新型FDR土壤水盐一体传感器标定研究与应用

运用新型频域反射(FDR)技术和分频技术,实现传感器水盐同时测量。因土壤质地、容重等差异,土壤水盐标定是利用FDR监测土壤水盐过程中的必要环节。以东北壤土为试验对象,利用"由湿到干,由小到大"的土壤水盐运动规律,通过土柱试验,用烘干法和土壤溶液电导率法对FDR进行室内标定研究。同时,将时域反射(TDR)式水盐传感器作为对照系,进行稳定性、精准度比较。结果表明:1)经土壤水分标定曲线校正后,FDR式水盐一体传感器具有很高的测量精度,可达±1%~3%;2)在土壤里对同一水盐含量进行百次重复测定,TDR传感器水分平均值为20.07%,相对标准偏差为0.18%;盐分(电导率)平均值为0.29 m S/cm,相对标准偏差为11.06%;新型FDR传感器水分平均值为20.08%,相对标准差为0.21%;盐分(电导率)平均值为0.31m S/cm,相对标准差为8.49%。新型FDR土壤水盐一体传感器可用于农田土壤连续水盐监测,提供稳定、精确的基础数据,结合数据分析软件,指导种植生产。     

塔中沙漠植物园土壤水盐空间变异性及合理取样数研究

本研究运用经典统计学和地质统计学方法, 分析了塔中沙漠植物园内下层根系土壤水盐的空间变异特性, 结果表明: 塔中沙漠植物园下层根系的土壤水盐分布具有中等空间变异性, 80 cm、100 cm、120 cm、140 cm土层土壤水分变异系数分别为44.16%、41.30%、45.53%、55.44%, 盐分变异系数为41.51%、34.00%、42.28%、30.52%。各层土壤质量含水量分别满足指数、高斯、指数和线性模型, 土壤电导率变异函数的最佳理论模型分别为球状、球状、线性和线性模型。结合经典统计学和土壤水盐变程及空间分布图, 选取并定位了85个土壤剖面监测塔中植物园下层根系的土壤水盐含量。通过结合监测取样容量和土壤水盐分布的空间特性制定出塔中沙漠植物园下层根系土壤水盐变化的监测方案, 为塔中植物园的持久性发展提供科学依据。     

BP神经网络和SVM模型对施加生物炭土壤水分预测的适用性

生物炭作为土壤改良剂对半干旱区土壤水分有良好的吸持作用,为确定施加生物炭对土壤水分预测模型适用性的影响,依托黄土高原半干旱区固原生态站开展了小区定位试验。向土壤中施加不同种类及比例的生物炭,定期监测土壤水分含量;考虑土壤含水量的非线性特征以及生物炭对土壤水分的影响,选取BP神经网络和SVM支持向量机两种模型,建立施加生物炭土壤水分预测模型。计算预测值,并与实测值对比,分析相对误差;利用RMSE、MRE、MAE和R2评估BP神经网络和SVM模型的精度。结果表明;BP神经网络预测值的平均相对误差为3.78%,最大误差为13.14%;SVM模型的平均相对误差为0.56%,最大误差为2.42%。SVM模型的RMSE、MRE、MAE值(分别为0.34~0.17,0.07,0.56~1.27)均小于BP神经网络的(分别为1.04~1.16,0.47~0.68,3.78~4.57),且决定系数R2值SVM模型(0.96~0.99)大于BP神经网络(0.56~0.64)。BP神经网络和SVM模型均能很好地预测施加生物炭的土壤水分,但SVM模型预测结果更加稳定,精度较高,更适于施加生物炭土壤水分的预测。该研究可为半干旱地区生物炭还田土壤水分的预测及管理提供理论依据。     

区域土壤水盐空间分布信息的BP神经网络模型研究

针对黄河下游三角洲盐渍区土壤水盐动态的复杂性和空间的变异性,将人工神经网络引入土壤水盐信息的模拟和预测中,探讨了3层网络结构下隐含层神经元数对网络训练和预测的影响,建立了0～20cm表土层水盐含量及其空间分布的BP神经网络模型。结果表明:研究区域表土层水盐与土壤容重和地下水性质间均具极显著的关联性,表土层盐分BP网络的输入因子以经、纬度坐标、土壤容重、地下水埋深和矿化度5个变量为宜,含水量则为经、纬度坐标、土壤容重和地下水埋深4个变量;隐含层神经元数过多会导致"过拟合",当表层土壤盐分和含水量BP网络的拓扑结构分别为5:8:1和4:6:1时,其预测精度最高;表土层水盐BP神经网络模拟值与观测值得到的分布图表现出相似的空间格局,BP神经网络模型有效地模拟了表土层水盐含量及其空间分布特征。该研究为黄河三角洲地区土壤盐渍化的发生、发展及演变规律分析提供理论基础,并为盐渍土地的水盐调控与科学管理提供决策依据。     

