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。     

基于电磁感式大地电导率仪的南疆干旱区土壤电导率反演研究

土壤盐渍化是南疆农业和生态环境可持续发展的主要障碍因素。本文以南疆阿拉尔地区不同程度盐渍化土壤区域为研究对象,分析不同程度盐渍化及不同土壤水分含量区域土壤电导率电磁感应反演模型的差异,旨在为电磁感应技术应用于区域尺度土壤盐渍化监测提供有效的参考和借鉴。通过EM38-MK2电磁感应仪采集3个不同程度盐渍化土壤的电磁感应数据并同步采集土壤剖面样品,采用局部建模和全局建模的思路构建了土壤电导率的电磁感应反演模型。结果表明,土壤电导率电磁感应的线性模型、指数模型、对数模型和乘幂4种模型中,线性模型的精度最高。基于表观电导率数据所构建的土壤电导率局部模型精度优于全局模型,0～20、20～40、40～60 cm等不同深度土层局部模型的R2在0.78～0.89之间,全局模型则在0.70～0.80之间。土壤含水率对电导率电磁感应反演模型精度有明显影响,当土壤含水量小于10%时,土壤电导率电磁感应模型的R2为0.73,10%～20%时为0.85,大于20%为0.86。研究结果为同类地区土壤盐渍化的电磁感应监测提供了良好的借鉴。     

基于电磁感应数据棉田土壤盐分剖面时空变异特征研究

针对新疆南疆塔里木河绿洲地区土壤盐渍化发生反复性与南疆水资源日益匮乏等问题,以该地区典型地块为研究对象,运用电磁感应仪快速获取土壤盐渍化信息技术,结合地统计插值对新疆塔里木河绿洲地区土壤盐分剖面类型进行研究,并用表观电导率ECv_(1.5)与ECv_(0.75)比值对研究区土壤盐分剖面进行分级并对土壤盐分剖面类型空间分布进行探讨。结果表明,不同时期ECv_(0.75)数据在空间分布上均表现为强变异强度,棉花整个生育期,土壤盐分呈现累积状态。不同时期ECv_(1.5)与ECv_(0.75)比值半方差函数均符合指数模型,土壤盐分剖面空间自相关性从棉花播种前由随机性因素作用类型过渡到棉花花铃期的随机性与结构性共同作用类型,再转变为棉花收获后土壤盐分剖面由随机性因素作用类型。不同时期土壤盐分剖面类型空间分布图表明,土壤盐分剖面类型呈现底聚型-表聚型-底聚型状态分布。土壤质地、微地形、温度、地下水埋藏深度是造成土壤盐分剖面类型分布格局最直接的因素。该研究结果对灌溉制度的科学制定具有一定的指导作用。     

基于电磁感应的典型干旱区土壤盐分空间异质性

为研究干旱区土壤盐分空间异质性,指导农业生产实践,运用大地电导率仪（EM38、EM31）对研究区域进行移动式磁感调查,获取表观电导率（ECa）。同时,通过27个校准点的采样和ECa测量,建立土壤盐分的电磁感应解译模型。干旱区土壤盐分质量分数与EM38、EM31水平模式读数（H38、H31）显示出良好的相关性（R=0.935）,可以利用ECa结合GIS和地统计学知识研究土壤盐分的空间分布。采用两种方法进行研究：一种是先利用解译模型获取磁感调查点的土壤盐分质量分数,然后进行地统计分析研究其空间分布;另一种是先利用地统计分析研究H38和H31的空间分布,然后利用解译模型通过栅格运算计算盐分质量分数,精度检验显示前者预测值与实测值之间的相关性更好（R2, 0.888＞0.873）;标准差较低（std. 0.414＜0.426）,具有更高的预测精度。研究结果表明,基于电磁感应研究干旱区土壤盐分空间异质性是切实可行的,这对于土壤盐渍化的快速诊断,指导农业生产和促进精准农业的发展具有重要的意义。     

