田块尺度设施菜田土壤健康评价方法的初步构建与应用

结合京郊设施菜田土壤健康管理需要、国内外土壤健康评价方法和北京地区1350个设施菜田土壤分析结果,初步构建了田块尺度设施菜田土壤健康评价系统。确定了物理、生物、化学和产出4类共21个评价指标,提出了各指标的阈值范围、评分标准、权重和评价模块。运用该系统在北京房山区开展设施菜田土壤健康评价,选取5个种植园,每个种植园设置1个试验点。5个试验点中1个试验点为亚健康等级、4个试验点为健康等级。针对亚健康等级试验点,开展了连续2年土壤改良与修复,试验点土壤健康指数由0.77提高到0.83,土壤健康等级提升为健康,土壤容重降低,有机质含量提高,土壤肥力水平提升,pH下降,蔬菜产量稳定,品质指数提高。针对健康等级试验点,开展了连续2年土壤管理,试验点土壤健康指数由0.86提高到0.87,土壤肥力水平稳定,病原菌指数下降,蔬菜产量提高,商品率提升。该评价系统对维持或提高设施菜田土壤健康水平具有较强的指导意义,建议进一步开展更广泛的设施菜田土壤健康评价和土壤修复管理。     

麦田土壤水分时空变异特性及CA-Markov模型模拟预报

为揭示农田土壤水分时空变异特征,精准预测土壤墒情,该研究以河北省太行山山前平原井灌区典型麦田为例,在监测土壤水分的基础上,采用时间稳定性指数法、空间自相关性评价法研究土壤水分时空分布规律,构建了适用于模拟预报田间水分时空变化的CA-Markov 模型,并将该模型的模拟预报效果与HYDRUS 模型进行比较。结果表明：随着土层深度的增加,土壤水分等值线由密变疏,变异系数逐渐减小。随着小麦生育期的推移,前期监测的土壤水分稳定性高于后期;在土壤较湿润的情况下,土壤水分空间相关性较强,土壤水分全局Moran''s I 指数随小麦生育期的推移呈现先增大后变小的规律。CA-Markov 模型模拟预报的各土壤相对湿度等级面积误差的平均值为1.61%,比HYDRUS 模型模拟预报的面积误差平均值（10.86%）小9.25个百分点; CA-Markov 模型对研究区4月下旬、5月上旬的土壤水分干旱等级预测的空间分布Kappa 系数分别为 89.31%、91.46%。该模型可综合考虑麦田墒情的时空变化及随机特性,模拟预测土壤墒情的精度较高、效果良好,可以作为麦田水分管理的重要工具。     

景观格局类型对土壤侵蚀的影响

在景观格局特征尺度上讨论景观格局类型与土壤侵蚀的关系,为具有减缓土壤侵蚀效果的景观格局提出优化的方向。以挠力河流域为研究区,利用3S技术、USLE模型、移动窗口法与半变异函数、有序多元logistic回归等方法,从特征尺度上量化了分析景观格局类型对土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)2010—2018年研究区景观格局破碎化程度增加,景观格局类型有向散布型转化的趋势。(2)2010年、2018年研究区的景观格局特征尺度分别为4 500 m,4 250 m,后者景观格局更为丰富。(3)2010—2018年研究区土壤侵蚀总量增加。(4)研究区土壤侵蚀强度主要取决于现状土地利用斑块特征,在景观格局特征尺度下网状型景观格局类型对土壤侵蚀的缓解效果最好,网状型、指状型和棋盘型与散布型景观格局类型相比,土壤侵蚀强度至少高一个等级的概率分别为0.53,0.74,0.88。研究结果可为景观格局优化和水土保持管理提供参考。     

季节性冻土区包气带水汽热耦合运移研究进展

季节性冻土区占据中国超过一半的国土面积,冻融作用会显著改变土壤性质与包气带水、热传输过程,并且由于季节性冻土广泛分布在干旱半干旱地区,温度与气态水对于土壤水分运移影响显著,开展水汽热耦合研究不仅更符合季节性冻土区实际情况,同时对于揭示土壤水循环机制十分关键。本文综述了包气带水汽热耦合运移理论的提出与发展历程,阐述了季节性冻融作用对水汽热耦合运移研究中水力参数及水分相态转化过程的影响,探讨了水汽热耦合模型适用性,并归纳总结了温度梯度驱动下气态水运移规律及其重要性。最后,对该领域尚需加强研究的方向提出看法与建议,以期为深化包气带水汽热耦合运移理论以及解决季节性冻土区相关实际问题提供科学依据。     

