同化AMSR2数据提高HYDRUS-1D模型土壤湿度模拟精度

同化遥感监测数据提高土壤剖面湿度模拟精度,对区域农业发展等实践与理论领域具有重要意义。该文结合了集合卡尔曼滤波(ensemble Kalman filter,EnKF)方法与HYDRUS-1D模型,同化降尺度后的AMSR2(advanced microwave scanningradiometer2)微波土壤湿度数据,开展榆社、荫城2个实验站点的土壤剖面湿度模拟。结果表明:在2个实验站点,与直接使用HYDRUS-1D模型相比,同化具有一定误差的AMSR2土壤湿度数据对不同深度土壤湿度的模拟精度提高都发挥了作用,尤其是对于同化前模拟方案S1(4月1日站点实测含水量)与S4(4月1日遥感含水量),由于HYDRUS-1D模拟时输入了较少数量的土壤湿度数据,数据同化效果与土壤湿度模拟精度提高更为显著;同化前后不同深度的土壤湿度精度对比结果表明,同化效果随深度增加而逐渐减弱。     

集合卡尔曼滤波数据同化方法改进土壤水分模拟效果

陆面过程模型是连续模拟土壤水分的有效工具,然而输入数据及模型结构本身的不确定性会导致模拟误差在模型运行过程中不断积累。数据同化技术可以考虑模型不确定性,实时修正模型状态变量,进而提高土壤水分的模拟精度。本研究构建集合卡尔曼滤波(En KF,ensemble Kalman filter)数据同化方法,将其集成到水文强化陆面过程模型HELP(hydrologically-enhanced land process)中,对模型中土壤水分及表面温度等状态变量进行优化。模型选取山东位山生态水文观测站2006年的数据进行验证,采用未经同化的模型率定结果作为基准值。结果表明,数据同化后表层、根层、深层土壤水分模拟结果相比基准值均有提高,土壤含水量均方根误差减小30%~50%,证明采用数据同化方法能够有效提高土壤水分的模拟结果。     

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。     

土壤冻结期湿度特征研究及其表层模拟

利用EM50数据采集系统,在新疆天山北坡呼图壁县军塘湖河流域采集冻结期和融雪期土壤湿度、土壤温度数据,利用SPSS 19.0,Excel,Surfer 8等软件处理采集到的数据,并对其进行分析、制图。另外利用表层土壤温度模拟土壤湿度变化。结果表明,土壤湿度存在垂直分布规律:冻结期,在土壤层的10,32,48cm处存在极小值;冻结期,土壤湿度日变化较小,融雪期,土壤湿度有显著变化,17:00—19:00时达到土壤湿度变化的峰值;利用表层土壤温度可以很好地模拟土壤湿度,在温度上升和下降阶段均有较好的模拟效果。     

冬灌对冻融期干旱区荒漠绿洲农田土壤水热状况的影响

冬灌可显著改善土壤水热状况,对缓解"春旱"和促进农作物生长发育具有积极的影响。文章通过探究冻融期干旱荒漠区不同开垦年限的农田土壤水热变化特征,揭示冬灌对土壤水热变化及农田水量平衡的影响,为荒漠绿洲农田水分管理提供理论借鉴。研究选取了黑河中游荒漠绿洲过渡带新垦绿洲农田土壤和老绿洲农田土壤(灌耕风沙土和灌耕灰棕漠土),利用土壤温湿度监测仪(ECH_2O)测定的土壤含水量和土壤温度及模拟土柱测定的渗漏损失量,分析了冻融期土壤水热动态变化过程及冬灌对深层渗漏损失的影响。结果表明:老绿洲农田消融历时(26 d)显著长于新垦绿洲农田(12 d),新垦绿洲农田消融历时短不利于春季土壤水分的保持;且翌年土壤完全融化后,新垦绿洲农田浅层(0～40 cm)贮水量低于老绿洲农田;此外,160 mm的冬灌事件导致新垦绿洲农田深层渗漏量为老绿洲农田的4.1倍。新垦绿洲农田需考虑补充灌溉以保证春播作物正常出苗,老绿洲农田"蓄水保墒"生态效应优于新垦绿洲农田。因此,在干旱区荒漠绿洲过渡带农田水分管理中,需综合考虑深层渗漏和"冻后聚墒"效应,针对土壤质地差异实施动态的冬灌策略以保证灌溉水资源优化利用。     

