利用星载散射计反演地表土壤水分

为克服传统地面监测土壤水分方法费时费力的不足,满足大范围、长时间连续、实时动态的监测要求,本文采用ERS(european remote sensing satellites)和METOP(meteorological operational satellite)卫星搭载的微波散射计对地标土壤含水量进行观测。ERS和METOP系列卫星组成了覆盖全球的高时间分辨率(根据纬度不同,大约2~5 d即可重复观测)长期连续的对地观测网;SCAT(scattorometer)和ASCAT(advanced scattorometer)散射计分别是搭载其上的微波散射计,具备全天候监测地表土壤水分的能力。该文以1999年Wolfgang提出的经典TU-WIEN算法为基础,改进了其中人为定义经验函数的描述模型参数季节性变化规律的不足。在伊比利亚半岛的比较中发现,用新的移动时间窗口自动生成的σ′(θ,t)函数很好的描述了σ′(θ)的季节性变化,替代原有经验函数的作用。继而,利用改进的σ′(θ,t)函数,将经典TU-WIEN算法移植到有迫切实际需求的青藏高原地区。通过和地面实测数据的比较发现,卫星反演结果与实地测量数据有着很好的一致性和较低的误差率,总体均方根误差RMSE=0.0155,相关系数R2=0.8361,证实了新算法的可行性和应用价值。     

黄土高原沟壑区苜蓿地土壤水分剖面特征研究

对黄土高原沟壑区不同种植年限苜蓿地土壤深层水分特征的分析表明,受降水影响0～2m土层水分变化较大,2m以下由于没有水分的补给,出现了干燥化现象。苜蓿在生长前期主要利用上层土壤水分,土壤水分恢复也是从上层开始,下层的干层则难予恢复。10、15、23年生苜蓿分别在9、10.8和11m处水分含量趋于稳定,达到土壤干层的下限。土壤水分的变异系数随土层深度的增加而减小,水分含量趋于稳定。在0～9m土层土壤水分亏缺较大,亏缺量大于年均降水量。     

宇宙射线土壤水分观测方法在黄土高原草地植被的应用

宇宙射线土壤水分观测系统(COSMOS)是一种测量直径达600 m以上表层土壤平均含水量的新型土壤水分测量仪器。在黄土高原一片草地植被上测试COSMOS仪器测量土壤水分的效果,并与烘干法及Hydra ProbeⅡ土壤湿度传感器测量结果进行比较。结果表明,COSMOS测量结果与烘干法结果一致性好;与Hydra ProbeⅡ点尺度测量结果存在不同时间段的差别,暗示了黄土高原土壤水分空间变异性及其时间变化。COSMOS仪器能够很好地测量黄土高原破碎表面观测范围内表层平均土壤含水量,并为研究土壤含水量的空间变异性提供了潜在工具。     

利用多时相Sentinel-1 SAR数据反演农田地表土壤水分

土壤水分是陆面生态系统水分和能量循环的重要变量,在农田干旱监测、作物长势监测和作物估产等应用研究中具有重要的作用。该文结合基于变化检测的Alpha近似模型,利用Sentinel-1卫星获取的多时相C波段合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)数据,实现了农田地表土壤水分的反演。该文首先利用微波辐射传输模型验证了Alpha近似模型在土壤水分反演中的合理性。研究发现,对于土壤散射占主导的区域,Alpha近似模型对辐射传输模型有较好的近似,能够有效地消除地表粗糙度和植被对雷达后向散射系数的影响。在此基础上,结合怀来研究区多时相Sentinel-1 SAR数据,利用Alpha近似模型构建了土壤水分观测方程组,通过求解方程组得到了农田地表土壤水分。地面验证结果表明,土壤水分反演的均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.06 cm3/cm3,平均偏差为0.01 cm3/cm3,精度较好。该文研究为利用高重访周期、多时相的Sentinel-1 SAR数据获取农田地表土壤水分提供了参考。     

双极化雷达反演裸露地表土壤水分

为了快速高效地获取大面积地表土壤水分,本文提出一种适用于双极化SAR(synthetic aperture rader)的裸露地表土壤水分反演经验模型。首先通过AIEM(advanced integral equation model)模型数值模拟和回归分析,提出一种新的粗糙度参数,将2个传统的粗糙度参数简化为1个参数;然后模拟地表土壤水分与雷达后向散射系数的关系,从而建立裸露地表的经验散射模型,模型的未知参数仅为粗糙度参数和土壤体积含水量,通过双极化的雷达数据即可实现土壤水分的反演。通过2008年甘肃张掖黑河流域实测数据对模型进行了初步验证,发现在入射角大于25°时,模型反演值与实测值有着良好的相关关系(相关系数为0.745)。该模型仅需双极化的雷达数据就能实现土壤水分的反演,无需测量地面粗糙度,尤其适用于大面积干旱区域的地表土壤水分的获取。     

