不同土层土壤特性空间变异性关系的联合多重分形研究

应用联合多重分形理论研究了0～20 cm土层土壤含水率、土壤电导率、砂粒含量、粘粒含量、粗粉粒含量、土壤粒径分布体积分形维数、土壤容重、有机质含量的空间变异性与20～40 cm土层对应变量空间变异性在多尺度上的相互关系。结果表明:相对于0～20 cm土层上述变量的空间变异性,20～40 cm土层粗粉粒含量、有机质含量空间变异性的变化率最大,土壤电导率、粘粒含量、土壤粒径分布体积分形维数空间变异性的变化率最小,砂粒含量、土壤含水率、土壤容重空间变异性的变化率介于两者之间;多尺度上,0～20 cm土层土壤含水率、土壤容重、有机质含量、粘粒含量、砂粒含量、土壤电导率、土壤粒径分布体积分形维数、粗粉粒含量与20～40 cm土层对应变量空间变异性在多尺度上的相关性依次减弱。     

土壤特性与Philip入渗公式标定因子的空间变异性关系

以在杨凌地区的土壤野外垂直入渗试验为基础,利用标定理论对Philip入渗方程进行标定,用多重分形法和联合多重分形法定量分析了标定因子和土壤物理特性多尺度下的空间变异性及空间相关性,并构建了标定因子的土壤转换函数.研究表明：算数标定因子的标定效果最优;研究区域内的标定因子和各土壤物理特性具有多重分形特征,在单一尺度上和多尺度上,标定因子和沙粒质量分数的空间变异性较强,不同尺度区间上的高值信息对其空间分布影响较大,而粗粉粒质量分数的空间变异性由不同尺度区间上的低值造成;单一尺度上,标定因子与有机质质量分数和黏粒质量分数的相关性具有统计学意义,在多尺度上,标定因子与土壤容重、黏粒质量分数和有机质质量分数的相关性具有统计学意义;基于联合多重分形建立的标定因子的土壤转换函数的预测效果比较理想,具有较强的理论基础和理论价值.     

不同土层土壤水分特征曲线的空间变异及其影响因素

利用多重分形和联合多重分形方法,对陕西杨凌地区0～20 cm和20～40 cm土层van Genuchten模型参数的空间变异性及其影响因素进行了研究.结果表明:0～20 cm和20～40 cm土层参数α都具有明显的多重分形特征,空间变异性较强,且分别是由低值和高值分布引起的;参数n和θs的多重分形特征不明显,空间变异性较弱.0～20 cm和20～40 cm土层van Genuchten模型参数与土壤物理特性的相关特征并不完全相同,在观测尺度上,0～20 cm土层参数α与Sand、Silt显著相关,参数n与Sand、SOM显著相关,θs与Sand显著相关;20～40 cm土层参数α与SOM显著相关,参数n和θs都与Sand、Silt、SOM显著相关;在多尺度上,0～20 cm土层参数α与Sand、Silt的相关程度最高,20～40 cm土层参数α与BD、SOM的相关程度最高.     

黄土高原南北样带不同土层土壤容重变异分析与模拟

为探明黄土高原南北样带土壤容重空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供水力参数,采用经典统计学方法,分析了样带不同土层深度(0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm)土壤容重的空间变异特征,并用多元逐步回归、传递函数方程和一阶自回归状态空间模型方法分别对土壤容重的空间分布进行了模拟。结果表明:样带0~20 cm深度土壤容重的变异为中等程度变异,20~40 cm为弱变异。状态空间方程转换系数表明,不同土层深度土壤容重的影响因素不同,0~10 cm主要为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数,10~20 cm为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数和降水量,20~40 cm为黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用。状态空间模型的模拟效果均优于经典统计的多元逐步回归方程和传递函数方程,基于黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用的状态空间模型可以解释样带20~40 cm容重92.3%的变异。一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下土壤容重分布特征的预测。     