黔中地区气象水文干旱演变特征及其响应关系

黔中因其地形地貌特殊,干旱情势复杂,研究其干旱特征以及传播过程,能有效预防干旱延续,为该区域干旱监测和预警提供科学依据。基于黔中地区1970—2016年的降水以及径流数据,计算标准化降水指数(SPI)与标准化径流指数(SSI),采用相关分析方法,分析该地区气象水文干旱的演变特征以及两者之间的响应关系。结果表明:(1)不同时间尺度的SPI与SSI具有不同的时间振荡频率。在较短的时间尺度上干湿交替频繁,而较长的时间尺度可以检测连续的干旱与潮湿时期。(2)近47年来,黔中地区干旱化态势增强,干旱发生的频率上升,重度干旱以及极端干旱频率增加明显。(3)该地区气象与水文干旱在不同年代际呈现不同的空间分布特征,气象干旱主要发生在黔中南部、中部和西部等地区。20世纪水文干旱化态势最明显的地区主要在黔中中部,而21世纪最明显的干旱化地区则在黔中西北部。(4)SSI—SPI相关性显著,不同时间相关系数的变化趋势不一致,并且它们的响应关系呈季节变化,其相关系数为夏季>秋季>冬季>春季,这与黔中地区降水的时空分布不均以及地貌特征有关。综上,黔中地区气象水文干旱日趋严重,极端干旱频发,气象干旱加剧了水文干旱旱情,两者关系密切。     

基于SCS-CN模型的郑州市区域产流特征研究

[目的] 根据郑州市下垫面产流情况研究该市内涝成因,为市区重要基础设施的暴雨内涝灾害风险防范与运行管理提供科学参考。[方法] 利用2016—2020年的气象资料和2020年的土壤、坡度、土地利用资料,采用SCS-CN水文模型,计算下垫面径流量,研究坡度、土壤、土地利用与径流量的关系。[结果] ①2016—2020年郑州地表径流分布整体上呈“东北高,西南低”“城区高,山区低”的趋势,除水域外,径流量主要分布在人类活动较密集区域。②较缓坡的径流最大。坡度贡献率与面积呈正相关。③郑州市土壤分为A (滨海风砂土)、B (黄绵土)、C (潮土等)、D (褐土性土)4类。D类径流最大,4类径流逐步呈上升趋势。土壤贡献率与面积呈正相关。郑州市主要为C类潮土,下渗率低。④SCS模型显示,前期土壤湿润程度越低,降雨下渗越多,径流越小。CN值越大,可能最大滞留量(S)越小,径流量越大。[结论] 郑州市地表产流在东北建设区域较为集中。产流越大,越易发生内涝。因此,应在产流集中的区域增加海绵砖、绿化带,及时修理排水管道。同时应推动郑州东南发展,以缓解郑州东北区域人类活动对地表产流的影响。     

基于卷积神经网络的害虫分类

农作物病虫害是一种严重的自然灾害,需要对其进行及时预测和监控,以保证农作物产量。由于害虫种类繁多以及作物在生长初期的形态相似,农业工作者难以准确识别各类作物昆虫,给病虫害的防治工作带来巨大挑战。针对这一问题,提出一种基于多尺度特征融合的网络模型(FFNet)对作物害虫进行精准识别与分类。首先,采用空洞卷积设计多尺度特征提取模块(MFEM),获取害虫图像的多尺度特征图;然后,使用深层特征提取模块(DFEM)提取图像的深层特征信息;最后,将分别由多尺度特征提取模块(MFEM)和深层特征提取模块(DFEM)提取到的特征图进行融合,从而实现以端到端的方式对作物害虫进行精准分类与识别。试验表明：所提出的方法在12类害虫的数据集上获得优异的分类性能,分类准确率(ACC)达到98.2%,损失函数Loss为0.031,模型训练时间为197 min。     

