基于探地雷达的喀斯特峰丛洼地土壤深度和分布探测

[目的]研究喀斯特土壤的深度和分布,为利用探地雷达(GPR)技术开展喀斯特地区峰丛洼地土壤分布的研究提供理论依据。[方法]通过室内模拟试验,建立喀斯特地区3种典型质地土壤(砂质黏壤土、黏壤土、粉(砂)质黏土)中探地雷达电磁波波速和土壤含水量的关系式。通过实地测定土壤质地和含水量,选择合适的关系式,对探地雷达图像进行校准、解译,获得土壤深度,并采用开挖法进行验证。[结果]得到了3种质地土壤中电磁波波速(ν)与含水量(θ)关系的三次多项式。利用该关系式探测的喀斯特土壤理论深度与实地开挖的结果相符,误差为0—10cm。利用探地雷达软件生成了反映测线下不同位置土壤深度的二维图像和样方内土壤深度分布的三维图像,表明土壤主要分布在0—50cm。[结论]利用探地雷达技术探测喀斯特地区土壤深度和分布是切实可行的。     

基于探地雷达的滨海盐渍土表层含水量测定研究

本研究选取了17个植被类型不同或长势不同的典型地块,利用250 MHz中心频率探地雷达,采用固定间距法和共中心点法两种测量方法,分析电磁波信号对土壤剖面特性变异分层的响应特征,提取地面波和表层反射波的传播速度,代入常用的11个土壤介电常数—含水量经验模型,反演表层土壤(0~30 cm)体积含水量。GPR图像可清晰识别0~1m土层的空气波、地面波和反射波信号;GPR反演体积含水量与农田表层土壤实测质量含水量的相关系数可达0.8以上,其中以Topp模型与巨兆强模型的相关系数最高,朱安宁粉砂黏潮土的θ~ε经验模型的平均反演误差为0.012 m~3 m~(-3);对于表层土壤盐分较高的地块,反射波信号反演表层土壤含水量的效果优于地面波;表层土壤扰动越大,雷达波信号提取误差越大,GPR反演含水量的精确度越低。     

低频探地雷达地波法测定土壤含水量的可行性研究

利用地波法来探讨低频探地雷达(GPR)在土壤含水量测定方面的可行性。分别采用50 MHz和100 MHz天线的探地雷达地波法对黄淮海平原潮土地区砂壤土和砂土中的含水量进行了探测研究。结果表明,50 MHz天线GPR分辨率过低,在砂土和砂壤土中均无地波信号。100 MHz天线在砂壤土中无地波信号,但在砂土中可清晰读取出空气波和地波。TDR测得含水量为6.3%的砂土,用100 MHz天线地波法3次测定结果分别为5.9%,6.2%和6.5%,绝对误差均在0.4%以内。采用共中点法(CMP)和固定间距法(FO)相结合探测土壤含水量,在FO最佳天线间距1 m时测得灌水前后的砂土含水量分别为6.5%和20.2%,与TDR测定结果6.3%和19.7%相比,绝对误差在0.5%以内。100 MHz天线CMP和FO相结合的方法兼顾了CMP法读取地波的精确和FO法的快速便捷,在砂土的含水量测定应用中是可信、可行的。     

基于低频GPR的土壤累积入渗量的探测方法研究

农田尺度上土壤累积入渗量的准确获取是目前土壤入渗研究中的难题.通过土工模拟和灌水实验,探讨利用低频探地雷达(GPR)技术探测土壤累积入渗量的方法.在分析灌水前后GPR剖面特征的基础上,分别构建和对比了基于波速法和振幅法的土壤累积入渗量计算模型.结果表明,基于振幅的探测模型在精度和稳定性方面均优于波速法,反射波振幅模型精度高于地面波模型,利用反射波波谷1构建的累积入渗量的GPR探测模型的决定系数达到0.96.因此,使用低频探地雷达可以实现对土壤累积入渗量的准确探测.研究结果为农田尺度上土壤累积入渗量的探测方法提供了一种新思路,同时,也为GPR在土壤学领域中的进一步应用提供了科学依据.     