灌溉模式对北疆棉田土壤浸出液电导率的影响

采用棉田土壤土体的双向切片法,研究了膜下滴灌、淹灌两种不同灌溉模式下不同土层之间以及膜灌带的不同区域之间盐分分布,得出盐分在不同的灌溉方式下的运移规律。结果表明:由于灌水方式不同导致土壤耕层不同空间部位土壤盐分变化趋势不同。同时,由于北疆棉田采用宽窄行的种植模式,宽行和窄行以及膜灌带两侧钾素和盐分的在各土层之间含量也呈现出显著差异。滴灌处理盐分在土壤表层有轻微表积现象,随深度增加盐分含量下降;常规淹灌处理,土壤表层含盐量低于滴灌处理,而随深度增加在0～60cm深度范围内盐分含量逐渐增加。     

基于EM38的滨海棉田土壤表观电导率空间变异与利用研究

土壤盐渍化和次生盐碱化是制约黄河三角洲农业可持续发展的关键障碍因子,了解和评估耕地土壤盐分的时空动态是对其进行科学利用和改良的前提。本文以黄河三角洲滨海盐碱地棉田为研究对象,在降水集中月份前后用EM38-MK2大地电导率仪测量了棉花两个关键生育期土壤根系层0~0.375 m和0~0.75 m剖面的土壤表观电导率,深入分析了棉花根区土壤表观电导率在空间上的分布特征与影响因素。结果表明:1)在降雨前后,黄河三角洲滨海土壤盐分空间变异较大,达到或超过中等变异水平;2)通过对大地电导率进行校正,排除影响其读数的干扰因素影响,大地电导率能快速表征0~0.375 m/0~0.75 m两个关键层次土壤盐分状态,可有效用于滨海棉田的土壤盐渍化的监测和评估;3)结合黄河三角洲地区地形地貌特征、降水蒸发、作物综合长势等因素的区域调查,作者认为在区域尺度上,优化土地利用格局,加强农田基本水利建设;在田间尺度上,加强土地平整和灌排配套等措施是治理和改良滨海盐碱土的基础。     

电磁感应仪用于土壤盐分空间变异性的指示克立格分析评价

运用磁感式大地电导率仪EM38及其移动测定系统,结合非参数地质统计学的单元指示克立格方法,对黄河三角洲地区200 hm2典型地块上两个比较关键季节的土壤盐分进行空间变异性的分析,给出了同一区域不同时段土壤盐分满足一定标准的条件概率图。结果表明,土壤表观电导率与盐分呈极显著相关性;各时段土壤表观电导率均呈近似的对数正态分布,且存在特异值;各时段土壤表观电导率的指示半方差均较符合球状套合模型;结构性因素导致秋季时段土壤盐分的空间变异性呈各向同性;随机性因素使春季时段土壤盐分的各向异性增强,尤其在南北、东西方向。由不同季节时段土壤盐分风险概率图看出,研究区土壤盐渍化程度总体较高,旱季条件下土壤盐分的表聚型是导致该现象最主要因素。电磁感应仪与指示克立格方法的结合运用为不同尺度(从农田到区域)上土壤调查与质量评价提供了新的途径,并为农业水土资源的决策管理提供指导。     

基于无人机多光谱影像的土壤盐分反演模型

为探究不同作物覆盖下不同深度的土壤盐分快速反演模型,该研究采集苜蓿、玉米覆盖下0～15、>15～30、>30～50 cm层深度的土壤盐分含量,基于无人机多光谱影像数据,提取各地块采样点的光谱反射率,在此基础上引入红边波段计算光谱指数作为特征变量,采用支持向量机递归特征消除算法（Support Vector Machine-Recursive Feature Elimination,SVM-RFE）以筛选光谱指数及未经过筛选的全指数组作为模型输入组,共构建出36个基于随机森林（Random Forest,RF）、极限学习机（Extreme Learning Machine,ELM）、BP神经网络（Back Propagation Neural Network）等机器学习模型,确定不同作物覆盖下的最佳土壤盐分反演模型。结果表明：SVM-RFE算法筛选光谱指数构建模型精度优于未进行筛选构建的模型。对于苜蓿和玉米覆盖土壤,整体上,RF反演效果优于ELM模型和BPNN模型,反演结果能体现真实土壤盐分含量,在0～15和>30～50 cm土层上,RF模型反演效果优于其他模型,苜蓿样地验证集决定系数Rp2分别为0.71、0.58,验证集均方根误差RMSEp分别为0.026、0.033,玉米样地Rp2分别为0.67、0.64,RMSEp分别为0.111、0.094,在>15～30 cm土层上ELM反演效果较好,苜蓿样地Rp2为0.58,RMSEp为0.039,玉米样地Rp2为0.68,RMSEp为0.059。0～15 cm是作物覆盖下的土壤含盐量最佳反演深度,验证集平均决定系数R2为0.65,均方根误差RMSE为0.084。研究结果可为土壤盐分的快速反演提供理论依据。     