黄土高原丘陵沟壑区土壤水分变化规律的研究

对黄土高原丘陵沟壑区土壤水分变化规律研究结果表明 ,该区土壤水分随时间变化主要受控于降水量 ,表现为与降水量变化同步。土壤水分垂直分布变化 0～ 30cm土层土壤含水量随深度增加而减少 ,30～ 1 2 0cm土层土壤含水量随深度增加而增加 ,总体变化趋势平缓。裸地和农田土壤水分空间变异范围分别为 3.1 7m和 7.2 5m。     

相似降水年组下黄土高原植被恢复与土壤水分变化过程与空间特征分析

土壤水分是黄土高原植被恢复及其可持续性的主导限制因子,为认识退耕还林(草)工程以来大尺度植被恢复与土壤水分关系,以25km×25km格点为研究单元,采用1992—2013年逐月降水量、归一化植被指数(NDVI)和土壤水分指数(SWI)等数据,分析了该区植被恢复与土壤水变化过程及其区域分布特征。结果表明,黄土高原植被和土壤水分变化特征和趋势不一致,其中大部分区域(70%以上面积)NDVI呈极显著增加趋势(p0.01),但绝大部分地区(94%面积)的SWI没有趋势性变化。为进一步揭示植被和土壤水分变化关系,以格点为单元提取并分析了相似年组(年降水量差小于2%,年差大于或等于5年,逐月降水量相关性大于0.55),并分析了不同相似年组内NDVI和SWI的变化特征。植被指数与土壤水分变化主要包括两类:植被指数和土壤水分同时增加与植被指数增加而土壤水分减少。黄土高原植被、土壤水分变化的区域性明显,在未来生态恢复过程中,需要进一步认识植被恢复对土壤水分的关系,促进黄土高原植被恢复的可持续性。     

渭北黄土高原果园生草地旱季土壤水分特征研究

在黄土高原渭北苹果园,分析多年生鸡脚草（Dactylis glomerata L.）、百脉根（Lotus corniculatu L.）、小冠花（Coronilla varia L.）三种牧草对0—200 cm土层含水量的影响。结果表明:冬春季节草地表现出明显的保墒性,而进入春季以后,随着牧草的萌发又表现出强烈的耗水性,4月10日—5月31日鸡脚草、百脉根、小冠花地块土壤总耗水量分别为99.57,104.81,82.13 mm,远高于行间裸地同期在该土层的耗水量（24.19 mm）,三种牧草的耗水能力大小依次为:百脉根 > 鸡脚草 > 小冠花。生草地块土壤稳定层对活跃层水分补偿作用明显,活跃层贮水量每减少1 mm,鸡脚草、百脉根、小冠花的相对稳定层贮水量分别减少0.60,0.60,0.73 mm。     

基于Sentinel多源数据的农田地表土壤水分反演模型构建与验证

土壤水分是影响水文、生态和气候等环境过程的重要参数,而微波遥感是农田地表土壤水分测量的重要手段之一。针对微波遥感反演农田地表土壤水分受植被覆盖影响较大的问题,该文基于Sentinel-1和Sentinel-2多源遥感数据,利用Oh模型、支持向量回归(support vector regression,SVR)和广义神经网络(generalized regression neural Network,GRNN)模型对土壤水分进行定量反演,以减小植被影响,提高反演精度。结果表明:通过水云模型去除植被影响后的Oh模型反演精度有所提高。加入不同植被指数的SVR和GRNN模型的反演效果总体优于Oh模型,基于SVR模型的多特征参数组合(双极化雷达后向散射系数、海拔高度、局部入射角、修改型土壤调整植被指数)反演效果最优,其测试集相关系数和均方根误差分别达到了0.903和0.015 cm~3/cm~3,为利用多源遥感数据反演农田地表土壤水分提供了参考。     

黄土高原干旱阳坡微地形土壤水分特征研究

黄土高原地区坡面内地表的起伏形成微地形,利用其土壤含水量的差异来提高植被成活率已经成为黄土高原生态恢复建设的重要方向.采用探针式TDR对陕西省吴起县合家沟流域内的微地形及其相应原状坡的土壤含水量进行测定.结果表明,微地形对土壤含水量有显著影响,阳坡各微地形土壤水分顺序为:塌陷>切沟底>缓台>浅沟底>原状坡>陡坎.0-20cm土层土壤水分变异系数最大的是切沟底为405,最小的是缓台仅0.226,阴坡原状坡各层的变异系数均小于阳坡的微地形.最后指出黄土高原地区植被恢复建设时,在按传统立地类型划分原则所确定的植被恢复单元内,还应该按照微地形的水分特征有区别地配置植被类型.     