基于低频探地雷达的土壤累积入渗量的探测方法研究

农田尺度上土壤累积入渗量的准确获取是目前土壤入渗研究中的难题。通过土工模拟和灌水实验,探讨利用低频探地雷达(GPR)技术探测土壤累积入渗量的方法。在分析灌水前后GPR剖面特征的基础上,分别构建和对比了基于波速法和振幅法的土壤累积入渗量计算模型。结果表明,基于振幅的探测模型在精度和稳定性方面均优于波速法,反射波振幅模型精度高于地面波模型,利用反射波波谷1构建的累积入渗量的GPR探测模型的决定系数达到0.96。因此,使用低频探地雷达可以实现对土壤累积入渗量的准确探测。研究结果为农田尺度上土壤累积入渗量的探测方法提供了一种新思路,同时,也为GPR在土壤学领域中的进一步应用提供了科学依据。     

基于探地雷达的水库坝前淤积土沉积规律研究

宁夏南部黄土丘陵山区水库除险加固工程中普遍采用"坝前淤积面加坝"工法进行施工,而淤积层的分布规律对评价坝基稳定性至关重要。为勘察淤积土剖面分层情况和空间分布特征,利用探地雷达(GPR)对固原市西吉县大沙河水库坝前淤积土进行探测试验。在选定的坝前淤积土探测区域内,布设了10条测线,首先确定了雷达探测最佳图像效果的叠加次数,然后在所有测线上每隔0.5 m (共计794个测点)进行了探测。同时开挖深度为1.5 m的探槽观察淤积层剖面状况,并在不同深度剖面上取土样进行室内基本物理性质试验。结果表明:雷达探测的最佳叠加次数为512次;雷达波谱图显示在深度为0～2.5 m范围内,坝前淤积土有6层明显的沉积层理;在深度为4～9 m范围内,有清晰连续的河道河床轮廓,各测线上淤泥的沉积厚度范围为3.7～8.2 m;在探槽深度约50 cm处可以观察到明显的砂质粉土—黏质粉土的层理,与探地雷达在该位置的图像解析一致。探测试验为坝前淤积层沉降计算及工程处理措施提供了基础数据。     

基于探地雷达早期信号振幅包络值的黏性土壤含水率探测

为了验证探地雷达探测黏性土壤含水率的精确性,利用探地雷达早期信号振幅包络法平均值方法(average amplitude envelope, AEA)对降雨前后野外农田表层(0.3 m)土壤含水率进行探测,并利用TDR探测土壤含水率以作对比。研究结果显示,土壤水分含量与黏粒含量具有一定相关性。在大面积范围内(1 000 m长测线),TDR2次探测土壤平均含水率分别为14.16、16.91 cm~3/cm~3;AEA方法 2次探测土壤平均含水率分别为14.62、17.88 cm~3/cm~3,与TDR实测含水率差值分别为0.46、0.97 cm~3/cm~3,2种方法探测所得含水率具有极显著的相关性(P0.01),相关系数分别为0.825、0.814。小范围内(40 m×40 m)降雨前后TDR 2次探测黏性土壤含水率分别为14.11、16.77 cm~3/cm~3。AEA 2次探测土壤平均含水率分别为14.86 cm、17.46 cm~3/cm~3,比TDR实测含水率分别大0.74、0.69 cm~3/cm~3。AEA与TDR探测所得含水率相关系数分别为0.701、0.827(P0.01),研究结果表明利用探地雷达AEA方法能够获得与TDR实测精度相近的黏性土壤含水率。利用常规探地雷达共中心点法及共偏移距方法对研究区黏性土壤含水率探测结果显示,这2种方法均不能有效地探测黏性土壤含水率。     

