自然降雨对干化土壤水分恢复有效性分析

研究自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性,有利于合理利用降水资源,加强干化土壤水分管理,促进土壤干层得到有效恢复。在陕北米脂试验站设置野外地下大型土柱,通过2014—2019年连续定位监测降雨、土壤含水率状况,分析自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性。结果表明:(1)从深层干化土壤水分恢复角度考虑,黄土丘陵半干旱区降雨可以分为3种类型:表层入渗快速蒸发型、浅层入渗缓慢蒸发型和深层入渗补给型。其中深层入渗补给型降雨为有效降雨,该类型雨量>26 mm,能够对深层干化土壤产生有效水分补给。2014—2019年发生深层入渗补给型降雨仅16次,累积雨量791.8 mm,降雨次数、降雨量的有效率分别为4.64%和35.19%。(2)月尺度条件下,降雨量(P月)与逐月入渗深度(Z逐月)、月累积入渗深度(Z累积)均呈二次函数关系变化,Z逐月=-0.0102P月2+3.955P月-6.7335(R^2=0.9639),Z累积=-0.0003P月2-0.1331P月+191.71(R^2=0.9208)。(3)年尺度条件下,2014—2019年雨量分别为187.6,391.6,590.8,337.6,342.4,400.0 mm,降雨逐年引发的入渗深度依次为160,220,400,260,260,120 cm,累积入渗深度依次可达180,220,400,700,1000,1400 cm。研究结果对揭示自然降水恢复干化土壤机理,加强土壤干层人工蓄水保墒技术,合理选择保墒措施,以及促进当地生态环境建设具有积极的推动作用。     

黄土丘陵区深层干化土壤对降雨入渗的响应

在陕北米脂试验站设置了野外10 m地下大型土柱,分别利用BLJW-4小型综合气象观测站、CS650-CR1000自动监测系统对降雨状况和土壤水分状况进行长期连续定位观测,分析黄土丘陵区深层干化土壤对降雨入渗的响应。结果表明:(1)黄土丘陵区降雨可以划分为3种类型:快速蒸发型降雨(P≤13 mm)、缓慢蒸发型降雨(13 mmP26 mm)、入渗主导型降雨(P≥26 mm)。其中快速蒸发型降雨、缓慢蒸发型降雨在裸露地表情况下仅能引发浅层土壤的降雨入渗响应(Z_(rapid)≤30 cm, 30 cmZ_(slow)60 cm),不能对深层干化土壤形成有效的水分补给;而入渗主导型降雨则能够引发深层干化土壤的降雨入渗响应(Z_(infiltration)≥60 cm),能够促进干化土壤得到水分修复。(2)0～90 cm土层为降雨入渗、蒸发循环层,该深度范围土壤受降雨、蒸发作用影响强烈,土壤水分呈现频繁增、减波动;90 cm以下土层为降雨入渗主导层,该深度范围内土壤不再受蒸发作用影响,土壤水分呈增加趋势。(3)入渗主导型降雨年最大入渗深度在140～160 cm,雨后上层土壤水在蒸发作用下69～435 h恢复至雨前水平。裸露地表状况下,多年累积降雨能够促进深层干化土壤产生入渗响应,2014—2019年干化土壤对于自然降雨的入渗响应深度依次为180、220、400、700、900 cm及1 000 cm。     

自然降雨条件下干化土壤水分恢复试验

土壤干燥化是制约黄土丘陵半干旱地区生态环境可持续发展的瓶颈问题,自然降雨是当地土壤水分补充的唯一来源。为探究自然降雨条件下干化土壤的水分恢复状况,在陕北米脂试验站构建野外10 m深大型地下土柱,2014—2019年间利用CS650-CR1000型土壤水分自动监测系统和BLJW-4小型气象观测站对土壤水分、气象状况进行连续定位观测,分别对次降雨、月降雨、年降雨条件下的干化土壤入渗恢复深度进行研究。结果表明:黄土区降雨分布的阶段性和年际不均衡性是直接影响深层干化土壤水分入渗的主导因素,年内降雨可以划分为3个阶段:降雨匮乏阶段(上年11—次年3月)、降雨过渡增加阶段(4—6月)、降雨丰沛阶段(7—10月)。试验期间,能够促进深层干化土壤水分恢复的有效降雨(入渗深度大于50 cm)发生次数为56次,有效降雨量1 455.20 mm,分别为6a总降雨次数和总降雨量的16.23%、64.68%。月尺度、年尺度条件下,逐月、逐年降雨入渗深度均随降雨量增加呈二次函数增大变化,累积降雨入渗深度则随时间延续持续增大,对深层干化土壤水分恢复起决定作用。至2018年12月,累积降雨入渗深度达到1 000cm。以农地土壤水分为标准,2014—2019年自然降雨条件下干化土壤完全恢复深度分别为140、180、300、600、700、700cm,完全恢复程度依次可达14%、18%、30%、60%、70%、70%。研究结果对于探讨半干旱黄土区在自然降雨条件下林地深层干化土壤水分恢复规律,制定合理措施促进干化土壤水分恢复,以及深入干化土壤水文循环机理研究具有重要意义。     

