基于LSTM神经网络模拟的陇中黄土高原沟壑区保护性耕作下土壤贮水量变化

为分析陇中黄土高原沟壑区不同保护性耕作措施的贮水效果,本研究利用春小麦/豌豆（W/P）、豌豆/春小麦（P/W）轮作的长期定位试验,分别设置传统耕作（T）、免耕（NT）、传统耕作秸秆覆盖（TS）和免耕覆盖（NTS）4种耕作措施,以当地月平均气温、月降水量、月平均辐射量、月平均蒸发量、月作物耗水量为输入因子,以月土壤贮水量为输出,建立基于长短期记忆（Long Short-Term Memory,LSTM）神经网络的土壤贮水量预测模型,并对该模型的有效性进行评估。研究结果表明：1）基于LSTM神经网络建立的土壤贮水量模型对陇中黄土高原沟壑区保护性耕作下土壤贮水量预测具有较好的适用性,模型模拟结果的平均均方根误差为7.76 mm,平均绝对误差为6.95 mm,相对误差控制在-5%~+5%的范围内。2） P/W轮作序列中各处理的土壤贮水量均比W/P轮作序列增加1.09%~1.43%。3）不同轮作序列,NTS处理的贮水效果均优于其他3种耕作措施,在W/P轮作序列中,NTS处理的年均土壤贮水量比T、NT和TS分别增加2.89%、1.70%和2.46%;在P/W轮作序列中,NTS处理的年均土壤贮水量比T、NT和TS分别增加3.03%、1.91%和2.57%。4）不同降水年型,NTS处理的土壤贮水量最高,且干旱年效果更加显著,其中丰水年NTS处理的土壤贮水量比T、NT和TS平均增加2.71%、1.48%和2.19%,而干旱年平均增加3.97%、2.54%和3.64%。5）保护性耕作措施的贮水效果随季节发生变化,作物生长前期（3-5月）保护性耕作措施的贮水优势较为明显,进入作物生长旺盛期（5-6月）保护性耕作措施与传统耕作的贮水效果差异不显著,而作物生长后期（7月）保护性耕作措施较传统耕作土壤贮水量明显增加。基于LSTM神经网络模拟环境下免耕覆盖的贮水保墒效果最好,为陇中黄土高原沟壑区最适宜的保护性耕作措施。     

等高反坡阶措施对滇中红壤坡耕地土壤贮水量的影响

为探讨布设等高反坡阶后土壤水分驱动特征,揭示其水源涵养能力,以滇中昆明市北郊松华坝迤者小流域为研究区,采用野外监测与室内测试分析相结合的方法,分析了2017年5月1日-2018年4月30日期间不同土层深度（0-100 cm）土壤贮水量时空变化特征及其与其他物理性质的关系。结果表明:（1）试验期间雨季和旱季降雨量分别为528.5,41.5 mm,占试验年降雨量的92.7%,7.3%,I₃₀（最大30分钟雨强）与降雨量的整体变化趋势一致;（2）布设等高反坡阶后,各土层平均土壤贮水量较原状坡耕地在雨季和旱季分别增加9.6%~13.5%,10.0%~23.9%;（3）布设等高反坡阶后坡耕地土壤贮水量变异系数明显减小（p<0.05）,各土层深度下土壤贮水量变异系数的大小为:20 cm > 40 cm > 60 cm > 80 cm > 100 cm;（4）土壤贮水量随土层深度的增加明显减弱,布设等高反坡阶对坡耕地土壤贮水量的影响表现为40 cm > 20 cm > 60 cm > 80 cm > 100 cm;（5）等高反坡阶处理和不同土层深度交互作用对土壤贮水量的影响显著,修正模型平方和达到48 149.124。综上,等高反坡阶处理对坡耕地土壤的贮水能力具有明显的提高作用,对坡耕地地表径流拦蓄、增加水分入渗和减少土壤流失改善作用显著。     

