基于EM38-MK2的南疆干旱区表观电导率反演土壤水分研究

土壤水分含量是农田进行定额灌溉的基本参数,南疆地处干旱区,土壤水资源稀缺,实现田间定额灌溉更利于充分利用土壤水分。EM38-MK2快速和高效获取土壤水分含量数据,适时监测土壤水分含量,可成为农田精准灌溉的重要途径。用EM38-MK2测定轻度、中度和重度3个不同程度盐渍化区域土壤0～0.75 m和0～1.5 m的表观电导率,结合同步采集的0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土壤剖面剖面及室内测定含水量数据,对比三个不同盐渍化程度表观电导率反演土壤含水率模型精度,比较分区模型和全区模型的反演精度,分析土壤盐分含量对反演土壤含水率精度的影响。结果表明,用EM38-MK2对土壤含水率反演效果在轻度盐渍化表现最好,中度盐渍化次之,重度盐渍化较差。不同深度土层的分区模型精度均高于全区模型精度,分区模型R²为0.73～0.88,RMSE低于全区模型,全区模型各层的RPD均低于1.5,不具备预测能力。土壤盐分含量对土壤水分的反演有影响,并且随土壤盐分含量的增加,反演精度下降。     

集合卡尔曼滤波数据同化方法改进土壤水分模拟效果

陆面过程模型是连续模拟土壤水分的有效工具,然而输入数据及模型结构本身的不确定性会导致模拟误差在模型运行过程中不断积累。数据同化技术可以考虑模型不确定性,实时修正模型状态变量,进而提高土壤水分的模拟精度。本研究构建集合卡尔曼滤波(En KF,ensemble Kalman filter)数据同化方法,将其集成到水文强化陆面过程模型HELP(hydrologically-enhanced land process)中,对模型中土壤水分及表面温度等状态变量进行优化。模型选取山东位山生态水文观测站2006年的数据进行验证,采用未经同化的模型率定结果作为基准值。结果表明,数据同化后表层、根层、深层土壤水分模拟结果相比基准值均有提高,土壤含水量均方根误差减小30%~50%,证明采用数据同化方法能够有效提高土壤水分的模拟结果。     

基于多源数据的中原黄泛区土壤盐分空间变异分析

为研究中原黄泛区土壤盐分空间变异,以河南省封丘县为研究区,综合考虑引起土壤盐渍化的土壤盐分、地形、地下水位及矿化度、植被情况及其他影响因素,基于遥感影像和磁感式探测获得的土壤表观电导率等多源数据建立了区域土壤盐分综合评估模型,并对研究区分层土壤盐分空间变异进行评估。结果表明:对于0~60 cm土层利用多源数据进行模型构建中土壤表观电导率与光谱指数占主要比例,模型对于各层土壤盐分的评价精度0~60 cm土层优于≥60~120 cm土层。土壤盐分含量随着深度的增加而增大,变异系数在0.22~0.28之间,属中等变异强度。土壤盐分主要集中分布在研究区北部与东南部,尤其是东南角黄河沿线区域,且随着土壤剖面显示出从表现到深层逐渐增加的趋势。利用多源数据建立的分层土壤盐分综合评估模型对于区域土壤盐分解析具有较高精度。该研究为中原黄泛区土壤盐化消减与土壤质量提升提供了可靠新方法。     