基于最大有效持水率的区域土壤墒情监测点布设方法

【目的】准确获取区域土壤墒情,有效提升农业用水管理水平,支撑现代农业发展。【方法】基于经典统计学和地统计学方法,以土壤最大有效持水率为关键参数,构建土壤墒情监测点的优化布设方法,并以北京市大兴区冬小麦田为例进行验证。【结果】试验区土壤最大有效持水率在土层深度为0～20、20～40、40～60、60～80 cm以及0～40、0～80 cm的均值都表现为中等程度变异;0～40、0～80 cm土层深度的空间区域合理监测数分别为6个和4个,且确定了监测点的位置坐标;优化布设点监测值与全区域61个监测点实测平均土壤墒情相比,误差均在10%以内。【结论】基于最大有效持水率的区域土壤墒情监测点布设方法能够在保证区域土壤墒情监测精度的情况下,大幅减少监测点布设数量。     

沙质河漫滩地土壤质量提升技术研究

【目的】研究沙质河漫滩地土壤质量提升技术,探索覆土改良措施对该地区土壤地力提升效益。【方法】通过对沙质河漫滩进行覆土,研究覆土材料的理化性质,进一步分析了其对土壤速效养分的影响。【结果】①覆土土壤田间持水率沙土高于黄土,黄土是沙土的1.88倍,表明黄土的保水特性远高于沙土。②通过水分特征曲线分析,黄土体积含水率高于沙土,黄土体积含水率在下降至14%以后趋于稳定,沙土饱和导水率在下降至5%以后趋于稳定,表明黄土持水性能高于沙土。③在水稻抽穗期和成熟期,表层土壤有效磷量显著高于底层,且差异显著。水稻成熟期土壤速效钾除表层量较高外,其余各土层量均较低,其中20～30 cm土层速效钾量较水稻抽穗期的量显著降低。④土壤有效磷与土壤有机质显著相关,与土壤黏粒量显著相关;有机质与土壤有效磷和速效钾著正相关。【结论】沙地覆盖黄土后土壤质量得到改善,土壤保水保肥能力显著提升。     

农田耕作土壤田间持水率的BP预测模型

为了合理确定疏松黄土的灌溉制度,基于黄土高原区农田耕作层土壤田间持水率的测试资料,建立了以土壤理化参数包括土壤体积质量、黏粒量、粉粒量、有机质量为输入变量,田间持水率为输出变量的BP预测模型。结果表明,预测值和实测值的相对误差控制在7%以内,在可接受的范围,表明利用土壤基本理化参数预报农田耕作土壤的田间持水率是可行的。研究结果可为黄土高原区耕作农田土壤水分调控和灌溉管理提供支撑。     

田间持水率土壤传输函数研究

基于不同土壤质地、结构、有机质含量条件下的田间持水率测定,分析了影响田间持水率的主导因素。利用多元线性、非线性模型和BP神经网络模型,建立了田间持水率与常规土壤理化性能参数间的不同传输函数。结果表明:土壤干容重、粉粒含量、黏粒含量以及土壤有机质含量等常规土壤理化性能参数对田间持水率都有较大影响;通过这些传输函数预测田间持水率都是可行的,具有较高的预测精度(相对误差小于10%),BP神经网络模型预测效果最好(相对误差3.24%)。     

黑土区玉米地土壤温度的时空变异性研究

【目的】研究农田土壤温度的时空变异机理。【方法】以哈尔滨市向阳试验基地一块面积为96 m×96 m的农田为研究对象(共设置32个测点),利用传统统计学与地统计学方法,分析了黑土区玉米地不同生育时期土壤温度的空间变异性。【结果】随生育时期变化,不同深度的土壤温度平均值先增后减;不同深度土壤温度的空间变异性均为弱变异,不同深度土壤温度变异程度的变化趋势有所差异,5 cm深度变异程度的变化趋势不明显,10 cm和25 cm深度先增后降,15 cm和20 cm深度逐渐降低;土壤温度的空间相关范围在10、15、20 cm和25cm深度先增后减,土壤温度在玉米灌浆期5 cm深度与拔节期10 cm深度具有中等空间相关性,其他生育时期及不同深度具有强烈的空间相关性,5 cm和15 cm深度空间相关性变化趋势不明显,10 cm和20 cm深度先增后减,25 cm深度先减后增。【结论】土层深度和时间对研究区域土壤温度的空间变异性具有明显影响。     

