对产量影响的预测模型。利用西葫芦微咸水膜下滴灌水盐试验数据对模型进行验证,结果表明模型计算的西葫芦微咸水膜下滴灌土壤含水率和土壤含盐量与实测土壤含水率和土壤含盐量的变化趋势一致,模型计算土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的均方根误差分别为0.049 cm~3/cm~3、0.065 g/kg和3.83 t/hm~2,土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的平均相对误差分别为5.17%、7.42%和5.84%,土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的平均绝对误差分别为0.047 cm~3/cm~3、0.062 g/kg和3.95 t/hm~2。所建的模型具有较高的模拟精度,可用于模拟西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐动态和西葫芦产量。     

滨海废弃盐田复垦区土壤盐分和有机质的空间变异特征

为了揭示废弃盐田复垦区棉田土壤盐分和有机质的时空变化特征,该文利用棉花关键生长节点的土壤采样数据,采用经典统计学和地统计学相结合的方法,对土壤盐分和有机质的空间分布特征进行分析。结果表明:研究区不同时期不同深度的土壤含盐量和有机质含量变幅较大,二者的变异强度均为中等;随着时间的变化土壤含盐量和有机质含量均呈现下降的趋势,各层土壤含盐量与有机质含量相关性程度不高。研究区土壤含盐量与有机质含量均具有中等强度的空间自相关性。Kriging插值结果表明土壤有机质呈条带状分布,苗期和花期土壤有机质含量由西向东逐渐增加,花铃期土壤有机质含量以东北部含量最低,收获期有机质含量高值区主要集中在西北部和东南部。土壤含盐量的三维空间分布在不同时期不同深度具有相似性,其空间分布特征总体较为接近;苗期和花期土壤含盐量高值区出现在东南部方向;花铃期和收获期土壤含盐量空间分布比较散乱,呈斑块状分布。研究结果为莱州湾南岸盐田复垦区的盐渍土科学改良、合理利用及农业可持续发展提供技术支持。     

光谱指数用于EO-1 Hyperion 数据估算中国黄河三角洲地区土壤盐分

Soil salinization is one of the most common land degradation processes. In this study, spectral measurements of saline soil samples collected from the Yellow River Delta region of China were conducted in laboratory and hyperspectral data were acquired from an EO-1 Hyperion sensor to quantitatively map soil salinity in the region. A soil salinity spectral index (SSI) was constructed from continuum-removed reflectance (CR-reflectance) at 2052 and 2203 nm, to analyze the spectral absorption features of the salt-affected soils. There existed a strong correlation (r = 0.91) between the SSI and soil salt content (SSC). Then, a model for estimation of SSC with SSI was established using univariate regression and validation of the model yielded a root mean square error (RMSE) of 0.986 and an R² of 0.873. The model was applied to a Hyperion reflectance image on a pixel-by-pixel basis and the resulting quantitative salinity map was validated successfully with RMSE = 1.921 and R² = 0.627. These suggested that the satellite hyperspectral data had the potential for predicting SSC in a large area.     

定植孔密封方式对土壤水热盐及番茄苗存活率的影响

为了提高河套灌区盐碱地番茄移栽成活率,以番茄定植孔采用土封孔为对照,监测了沙封孔、不封孔株间和根际的土壤水分、土壤盐分、土壤温度及番茄幼苗的生长状况。结果表明,不同处理株间土壤水分、土壤盐分、土壤温度无显著差异。沙封孔、不封孔与土封孔相比,根际0～10cm土层土壤水分降低了11.73%和14.80%,≥10～20cm土层降低了9.60%和13.64%;根际5cm土层最高温度降低了1.2和3.6℃,日均温降低了1.6和2.2℃;根际0～10cm土层土壤盐分降低了19.11%和24.84%,≥10～20cm土层降低了11.48%和19.67%。沙封孔、不封孔番茄幼苗移栽成活率较土封孔提高了20.57%和19.40%。河套灌区盐碱地地膜覆盖栽培番茄,定植时采用沙封孔或不封孔,可降低根际土壤水分及土壤温度,阻碍盐分表聚于根际土壤,提高了番茄幼苗的移栽成活率,该研究为河套灌区盐碱地种植番茄提供指导。