基于电磁感应仪的土壤盐渍化剖面特征解译研究

为了快速、精准解译区域尺度土壤盐分特征,有必要建立土壤剖面盐分信息精确解译模型。以新疆农灌区不同土壤质地的盐渍化土壤为研究对象,利用电磁感应式大地电导率仪EM38获取土壤表观电导率,构建了基于EM38的两种土壤质地剖面分层盐分解译模型,并对盐分解译回归模型进行了精度检验。结果表明:两种质地的土壤剖面盐分含量变异均较大,中壤土各层电导率变异系数在58%~98%,呈现中等变异强度,而砂土表层(0~40 cm)变异系数达到100%以上,属于强变异强度,深层土壤变异系数介于76%~88%属于中度变异强度。两种质地土壤电导率与磁感表观电导率EMh、EMv间呈显著的相关关系,水平和垂直测量模式都能够对不同深度土盐层分进行预测,且以EMh+EMv为自变量的二元回归解译模型具有较高的精度,相关系数R达到0.94以上。中壤土EM38的盐分预测在不同深度土层的验证结果决定系数达到0.59以上,砂土质地土壤盐分预测验证R2达到0.36以上,预测精度与土壤剖面盐分变异性呈现显著负相关,其相关系数为-0.86,中壤土质地的解译效果优于砂土质地。分析EM38在预测不同土壤质地盐分精度上的差异性,构建了电磁感应式土壤剖面盐分含量的预测模型。研究结果引入土壤质地变量,可为大面积土壤盐渍化的快速精确测定提供理论依据。     

基于磁感式大地电导率仪的土壤盐分解译模型

以新疆伊犁地区盐渍土为研究对象,通过分层采样测定土壤盐分含量,采用EM38和EM31两种磁感式大地电导率仪测定土壤表观电导率,分析不同土壤层次盐分与土壤表观电导率的相关性,应用逐步回归方法构建土壤盐分解译模型,并进行了模型精度验证。研究表明:土壤盐分含量与土壤表观电导率之间呈显著线性相关,构建的土壤盐分解译模型具有良好的精度。本研究将为精确解译伊犁地区土壤盐渍化特征提供重要的方法支撑。     

基于电磁感应技术的棉田土壤电导率时空异质性研究

土壤剖面盐分的分布位置和含量的三维可视化研究,对干旱区盐渍化土壤定额灌溉具有重要意义。通过采集4个不同时期的土壤表观电导率数据和同步采集的土壤剖面样品的室内测定电导率数据,利用多元线性回归方法构建了土壤剖面不同土层实测电导率与表观电导率之间的反演模型,采用三维反距离权重插值法（3D-IDW）实现了土壤盐分的三维可视化,在此基础上研究了新疆干旱区膜下滴灌棉田土壤剖面盐分的时空变化。结果表明：表观电导率与实测电导率之间具有较好的相关性,基于表观电导率数据构建的实测电导率反演模型的决定系数（R2）在0.82～0.99之间;基于3D-IDW的三维可视化技术可高精度地展示出盐分在土壤剖面中的分布位置和含量,不同时期土壤电导率交叉验证的R2均大于0.75;土壤电导率的三维数据统计结果表明,由于灌溉、覆膜和揭膜活动等人为因素和气温、蒸发作用、地下水水位等自然因素的作用,不同时期土壤剖面盐分的分布特征和含量均存在较大的差异,3月份土壤剖面盐分分布类型为均匀型,0～100 cm土壤剖面的电导率范围为0.78～0.88 dS·m–1,6、7和10月份为表聚型,6月和10月份的盐分主要集中分布于0～20 c...     

基于电磁感应仪数据的南疆棉田土壤电导率反演模型研究

土壤盐渍化是南疆棉田优质高产的主要障碍因素,定额灌溉可有效改良土壤盐渍化,EM38-MK2可快速、动态获取土壤盐渍化数据,适时监测土壤盐渍化,为棉田定额灌溉提供数字依据。针对电磁感应仪(EM38-MK2)的发射圈和接收圈设计了不同采样方案,在同一条田内采集了6个不同时期的土壤表观电导率数据及相应的剖面土样,分析了不同土壤采集方案及土壤含水量对表观电导率模型精度的影响,对比了以单一时期数据建模的局部模型和6个时期整体数据建模的全局模型的反演精度。结果表明,由单点采集电磁感应仪发射线圈位置土样所构建的模型精度更高,稳定性更好,能有效减少由采样带来的误差。当土壤含水量低于10%时,表观电导率与实测电导率之间的相关性较低,决定系数为0.58,反演模型只具备粗略估计实测电导率的能力;当土壤含水量高于10%时,表观电导率与实测电导率具有很好的相关性,决定系数达到0.80以上,反演模型具有较好的预测能力。EMH+EMV多测定模式下表观电导率与实测电导率之间的模型精度高于EMH或EMV单一测定模式,确立EC_h0.375+(EC_h0.75+EC_v0....     