一维马尔可夫链模拟黑河中游流域土壤质地垂向变异

黑河中游地区土壤剖面砂、黏层次相间排列的特点及部分区域剖面中出现的不透水层对土壤中的水分运动和溶质迁移具有重要影响。该研究调查了黑河中游100km2区域内土壤剖面的质地分层情况,运用一维嵌入马尔可夫链模型模拟该地区的土壤质地剖面。研究表明,研究区土壤剖面共出现砂土、壤质砂土、砂质壤土、壤土、黏质壤土、粉黏壤土和粉黏土7种质地类型,层次厚度呈对数正态分布。粉黏土未在表层土壤出现,而砂土在表层出现的概率明显高于其余质地类型,剖面某一质地层之下多出现细粒含量比其高的下一质地类型。剖面上相邻两质地层之间的转移具有明显的马尔可夫链特征(简称马氏性),且马氏链是平稳的。一维嵌入马尔可夫链模型能够较好地描述研究区土壤质地层次的垂向变化,剖面主要的质地层次组合为:砂—壤、壤—砂、壤—黏、黏—壤。对土壤质地剖面的定量模拟,可以为开展该区域土壤水循环、转化和溶质迁移等相关研究提供参考。     

黄河下游不同质地潮土孔隙形态特征

土壤颗粒排列及形成的团聚结构是影响孔隙形态的基本因素,为直观观察与定量测算不同质地土壤的孔隙形态及其变化特征,于山东省东昌府区采集壤土、粘壤土、砂壤土样品,通过常规方法和土壤薄片,研究了土壤孔隙形态特征。结果表明:(1)土壤容重均随深度增加而增加。土壤孔隙度均为表层向下逐渐减少且10月份低于6月份。(2)砂质壤土孔隙形状均以简单堆集孔隙为主。而粘壤土、壤土则以复合堆积孔隙为主,且土壤团聚作用较强。(3)砂质壤土的孔隙平均当量直径(ED)及孔隙形状系数(S)明显高于粘壤土及壤土,而砂质壤土的孔隙复杂度(D)明显低于粘壤土及壤土。且ED及S值分别与土壤砂粒含量呈显著正相关,与粉、粘粒含量呈显著负相关;D值与砂粒含量呈显著负相关,而与粉、粘粒含量呈显著正相关。综上,土壤质地(即砂、粉、粘粒含量)能够影响土壤孔隙形态。     

利用GPR多频天线振幅包络平均值法估算滴灌棉田土壤盐分含量

土壤盐渍化问题严重制约着农业经济发展,快速准确地掌握农田土壤的盐渍化信息是盐渍化防治的前提。为准确快速地了解滴灌棉田土壤盐分含量情况,该研究采用探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)多频天线(250 MHz和1 000 MHz)对典型滴灌棉田土壤进行探测,通过GPR振幅包络平均值法(Average Envelope Amplitude,AEA)获取土壤视在介电常数,以Dobson盐渍土介电模型(Dobson dielectric model of saline soil,Dobson)为理论工具,估算滴灌棉田土壤的盐分含量。同时,将视在介电常数、土壤容重、含水率和土壤黏粒含量5个参数设置为模型输入变量,采用多元线性回归方法(Multiple Linear Regression,MLR),建立膜下滴灌棉田土壤盐分反演模型,并使用BP神经网络(Back Propagation neural network,BP)进行模拟预测。最终,以实测盐分为基准,评价MLR模型、BP模型和Dobson模型反演盐分含量的效果。结果表明:1)探地雷达250 MHz和1 000 MHz频率天线AEA法探测的有效深度均为0～30 cm。2)1 000MHz频率天线AEA法获取的介电常数与实测含水量有较好的多项式关系,且实测含水量和反演含水量拟合效果和精度较好,决定系数R~2为0.96,均方根误差RMSE为1.61%,平均误差率MER为7.25%。3)3种盐分反演模型中,Dobson盐渍土介电模型反演精度明显高于其他2种方法,R~2达到0.91,RMSE为0.313 g/kg。因此,利用GPR多频天线AEA法估算滴灌棉田土壤盐分含量是可行且可靠的。该法为反演土壤盐分含量提供新途径,丰富了盐分含量探测的方法及手段。     