农田-防护林-荒漠复合系统土壤水盐运移规律及耦合模型建立

为探讨节水灌溉条件下干旱内陆区不同景观单元土壤水盐动态规律及水盐通量变化特征,以新疆三工河流域绿洲-荒漠过渡带典型景观格局农田-防护林-荒漠为研究对象,利用2018年4月—9月连续定位观测数据资料,分析各景观单元作物生育期(4月1日—6月28日)和非生育期(6月29日—9月15日)土壤水盐动态规律及其变异性、土壤水盐通量变化特征及影响因素,构建农田-防护林-荒漠复合系统BP神经网络土壤水盐耦合模型,并对所建模型参数敏感性及应用可行性进行探讨。结果表明,各景观单元作物生育期和非生育期土壤含水率、电导率均具有较明显的垂直分层、水平递变和季节波动特征;按变异性可划分为3个典型土层:活跃层(0～40 cm)、次活跃层(40～140 cm)和相对稳定层(140cm);距防护林越近,农田土壤含水率和电导率分别呈降低和升高趋势,荒漠均呈升高趋势;单次降水和灌溉事件后各景观单元各典型土层土壤含水率和电导率随时间分别均呈负指数函数和三次函数变化趋势。土壤控制体(单位面积深140 cm土柱)内,生育期农田和防护林均为向下水分通量,非生育期均为向上水分通量,荒漠两时期均为向下水分通量;农田和防护林土壤贮水量与土壤积盐量随地下水位下降、蒸散发量增大均呈递减趋势;荒漠土壤水盐通量对各因素及其交互效应响应较微弱;生育期最后1次充分灌溉的淋洗作用可使该系统土壤积盐量趋于平衡状态。拓扑结构为32-36-6的BP神经网络土壤水盐耦合模型具有较高的模拟精度;灌溉和地下水位是影响该系统土壤水盐动态的关键因素。研究结果可为节水灌溉条件下绿洲-荒漠共生系统寻求生产和生态之间的平衡机制提供理论依据。     

咸水滴灌下塔克拉玛干沙漠腹地人工防护林土壤水盐动态

为揭示咸水滴灌下塔克拉玛干沙漠腹地人工防护林的土壤水盐动态规律,研究了4-7月份各灌水周期内土壤水盐的时间变化特征和二维空间分布格局。结果表明:(1)咸水滴灌下的防护林土壤水盐动态具有显著的周期性规律;一个周期内(1~15 d),水分先后经历了快速下降(1~4d)、缓慢变化(4~10 d)和基本稳定(10~15 d)三个时期,整体呈幂函数递减规律(y=8.746t-0.270,t=1,2,3…);盐分则先后经历了脱盐(1~7 d)和积盐(7~15 d)两个阶段,整体变化规律符合抛物线函数(y=0.009t2-0.138t+2.269,t=1,2,3…)。(2)水平0~60 cm空间上的土壤水分呈一元线性递减分布,而盐分呈一元线性递增分布;垂直0~120 cm空间上的土壤水分表现为较明显的单峰曲线,其峰值位于20 cm土层处,而盐分分布满足逆函数模型,并在表土层距滴头45~60 cm处有显著积盐现象,含盐量高达10~20 g kg-1。由于受灌溉、蒸发、气温、降雨、植被等环境因素及土壤自身空间变异性等的影响,具体不同时空尺度上的绿地土壤水盐动态既具有一致性规律又表现出差异性特征。本文可对区域土壤水盐动态预测、盐渍化评估以及灌水制度进一步优化等提供科学支撑。     