秸秆隔层及不同灌水上限对土壤水氮分布的影响

【目的】探究秸秆隔层以上适宜的灌水上限及其对土壤水分和氮素分布的影响。【方法】通过室内土柱入渗试验,研究了秸秆隔层埋深25cm时饱和含水率、田间持水率、80%田间持水率3个灌水上限情况下土壤水分入渗及水氮分布情况。【结果】①秸秆隔层能抑制水分入渗,显著增加0～25 cm土层的储水量和储水效率。在无蒸发条件下,当灌水上限不超过田间持水率时,6 d后0～25 cm土壤水的储存效率达89%～91%;②秸秆隔层能抑制硝态氮的深层渗漏,增加0～25cm土体硝态氮量。80%田间持水率灌水上限结合秸秆隔层处理对0～25cm土层硝态氮量高于其他处理。【结论】秸秆隔层以上适宜的灌水上限为80%田间持水率。     

微生物基覆盖材料对新垦滨海盐土理化性质的影响

微生物菌丝能够固结有机物物料形成的封闭覆盖物,实现对土壤的有效覆盖。【目的】微生物基覆盖材料的应用可降低海涂土壤蒸发、增强土壤水分入渗、促进土壤团粒结构形成和稳定,有利于减少表层土壤盐分累积,加速盐分洗脱。【方法】设置原始匡围滩涂处理(RCS,滩涂匡围完成后不进行人为处理)、常规处理(CVT,淡水洗盐+牛粪堆肥,牛粪堆施用量为4500 kg/hm²)、田菁处理(SES,常规处理+田菁种植,田菁播种量为18 kg/hm2)和微生物基覆盖材料(Microbiological Covering Materials,MCMs)处理(MCT,田菁处理+微生物基覆盖材料,覆盖量7500 kg/hm2),研究了不同农艺措施对滨海重盐土壤理化性状及盐分迁移影响。【结果】相较于SES处理,MCT处理单位面积田菁生物量显著增加,增加了约75.83%。相较于原始匡围滩涂(RCS)处理,MCT处理表层土壤(0~10 cm)田间持水率增加了25.23%;0~10、10~20、20~30 cm土层土壤质量含水率分别增加了37.34%、36.17%、19.67%,体积质量分别降低了9.52%、9.46%、8.67%,毛管孔隙度分别增加了14.55%、13.33%、10.54%;0~30 cm土层土壤有效磷量和速效钾量显著增加,各土层有效磷量分别增加了160.52%、297.58%、280.84%,速效钾量分别增加了186.25%、90.08%、6.00%;0~30 cm土层土壤有机质量显著提升,各土层分别增加了505.88%、594.44%、372.45%,可溶性盐量显著降低,分别降低了87.25%、85.44%、77.12%。【结论】MCMs覆盖显著增加了田菁的生物量、改善了土壤性状、增加了土壤养分、加速了土层盐分垂向迁移和降水入渗。因此,微生物基覆盖材料的使用可以加快滨海滩涂重盐土土壤中盐分的洗脱速率,促进耐盐植物生长,有利于滩涂生态建设。     

引黄泥沙对黏质盐土的改良效果及其对冬小麦产量的影响

[目的]探究引黄泥沙对黏质盐土的改良效果及对冬小麦产量的影响,找出适宜的引黄泥沙用量.[方法]在黄河三角洲地区进行大田试验,研究不同引黄泥沙用量(0、5、10、15、20、25、30、35 kg/m2)对黏质盐土的体积质量、饱和导水率、含水率变化、含盐量以及冬小麦产量的影响.[结果]引黄泥沙降低了土壤体积质量,且土壤体...     

不同灌溉控制指标对冬小麦生长及耗水特性的影响

【目的】探究冬小麦适宜的计划湿润层深度和土壤含水率控制下限的组合模式,为冬小麦田间用水管理及自动灌溉控制决策提供理论依据。【方法】以冬小麦为研究对象,采用大田试验,设置3个土壤含水率控制下限(L:40%,M:50%,H:60%)和3个计划湿润层深度(60、80、100 cm),共9个处理(T60L、T60M、T60H、T80L、T80M、T80H、T100L、T100M、T100H),研究了不同计划湿润层深度与土壤含水率控制下限对华北地区冬小麦生长发育和水分利用的影响。【结果】计划湿润层深度及土壤含水率控制下限的不同改变了处理间灌水定额及灌水次数,计划湿润层深度过高或土壤含水率控制下限过低均不利于冬小麦植株的生长发育。随着计划湿润层深度(60~100 cm)和土壤含水率控制下限(40%~60%)的增大,冬小麦花前及花后的干物质累积量呈先增大后减小的趋势。产量随土壤含水率控制下限增高呈增加趋势,当计划湿润层深度为80 cm时,产量相对最高,同时耗水量也越多,而计划湿润层深度为60 cm时耗水量最少。计划湿润层深度越低,土壤含水率控制下限越高,冬小麦水分利用效率则越高。T60H处理的水分利用效率最大,为19.96 kg/(hm²·mm),比最小值T100L大21.0%。【结论】本试验条件下,计划湿润层深度为60 cm,土壤含水率控制下限设置为土壤有效含水率的60%时,冬小麦节水高产效果相对最优。     