土壤含水量测定方法研究进展

综述了国内外近20a来测定土壤含水量的研究情况,总结了国内外常用的测定土壤含水量的方法及其原理, 比较分析了各种测定方法的优缺点,介绍了一些新兴的土壤含水量测试技术,提出了本领域中存在的主要问题及研究展望,指出未来的土壤含水量测定方法应当是朝着高精度、低成本、非破坏、自动化等方向发展。     

温带阔叶林、针叶林和针阔混交林土壤呼吸的比较研究

对韩国广陵树木园的阔叶林、针叶林和针阔混交林的土壤呼吸排放量进行观测、分析和比较 ,研究土壤呼吸与环境因子之间的相互关系 ,从中探究各森林植被类型之间产生土壤呼吸差别的原因。利用Q10 模型计算出阔叶林、针叶林和针阔混交林的土壤呼吸Q10 值为 3 6、3 8和 3 2 ,再根据对当地各观测站土壤温度的连续观测数据 ,计算出阔叶林、针叶林和针阔混交林的土壤呼吸日均排放量 ,依次分别为CO2 15 12、15 10和 13 99gm-2 。     

Sensitivity analysis of soil hydrologic parameters for two crop growth simulation models

Soil characteristics are some of the most important inputs in crop simulation models like CERES-Maize and MACROS models under field conditions. A sensitivity analysis of these models was carried out for 1995 and 1996 by incorporating changes (+2, +4, +6, −2, −4, and −6%) of the measured values of three basic soil input parameters: wilting point (WP), saturated soil water content (FS) and field capacity (FC). For this purpose, eight soil profile layers were chosen for CERES-Maize and three for the MACROS model. The MACROS model was found to have a higher degree of sensitivity to changes in the relevant soil parameters than the CERES-Maize model, especially for WP. For the MACROS model, an earlier end of the growing period (75 days) for maize at the +6% level for WP was simulated in 1995 as against 152 days for the CERES-Maize model. The yield in 1995 due to 6% increase in WP resulted in a decrease of about 35% yield when CERES-Maize model was used. In 1996 the increase in WP by 6% resulted in decrease of yield by 22.5 and by 0.9% for MACROS and CERES-Maize models, respectively. When WP was decreased by 6% then the yield was found to increase by about 20.4 and 12.0% for MACROS and CERES-Maize models, respectively in 1995. In 1996 the same alteration of WP caused the yield to increase by about 5.7 and 0.7% for MACROS and CERES-Maize models. Alteration of the model's remaining parameters showed a negligible influence on yields for both the models.     

东北黑土典型坡耕地土壤呼吸特征的研究

本研究以东北黑土典型坡耕地为研究对象,利用LI-8100土壤呼吸测量仪对玉米全生育期土壤呼吸进行了原位监测,分析了坡耕地不同部位(坡顶、坡肩、坡背、坡趾)土壤呼吸速率变化规律、土壤呼吸总量、土壤呼吸速率与土壤水热因子之间的关系。结果表明:该地区土壤呼吸速率呈现"春秋季低夏季高"的季节性变化规律,坡趾位置土壤呼吸峰值显著高于坡顶、坡肩、坡背位置(P0.05)。不同部位土壤呼吸速率与土壤温度呈现显著线性关系(P0.05),与土壤含水量相关性不显著(P0.05)。土壤呼吸总量以坡趾位置最高[523.97 g(CO_2-C)×m~(-2)],显著高于坡背[443.13 g(CO_2-C)×m~(-2)]、坡肩[426.81 g(CO_2-C)·m~(-2)]、坡顶[388.5g(CO_2-C)·m~(-2)]3个位置18.5%、22.8%和34.9%(P0.05)。说明黑土坡耕地不同位置土壤呼吸存在显著差异,准确评价黑土坡耕地土壤呼吸需要综合考虑坡耕地不同坡位的差异,减少引用平地监测结果来评估坡耕地土壤呼吸量所造成的偏差。     