浅地下水埋深条件下土壤水盐动态BP网络模型研究

针对浅地下水埋深条件下作物生育期内根系层土壤水盐动态模拟中存在的问题,将人工神经网络引入水盐动态的模拟和预报中,建立了根系活动层0～60 cm和0～100 cm深度内土壤水盐动态的BP网络模型。结果表明,以生育时段初平均土壤含水率、平均土壤盐分指标、地下水水位埋深、地下水盐分指标、时段内水面蒸发量、降雨量(包括灌水量)、生育期日序列7个因素为输入因子,以生育时段末平均土壤水分、平均土壤盐分指标为输出因子的BP网络模型可有效表征土壤水盐动态及其影响因素之间的内在复杂关系,并且有较高的精度。该研究为分析浅地下水埋深条件下作物生育期内土壤水盐动态规律的分析提供了一种有效可行的方法,是对传统土壤水盐动态研究的补充。     

河套灌区不同覆膜方式膜下滴灌土壤盐分运移研究

随着灌溉面积的增加和引黄水量的减少,河套灌区土壤盐渍化和水资源紧缺的问题日益突出,为保持农田水土环境的良性发展,以内蒙古河套灌区曙光试验站为研究对象,开展不同覆膜方式膜下滴灌土壤水盐运移规律研究。试验设置全膜覆盖(PQ)和半膜覆盖(PB)2个处理,采用5TE土壤水盐监测探头测定剖面土壤含水率和电导率。结果表明:膜下滴灌过程中剖面土壤盐分发生再分布,滴头下方30cm附近形成主要脱盐区,盐分逐渐向湿润区外缘积聚。半膜覆盖处理土壤盐分在膜间表层聚集,全膜覆盖处理保水抑蒸效果明显,起到了较好的压盐效果。表层土壤电导率值具有距滴头水平位移50cm20cm0cm的特点,膜间电导率值波动较大。不同水平位置处土壤电导率曲线变化规律相同,随土层深度增加振幅变小。全生育期内0—70cm深度土层不同覆盖方式均起到了一定的脱盐效果,半膜覆盖2个生长季内盐分变化(SA)分别为4.71mg/hm~2和9.24mg/hm~2,全膜覆盖处理SA分别为12.22mg/hm~2和21.55mg/hm~2。全膜覆盖处理可以有效抑制土壤水分蒸发,减弱盐分随水向上运动趋势,创造适宜作物生长的淡盐环境。可为河套灌区膜下滴灌种植模式下田间水盐管理提供理论依据。     

微区作物种植条件下不同调控措施对土壤水盐动态的影响特征

本文研究了在试验微区内进行作物种植条件下不同调控措施对土壤表层20cm和土壤中层50cm处的电导率和0~120cm土壤水分的影响。分析了作物种植条件下土壤的水盐动态变化规律和引起变化的原因。综合考虑了灌溉水矿化度、灌水次数、灌水量,有机肥施用量及覆盖5种不同试验因素下,土壤水分和盐分在不同阶段的变化过程及机理的差异。得出试验因素影响因子对土壤水分盐分动态的作用及其调控机制;试验因子对土壤水盐动态的权重性分析和试验结果指标的综合因素分析;咸水或者边缘水质灌溉水利用过程中的土壤盐分动态与防盐调控机制,阐明了土壤水盐变化规律及其作用机理。     

穴状衬膜客土整地对滨海盐渍土水盐动态的影响

在河北唐山南堡地区,利用穴状衬膜客土整地模式改良盐渍土,结合两年土壤水盐动态监测,研究了该整地模式对滨海盐渍土水盐动态的影响。结果表明:穴状衬膜客土整地改变了滨海盐渍土水分随土层深度增加而增加的分布规律,以20~60cm土层含水量最高,这在一定程度上有益与苗木根系的生长,但对土壤水分动态总体变化趋势影响不大。整地后,各土层电导率持续降低,不再伴随降雨规律出现周期性升降;年内和年际间周期性"返盐"现象有所削弱,积盐土层主要为60~80cm,盐分的表聚作用有所减弱。四种客土处理方式中,A4处理(客土b和原状土2∶1混合的客土)持水性最好,A1处理(客土a和原状土2∶1混合的客土)脱盐效果最好,脱盐率达63.4%。     

