积雪覆盖下土壤热状况及其对气象因素的响应研究

为研究季节性冻土区在积雪覆盖条件下,土壤温度变化趋势及气象因素对土壤热状况的影响,以野外实测试验数据(2013年11月8日—2014年4月28日)为基础,分析裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖条件下5、10、20、40、60、100、140 cm深度土壤温度变化特征,采用灰色关联度分析的方法筛选出影响土壤热状况的主要气象因素,进而统计土壤温度与气象因素之间的相关关系。结果表明:积雪的存在阻碍了环境与土壤之间的能量交换,引起土壤温度和土壤冻融过程的差异;随着积雪覆盖深度的增加,土壤的冻融日期会出现延迟现象,土壤温度相对稳定在较高水平,并且地、气之间温差增大;冻融过程中土壤温度变化的主要影响因素为环境温度,积雪覆盖使得气象因素与土壤温度的关联度减弱。     

污灌区有机氯农药的土—气交换行为与影响因素分析

以我国东北典型污灌区为研究区域,获取相关数据及模型参数,并应用逸度方法探讨了有机氯农药的土-气交换行为及其分馏效应。研究结果表明,在土壤有机质含量一定的情况下,日均温度最大时有机氯农药六六六(HCHs)和滴滴涕(DDTs)之间土-气分配系数(KSA)的差异比日均温度最小时高出一个数量级,HCHs比DDTs更容易挥发重新释放进入环境中而进行二次分配,土壤有机质质量分数每提高1%而引起的KSA值的变化率不同,且这种变化会随着有机质质量分数的提高而趋于平稳;辛醇-气分配系数(KOA)与土-气交换逸度分数ff呈负相关关系,当土壤有机质质量分数为1%、2%和3%时,其相关系数分别为-0.743(P0.05)、-0.763(P0.05)、-0.776(P0.05);应用土-气浓度比(Cs/a),进一步判定土壤浓度和大气浓度在其他参数不变的情况下,将会对HCHs及DDTs的土-气交换行为产生影响;HCHs与DDTs的初次分馏及二次分馏效应进一步说明土壤性质及其自身的理化性质均会对分馏效应产生影响。     

秸秆覆盖对季节性冻融期土壤水分特征的影响

以北方高寒区典型城市哈尔滨市为研究区域,通过冬季大田试验(试验周期2013-11-01—2014-04-30),设置自然无覆盖、覆盖秸秆厚度5、10、15 cm 4个处理,分别测定不同处理下20、40、60、100、140、180 cm深度土壤液态含水率以及气象数据,分析季节性冻融期秸秆覆盖对土壤水分变化特征的影响。研究结果表明:秸秆覆盖使0~60cm土层内液态含水率增加或减小的时间拐点发生延迟,随着秸秆覆盖厚度的增加其延迟效果越明显,但土壤冻结期的延迟效果比冻土融化期明显;秸秆覆盖阻碍了冻土融化初期融雪水入渗,使自然无覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度出现短暂的峰值,而在冻土融化末期秸秆覆盖抑制了土壤水蒸发,使各秸秆覆盖处理液态含水率在20、40、60 cm土壤深度又高于自然无覆盖。秸秆覆盖可有效平抑冻融期0~60 cm土层土壤液态含水率的变化幅度,且随着土壤深度的增加其平抑效果具有减弱趋势;积雪融水和秸秆覆盖的双重作用能够有效增加土壤墒情,但其增墒能力随着土壤深度的增加而降低,不同秸秆覆盖处理对0~60 cm土层的平均增墒能力由大到小排序依次为:15、10、5 cm。     

积雪特性参数分析及雪深模型建立

通过2015~2016年冬季积雪观测试验,测量自然条件下雪深、雪层温度、雪层密度、雪层液态含水率等积雪特性参数,分析积雪特性参数影响因子和发育变化规律,构建径向基神经网络雪深模型。结果表明,空气、地表温度及水汽压是影响雪参数发育三大主要气象因子。在时长为124 d覆雪期中,雪深最大平均融雪速率达3.20 mm·d-1,出现在融雪后期。雪层密度随雪深增加波浪式上升,其中稳定期全层密度0.1~0.4 g·cm-3;雪层液态含水率0.5%~3.5%,分层液态含水率中层较大,积雪表层和底部波动较小;全层积雪孔隙率平均值为72.3%,积底层孔隙率廓线下降最快,极差最大。经两次优化后,雪深模型最大绝对误差为0.614 1 cm,最大相对误差为5.85%,模拟精度控制在6 mm以内。     

覆盖物对冻融土壤热量空间分布与传递效率的影响

为了明确覆盖物对冻融土壤热量传递阻碍作用的机理和特性,基于冬季大田试验(2016年11月1日—2017年4月30日),设置裸地、自然降雪覆盖、5 cm秸秆覆盖+自然降雪、10 cm秸秆覆盖+自然降雪4种处理,分别测定了不同处理条件下10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 cm深度的土壤总含水率、液态含水率和温度等数据,计算了不同处理条件下冻融土壤的热容量、相变热量和热量变化量等相关参数,进而分析了覆盖物对冻融土壤热量空间分布和传递效率的影响。结果表明:试验期30 cm深度范围内土壤热量交换量占比较大,不同时期内热量变化占比可达54.57%~81.17%;在冻结期4种处理条件下,土壤热量传递整体呈现出热量散失的趋势,在融化期4种处理条件下,土壤热量传递整体呈现出热量吸收的趋势;自然降雪覆盖、5 cm秸秆覆盖和10 cm秸秆覆盖对于热量传递的影响率分别为17%、8%和17%;4种处理条件下土壤热量无变化时间段均较长,分别为29.17%、39.41%、43.33%、50.88%。     