贵州省土壤含硒量及其分布

贵州省土壤全硒含量的范围为０．０６４－１．３２６ｍｇ／ｋｇ，平均值０．３６９ｍｇ／ｋｇ。全境土壤含硒有由北向东南和随地势下降而逐步增加的趋势。全省可划分为：１．低硒区２．中低硒区３．中硒区４．中高硒区。贵州多数地区土壤属中等含硒水平，少数土壤富硒，同时还有少量缺硒土壤分布。     

Water repellency and moisture content spatial variations under Rosmarinus officinalis and Quercus coccifera in a Mediterranean burned soil

Variations in the distribution pattern of soil water repellency (SWR) and soil moisture are of major importance for the hydrological and geomorphological processes in Mediterranean burned areas, and also for their ecological implications concerning to re-establishment of the vegetation cover. This paper studies the influence of Rosmarinus officinalis L. and Quercus coccifera L. vegetated patches on SWR and their relationships with soil moisture content (SMC) and soil organic matter (SOM) in burned and unburned calcareous soils of a Mediterranean shrubland ecosystem, considering the first rainfall event occurred after the wildfire in Les Useres (Castellón, eastern Spain).     

长期施肥对冬小麦/夏玉米轮作下土壤呼吸及其组分的影响

为阐明施肥对农田土壤呼吸的影响,于2002年6月至2003年6月在河南封丘潮土上进行的长期试验地上测定了玉米/冬小麦轮作系统下的土壤呼吸,分析了土壤呼吸与土壤水分和温度的关系,并利用统计分析方法研究了土壤呼吸各组分的贡献。土壤呼吸变化与作物生长发育规律一致,施肥通过影响作物的生长发育而对土壤呼吸产生影响。不同作物生长期,根际呼吸、土壤原有机质以及前作根茬和有机肥中碳对土壤呼吸的贡献不同。玉米期土壤有机质、根际呼吸、前作根茬和有机肥中的碳对土壤呼吸的平均贡献率分别为70.19%、19.43%和10.37%;而小麦生长期则分别为23.75%、62.26%和14.11%。由于不同施肥处理的作物生长量、土壤有机质含量以及前作根茬和有机肥施入而进入的有机碳量不同,造成土壤呼吸个体上存在着较大差异。土壤有机质的消耗主要发生在玉米生长阶段。     

紫色土丘陵区保护性耕作下旱地土壤呼吸及影响因素

为了探讨保护性耕作对旱作农田土壤呼吸的影响,采用LI6400XT便携式光合作用测量系统自带的土壤呼吸室(6400-09)在重庆北碚西南大学试验农场对传统耕作(T,traditional farming)、垄作(R,ridge planting)、传统耕作+秸秆覆盖(TS,traditional farming+straw mulching)、垄作+秸秆覆盖(RS,ridge planting+straw mulching)、传统耕作+秸秆覆盖+秸秆速腐剂(TSD,traditional farming+straw mulching+decomposing agent)、垄作+秸秆覆盖+秸秆速腐剂(RSD,ridge planting+straw mulching+decomposing agent)6种处理下的西南紫色土丘陵区小麦/玉米/大豆套作体系中作物生长季节的土壤呼吸及其水热因子进行了测定和分析。结果表明,6种处理中土壤呼吸速率的季节变化明显,各处理日均土壤呼吸速率差异显著。其中在小麦-大豆条带,小麦土壤呼吸速率均值为1.53μmol m-2s-1,大豆土壤呼吸速率日均值为4.10μmol m-2s-1,各处理日平均土壤呼吸速率大小排序为TRTSTSDRSRSD。在空地-玉米-空地条带,玉米土壤呼吸日均值为2.56μmol m-2s-1,介于小麦和大豆土壤呼吸速率之间,各处理日平均土壤呼吸大小排序为RTRSTSRSDTSD。整个套作体系土壤呼吸总量C为1 543~2 134 g m-2,表现为TRRSTSTSDRSD。研究结果还显示土壤温度和土壤水分是影响旱地农田土壤呼吸的主要因素,二者分别解释了土壤呼吸季节变化的28.9%~53.7%和13.7%~42.0%。水热因子与土壤呼吸速率的回归分析表明,指数方程较好地模拟了土壤呼吸与10 cm土温的关系,土壤呼吸的温度敏感性指标Q10值在2.25~2.69之间;而土壤呼吸与5 cm土壤水分的关系以抛物线型函数模拟最优。土壤呼吸对土壤水分的响应阈值为14.94%。该研究为明确农田生态系统土壤呼吸变化规律及影响因素的控制机理提高参考,对估算全球碳平衡、评估区域碳源汇具有重要意义。     