晋南土壤质地、耕作方式及茬口对小麦播前土壤贮水量的影响

在山西临汾、襄汾采用大区对比法研究了土壤质地、耕作方式及茬口对小麦播前土壤贮水量的影响。结果表明：夏闲制不同土壤质地的传统土壤耕作方式,小麦播前0-200cm的各主要土壤层面的贮水量为中粘土〉中壤土〉轻壤土;夏季复播制的土壤质地和复播作物对小麦播前贮水量的影响以土壤质地〉复播作物种类;夏闲制不同土壤耕作方式的小麦播前贮水量以浅旋灭茬〉免耕〉隔行深松〉传统耕作〉全耕层深松。不同春播作物茬口小麦播前的贮水量以地黄茬贮水量最高,其次为丹参茬,棉花茬较差。该项研究为小麦播前土壤贮水量的恢复选择夏季复播制的土壤质地、夏闲制合理的土壤耕作方式和春播作物茬口提供了理论依据。     

陇东黄土高原农田土壤湿度演变对气候变化的响应

以甘肃省庆阳市西峰区为例,利用近50a气象观测资料和近20a的土壤湿度观测资料,分析全球气候变暖背景下陇东主要气象要素及土壤湿度的变化特征,研究了气候变化对土壤湿度的影响。50a来陇东气温呈波动上升趋势,降水量呈波动减少趋势。1991—2010年陇东各层土壤湿度总体上均呈现出下降趋势,春季是土壤湿度减少最明显的季节,夏季土壤湿度变化趋势与春季具有类似规律,但变化率明显低于春季。秋季浅层土壤湿度呈下降趋势,深层呈上升趋势。就表层土壤湿度而言,各季土壤湿度与该季气温均为负相关,与降水量呈正相关。而对较深层土壤而言,土壤湿度与气温、降水的相关关系因季节而异。潜在蒸散量对土壤湿度的影响月份和年际变化均呈现出反位相的特点,基本呈同步变化趋势。通过对农田土壤水分演变特征及其影响因素进行分析,为进一步理解土壤水分的演变,合理利用气候资源,调整农业生态布局,积极应对气候变化提供决策方面的参考。     

黄土高原沟壑区小流域不同植被覆被对土壤性质的影响

为揭示不同植被覆盖对土壤性质的影响,运用野外调查和室内分析的方法对南小河沟流域不同植被覆盖土壤13种基本性质及土壤质量进行研究,结果发现:草地土壤物理结构在三种植被恢复土壤中为最佳。不同植被恢复土壤养分含量在剖面中均具有不等的表聚性,土壤有机质、全氮、矿质氮、速效钾和CEC在剖面中均表现为随土层加深而降低,pH随土层加深而增加,而全磷则无太大规律。在相同土层,不同植被恢复土壤表现不一。51 a的油松林地0-105 cm土层土壤质量均有明显提高,51 a的刺槐林地0-45 cm土层土壤质量有所改善,而45-105 cm土层土壤质量则有所退化。     

宁夏六盘山不同森林类型林地的贮水量

 为评价宁夏六盘山不同森林类型的水源涵养生态功能,对宁夏六盘山地区华北落叶松人工纯林、辽东栎天然纯林、白桦+山杨天然混交林和华山松+红桦+白桦天然混交林4种林地枯落物和土壤的贮水特征进行研究。采用样方法和浸泡法测定枯落物不同层次的最大持水量和持水特性,采用环刀法和浸泡法测定土壤水分物理性质和贮水量。结果表明:林地枯落物层饱和贮水量为华山松+红桦+白桦天然混交林最大,华北落叶松人工纯林次之,辽东栎天然纯林其次,白桦+山杨天然混交林最小;除华北落叶松人工纯林枯落物未分解层和华山松+红桦+白桦天然混交林半分解层在浸泡6h时达到最大持水量外,其他森林类型各层次均在浸泡3h时达到最大持水量;土壤饱和贮水量为华山松+红桦+白桦天然混交林最大,辽东栎天然纯林次之,华北落叶松人工纯林其次,白桦+山杨天然混交林最小。     

土壤碳素固定及其稳定性对土壤生产力和气候变化的影响研究

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,在全球碳循环中起着非常重要的作用。本文论述了土壤有机碳对土壤生产力和气候变化的影响。阐述了影响土壤碳含量的各种自然因素和人为因素。对土壤碳素固定以及影响土壤碳素平衡的物理、化学及生物稳定性的各种机理进行了详细评述,阐明了土壤有机碳调控的方法和途径。为控制和调节土壤有机碳储量提供了理论依据。这对今后提高土壤生产力、利用土壤的固碳潜力来降低大气中二氧化碳的浓度和缓解气候变化有着非常重要的意义。     