黄土高原南部人工植被作用下的土壤水分研究

在大量野外调查和室内测定的基础上,研究了黄土高原南部地区丰水年前后不同人工植被下0～6m土壤水分含量。研究表明,年均降雨量600mm左右的正常年份,该区内杨树林、法国梧桐林和中国梧桐林下1.5～4m土层平均含水量约为90g/kg左右,发育了弱的土壤干化层,4～6m土层平均含水量约为120g/kg,水分状况优于上部土层。麦地和草地下0～6m水分状况良好,未出现土壤干化现象。丰水年充足的降水后所有林木下土壤干层消失,水分得到很好的恢复,说明该区并未形成永久性土壤干层,这为该区人工植被的良好生长提供了必要的条件。但目前加速发展的生态建设及经济林业仍会给该区土壤水分良性循环带来威胁,因此应加强人工植被下土壤水分的长期观测,合理引种、适当栽培,在收益的同时保证生态环境的可持续发展。     

黄土高原丘陵沟壑区土壤物理性质对苜蓿 种植年限的响应

西部黄土高原丘陵沟壑区是中国乃至世界上水土流失最严重的区域,以禾谷类作物单播为主的传统农业生产系统和过度耕作是引致水土流失的最主要原因。紫花苜蓿作为优良豆科牧草,在区域生态环境建设和产业结构调整中发挥着重要作用。因此,本研究通过设置在陇中黄土高原半干旱区的长期定位试验,以苜蓿草地(3 a、10 a、12 a)和农田(马铃薯地)为主要研究对象,探讨了土壤物理性质对于苜蓿种植年限的响应,为黄土高原雨养农业系统紫花苜蓿适宜种植年限的选择及苜蓿草地的可持续利用提供科学依据。结果表明,随着紫花苜蓿种植年限的加长,土壤表层呈容重降低、孔隙度增加的变化趋势,而下部土层变化不明显。苜蓿种植可以提高耕层0~30 cm土壤0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),同时降低团聚体破坏率(PAD),且随种植年限的延长效果愈加明显。苜蓿种植一定年限后土壤总有机碳(TOC)和易氧化有机碳(ROOC)与农田差异明显,其中种植苜蓿土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例为44%~57%,农田土壤易氧化有机碳比例占52%~68%,表明种植苜蓿不仅提高了土壤总有机碳含量,且改变了土壤有机碳的组成比例。与农田相比,苜蓿种植可改善土壤水分入渗性能,表现为随种植年限的延长呈现先增加后降低的趋势。黄土高原沟壑区种植苜蓿可以改善土壤有机质形态和物理结构,提高土壤渗透能力,但苜蓿种植年限以10 a为宜,10 a之后应该进行轮作换茬以维持雨养农业系统的可持续发展。     

黄土丘陵区小流域土壤有效水空间变异及其季节性特征

基于213个样点土壤有效水数据,从流域、坡面和沟道三个尺度分析了黄土丘陵区典型小流域土壤有效水在春、夏、秋三个季节的空间变异特征。结果表明,土壤有效水均呈较强空间变异性,其中沟道土壤有效水均值和空间变异强度(标准差和变异系数)均显著高于坡面,坡面和沟道土壤有效水正态性明显好于流域尺度。不同尺度土壤有效水空间变异程度随均值发生变化,变异系数随均值增加呈指数递减趋势。流域和坡面尺度土壤有效水与坡向呈显著正相关关系且相关系数高于其与坡度和高程,而沟道尺度与各地形因子相关关系均较弱。土壤有效水空间变异呈现明显的季节性特征,秋季土壤有效水均值最高而空间变异性最低,夏季土壤有效水均值最低但变异系数最大。流域尺度夏季土壤有效水与高程相关系数显著高于春秋两季,而坡面尺度则相反。此外,土壤有效水抽样不确定性和估算误差随样点数量增加呈非线性递减变化趋势,当样点数超过20个时,增加样点数量的作用有限。     

黄土高原小流域土壤水分及全氮的垂直变异

为了研究黄土高原土壤中水分及全氮垂直分布及变异情况,对陕北神木县六道沟小流域中苜蓿地、荒草地、农地、柠条地以及油松地5种不同植被类型下0～800 cm土层中土壤含水率和土壤全氮进行了测定和分析。土壤含水率在垂直方向上呈现出干湿交替的层状分布。植被类型影响土壤水分含量的垂直剖面分布;各植被类型下相对高湿层和低湿层出现的深度不同;不同深度土层平均土壤含水率不同。农地及退耕荒草地土壤水分涵养较好,垂直方向上含水率变化较大;人工植被苜蓿、柠条消耗土壤水分较多,土壤含水率变化相对平缓;油松地平均土壤含水率及变化幅度居中。研究区域中,土壤全氮含量水平较低,表层发生陡降后,在20 cm以下土层中仍以很小的变幅降低,变化平缓。柠条地土壤全氮含量高于其他植被类型。     