黄土高原北部日本弓背蚁巢穴结构特征及其影响因素

黄土高原大量的植被恢复为地栖性土壤动物提供了合适的栖息地和充足的食物,土壤动物的筑巢活动可提高土壤大孔隙的数量。以黄土高原北部神木县六道沟小流域的日本弓背蚁为研究对象,通过石膏浇筑法研究了日本弓背蚁巢穴结构特征,对比了日本弓背蚁(Camponotus japonicus)和针毛收获蚁(Messor aciculatus)成熟巢穴结构的异同,分析了土壤质地、土壤含水量和土壤容重对日本弓背蚁巢穴结构的影响。结果表明:日本弓背蚁的巢穴结构由通道和巢室组合而成,通道为圆柱形,其直径大小为4.1~6.6 mm,巢室的形状为倒置漏斗形或立体椭圆形,巢室横截面面积为606~2 117 mm~2;日本弓背蚁和针毛收获蚁巢穴在通道直径、巢室形状和横截面积、巢穴深度等方面有较大的差异;巢穴体积随着蚂蚁群落规模的增加而增加;日本弓背蚁群落在壤土和壤砂土中均有广泛分布,适宜其生存和繁殖的土壤含水量在60~200 g kg~(-1)之间,在土壤颗粒较大的干燥砂土中并不常见;土壤容重越大,蚂蚁巢穴的结构越简单,其通道的长度、分支、节点和巢穴总体积较小。但是,通道直径主要与蚂蚁的体型相关,不受土壤质地、含水量和容重的影响。本研究从小尺度分析了黄土高原植被恢复通过土栖性蚂蚁对土壤结构产生的间接影响,拓宽了黄土高原北部土壤大孔隙的研究范围。     

不同含盐量土壤盐分对蒸发的影响试验研究

土壤地表蒸发是一个复杂的过程,它的正常进行受到诸多因素的影响,其中土壤盐分是蒸发的主要影响因素之一。以内蒙古河套灌区永联试验站含盐土壤为例,通过室内试验盐分含量分别为0.2%、0.6%、1.0%、5.0%的土壤水分、盐分的变化以及对蒸发的影响进行了分析。试验结果表明:实验进行的初始阶段土壤剖面中含水率变化是比较显著,地下水补给对土壤蒸发的影响较大,实验持续到第15天之后随着土壤含水率的稳定变化,土壤蒸发量慢慢下降,这个时间段土壤水分迁移主要被土壤盐分控制。实验开始的前一段时间土壤水分对盐分的影响不太明显,实验持续到15天之后,尤其是,土壤表层形成盐壳之后,土壤水分对含盐量的影响以及盐分对水分的相应反馈比较明显。同一个时间来看,盐分含量高的土壤水分比较低。不同盐分含量的土壤中随着含盐量的增加,土壤蒸发速率减小。通过分析可知土壤含盐量与蒸发量具有很好的相关性,盐分越高,相关性越好。