黄土高原土壤入渗基本特性研究

阐述了土壤入渗原理、模型以及测量土壤入渗速率的4种方法,并对4种试验方法加以对比分析。概括了黄土高原土壤入渗速率的水平变化规律。     

黄土高原土壤水分的自动监测——TDR系统及其应用

TDR(Time Domain Reflectory)——时域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器 ,这是一种利用电磁脉冲方法 ,根据电磁波在介质中传播速度来测试介质的介电常数从而测定土壤水分的仪器。本文介绍了一套 TDR系统的组成和测量方法 ,并对测量结果进行了室内和野外校正 ,结果表明 ,野外校正比较符合实际情况 ,可以作为黄土高原地区进行 TDR校正的参考。由于具有快速、准确等优点 ,能自动、连续地监测土壤含水量 ,TDR是一种值得推广的土壤水分测定仪器     

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。     

黄土高原样带典型地貌类型坡面土壤水分分布特征及其差异

为掌握黄土高原典型地貌类型丘陵沟壑区和高塬沟壑区的坡面土壤水分分布特征,选取3个典型坡面(长武高塬沟壑区,安塞丘陵沟壑区,神木丘陵沟壑区(风蚀水蚀交错区)),分析3个坡面土壤水分的时空分布和对应环境因素的分布特征,并采用地统计分析比较不同地貌类型坡面土壤水分的差异。根据不同地貌类型区坡面土壤含水量变异系数(CV)平均值的剖面变化,0 ~ 500 cm土壤剖面可以划分为速变层(0 ~ 40 cm)、活跃层(40 ~ 100 cm)、次活跃层(100 ~ 200 cm)和相对稳定层(200 ~ 500 cm);除丘陵沟壑区坡面0 ~ 40 cm和100 ~ 200 cm土层外,其他土层土壤含水量均具有较好的空间结构特征,理论半方差函数模型可对其进行较好的模拟,拟合模型结果一般表层土壤含水量为球状模型,深层土壤含水量为高斯模型;由于地形、土壤和植被等因子空间分布的差异性,高塬沟壑区坡面土壤含水量的空间变化与容重、海拔高度和最大叶面积指数有显著相关关系(P<0.01),而丘陵沟壑区和风蚀水蚀交错区坡面土壤含水量的空间变化分别只与最大叶面积指数和土壤质地有显著相关关系(P<0.05)。黄土高原典型地貌类型区不同土层间土壤含水量差异较大,地统计分析可以很好地表达坡面水分的空间异质性。     

黄土高原水土保持型生态农业建设对策

对黄土高原生态环境特征进行了分析,并提出了黄土高原建设水土保持型生态农业对策。     

黄土高原塬区麦田土壤水分变化特征及其对降水的响应

利用对黄土高原塬区具有较好代表性的西峰站近18 a(1989~2006年)降水和土壤水分资料,研究麦田土壤水分的变化特征及其与不同尺度的标准化降水指数SPI的关系。结果表明:(1)4~6月份,是麦田深层土壤水分的失墒期,6月前后土壤干旱最严重;(2)7~10月是麦田深层土壤的增墒期,土壤水分与降水的显著相关深度逐渐向深层推移,10月底墒得到有效补充;(3)失墒期深层土壤水分对表层水分的滞后时间小于增墒期的,分别为1个月左右和2个月左右;(4)一个月尺度的降水对耕作层的影响是最大的,2~6个月尺度降水的影响深度主要在30~150 cm,大于6个月尺度的SPI影响深度在主要70~200 cm;(5)除了作物蒸腾影响,降水尺度越大,土壤水分受影响的深度越大。     