裸露地表土壤水分的L波段被动微波最佳角度反演算法

该文阐述了中纬度地区春季裸露耕地土壤水分监测的重要性,对比分析了目前几种主要的土壤水分反演方法。为提高裸露耕地土壤水分的监测精度,在分析AIEM土壤发射率模拟数据库的基础上,提出了一种基于L波段单角度双极化被动微波遥感数据的土壤湿度和土壤粗糙度的反演算法,并对新反演算法的创新性和可行性进行了基于仿真数据的论证。该反演算法以地表温度作为辅助数据,利用L波段47°双极化的微波亮温数据进行土壤湿度和粗糙度的反演。仿真数据的验证结果表明,在充分考虑土壤温度、土壤质地等辅助数据测量误差的条件下,算法对土壤湿度和土壤     

干旱盐渍土区土壤水盐运动数值模拟及调控模式

在干旱绿洲灌区,土壤盐渍化是农业生产和生态保护面临的主要危害之一,而大多盐渍化过程与灌溉水质和地下水埋深密切相关,合理确定灌区水盐调控措施是实现绿洲农业发展的必由之路。该研究基于绿洲农田试验数据,构建了田间尺度二维土壤水盐运移数值模型,并利用监测数据进行了模型校正和验证,结果表明该模型是可信的。该文以小麦作为研究对象,考虑作物需水规律和土壤盐分变化情况,制订了合理灌溉水量和灌溉制度,并以优化后的灌溉水量和灌溉制度,以不同地下水埋深作为宏观调控标准,确定了盐渍土区合理的地下水水盐调控深度。研究结果可为干旱区水资源合理利用和水盐调控提供理论基础。     

东北大豆农田保护性耕作水热效应的Meta分析

摘要：基于公开发表文章中有关东北地区保护性耕作下大豆农田土壤温度和湿度数据，以传统耕作（CT）为对照，免耕（NT）、少耕（RT）、秸秆覆盖（SM）、免耕秸秆覆盖（NTSM）为处理，应用Meta分析方法定量评估保护性耕作措施对东北大豆农田土壤水热状况的影响程度。结果表明：与CT相比，保护性耕作总体上使东北大豆农田0-170cm土层的土壤体积含水量增加了9.2%，使浅层土壤（0-30cm）温度降低了8.2%；不同气候条件下4种保护性耕作措施均能提高土壤湿度；秸秆覆盖可以提高大豆整个生育时期土壤含水量，且在营养生长期对土壤水热的影响最大，土壤温度随秸秆覆盖量的增加而增加；保护性耕作措施降低土壤温度的幅度随着土壤黏粒减少而降低，提高土壤湿度的幅度随土壤深度增加而降低；免耕秸秆覆盖在不同土壤深度的蓄水保墒效果最明显，在0-20cm土层提高了32.9%的土壤湿度。综上，保护性耕作措施较传统耕作具有增湿降温效应，气温、降水、生育时期、秸秆覆盖量、土壤类型及土壤深度均对保护性耕作下大豆农田的土壤水热状况产生影响。     

黄泛沙地小网格农田防护林网防护效应的研究

以夏津县黄泛沙地130 m×260 m的农田防护林网为研究对象,对林网内外的风速、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度及水面蒸发进行了对比分析。分析结果表明:农田防护林具有改善小气候的功能,可以降低风速,增加空气湿度和土壤湿度,调节空气温度和土壤温度,减小水面蒸发,防风固沙,减少土壤风蚀量,林网内3 H~5 H处的防护效应最好。     

夏季黑河中游绿洲样带蒸散量遥感估算

黑河中游绿洲集中了全流域95%的耕地,利用了全流域68%的水资源,绿洲农田蒸散是水资源的主要支出项。为了解绿洲生态系统不同景观单元的耗水规律,高效管理区域水资源,该文利用2011年6-8月的7期Landsat TM影像,结合地面气象、物候数据和土地覆盖类型,基于SEBAL-METRIC模型估算了夏季黑河中游样带尺度不同土地覆盖类型蒸散量,并利用涡度观测数据对卫星过境日模型估算的蒸散量进行验证,发现遥感估算值与实测值具有较好的一致性。结果表明:由于土地覆盖类型和灌溉的差异,黑河中游样带尺度内蒸散量空间变化较大,6-8月农田平均总蒸散量是340 mm,林地是328 mm,草地的平均值是214 mm,荒漠区只有97 mm;夏季不同土地覆盖类型蒸散量均保持在较高水平,农田日蒸散量在6月底达到最大值,荒漠日蒸散量于7月中旬达到最大值,草地6月和7月平均日蒸散值较8月大,林地蒸散量月际变化较小。另外,荒漠与绿洲土壤类型差异较大,在荒漠区与绿洲区分别选取"热点"可有效提高模型估算精度。研究对于干旱半干旱区域水资源利用与管理有参考价值。     