限定枣树生长下的枣林耗水特征

为了减少黄土高原地区枣林地水资源消耗，减轻枣林土壤干化，完善枣林地水分管理，实现可持续发展，以黄土高原地区山地枣树为研究对象，将枣树栽植在面积为6 m²，深度分别为2、3、4、5、6 m的小区内，通过枣树修剪控制树体规格及枝条数量和长度，测定土壤水分含量与枣树生长指标，测算枣树的单株生物量、耗水量及水分利用效率，分析枣树生物量与耗水特性的关系，探索严格限定枣树生长情况下的枣林耗水特征。经过三年连续监测发现:修剪后的5 a枣树耗水深度约为3 m，与常规矮化密植山地5 a枣树相比减少1.4 m左右，枣树耗水深度显著降低。各小区土壤储水量的变化情况与年降水量的变化规律相同，虽然在干旱年(2015年)各小区储水量相比2014年明显下降，各小区土壤储水量均存在亏缺现象，但2016、2017年的土壤水分通过自然降水恢复，相比2014年初始土壤储水量有提升。3 a枣树平均耗水量为520.78 mm和当地平均降雨量548.40 mm基本持平，说明林地土壤水分补充与消耗基本持平。研究表明：控制枣树生长具有调控枣林地耗水的作用，证明试验采取的修剪强度符合当地降雨条件，可以作为节水型修剪的控制指标；枣树在有限的生长空间内依靠自然降雨正常生长，试验限定枣树生长并没有降低枣树产量；与常规矮化密植山地枣树相比，试验枣树的生物水分利用效率和产量水分利用效率均有所提升。恰当的修剪可以限制营养生长，促进生殖生长，从而提高枣树水分利用效率，对缓解当地深层土壤水分干化具有重要意义。     

灌区种植结构反演优化与土壤盐分空间分布协同解析

种植结构与土壤盐分的协同程度与发展关系关乎灌区水土生态质量与农业可持续发展,联动灌区种植结构提取与土壤盐分空间分析对于灌区生态环境评价与治理、保障耕地和粮食安全等具有重要意义。本文以内蒙古河套灌区永济灌域为研究区,利用2021—2022年生育期Landsat 8 OLI遥感数据与地面种植结构调查数据,分别构建决策树、支持向量机、随机森林分类模型,通过对比分析遴选出灌域适用的最优模型,准确获取灌域种植结构分布结果,同时进一步结合灌域土壤盐分实测数据及其空间异质特征,对种植结构与土壤盐分的协同关系进行深入探讨与分析。结果表明,3种模型的分类精度由大到小为随机森林、决策树、支持向量机,2021、2022年随机森林分类模型的总体精度、Kappa系数分别为92.81%、0.91,91.64%、0.89,为3种模型中精度最高,故选定随机森林模型作为最优模型;灌域内土壤盐分呈现“北部重,中、南部轻”的空间分布特征,2021、2022年土壤盐分的半方差函数适用于Gaussian模型,土壤盐分空间自相关在“中—强”等级变化;受土壤盐分制约,葵花以北部地带种植为主,玉米、小麦、小麦套种玉米(套种)和瓜菜等...     

西北枣林土壤水分自然修复及其模拟

以节水型修剪下矮化密植枣树为研究对象,设置4种不同初始土壤含水率,在雨养条件下连续2 a观测土壤水分、生物量,结合HYDRUS 1D模型分析评价了林地水分修复。结果表明,自然降雨条件下,4个小区土壤水分趋向一个稳定值,该值大小取决于当年降雨量。基于HYDRUS 1D模拟的枣园土壤水分相对误差为1.52%,均方根误差未超过0.5,决定系数平均达94%,说明该模型在该地区具有较好的适用性。HYDRUS 1D模拟节水型修剪下的枣林土壤水分显示在今后60 a可以保持多数年土壤水分处于良好水平。     

典型地面覆盖下黄土丘陵区干化土壤深层水分变化研究

为了探寻黄土高原丘陵区干化土壤修复措施,采用野外试验,布设1000 cm深地下土柱,并在土柱表层进行9种不同覆盖处理(种植刺槐、苜蓿、柠条、枣树、早熟禾和覆盖石子、树枝、地布和白色地膜),以土柱表面完全裸露作为对照,用中子土壤水分仪测量0 ～1000 cm不同深度土壤含水率,通过2014-2018年连续观测数据分析发现...     