陇中黄土高原不同耕作措施下土壤磷动态研究

依托陇中黄土高原旱作农田已实施13 a的保护性耕作试验,研究传统耕作、免耕、传统耕作秸秆还田、免耕秸秆覆盖、传统耕作地膜覆盖和免耕地膜覆盖6种耕作措施下土壤全磷及磷组分动态变化特征。结果表明:试验期各处理土壤全磷和总无机磷均逐年增长;两个秸秆还田处理总有机磷逐年增长,免耕地膜覆盖和免耕处理总体增长,传统耕作和传统耕作地膜覆盖处理相对稳定;各无机磷组分均总体增长,其中氢氧化钠提取态无机磷、水溶态无机磷和碳酸氢钠提取态无机磷涨幅较大,平均涨幅分别为253.6%、128.6%和66.9%;保护性耕作可不同程度地提高水溶态无机磷、碳酸氢钠提取态无机磷和氢氧化钠提取态无机磷含量,相同覆盖条件下免耕较传统耕作效果明显,尤其免耕秸秆覆盖处理最明显;耕作方式对浓盐酸提取态无机磷和残留磷的影响不明显;保护性耕作可提高碳酸氢钠提取态有机磷和氢氧化钠提取态有机磷含量,两个秸秆还田处理最明显,两处理也可提高浓盐酸提取态有机磷含量,但免耕、传统耕作地膜覆盖和免耕地膜覆盖处理下该组分含量降低。综上,采取保护性耕作可适当减少磷肥用量,保护性耕作尤其是免耕秸秆覆盖方式值得在该区推广。     

黄土高原水土保持有效性研究

有效防治黄土高原水土流失 ,加快生态环境建设 ,是当前水土保持工作中的一项十分紧迫、关系到西部大开发战略全局的任务。首次提出了水土保持有效性的概念 ,并对此进行了比较系统的研究 ,涉及到水土保持有效性的定义、影响因素、评价指标和实现途径等各个方面。     

甘肃黄土高原地区土壤水热特征分析研究

利用甘肃黄土高原代表站地温、土壤含水量及降水资料,运用统计模拟方法,分析了土壤温度的日变化及土中热交换特性,评述了水热耦合效应。地温的日变化特性用谐波分析方法描述,各季典型天气下24小时热通量值由热平衡台站规范方法计算。结果表明,各层次地温的日变化基本表现为一阶谐波,这种正弦的波形尤以晴天最为明显。不同季节典型天气下土中热通量的变化由正值转为负值的时间基本一致出现在16时,阴天提前1时,由负值转为正值的时间基本一致出现在7时,冬季阴天出现在9时。水热交互作用与土壤含水量的变化有显著相关关系。     

黄土高原土壤水分与水土保持措施相互作用

土壤水是重要的生态水源和水文要素之一,黄土高原位于干旱半干旱地区,降水量的年际变化大和季节分配极不均匀,土壤水资源对植物生长发育的影响尤为重要。同时,土壤水的数量及其分布也受人类活动影响。水土保持措施是黄土高原人类改造下垫面过程之一,这种改造会影响土壤水分的静态分布和动态过程。水土保持坡面工程措施能有效地提高土壤含水率。深根系人工林草植被使土壤含水率降低,甚至造成利用性土壤干层,影响人工植被的永续发展。尽管天然植被也有较高的生产力水平,但并未引起土壤水分状况的恶化,这是黄土高原植被营造及规划中值得注意和进一步研究的问题     

黄土丘陵沟壑区水土保持关键措施变化特征

[目的]揭示黄土高原地区不同水土保持措施各阶段特点,为水土流失治理的关键措施和主要策略提供理论依据。[方法]以黄土丘陵沟壑区1954—2015年不同水土保持措施数据为基础,分析了梯田、造林、种草、封禁、淤地坝等5项水土保持措施的变化。[结果]各项措施的应用面积均随着治理年限增加呈上升趋势,其中以造林措施增幅最快,面积最大。各项措施历年增量比重相对稳定,造林措施增量比重最大为58%,封禁治理措施的面积增量比重逐步上升,梯田面积增量比重逐年下降;淤地坝工程数量表现出先增加后降低的趋势。[结论]黄土丘陵沟壑区水土保持措施的时空变化格局与国家政策的指导性与地方治理需求有关,造林是该区域的最为主要的水土保持措施,封禁保护已成为黄土高原植被恢复的发展趋势。