基于表观电导率和Hydrus模型同化的土壤盐分估算

精细刻画农田土壤盐分运移过程对盐渍化精准治理具有重要意义。该文以磁感式大地电导率仪EM38测定的土壤表观电导率作为数据源,利用表观电导率与剖面土壤盐分之间的反演模型作为观测算子,将集合卡尔曼滤波(ensemble Kalmanfilter,En KF)同化方法应用于土壤水盐运移过程模型(HYDRUS-1D),进行滨海盐渍农田周年土壤盐分动态的模拟,并分析了同化过程的敏感性。结果表明:与单纯使用HYDRUS模型相比,En KF同化方法对模型观测算子的更新,有效提高剖面土壤盐分模拟精度,且En KF同化值的精度优于En KF同化模拟值,在同化过程中的调整量亦最大;敏感性分析结果显示土壤盐分同化过程对状态变量集合数大小不敏感,对观测数据误差和引入观测数据的深度较为敏感,观测数据误差水平越高、引入观测数据的深度越浅其误差越大。研究表明基于水盐运移模型和土壤表观电导率数据的EnKF同化方法能提高土壤盐分的模拟精度,为利用多源数据和机理模型进行较大尺度生态过程模拟预测提供了有效手段。     

基于HJ卫星的棉田土壤有机质空间分布格局反演

以北疆绿洲区棉田表层土壤为研究对象,利用国产HJ-1A/1B卫星CCD多光谱数据对裸土有机质空间分布格局进行研究。通过分析多光谱数据不同波段的光谱反射率及其变换形式与实地采样得到的土壤有机质含量的相关性,探寻适合绿洲区棉田表层土壤有机质含量快速反演的敏感波段及参数,并针对不同参数分别建立一元线性、二次、三次、对数、倒数、幂函数、生长型、S型回归模型,以及多元回归模型;对生成的模型进行综合对比分析,获取北疆绿洲区棉田表层土壤有机质含量的最佳反演模型,从而实现整个研究区土壤有机质空间格局的遥感反演。结果表明:HJ卫星多光谱数据4个波段的反射率均与土壤有机质含量存在显著的相关性,第3波段的倒数与土壤有机质含量相关性最为显著;且以第3波段光谱反射率作为因变量得到的三次线性回归模型对土壤有机质含量进行反演的效果最佳;通过空间布局反演得到研究区土壤有机质空间分布整体呈现南北两端有机质含量较高,中部有机质含量较低的格局。该研究表明虽然与黑土有机质含量具有差别,但是遥感技术仍能够作为绿洲区土壤有机质含量空间布局反演的方法,为遥感技术在土壤参数监测中更好的发挥作用提供理论支持,同时也为新疆棉田生产管理和农田可持续利用提供科学依据。     

EM38探测复垦土壤厚度分布的可行性研究

该文采用EM38电磁感应电导率仪测量辽宁省阜新市海州露天矿场复垦区一块面积为5 000 m2的覆土层的表观电导率,试探性研究表观电导率（ECa）与矿区排土场覆土厚度（TSLT）的相关性。测定结果证实ECa与相同点位剖面挖掘所得的深度数据有很好的负相关性,而两层土壤的电导率差值与上层土壤深度之间存在一定的正相关性。结合地统计克里格插值,得到了该复垦区覆土深度分布的预测趋势图。研究结论指出,基于EM38测量的表观电导率预测矿区复垦区覆土层厚度具有良好的可行性,为废弃矿区复垦质量的客观评估,提供了一种实用、简捷的工程检测 手段。     