外包土工布暗管排盐条件下水盐运移规律

为揭示外包土工布暗管埋设在非饱和带时淋洗后水分和盐分的运移规律,该文设计了模拟暗管排水的室内试验,研究2种土壤初始状态下(非饱和状态和田持状态),排水初期暗管与地下水位的相对位置及其排水排盐情况,从开始淋洗至暗管停止排水全过程中地下水埋深及含盐量变化规律、暗管的排水排盐效果及土壤剖面的水盐动态运移规律。结果表明:在暗管周围包裹土工布的情况下,土壤初始状态无论是非饱和还是田持,当暗管开始排水时地下水均已完全淹没暗管,此时的排盐量最大,流量呈先增大后减小的变化趋势,且地下水位先升高后降低,地下水含盐量随着淋洗水量的增加由累积转变为脱盐。对比淋洗非饱和土壤(试验1)和淋洗田持土壤(试验2)的试验结果,试验2中暗管的排水、排盐效果优于试验1,在试验1中淋洗非饱和土壤时,土壤脱盐率在垂直方向上随土壤深度的增加逐渐降低,0~20 cm土层的脱盐率(>85%)最大,降至无盐水平,暗管周围土壤脱盐率相对较小(<60%),仍处于中度盐渍化水平;水平方向上,0~20 cm土层的脱盐率差异不大,20~40 cm土层中距暗管越远其脱盐率越小。试验2在试验1基础上进行,淋洗田持土壤时,0~20 cm土层盐分不再变化,30~40 cm土层的脱盐率增大(>60%)。此外,试验1中淋洗脱盐效果大于暗管排盐效果,暗管主要排出暗管以上土壤盐分;试验2中暗管排盐效果增强,暗管不仅排出暗管周围土壤盐分,而且排出暗管以下土层及地下水中盐分,随着淋洗水量的增加,土壤由脱盐型转变为排盐型。研究结果表明外包土工布暗管的应用效果受地下水与暗管相对位置的影响,合理提高淋洗水量可以增强暗管排水排盐效果及土壤脱盐效果,有效改善土壤盐渍化。研究结果可为西北内陆干旱地区不同地下水埋深条件下暗管排盐技术的推广和应用提供理论支撑和科学指导。     

塔里木河上游典型绿洲土壤水盐空间分异特征

结合传统统计学与地统计学方法,以塔里木河上游典型绿洲阿拉尔垦区为研究区,根据64个样点的试验数据,分析样区表层(0-10cm)和亚表层(10-20cm)土壤水盐空间分异特征。结果表明,土壤水分、pH值、电导率和全盐具有明显的空间变异性。样区土壤盐碱化程度较高,土壤水分表现为中等变异性,pH值为弱变异性,电导率、全盐及大部分离子含量为强变异性,盐分呈现强烈的表聚性特性。土壤水分和表层pH值的半方差理论模型较符合指数模型,亚表层pH值、电导率和全盐较符合球状模型。各指标块金值/基台值在0.122～0.316之间,且表层小于亚表层,空间自相关性较高,变异更多受结构性因素影响,空间结构较为复杂。指标的空间分布与区域环境密切相关,各层土壤水分、电导率和全盐均为西北高于东南,即沿河岸-绿洲-荒漠方向递减,而pH值表现为相反的规律。研究区棉田的长期连作,使得水盐运动在多年耕作棉区较为活跃,中小尺度下水盐空间分布的异质性增强。     

石膏-微咸水复合灌溉量对土壤水盐分布特征的影响

通过田间试验,研究苏北滩涂区石膏-微咸水复合灌溉量对剖面土壤水盐分布特征的影响,结果表明:灌溉量是石膏-微咸水复合灌溉处理下制约土壤水盐分布特征的决定因素。灌溉量增加,湿润峰垂直运移距离加大,湿润峰内各土层的含水量逐渐增加。高于灌至0～90cm土层田间最大持水量的灌溉量能实现表土脱盐、脱钠,0～20cm土层效果最为显著,脱盐率、脱钠率高达29.0%、26.9%;低于灌至0～60cm土层田间最大持水量的灌溉量,会导致表土积盐、积钠,但随着灌溉量的增加,积累量有所减弱。     

土壤水盐动态的BP神经网络模型及灰色关联分析

以陕西洛惠渠灌区实测数据为例,引用3层前馈型BP网络建模方法,对灌区综合条件下土壤水盐动态进行研究,采用附加动量法和学习速率自适应调整策略对反向传播算法进行改造;在此基础上运用缺省因子检验法分析了土壤含盐量和土壤碱度对输入层各因子的敏感性,并采用灰色关联法加以验证。结果表明,人工神经网络模型具有较高的精度,能够很好地定量描述土壤水盐动态变化与其影响因子之间的响应关系;土壤含水率、地下水含盐量和蒸发量是影响土壤水盐动态的主要敏感因子,各因子之间相互作用,形成了复杂条件下的耦合关系。灰色关联法进一步验证了各因子的敏感程度。将以上方法相结合,可为分析浅地下水埋深条件下作物生育期内土壤水盐动态规律提供有效可行的方法,是对传统土壤水盐动态研究方法的补充与完善。     