Effects of grazing on soil physical properties and soil erodibility in semiarid grassland of the Northern Loess Plateau (China)

Grazing animals provide a livelihood for farmers, but they may also produce adverse environmental effects. We investigated whether grazing leads to deterioration of soil physical properties that subsequently increases topsoil erodibility. We sampled three sites (an ungrazed grassland, a continuously grazed grassland, and a track trampled by stock) on the northern Loess Plateau of China. The bulk density, water content, proportion of stable aggregates, infiltration rate, and resistance to scouring were determined for each soil sample. The results showed that the track had the highest soil bulk density and the lowest soil water content, proportion of stable aggregates, infiltration rate, and ability to resist scouring. The ungrazed plots had the best results for these parameters, in terms of reduced erosion. Soil bulk density and the proportion of stable aggregates differed significantly with depth beneath the track. However, the effect of depth on water content, infiltration rate, and the soil resistance to scouring was not significant at any sampling site. The ability of the soil to resist scouring was negatively correlated with the soil's bulk density and positively correlated with the soil's water content, infiltration rate, and proportion of stable aggregates. Thus, soil physical properties played an important role in determining soil erodibility. Grazing and trampling by livestock therefore appear to cause deterioration of soil physical properties and to increase soil erodibility.     

黄土高原丘陵区不同土地利用方式对土壤理化性质的影响

对晋西北黄土高原丘陵区持续利用30年的小叶锦鸡儿人工林、农田、杨树林、小叶锦鸡儿和杨树的混交林地以及撂荒地的土壤理化性状进行了研究。结果表明,不同土地利用方式对土壤理化性质影响很大。小叶锦鸡儿和杨树的混交林以及小叶锦鸡儿人工林可以降低土壤容重,提高土壤酶活性、有机质和全N含量,从而改善土壤肥力。混交林和小叶锦鸡儿人工林的土壤培肥作用高于杨树纯林。粗放的农业耕作措施提高土壤容重,降低土壤养分含量,使土壤退化。撂荒地一定程度上可以起到培肥土壤的作用。在黄土高原丘陵区,种植小叶锦鸡儿人工林以及小叶锦鸡儿和杨树的混交林是较好的生态重建和植被恢复方式。     

陇东黄土高原土壤干旱特征分析

通过对黄土高原典型残塬"董志塬"麦田不同时期土壤各层次水分含量的分析,揭示了陇东黄土高原塬区土壤干旱特征,逐月分析了干旱的季节分布以及不同季节水分在土壤各层次的分布特征。分析认为2m土层干旱概率明显高于0.5m土层,但0.5m土层重旱出现概率明显偏高,各层次干旱出现频率均未超过45%。干旱的季节分布特征表现为:3月～6月土壤水分持续减少,干旱持续发展,6月上中旬是陇东麦田最干旱的时期。小麦收获后,7月分土壤水分开始回升,7月～9月为土壤水分恢复平衡阶段,10月为土壤水分恢复平衡后相对稳定阶段。收墒期降水可以使2m土层土壤水分基本恢复到适宜状态,土壤储水主要分布在2m土层,即2m为土壤水库下限深度。8月开始,麦田中下层土壤水分运动方向发生逆转,由前期的向上运动转变为向下运动。麦田涝渍现象出现在秋季,主要出现在土壤中下层。早春和晚秋麦田重旱发生概率较低,秋季是陇东麦田土壤水分含量最高的时期,晚秋2m土层平均含水量超过早春,土壤水分于秋季恢复平衡,晚秋-早春,即越冬期降水量小于土壤蒸散量,土壤水分有一定损耗。     

黄土高原旱塬区高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势模拟研究

为研究黄土高原旱作高产玉米田土壤干燥化与产量波动趋势,利用EPIC模型对黄土高原南部旱塬区玉米水分生产潜力和土壤水分动态进行中期(12a)和长期(30a)定量模拟研究。结果表明,在12a实时气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力随降水量变化呈现波动性降低趋势,3m土层土壤有效含水量也表现为剧烈波动性和逐渐下降趋势,土壤干燥化趋势明显;在30a模拟气象条件下的模拟时段内,旱塬地玉米水分生产潜力呈现明显波动性轻微降低趋势,3m土层土壤有效含水量季节性和年际间波动性剧烈,从长时段看土壤有效含水量呈现略微上升趋势;在降水量减少幅度不显著的情况下,旱塬玉米地土壤干燥化现象只是一种短期过程,通常不会导致长期性土壤强烈干燥化现象发生,但玉米产量随降水量变化的波动性不可避免。