Mapping soil salinity in 3‐dimensions using an EM38 and EM4Soil inversion modelling at the reconnaissance scale in central Morocco

Large areas of Morocco require irrigation and although good quality water is available in dams, farmers augment river water with poorer quality ground water, resulting in salt build‐up without a sufficient leaching fraction. Implementation of management plans requires baseline reconnaissance maps of salinity. We developed a method to map the distribution of salinity profiles by establishing a linear regression (LR) between calculated true electrical conductivity (σ, mS/m) and electrical conductivity of the saturated soil‐paste extract (ECe, dS/m). Estimates of σ were obtained by inverting the apparent electrical conductivity (ECa, mS/m) collected from a 500‐m grid survey using an EM38. Spherical variograms were developed to interpolate ECa data onto a 100 m grid using residual maximum likelihood. Inversion was carried out on kriged ECa data using a quasi‐3d model (EM4Soil software), selecting the cumulative function (CF) forward modelling and S2 inversion algorithm with a damping factor of 3.0. Using a ‘leave‐one‐out cross‐validation' (LOOCV), of one in 12 of the calibration sites, the use of the q‐3d model yielded a high accuracy (RMSE = 0.42 dS/m), small bias (ME = ?0.02 dS/m) and Lin's concordance (0.91). Slightly worse results were obtained using individual LR established at each depth increment overall (i.e. RMSE = 0.45 dS/m; ME = 0.00 dS/m; Lin's = 0.89) with the raw EM38 ECa. Inversion required a single LR (ECe = 0.679 + 0.041 × σ), enabling efficiencies in estimating ECe at any depth across the irrigation district. Final maps of ECe, along with information on water used for irrigation (ECw) and the characterization of properties of the two main soil types, enabled better understanding of causes of secondary soil salinity. The approach can be applied to problematic saline areas with saline water tables.     

Investigating soil physical properties and yield response in a grassland field using a dual‐sensor penetrometer and EM38

Precision‐farming applications are mainly based on site‐specific information of soil properties at the field scale. For this purpose, a number of novel sensor techniques have been developed but not intensively tested under different field conditions. This study presents a combined application of a self‐developed dual‐sensor vertical penetrometer (DVP) for measuring volumetric soil water content (VSWC) and cone index (CI), and an EM38 for soil apparent electrical conductivity (EC_a) in a pasture (1.4 ha). To verify the feasibility of the DVP for interpreting the depth‐specific information in the field, not only the soil physical properties and their geographical coordinates were measured, but also geo‐referenced yield data were collected. We found that the yield pattern was quite similar to the soil water‐content pattern of each layer (layer‐1: 5–15 cm; layer‐2: 15–25 cm, layer‐3: 25–35 cm) and EC_a pattern. Using the map‐based comparisons in conjunction with the statistical analyses, the effect of each measured soil physical property (VSWC, CI, and EC_a) on the yield was investigated. The regression between the yield and VSWC at each layer fitted a quadratic equation (R² = 0.515 at 5–15 cm; R² = 0.623, at 15–25 cm; R² = 0.406 at 25–35 cm). The negative correlation between yield and CI at each layer fitted a linear model with R² ≥ 0.510.     