Modelling temperature,moisture and surface heat balance in bare soil under seasonal frost conditions in China

Soil heat and moisture processes are interconnected, especially during low temperatures. To examine the interaction between soil temperature and moisture under freeze‐thaw cycles, a physical process‐based model (CoupModel) coupled with uncertainty analysis was applied to 3‐year measurements under seasonal frost conditions from a site in the black soil belt of northeast China. The uncertainty in parameters and measurements was described by general likelihood uncertainty estimation (GLUE). To identify the degree of linkage between soil temperature and moisture, three criteria were applied to them separately or together. The most sensitive parameters among 26 site‐specific parameters were closely related to soil heat, soil evaporation and freeze‐thaw processes. Soil temperature was simulated with less uncertainty than soil moisture. Soil temperature measurements had the potential to improve model performance for soil water content, whereas soil moisture measurements demonstrated a trade‐off effect when finding a model with good performance for both temperature and moisture. During winter conditions the uncertainty ranges of soil temperature were most pronounced, probably because of the greater complexity of soil properties during the freeze‐thaw process and the uncertainty caused by snow properties. The largest uncertainty ranges of both soil water content and soil water storage were found mainly in the deep soil layers. The simulated surface heat fluxes are an important output of the model and it is of great value to compare them with the results from regional climate models and micrometeorological measurements.     

川西北高寒区冻融交替作用后土壤水热运移模拟研究

川西北高寒区在黄河和长江上游的水源涵养与补给、生态平衡中发挥着重要作用,该区土壤长期受到昼夜及季节性冻融作用影响,但土壤水分和热量在受到冻融交替作用后的变化规律,及其在草地退化及沙化过程中的作用还不明确。通过野外采集土样进行室内土柱模拟水热运移实验,利用有限元软件HYDRUS建立了一维土柱模型,开展基于冻融循环作用后的非饱和沙化草地和天然草地土壤水热迁移过程的数值计算研究,揭示不同冻融界面条件下沙化草地和天然草地土壤的水热分布特征、空间运移特性。结果表明：HYDRUS软件模拟沙化草地和天然草地土壤体积含水率的模拟结果R²>0.98,其平均值分别为0.997,0.996,模拟效果较理想;在土壤温度特性方面,模拟结果R²>0.98,平均值0.999,HYDRUS软件较好地模拟了川西北高寒区冻融交替作用后天然草地和沙化草地土壤温度和体积含水量的变化特征。通过模拟预测发现,反复冻融作用后,天然草地和沙化草地土壤体积含水率随时间变化均呈现上下波动的趋势,天然草地各土层体积含水率总体均高于沙化草地含水率;土壤温度模拟值呈现先波动上升后波动下降...     

基于蒸散发模型的定量遥感缺水指数

该文针对西北地区存在着严重的缺水问题,以黑河中游区域范围内的张掖市内的盈科绿洲及荒漠为研究对象,运用ASTER卫星遥感数据,根据地表能量平衡原理,建立作物缺水指数模型。在前人研究基础上,对缺水指数模型涉及的2个参数进行了改进:1)在植被覆盖区,利用半干旱地区基于亚象元的土壤蒸发和植物蒸腾双层模型,剥离土壤的影响,获取缺水指数模型中的植被潜热通量;2)为了更精确地提取地表信息,利用遗传算法对该区进行混合像元分解,获取模型中的地表组分温度参量。通过地表缺水指数估算干旱半干旱区土壤含水率,模拟结果与地表同步实测值土壤水比较,误差精度分布在2.17%～3.58%,表明该方法是可行的。     

土壤水分反演的特征变量选择研究综述

土壤水分是水、能量和生物地球化学循环中不可忽略的组成部分,土壤水分信息对水资源管理、农业生产以及气候变化等相关研究有着重要意义。基于遥感数据的土壤水分反演算法是获取土壤水分信息的重要手段,通过对影响土壤水分反演的因素进行梳理,将影响因素抽象为包括土壤特征,植被特征,以及气象特征在内的特征变量,并以此为主线对土壤水分的反演研究进行回顾与梳理。分析了利用不同特征变量反演土壤水分时存在的问题和发展趋势,指出土壤水分反演过程中存在特征变量理论研究不足、综合应用不深的问题,强调耦合使用各类特征变量以提高水分反演精度是未来的研究热点。     