同化AMSR2数据提高HYDRUS-1D模型土壤湿度模拟精度

同化遥感监测数据提高土壤剖面湿度模拟精度,对区域农业发展等实践与理论领域具有重要意义。该文结合了集合卡尔曼滤波(ensemble Kalman filter,EnKF)方法与HYDRUS-1D模型,同化降尺度后的AMSR2(advanced microwave scanningradiometer2)微波土壤湿度数据,开展榆社、荫城2个实验站点的土壤剖面湿度模拟。结果表明:在2个实验站点,与直接使用HYDRUS-1D模型相比,同化具有一定误差的AMSR2土壤湿度数据对不同深度土壤湿度的模拟精度提高都发挥了作用,尤其是对于同化前模拟方案S1(4月1日站点实测含水量)与S4(4月1日遥感含水量),由于HYDRUS-1D模拟时输入了较少数量的土壤湿度数据,数据同化效果与土壤湿度模拟精度提高更为显著;同化前后不同深度的土壤湿度精度对比结果表明,同化效果随深度增加而逐渐减弱。     

基于电磁感应仪的河口地区底聚型盐分剖面特征的解译

针对长江河口地区存在的盐渍化问题,以该地区分布较广泛的底聚型盐分剖面类型为研究对象,通过电磁感应仪EM38测量与田间采样,建立了磁感式表观电导率和土壤电导率之间的多元回归模型。在分析土壤盐分剖面分布特征的基础上提出了Logistic模型,并运用该模型对盐分剖面进行了参数拟合和验证。结果表明：磁感式表观电导率水平读数和垂直读数呈极显著线性相关,回归模型和Logistic模型均具有很好的预测效果。通过模型精度检验,二者的预测精度差异不显著,但Logistic模型所需参数少,表明该文提出的Logistic模型不仅能降低待估参数数量,同时还具有较高的预测精度。该研究结果为利用电磁感应仪快速、精确地进行土壤盐分预测及土壤次生盐渍化的防控提供了一定的理论参考。     

基于电磁感应研究新疆土壤盐分三维空间变异对季节的响应

为了获得新疆典型区域不同季节土壤盐分的三维特征,该研究以新疆伊犁地区典型地块为研究区域,将电磁感应式土壤表观电导率快速测定技术作为基础,建立了基于土壤表观电导率数据不同季节的区域尺度剖面分层土壤盐分精确解译模型,获得了剖面土壤盐分含量信息,并以此为数据源采用反距离权重空间数据插值方法评估了研究区不同季节三维土壤盐分空间变异特征,探索了三维土壤盐分变化对不同季节的响应特征。研究表明:研究区秋、春两个季节各土层土壤盐分含量的变异系数在1.223~1.636之间,均表现为强度变异性,秋季土壤盐分含量的变异性随着土层深度的增加而减小,而春季土壤盐分含量的变异性随着土层深度的增加而增大。秋、春两个季节研究区大部分区域土壤盐分含量比较低,土壤盐分含量高值区域主要集中在研究区的西北、西南及中部地区,并且表现出次年春季的盐渍化程度及盐土所占比例比前一年秋季明显加重。利用电磁感应式土壤表观电导率快速测定结合三维反距离权重方法,对区域不同季节土壤盐分三维空间变异特征解析的精度分别达到相关系数为0.887和0.862。研究结果将为解译与评估干旱区三维土壤盐分特征随季节变化提供可靠的理论依据和技术方法。     

