Relationships between rock fragment cover and soil hydrological response in a Mediterranean environment

Rock fragments are a key factor for determining erosion rates, particularly in arid and semiarid environments where vegetation cover is very low. However, the effect of rock fragments in non-cultivated bare soils is still not well understood. Currently, there is a need for quantitative information on the effects of rock fragments on hydrological soil processes, in order to improve soil erosion models. The main objective of the present research was to study the influence of rock fragment cover on run-off and interrill soil erosion under simulated rainfall in Mediterranean bare soils in south-western Spain. Thirty-six rainfall simulation experiments were carried out at an intensity of 26.8 mm h⁻¹ over 60 min under three different classes of rock fragment cover (<50%, 50–60% and >60%). Ponding and run-off flow were delayed in soils with high rock fragment cover. In addition, sediment yield and soil erosion rates were higher in soils with a low rock fragment cover. The relationship between soil loss rate and rock fragment cover was described by an exponential function. After this first set of experiments, rock fragments were removed from sites with the highest cover (>60%) and the rainfall simulation experiments were repeated. The steady-state run-off rate and soil loss increased significantly, showing that run-off and soil erosion were partly conditioned by rock fragment cover. These results have significant implications for erosion modelling and soil conservation practices in areas with the same climate and soil characteristics.     

地膜秸秆双覆盖对免耕种植玉米田土壤水热效应的影响

针对免耕秸秆覆盖种植在北方旱区导致土壤温度降低,从而造成作物产量下降的问题,该研究依托山西寿阳农业部旱地农业野外科学试验站长期保护性耕作定位试验,在免耕秸秆覆盖(NTSM)的处理上增加了地膜覆盖措施,研究秸秆地膜双覆盖免耕(NTSMP)措施对农田土壤水分、土壤温度、水分利用效率及作物产量的影响。研究结果表明,在玉米生长前期,NTSMP 0~20 cm土层的土壤含水率分别比NTSM和对照处理(CT)高20.2%和21.5%,差异显著(P0.05),但在40~110 cm土层,NTSMP处理土壤含水率却分别比NTSM及CT低8.8%~14.0%和12.7%~18.8%,差异显著(P0.05)。整个生育期结束后,NTSMP处理的土壤储水量出现了负增长,但与CT处理相比差异并不显著(P0.05)。玉米生育期前期(4月~5月)0~10 cm土壤平均温度,NTSMP处理比NTSM和CT分别高3.2℃和1.9℃,差异显著(P0.05)。NTSMP处理的玉米产量分别比NTSM和CT高50.3%、36.8%(P0.05),水分利用效率分别提高了42.5%和30.4%(P0.05)。可见,NTSMP在玉米生育前期可以增加表层土壤温度,提高表层土壤含水率,为玉米生长提供了良好的水热条件,并最终实现了玉米产量和水分利用效率的大幅提高。     

降雨特性和覆盖方式对麦田土壤水分的影响

为探明不同降雨特性和覆盖方式对冬小麦土壤水分的影响,利用人工模拟降雨器,模拟40和60mm/h2种降雨强度,在大田设置地膜覆盖(PM)、秸秆覆盖(覆盖量分别为1500、4500、7500和10500kg/hm2,即SM15、SM45、SM75和SM105),同时设置无覆盖处理作为对照(CK),研究不同降雨强度和覆盖方式对雨后冬小麦0～60cm土层土壤水分分布和降雨土壤蓄积量的影响。结果表明:模拟降雨前各覆盖处理土壤含水率均比CK高,其中0～20cm土层土壤含水率差异显著(P<0.05),而20cm以下各处理土壤水分相差较小,除SM105与CK差异显著外(P<0.05),其他处理与CK差异不显著;同一覆盖处理,60mm/h降雨强度条件下降雨入渗深度和入渗量明显高于40mm/h。在相同雨强条件下,不同覆盖处理可以不同程度的增加耕层土壤含水率,其中秸秆覆盖量越大,效果越明显,而PM效果最差;2种雨强条件下各处理0～60cm土层降雨土壤蓄积量规律表现一致,即SM105>SM75>SM45>SM15>CK>PM,其中SM105和SM75均显著高于CK(P<0.05),PM则显著低于CK(P<0.05);受植株冠层降雨截留的影响,同等降雨条件下,同一覆盖处理拔节前降雨土壤蓄积量大于拔节后的;相比60mm/h降雨强度,40mm/h降雨强度下各处理拔节前、后降雨土壤蓄积量变化幅度较大。     