考虑作物生长状态的农田表面温度数据精量甄别与区分

农田表面温度是土壤、作物和大气之间进行水/热交换传输的重要参数,也是灌区遥感反演模型的重要参量。在利用热红外传感器连续获取农田表面温度数据时,由于作物的生长发育处于动态变化中,农田表面温度数据往往混合了作物冠层温度和土壤表面温度。为精准甄别和区分田间海量监测数据,该研究结合Logistic作物生长模型,通过考虑作物生长状态指标叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）和作物冠层高度及其关键节点,构建了农田表面温度监测数据的甄别算法。以内蒙古永济试验站玉米和向日葵实测数据对算法进行验证,并利用解放闸灌域和吉林省长春试验站的玉米和向日葵田间观测数据进行校核。结果表明：考虑LAI和作物冠层高度并利用Logistic模型模拟的关键节点来建立甄别算法,能够为农田稀疏植被表面温度数据甄别提供高效判定。与人工测量值对比,冠层温度优化幅度在10%左右（相对误差）,土壤表面温度优化幅度超过5%;甄别方法可以明显提升冠层和土壤表面温度的获取精度。甄别算法中校正因子数值需根据作物种植密度及LAI确定,其中玉米校正因子选择作物冠层温度校正因子0.9,土壤表面温度校正因子1.1;向日葵校正因子以叶面积指数最大值4为基础,选取冠层温度校正因子0.7,土壤表面温度校正因子1.2;在不同地区应用时,向日葵叶面积指数最大值每增加1,推荐冠层温度校正因子调高0.35,土壤表面温度校正因子调低0.18。研究结果为精量灌溉提供技术支撑,提高了农田监测数据的性能,为无人机遥感和卫星遥感数据的精量甄别提供算法和验证。     

黄土丘陵区深层干化土壤中节水型修剪枣树生长及耗水

黄土丘陵区人工林地深层土壤干层是否影响后续植物的生长是众多学者关心的热点。该文在砍伐23 a生旱作山地苹果园地后休闲4 a又栽植枣树,连续3 a观测干化土壤中枣树的生长及土壤水分变化,研究采用节水型修剪的再植枣林的生长及耗水情况。结果表明,前期23 a生苹果园地已使0~1 000 cm深土壤干化,休闲4 a后0~300 cm土层水分得到恢复,300~500 cm范围为中度偏重亏缺,500~700 cm为中度亏缺,700~1 000 cm为轻度亏缺;3龄枣树时开始采取节水型修剪,0~300 cm土层有效水分被消耗34.97%,至4龄时0~300 cm范围内前期恢复的土壤水分已消耗殆尽;在此情况下采取节水型修剪的枣树仍可保持良好生长,产量及其水分利用效率均高于相同水分条件下的常规修剪枣树,产量可达正常水分条件下枣树的1.39倍以上,产量水分利用效率可达1.52倍以上。研究结果证明节水型修剪是半干旱区深层干化土壤中枣树克服雨量不足和土壤水分亏缺的一条有效途径。     

深层干化黄土自然降雨入渗特征试验研究

为探讨自然降雨在黄土区干化土壤中的入渗性能,研究干化黄土的降雨入渗机制,在陕北米脂试验站,建立野外10 m大型土柱模拟枣林地深层干化土壤,利用CS650-CR1000土壤水分自动监测系统对2014-2019年的土壤水分状况进行了连续定位监测。结果表明:(1)日降雨量为33.6,35.6 mm的大雨(降雨强度分别为3.73,2.97 mm/h,降雨历时9.0,12.0 h)状况下,最大入渗深度为140,100 cm,累积入渗量达20.05,16.10 mm;日降雨量为19.0,16.8 mm的中雨(降雨强度分别为2.24,1.53 mm/h,降雨历时8.5,11.0 h)状况下,最大入渗深度为90,60 cm,累积入渗量达8.12,9.77 mm;日降雨量为9.6,8.8 mm的小雨(降雨强度分别为1.48,0.76 mm/h,降雨历时6.5,11.5 h)状况下,最大入渗深度为30,20 cm,累积入渗量仅为1.05,0.23 mm。(2)降雨入渗的湿润锋运移深度(Z_i)随时间(T)呈幂函数Z_i=aT^b增加。(3)雨水的入渗历时包括降雨历时、自降雨停止至入渗结束两个时段。6次降雨(33.6,35.6,19.0,16.8,9.6,8.8 mm)在降雨停止后时段内的入渗深度分别为100,60,70,40,30,20 cm,入渗量依次为9.86,10.78,2.09,8.42,1.05,0.23 mm。在总入渗历时内,6次降雨入渗补给系数分别为0.60,0.45,0.43,0.58,0.11,0.03。黄土区降雨入渗深度受降雨量、降雨强度、入渗历时影响较大,提高单次降雨的雨量有助于提升雨水入渗补给系数,促进干化土壤得到有效水分修复。