新疆棉田地膜覆盖耕层土壤温度效应研究

棉田地膜覆盖试验结果表明,窄膜或宽膜覆盖分别较露地增产46.8％和51.3％,提高出苗率和促进棉花生长发育。窄膜或宽膜覆盖分别使生育前期(4月下旬～6月底)棉田土壤积温增加105℃、和195℃,土壤温度提高0.7～3.2℃,但这种热效应随生育后期的到来而减弱。地膜覆盖提高5～20 cm土层土壤温度,其增温效应随土层深度的增加而降低。地膜覆盖对生育前期日温差影响不明显,生育中后期(7月份始)棉田早晚土壤温差降低0.8～4.2℃,宽膜覆盖比窄膜覆盖增温效应更佳。     

Comparison of Geonics EM38 and Dualem 1S electromagnetic induction sensors for the measurement of salinity and other soil properties

The electromagnetic induction (EMI) Geonics EM38 (G‐EM38) and Dualem 1S (D‐1S) sensors are used frequently for assessment of soil salinity and other soil characteristics in irrigated agriculture. We compared these two sensors to determine whether they could be used interchangeably for the measurement of apparent soil electrical conductivity (ECa) in horizontal (ECa‐h) and vertical (ECa‐v) coil receiver modes. Readings were taken at 201 locations identified in three irrigation districts in both modes, and statistical comparisons were made on the raw data and from maps of a 2‐ha irrigated field made using 1680 horizontal mode readings. Both sensors gave the same ECa‐v readings (mean G‐EM38 and D‐1S difference = 0), whereas the ECa‐h readings were slightly greater with the Geonics EM38 than with the Dualem D‐1S (mean difference = 0.075 and 0.05 dS/m for the 201 and 1680 observations, respectively). The degree of coincidence between both sensors for soil profile ECa classification was acceptable: 82% for normal profiles (i.e. ECa‐h/ECa‐v < 0.9) and 90% for inverted profiles (i.e. ECa‐h/ECa‐v > 1.1). In practical terms, Geonics EM38 and Dualem 1S sensors could be used interchangeably with similar or very close results.     

新疆棉花长期连作对土壤真菌群落结构组成的影响

土传性真菌病害给新疆连作棉花造成巨大损失,为了解新疆地区棉花在长期连作过程中土壤真菌群落结构演替与作物产量的增减及病虫害的发作规律。本文利用18S r RNA-PCR-DGGE法对比研究了新疆石河子棉区分别连作0 a(未开垦土壤)、1 a、3 a、5 a、10 a、15 a和20 a棉田0~40 cm范围内4个不同深度土壤中真菌群落组成的变化规律。结果表明,相同深度的土壤样品中真菌群落结构随着连作年限的延长Shannon-Weiner多样性指数、丰富度指数和均匀度指数都表现为不同程度下降后又增加并达到新的稳定状态,其中11~20 cm深度的样品下降最多、最快。聚类分析结果表明,相同深度的土壤样品随连作年限延长也表现出快速变化后并达到新的稳定状态,其中不同深度样品中真菌群落受影响最大的连作年限不同。主成分分析显示,连作年限对真菌群落结构形成直接影响,但随着连作年限延长,样品中真菌群落结构的变化趋缓,甚至有恢复迹象。部分DGGE条带回收、测序并比对后发现,100%的序列信息都属于未培养真菌。整体上连作棉田真菌群落结构变化及演替规律与棉花连作有很强的关联性。     

轮作对设施蔬菜大棚中次生盐渍化土壤盐分离子累积的影响

2007 年8 月在江苏省宜兴市采集10 个典型大棚土壤及其邻近露地蔬菜地土壤调查其离子组成和电导率, 并选择2 个土壤具有次生盐渍化特征的大棚研究轮作(蓖麻-白菜-蓖麻、辣椒-白菜-辣椒)对土壤电导率(EC)和离子组成的影响。结果表明, 大棚蔬菜地土壤EC 显著高于露地蔬菜地土壤, 20%的大棚土壤已发生次生盐渍化(EC>500 μS·cm^-1); 大棚土壤的SO₄^2-、NO₃^-离子浓度显著高于露地蔬菜土壤, 说明SO₄^2-、NO₃^-是影响大棚次生盐渍化的主要离子。2 年3 茬大棚蔬菜地轮作试验结果表明, 蓖麻-白菜-蓖麻轮作导致土壤EC 下降5%, 辣椒-白菜-辣椒轮作使土壤EC 下降33%, 表明后者对土壤次生盐渍化改良效果优于前者。两轮作系统盐分离子累积差异主要在于SO₄^2-, 辣椒-白菜-辣椒轮作能降低土壤SO₄^2-的累积, 而蓖麻-白菜-蓖麻轮作则不然。建议根据次生盐渍化土壤主控盐分离子以及不同作物对盐分离子吸收累积偏向性选择合适的轮作系统, 实现轮作改良次生盐渍化最佳效果。     