基于联合多重分形的土壤水分特征曲线土壤传递函数

利用联合多重分形方法识别在不同尺度上对土壤水分特征曲线空间变异性都具有显著影响的因素,基于得出的结论建立考虑尺度效应的小尺度和大尺度van Genuchten模型参数的土壤传递函数,探讨了将小尺度上得出的联合多重分形结论进行尺度扩展,应用到大尺度上的可行性。结果表明:小尺度和大尺度上基于0～20 cm和20～40 cm土层van Genuchten模型参数土壤传递函数预测的土壤含水率均方根误差分别为0.038 6、0.047 3和0.027 0、0.030 4,可将小尺度上进行联合多重分形分析得出的结论进行尺度扩展,应用到大尺度上,且建立的土壤传递函数具有较强的理论基础和较高的预测精度。     

南疆干旱地区土壤盐分空间变异特征研究——以库尔勒三十一团为例

【目的】探明南疆干旱区土壤盐分空间分布特征和变异特征以及产生土壤盐分空间变异特征的原因。【方法】以库尔勒地区三十一团为例,采集该地区代表性的土壤样品,测试、分析了土壤样品不同土层的含盐量指标。【结果】①5个土层土壤含盐量均小于3 g/kg,均属于非盐化土;②5个土层土壤盐分的变异系数均属于中等变异性,其中0～20、40～60和80～100 cm接近于强变异性;③0～20 cm土层土壤盐分的半变异函数符合球状模型,20～40 cm土层土壤盐分的半变异函数符合指数模型,40～60、60～80和80～100 cm土层土壤盐分的半变异函数符合高斯模型;④研究区域土壤含盐量主要集中在1～3 g/kg之间,并且含盐量在2～3 g/kg土壤面积最大。【结论】研究区域土壤含盐量空间分布差异较大,各层土壤存在不同程度的盐渍化现象;土层的高盐分区主要集中分布在南北方向靠近沙漠、远离水库和地势较为低洼区域;垂直方向上,各层土壤含盐量差异不大。     

黄土丘陵区退耕还林土壤不同大小颗粒固碳过程与速率

为揭示黄土丘陵区退耕还林土壤固碳过程及其变化机制,采用物理分组法探讨了安塞纸坊沟退耕15~45 a刺槐与柠条林地土壤砂粒、粉粒、黏粒截存有机碳的效应与速率。结果表明,对比坡耕地,两种退耕林地土壤颗粒结合碳含量均随退耕年限延长显著增加,并且表层0~10 cm土壤增幅最高,10~60 cm各土层增幅基本接近。退耕15~45 a期间,刺槐与柠条林0~20 cm土层均以粉粒碳密度增速最高,分别达0.21、0.11 Mg/(hm2·a),砂粒碳和黏粒碳增速相近,平均分别为0.13、0.06 Mg/(hm2·a)。同样的变化发生在0~60 cm土层,但各颗粒碳密度增速为0~20 cm土层的1.6~2.5倍。按此增速到退耕45 a时柠条林地砂粒碳、粉粒碳、黏粒碳相比坡耕地分别增大了2.6、1.1、0.8倍,刺槐林地则分别增大了8.3、2.2、2.8倍,并且对总有机碳累积贡献的平均比率为:砂粒碳(23%)等于黏粒碳(26%)且均小于粉粒碳(51%)。此外碳库管理指数比碳库活度与土壤总有机碳库变化有更显著的线性相关性。综上分析,该区域退耕刺槐林比柠条林土壤有更强的固碳效应,两种林地均以粉粒碳为主要固碳组分,以砂粒碳周转速率最快。