基于博弈论赋权的灌溉用水效率GRA—TOPSIS评价模型

在构建区域灌溉用水效率综合评价指标体系的基础上,运用博弈论(Game theory,GT)思想将层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)所得主观权重与改进熵值法(Improved entropy value method,IEVM)所得客观权重进行综合集成以获取组合权值,并将灰色关联分析(Gray relation analysis,GRA)与逼近理想解排序(Technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)相结合,以三江平原10个大型灌区为例进行验证,对区域灌溉用水效率作综合评价。采用Spearman等级相关系数检验灌溉水有效利用系数排序与GRA-TOPSIS法排序,得到的相关系数高达0.863,且GRA-TOPSIS法、GRA法、TOPSIS法对同一灌区综合排序的位次相差均不超过2,表明评价结果具有合理性和一致性;GRA-TOPSIS法所得综合值的极差为0.343,变异系数为0.267,均高于单独使用GRA法或TOPSIS法的极差与变异系数,更有利于对灌区灌溉用水效率进行辨识分区。此外,根据目标层与准则层排序差异度将灌区分为3类,辨识各灌区灌溉用水效率主控因子,对区域灌溉用水效率发展策略的制定具有参考价值。     

生物炭对北方寒区农田土壤热性能参数的影响

为揭示生物炭对土壤热特性参数的影响规律,以施加不同生物炭的北方寒区农田土壤为研究对象,设置土壤含水率水平分别为0%、8%、16%、24%、32%、40%,利用ISOMET2114型热性能分析仪,测定土壤在15～-15℃温度范围内导热率、热扩散率和体积热容量的变异特征,探究生物炭调控作用下土壤热特性参数对水热环境的响应机理。研究结果表明:在冻结与非冻结状态下,随土壤含水率增加,土壤导热率、体积热容量和热扩散率均表现出增大趋势,在3℃条件下,生物炭含量为0 t/hm2、含水率为24%和32%时,土壤导热率相对于含水率为16%时分别增加0. 141 4、0. 580 5 W/(m·K)。随生物炭含量增加,土壤导热率和热扩散率呈降低趋势,体积热容量在非冻结情况下呈降低趋势,在冻结情况下则呈增大趋势,在-3℃条件下,含水率为32%、生物炭含量为4 t/hm2和6 t/hm2时,土壤体积热容量相对于0 t/hm2水平分别增加0. 16、0. 20 J/(cm3·K)。土壤导热率与含水率呈对数函数关系,土壤体积热容量与含水率呈线性函数关系,土壤热扩散率与含水率呈二次函数关系。本研究结果可为准确描述北方寒区农田土壤热性能和生物炭改良土壤技术提供理论依据。     

基于DPSIR模型的水土资源承载力评价

以齐齐哈尔市为例,从水土资源的概念入手结合DPSIR模型,构建5个子体系24个指标的水土资源承载力评价指标体系。通过采用实码加速遗传算法优化投影指标函数,确定各评价单元的一维投影值,构建水土资源承载力评价的投影寻踪模型。结果表明,齐齐哈尔市市区2007~2010年的水土资源承载力最高,其他各市县承载力等级均有一定幅度的波动。研究成果可为齐齐哈尔市水土资源可持续利用提供科学依据。     

基于NSGA-Ⅱ农业多水源复合系统多目标配置模型应用

基于多目标非支配排序遗传算法原理,建立佳木斯地区农业多水源灌溉系统多目标供水优化配置模型。运用非支配排序遗传算法求解,结果表明,模型可达到经济目标较大时环境目标较小效果。选取三个方案权衡分析经济和环境目标,高来水情景中方案一经济目标是88.88×10~8元,环境目标588.12×10~4kg,方案二分别是88.00×10~8元,580.55×10~4kg,方案三分别是85.56×10~8元,574.50×10~4kg。在三个不同最优解中,决策者可根据偏好或实际情况选择决策方案,为当地农业水资源规划提供依据。     

黑龙江省灌溉水利用率分形特征与影响因素分析

黑龙江省不同类型灌区发展不均衡,致使多年来黑龙江省灌溉水利用率普遍低于全国平均水平,为实现黑龙江省灌溉水利用率均衡稳步提升,本文对黑龙江省不同类型灌区灌溉水利用率年度分形特征进行研究,利用位序-规模法对黑龙江省样点灌区灌溉水利用率的分形特征进行分析,并利用主成分分析法对黑龙江省灌溉水利用率的影响因素进行识别。结果表明:2009—2014年黑龙江省灌溉水利用率年度分维值D在5.26~6.25区间内,且呈现出由多分形向单分形逐步过渡的结构特点,表明黑龙江省不同类型灌区的灌溉水利用率有逐渐趋于均衡分布的态势;不同类型灌区灌溉水利用率在均衡发展情况下的最大值分别为:大、中型灌区D_1=4.58时,η1=44.44%,小型灌区D_2=4.79时,η2=53.81%;纯井灌区D_3=6.98时,η3=70.41%;全省灌区D=5.13时,η=57.03%;渠系衬砌率和灌区工程配套率对大、中型灌区灌溉水利用率的影响程度远高于其他因素,小型灌区渠系衬砌率影响程度最大,蒸发蒸腾比影响程度最小;田间渗漏量对纯井灌区的灌溉水利用率影响程度最大。