土壤墒情自动测报系统在绿洲农业区的应用

目前对采用水文干旱方法，即通过监视农田墒情的变化来建立抗旱决策信息系统研究还很少，文章阐述在干旱灌区建立土壤墒情监测预报和灌溉决策信息系统的重要性，提出适用于干旱灌区的土壤墒情监测方法和作物灌水预报模型，对土壤墒情自动测报及灌溉决策系统的信息传输、结构及功能作了详细论述。研究表明，通过计算机信息技术对农田墒情、气象信息、灌溉用水以及农业生产等综合信息实行一体化系统管理，提高了灌溉管理水平，节约了水资源。研究成果在干旱、半干旱地区具有参考和应用价值。     

植烟黄壤氮素矿化动态模拟研究

研究不同温度和水分条件下植烟土壤有机氮的矿化动态,为田间土壤氮素矿化的预测提供依据。采用好气间歇淋洗方法,探求不同温度培养模式[恒温20℃,恒温35℃,变温(5、10、15、20、25、30、35、30、25、20℃)],不同温度(5~40℃)与不同土壤含水量(风干土~53%)交互作用下的土壤有机氮矿化动态,并建立回归方程。运用田间土壤氮素矿化数据,进行模型验证。结果显示,变温培养下土壤氮素矿化动态与恒温培养显著不同,变温下土壤矿化氮的累积动态以积温模型的拟合效果最好;指数模型能够较好描述土壤有机氮矿化对土壤水分含量的反应。在土壤氮素矿化积温模型和水分函数的基础上,建立了变化温度与水分条件下的土壤氮素矿化模型。田间实测矿化数据验证了此模型的可行性。因此,可以利用有效积温和土壤含水量来估测田间土壤氮素矿化量。     

长武旱塬草粮轮作田土壤水分可持续利用模式模拟

采用实地观测和计算机模拟相结合的方法,以长期定位试验数据为基础,通过对不同草粮轮作模式的模拟研究,分析了长武旱塬草粮轮作田的土壤水分恢复效应,以期探索出适合该地区的土壤水分可持续利用的草粮轮作模式。验证结果表明：草粮轮作田0～2 m土层土壤贮水量模拟值和观测值间的相关系数为0.97;0～5 m土层土壤湿度的模拟值和观测值间相关系数在苜蓿草地、冬小麦田和马铃薯田分别为0.94、0.93和0.87,均达到了极显著水平。模拟结果表明：苜蓿翻耕后,种植马铃薯和糜子均有利于土壤水分的恢复。在土壤干燥化程度较严重时,种植冬小麦或者春玉米能够在一定程度上缓解土壤干燥化;在无干燥化或者干燥化程度较轻时,种植冬小麦和春玉米会导致土壤含水率的下降。在长武旱塬,“马铃薯-糜子-春玉米-马铃薯-糜子-冬小麦”的粮食轮作模式有利于苜蓿地土壤水分恢复,持续种植9～12 a后可以再次种植苜蓿。     

基于作物及遥感同化模型的小麦产量估测

为提高陕西省关中平原冬小麦的估产精度,该文通过粒子滤波算法同化Landsat遥感数据反演的状态量叶面积指数(leaf area index,LAI)、土壤含水量(0~20 cm)、地上干生物量数据和CERES-Wheat模型模拟的状态量数据,分析小麦不同生育期的LAI、土壤含水量及生物量同化值和实测单产的线性相关性,以构建同化估产模型。结果表明,在返青期土壤含水量同化值和实测单产的相关性高于LAI、生物量同化值和实测单产的相关性,选择土壤含水量作为最优变量;在拔节期和抽穗-灌浆期同时选择LAI、土壤含水量及生物量作为最优变量;在乳熟期选择生物量作为最优变量。在小麦各生育时期同化最优变量的估产精度(R2=0.85)高于同时同化LAI、土壤含水量及生物量的估产精度,同时同化LAI、土壤含水量及生物量的估产精度高于同时同化LAI和土壤含水量(或LAI和地上干生物量、或土壤含水量和地上干生物量)的估产精度,表明在作物不同生育时期同化与产量相关性较大的变量对提高估产精度有重要作用。