咸水非充分灌溉条件下土壤水盐运动SWAP模型模拟

为了研究咸水非充分灌溉条件下土壤水盐动态变化规律,该文在2013年田间试验的基础上,利用试验观测数据,对SWAP模型进行了率定和验证,并对咸水非充分灌溉条件下土壤剖面水分和盐分通量变化过程进行了模拟和分析。研究结果表明:SWAP模型模拟值较好地反映了实测值的变化趋势,经过率定和验证后的SWAP模型能够较好地模拟土壤水盐的动态变化规律以及制种玉米的产量情况。在制种玉米苗期阶段,3种灌水处理40 cm以上土壤剖面的水分通量主要以向上为主;在灌水和降雨阶段,各处理土壤剖面的水分通量主要向下,且灌水量越大的处理,向下的水分通量越大;在土壤蒸发阶段,各处理60 cm以下土壤剖面的水分通量向下,且向下的水分通量逐渐减小。土壤盐分通量模拟结果与土壤水分通量具有类似的规律,60 cm以下土壤剖面的盐分通量主要向下,表明土壤盐分主要向深层土壤运移。研究结果可为该研究区域咸水非充分灌溉制度的制定提供理论依据。     

西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移对产量影响的预测模型

为了定量计算微咸水膜下滴灌对土壤水盐和西葫芦产量的影响,根据微咸水膜下滴灌土壤水盐运移特点和西葫芦生长试验,建立了西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移模型和水盐生产函数,并将二者联立,建立了西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐运移对产量影响的预测模型。利用西葫芦微咸水膜下滴灌水盐试验数据对模型进行验证,结果表明模型计算的西葫芦微咸水膜下滴灌土壤含水率和土壤含盐量与实测土壤含水率和土壤含盐量的变化趋势一致,模型计算土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的均方根误差分别为0.049 cm~3/cm~3、0.065 g/kg和3.83 t/hm~2,土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的平均相对误差分别为5.17%、7.42%和5.84%,土壤含水率、土壤含盐量和西葫芦产量的平均绝对误差分别为0.047 cm~3/cm~3、0.062 g/kg和3.95 t/hm~2。所建的模型具有较高的模拟精度,可用于模拟西葫芦微咸水膜下滴灌土壤水盐动态和西葫芦产量。     

不同微咸水组合灌溉对土壤水盐分布和冬小麦产量影响的田间试验研究

为了研究不同组合灌溉顺序对土壤水盐分布状况和冬小麦产量的影响,2003年-2005年在河北省中科院南皮生态试验站进行了冬小麦田间微咸水灌溉试验。通过对冬小麦主根区和100 cm深度土壤的水、盐分布状况和冬小麦产量进行分析,结果表明3 g/L的微咸水可以作为冬小麦的灌溉用水,但连续使用会导致土壤发生积盐;拔节期应尽量避免使用微咸水,且不宜连续使用微咸水进行灌溉,组合灌溉最好采用咸淡交替的方式;综合土壤的积盐状况和冬小麦产量分析,淡（拔节水）淡（抽穗水）咸（灌浆水）的组合灌溉顺序为最优方案,该研究为合理开发利用灌区地下微咸水提供了依据。     

咸水灌溉对塔里木沙漠公路防护林外缘土壤水盐环境的影响

为了更好地维持塔里木沙漠公路防护林的可持续性,监测了在现有灌水制度一个完整灌水周期内防护林外缘土壤水盐环境的变化。研究结果表明:(1)林带外缘的土壤含水量在灌水结束后开始减少,在灌水周期的第6d林带外缘90cm范围内的土壤水分逐渐的减小,大于90cm的范围达到基本平衡;(2)在咸水灌水淋洗和蒸散等因素的综合影响下,防护林带外缘土壤盐分表现出向林带外120cm土壤层和表层聚积,根系层土壤有所减少;(3)防护林外缘地下水盐分相对变化表现出"V"型变化,在距林带90cm处变化最弱,地下水各参数距离林带越近变化越大。