基于Sentinel-2A影像的乡镇农业土地利用制图

目的 实现乡镇尺度准确的农业土地利用、作物分布快速制图。方法 文章选用Sentinel-2A遥感影像,基于时序遥感指数阈值分类、最大似然等方法完成各土地利用类型分类、作物空间信息提取,进行乡镇尺度农业土地利用制图,与基于WorldView-2融合图像的0.5 m分辨率农业空间信息图比较验证。结果 （1）研究区粮油作物用地、菜地、设施农用地和园地的面积精度良好,依次为92.93%、98.98%、95.71%和95.14%,与实际面积的差异在8%以内;（2）应用OSM道路数据和历史高分辨率影像等生产的地块边界、农田道路网、水渠网等空间信息与Sentinel-2A多光谱影像分类结果进行叠加制图,能提高10 m分辨率影像分类结果的地块边界信息精度。结论 使用多源信息融合方法和Sentinel-2A光学影像生产的乡镇农业土地利用、作物分布空间大数据,能有效提升乡镇尺度土地利用制图精度和时效性,为应用遥感大数据开展乡镇农业景观分析、农业产业结构优化调整等提供技术参考。     

白洋淀流域水文连通对浮游植物群落的影响

为探究水文连通对白洋淀流域浮游植物群落分布特征的影响,并揭示其关键影响因子,于2019年6月27日—7月4日在白洋淀流域开展了水文水质及浮游植物调查,结合流域内闸坝空间分布,计算了白洋淀流域河湖水系的连通性强度指数(Longitudinal connectivity index, LoC);利用多元统计分析方法,如非度量多维尺度分析和冗余分析等方法,探究了水文连通对白洋淀流域浮游植物群落结构、优势种物种丰度变化的影响。结果表明:王快水库上游河流的LoC指数最高(0.84),府河、白沟引河及孝义河等入淀河流LoC指数较低(0.06～0.08)。白洋淀流域浮游植物生物量及物种丰度呈现空间差异,其中,孝义河浮游植物的生物量最大,约为3.07 mg·L~(-1),西大洋水库上游河流最小(0.30 mg·L~(-1));白洋淀淀区浮游植物的物种丰度最大,为5.13×10~6cell·L~(-1),王快水库上游河流最小(1.62×10~5cell·L~(-1))。多元统计分析结果表明,按浮游植物相似性特征,白洋淀流域可分为水库上游河流、入淀河流及淀区3个区域;且影响各个区域浮游植物群落特征的关键因子有所不同,其中水库上游河流浮游植物受COD、TP及流速的影响,入淀河流受COD、TN及流速的影响,而淀区则受DO、TP和COD的影响。     

晋西黄土区不同水文年土壤水分特征及其主要影响因子分析

  目的  晋西黄土区生态环境脆弱,土壤水分是制约植被生长的重要因子。为深入了解该区域土壤水分年际变化,明确制约该区域土壤储水量的关键因子,探讨晋西黄土区不同植被类型在生长季节内土壤含水量的变化。  方法  以定位观测法为主,对人工刺槐Robinia pseudoacacia林、天然三角槭Acer buergerianum林和野艾蒿Artemisia lavandu-laefolia草地生长季(5?10月)内0~400 cm土壤含水量进行监测;在此基础上,根据含水量标准差对土壤进行活跃层划分,并通过生长季前后储水量的对比探究年际土壤储水量盈亏状况;测定了典型样地的土壤性质,并结合地形、不同水文年旱涝特征对土壤储水量的影响因子进行冗余分析。  结果  ①人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地平均土壤含水量分别为8.36%~9.63%、10.01%~13.19%和15.43%~19.17%,野艾蒿草地表层土壤含水量显著高于人工刺槐林和天然三角槭林(P＜0.05)。②天然三角槭林土壤水分活跃层最深可达180 cm,人工刺槐林和野艾蒿草地土壤水分活跃层较浅;中等湿润年土壤水分活跃层最深,严重干旱年土壤水分活跃层次之,平水年土壤水分活跃层最浅。③严重干旱年,人工刺槐林、天然三角槭林和野艾蒿草地土壤水分亏缺土层深度分别为100~300、0~200和0~100 cm;平水年土壤水分的输入和输出达到平衡;中等湿润年0~200 cm土层水分得到不同程度补给,而200~400 cm土层的水分补给量接近于0。④不同深度土层土壤储水量受不同环境因子影响,其中植被类型和土壤容重是0~100 cm土层水分的主导因素,100~200 cm土层水分主要受容重和坡向控制,而不同水文年旱涝程度、土壤黏粒和粉粒含量是200~400 cm土层水分的主导因素。  结论  干旱水文年土壤水分亏缺严重,平水年及湿润年亏缺现象有所缓解,植被类型对土壤储水量影响最大。今后黄土高原地区的造林,不仅要考虑树种的耐旱能力,更应充分考虑地形、土质及生长季降水的分配情况带来的影响。图5表5参33