Effect of soil organic matter, electrical conductivity and sodium adsorption ratio on tensile strength of aggregates

The properties of soils affected by salinity and processes involving degradation of soil structure have been partly recognized. However, the effects of saline and sodic conditions on mechanical and physical properties of soils have been studied to a lesser extent. In this research, the effects of electrical conductivity (EC) and sodium adsorption ratio (SAR) on soils possessing various amounts of organic matter were assessed under laboratory conditions. The soils contained a uniform clay type, predominantly Illite. The major difference of the soils was their amount of organic matter content. The treatments consisted of solutions with definite EC and SAR (two levels of EC: 0.5 and 4 dS/m and three levels of SAR: 0, 5 and 15). The amount of tensile strength was dependent on organic matter, EC, and SAR in a way that with the increase of SAR, the tensile strength decreased. In similar SAR, treatments with higher EC exhibited greater tensile strength. Also, the soils with higher organic matter showed greater tensile strength. The analysis of variance showed the significant difference (at 1%) between the mean of parameters analyzed (soil type, sampling depth, EC, and SAR). The order of averages of tensile strength were: permanent pasture (Agropyron elengatum)Festuca arusdinaceae)相似文献   

氯甲基吡啶对滴灌棉田土壤微生物群落功能多样性的影响

已知硝化抑制剂氯甲基吡啶能有效抑制土壤硝化,减少氮的淋洗和硝化-反硝化损失,促进作物对氮素的吸收,但是其对干旱区滴灌条件下土壤微生物群落功能多样性的影响尚不明确。本试验研究了尿素添加氯甲基吡啶(Nitrapyrin)分次随水滴施对干旱区滴灌棉田土壤微生物碳代谢和群落功能多样性的影响。试验采用随机区组设计,设置不施氮肥[CK,0 kg(N)·hm~(-2)]、单施尿素[Urea,225 kg(N)·hm~(-2)]和尿素添加氯甲基吡啶[Urea+nitrapyrin,225 kg(N)·hm~(-2)+2.25 kg(nitrapyrin)·hm~(-2)]3个处理,重复4次,采用Biolog-ECO法进行土壤微生物碳代谢和功能多样性研究。结果表明:与不施氮肥(CK)相比,施用尿素和尿素添加氯甲基吡啶均能显著提高土壤微生物对31种碳源的代谢能力(AWCD)和代谢强度(S)(P0.05),增加土壤微生物多样性和丰富度(Shannon指数、Simpson指数、Mc Intosh指数和Richness指数)以及对各类碳源的利用能力。尿素添加氯甲基吡啶随水滴施后,土壤微生物AWCD值、碳代谢强度、Shannon指数、Simpson指数、Mc Intosh指数以及Richness指数均大于单施尿素处理,且较单施尿素处理分别提高13.83%、9.33%、1.29%、1.34%、11.26%、11.79%(P0.05),均匀度指数则低于单施尿素处理(P0.05)。PCA和聚类分析结果表明,施用尿素和尿素添加氯甲基吡啶对土壤微生物群落功能多样性均产生了显著影响,但尿素添加氯甲基吡啶与单施尿素处理差异不显著;氯甲基吡啶的添加提高了土壤微生物对聚合物、酚酸、羧酸、氨基酸以及胺类的利用,降低了对碳水化合物的利用(P0.05)。上述研究结果得出,在干旱区滴灌棉田,尿素添加氯甲基吡啶分次随水滴施可调控土壤的微生态环境,在一定程度上提高土壤微生物的代谢能力,增加微生物群落功能多样性,缓解因长期施用无机氮肥导致的土壤微生物活性的降低。