基于单一和集合土壤转换函数模型对土壤含水量的模拟性能分析

土壤转换函数(Soil pedotransfer function,PTF)是一种高效获取土壤水力参数的方法。由于土壤具有很强的空间异质性,确定最优PTF模型成为模拟土壤含水量的关键。为此,以海河流域3个实验场地(密云站、大兴站、馆陶站)为研究区,采用7种常用的单一PTF模型预测土壤水力参数作为HYDRUS-1D的模型参数,求解Richards方程获得土壤含水量,并与实测土壤含水量进行比较,评价了常用单一PTF模型预测的土壤水力参数对土壤含水量的模拟性能。此外,采用3种方法构建集合PTF模型,评价了集合PTF模型对土壤含水量的模拟性能。结果表明：基于van Genuchten方程构建的单一PTF作为模型参数模拟土壤含水量的均方根误差最小;而其中Rosetta3模型表现更优。在集合PTF模型中,基于遗传算法加权法构建的模型表现最好。集合PTF模型预测土壤水力参数可以较好的捕捉多个单一PTF预测土壤水力参数的整体趋势,弥补单一PTF在某些情况下模拟误差较大的不足。     

基于HYDRUS模型的华北平原小麦种植区水盐运移模拟

土壤中水分和盐分是影响作物生长的两个关键因素,揭示水盐运移机制对阐明作物利用土壤水过程具有重要意义。本研究以华北平原典型农田——中国科学院禹城综合试验站为试验地,基于试验站内冬小麦种植地的长期土壤水分观测数据及室内土柱试验,应用HYDRUS-1D模型分别阐明土壤水分及盐分变化规律及分布特征,探究影响水盐运移的驱动因素,并评价HYDRUS-1D模型对研究区水盐运移模拟的适用性。水分运移模拟结果表明:浅层土壤水分运移模拟因受外界因素的剧烈影响而较深层土壤产生更大的误差,10cm、20 cm、30 cm、40 cm和60 cm处水分运移模拟结果的均方根误差分别为0.0348 cm~3·cm~(-3)、0.0179 cm~3·cm~(-3)、0.0179cm~3·cm~(-3)、0.0122cm~3·cm~(-3)和0.0053cm~3·cm~(-3);水分运移模拟的纳什效率系数平均值为0.826,变异系数为0.0560,表明模拟结果与实测土壤水分变化过程一致性较好。土柱试验结果显示:灌水8 L,入渗12 h、24 h、40 h、45 h和48 h后,各时刻土壤盐分含量在垂向上整体呈现先增大后减少的分布规律,均方根误差分别为0.181 g·kg~(-1)、0.131 g·kg~(-1)、0.120 g·kg~(-1)、0.034 g·kg~(-1)和0.027 g·kg~(-1),平均误差的平均值为0.174 g·kg~(-1)。受蒸发、耕作、根系等影响,理化性质变异性较大导致浅层土壤盐分运移模拟值与实测值偏差增大,纳什效率系数的变异系数达9.71。灌水8 L、16 L、24 L,入渗48 h后分别在土壤23 cm、26 cm、29 cm处出现盐分含量峰值,表明增加灌水量可加强盐分淋洗效果。此研究可为深入探究华北平原冬小麦土壤水盐运移规律、优化农田水资源管理、提高水资源利用效率提供一定理论基础。     

基于四维变分和集合卡尔曼滤波同化方法的冬小麦单产估测

为了通过数据同化方法提高冬小麦的估产精度,以陕西省关中平原为研究区域,采用标定的CERES-Wheat模型模拟8个典型样点冬小麦整个生育期的叶面积指数(LAI),通过四维变分(4DVAR)和集合卡尔曼滤波(En KF)2种同化算法同化CERES-Wheat模型模拟的LAI和遥感数据反演的LAI,获得单点尺度的LAI同化数据,将单点尺度的LAI同化值扩展到区域尺度,对两种同化方法的单点尺度和区域尺度的同化结果进行对比与分析。结果表明,两种同化方法均能综合遥感反演LAI和模型模拟LAI的优势,使LAI同化值更符合冬小麦LAI的实际变化规律;在单点尺度和区域尺度上,En KF-LAI均更能反映关中平原冬小麦的实际生长状况。采用En KF-LAI构建关中平原冬小麦估产模型估测2008年和2014年的冬小麦单产,通过实测单产对估产模型进行验证,结果表明,2008年样点估测单产与实测单产的相对误差均小于15%,部分县估测单产与实测单产的相对误差均小于10%;与2014年模拟单产与实测单产间的相对误差相比,估测单产与实测单产间的相对误差降低0.57%~9.30%,RMSE降低217 kg/hm2,其中,8个样点的估产精度达到94%以上,表明组合估产模型的估产精度较高。     

基于遥感信息与作物模型集合卡尔曼滤波同化的区域冬小麦产量预测

区域作物产量预测是国家粮食安全评估的重要内容。遥感虽能获取大面积地表信息,却难以反映作物生长发育的内在过程。作物生长模型已经在单点尺度能成功模拟作物的生长发育过程,但是区域尺度作物关键参数的获取仍很困难。遥感信息与作物模型结合的数据同化已经成为区域产量预测的最有效途径。该文选择河北省衡水地区冬小麦为研究对象,在WOFOST模型标定与区域化的基础上,利用WOFOST模型描述冬小麦生育期内叶面积指数(LAI)变化规律。针对MODIS数据的混合像元造成反演的LAI产品偏低的系统误差,利用实测LAI样本点融合MODIS-LAI趋势信息修正MODIS-LAI数据产品。采用集合卡尔曼(EnKF)算法同化冬小麦返青到抽穗期的MODIS-LAI与WOFOST模拟的LAI以获得时间序列最优的LAI,并以此重新驱动WOFOST模型估算区域冬小麦产量。结果表明,EnKF同化后的冬小麦产量比未同化的产量预测精度有显著提高,与县平均统计产量相比,在潜在模式下,决定系数由0.13提高到0.38,均方根误差由2480下降到880kg/hm2。研究表明,遥感信息与作物模型的EnKF同化是1种有效的作物产量预测方法,并在区域尺度应用上具有广阔的应用潜力。该研究可为区域尺度的作物估产提供参考。     

基于作物及遥感同化模型的小麦产量估测

为提高陕西省关中平原冬小麦的估产精度,该文通过粒子滤波算法同化Landsat遥感数据反演的状态量叶面积指数(leaf area index,LAI)、土壤含水量(0~20 cm)、地上干生物量数据和CERES-Wheat模型模拟的状态量数据,分析小麦不同生育期的LAI、土壤含水量及生物量同化值和实测单产的线性相关性,以构建同化估产模型。结果表明,在返青期土壤含水量同化值和实测单产的相关性高于LAI、生物量同化值和实测单产的相关性,选择土壤含水量作为最优变量;在拔节期和抽穗-灌浆期同时选择LAI、土壤含水量及生物量作为最优变量;在乳熟期选择生物量作为最优变量。在小麦各生育时期同化最优变量的估产精度(R2=0.85)高于同时同化LAI、土壤含水量及生物量的估产精度,同时同化LAI、土壤含水量及生物量的估产精度高于同时同化LAI和土壤含水量(或LAI和地上干生物量、或土壤含水量和地上干生物量)的估产精度,表明在作物不同生育时期同化与产量相关性较大的变量对提高估产精度有重要作用。     

陆面数据同化方法在绿洲农田土壤温湿度模拟中的应用

为准确预测绿洲农田土壤水分的变化以利于合理分配有限的水资源,该文利用耦合于中尺度大气数值模式MM5和WRF中的Noah Lsm与集合卡尔曼滤波方法建立了一维的陆面数据同化系统,将其应用到绿洲农田土壤的水热模拟研究。模拟结果表明：在陆面数据同化系统中同化土壤湿度后,不仅提高了绿洲农田土壤湿度的模拟精度,还可在一定程度上提高土壤温度和潜热的模拟性能;在同化土壤湿度的基础上进一步同化土壤温度,可显著提高绿洲农田土壤温度的模拟精度。若将研究结果进一步应用到中尺度大气数值模式MM5和WRF,可以较好地监测大面积的土壤温湿度变化以便做出合理的水资源调配。     

条件植被温度指数的四维变分与集合卡尔曼同化方法

为了提高基于VTCI的干旱监测的准确性,以关中平原为研究区域,将遥感反演的条件植被温度指数(VTCI)与CERES-Wheat小麦生长模犁模拟的土壤浅层水分数据相结合,通过四维变分(4DVAR)与集合卡尔曼滤波(EnKF)2种数据同化算法实现了VTCI的同化.由作物生长模型模拟的土壤浅层水分与VTCI建立经验关系得到模拟的VTCI,再将遥感反演的VTCI与模型模拟值分别应用两种同化算法得到VTCI的单点同化结果,继而应用到区域尺度.结果表明,在VTCI单点实验中,两种同化结果均能结合观测值与模拟值的优点而更加符合VTCI先验知识.在两者区域尺度的同化实验中,由于引入了模型的模拟值,同化后的VTCI区域间纹理更好,减少了原观测图像中相邻像元值陡升陡降的情况,提高了基于VTCI的干旱监测的准确性.通过对比2种同化算法在区域尺度上的同化结果与观测值的差值的概率分布及其均方根误差,表明在以旬为步长的VTCI同化实验中,EnKF方法适用性更强.     

地表滴灌条件下水热耦合迁移数值模拟与验证

土壤水热分布状况是作物优质高产的关键环境条件之一,基于土壤水、热运动基本方程,结合地表滴灌水分运动特点,建立了地表滴灌水、热运移数学模型,利用HYDRUS-2D软件对构建的数学模型进行了数值求解,并对数值模拟得到的土壤水热值与田间实测数值进行了对比验证。结果表明, 所构建的数学模型对地表滴灌条件下的土壤水分运动和土壤温度变化及分布的动态变化具有较好的模拟效果;当土壤、气象以及灌水资料等可知时,利用该数学模型可以较准确地预测地表滴灌条件下水热耦合迁移与分布规律,模型可用来适时监测和调控地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件。此外,数值模拟值和实测结果都显示,地表滴灌条件下上层土壤的水分和温度值较下层土壤易受到土壤蒸发和大气温度剧烈波动的影响。     

不同覆膜开孔率下土壤水分和潜水蒸发的模拟研究

为研究蒸发阶段不同覆膜开孔条件下土壤水分运动,在室内进行蒸发模拟试验的基础上,采用HYDRUS-1D模型对不同覆膜开孔率和大气蒸发能力条件下土壤剖面含水率和潜水蒸发量动态变化进行了模拟,并与实测资料进行比较。结果表明:土壤剖面含水率同时受大气蒸发能力和覆膜开孔率的共同作用,随覆膜开孔率和大气蒸发能力的增加,土壤剖面含水率减小,且上层土壤含水率差异比下层土壤明显;覆膜开孔率和大气蒸发能力一定时,土壤剖面含水率在蒸发初期有所增加,蒸发后期基本保持稳定;覆膜对潜水蒸发的阻滞作用明显,但开孔率增加到一定数值时,表层盐分的影响大于覆膜的影响,使土壤含水率增大,累积蒸发量减小。经实测数据验证,模型精度较好,表明HYDRUS-1D模型用于不同覆膜开孔率下的土壤水分运动模拟是可行的。