地膜覆盖与秸秆深埋对河套灌区盐渍土水盐运动的影响

为探索不同耕作措施的控抑盐效果,采用大田试验方法,以耕翻(CKT)、地膜覆盖(CKP)、秸秆深埋(CKS)为对照,研究了地膜覆盖与秸秆深埋(P+S)措施对河套灌区盐碱葵花田土壤水盐时空动态变化的影响。结果表明:1)P+S措施可稳定蓄水保墒,尤其针对20～40cm土层具有持续保墒效果,收获期P+S处理>20～40cm土层含水率为20.69%,比CKP高5.62%,比CKS高38.03%,比CKT高39.80%;2)P+S措施可显著抑制积盐。播前到收获期,P+S处理积盐量为0.06g/kg,分别比CKS、CKP和CKT处理低35.11%、133.78%和276.89%;3)P+S措施可建立"高水低盐"的土壤溶液系统,显著提升并延续灌溉淋洗在>20～60cm土层形成的淡化效果,形成"苗期根域淡化层";4)P+S措施可降低土壤体积质量,增加土壤有机质和含水率,从而抑制矿化度较高的潜水蒸发,防止"盐随水来",提高产量。研究成果可为内蒙古河套灌区盐渍土实施地膜覆盖与秸秆深埋改良措施提供参考。     

柠条秸秆和地膜覆盖对土壤水分和玉米产量的影响

为了探讨北方农牧交错带不同保墒措施下旱地玉米的土壤水分特征及其对产量的影响,以甘农118为试验材料,监测了单膜(SFP)、双膜(DFP)、柠条秸秆沟埋(CPDP)和裸地(CK)4种不同处理下0~100 cm土壤水分季节变化、垂直变化及年际变化,测定了玉米产量和水分利用效率。结果表明:SFP和DFP处理明显改善0~40 cm土层土壤体积含水率,较CK处理保墒效果提高35.65%~47.91%,但随着玉米生育期的推进,由于玉米生长耗水和土壤蒸发作用,建植后土壤体积含水率均接近或低于萎蔫系数(7.20%)。连续2 a种植玉米4种处理土壤贮水量均有不同程度的减少,CPDP和CK处理土壤贮水量分别减少了68.42和68.07 mm,其次为SFP(53.49 mm),DFP减少最小(48.98 mm),说明研究区内玉米生长需要消耗大量土壤水分。SFP和DFP能够增加玉米对降雨和土壤水的利用,不同年份产量水分利用效率较CK处理分别提高12.55%~35.71%和25.11%~54.70%。SFP和DFP耗水量、产量和水分利用效率均无显著差异(P0.05),因此建议在研究区种植玉米时可以采取SFP措施,而CPDP耗水量较高、产量和水分利用效率相对较低,不宜采取此种保墒措施。     

基于CERES-Rice模型的覆膜旱作稻田增温效应模拟

水稻覆膜旱作技术具有显著的节水、增温、防污和减排效应,是节水稻作技术体系的重要措施之一,将CERES-Rice模型用于覆膜旱作条件时,必须首先解决覆膜增温效应的准确模拟问题。该文拟应用热量传输理论及目前旱地作物生产系统中采用的覆膜增温效应模拟方法,来模拟水稻覆膜旱作生产体系中的增温效应,从而为完善CERES-Rice模型并使其能用于覆膜旱作水稻的生长模拟奠定基础。参数调校与模型检验验证通过2013、2014年在湖北房县开展的2 a水稻覆膜旱作田间试验来进行,共涉及淹水(对照)、覆膜湿润栽培和覆膜旱作共3个水分处理,分别对2个生长季、2个覆膜处理地表5 cm及地下10、20 cm处温度的变化过程进行了模拟,结果表明:经过参数调校后,所建立的覆膜增温模型可较好地模拟覆膜稻田地表和剖面上土壤温度的变化规律,地表5 cm处土壤温度模拟值与实测值的均方根差、相对均方根差分别低于1.8℃和10%,相关系数在0.89以上(P0.01);尽管地下10、20 cm处的模拟误差稍大,也基本可满足要求,相应的均方根误差3.2℃,相对均方根差15%,相关系数0.65(P0.01)。     

耕作方式对东北春玉米农田土壤水热特征的影响

针对东北春玉米农田春季低温冷害和季节性干旱发生频率高的问题,于2009年-2010年设置3种耕作处理,即传统垄作(LL)、平作播种中耕起垄(PL)和全生育期平作(PP),研究大田条件下耕作方式对土壤水分、土壤温度和玉米产量的影响。2a试验结果表明,耕作方式对0～40cm土层储水量有显著影响,其中PL和PP处理播种时的初始储水量比LL处理高8.7和6.0mm,而苗期则分别高4.1和3.4mm;玉米生育中后期PL和LL处理储水量则呈高于PP处理的趋势。3种耕作方式下土壤温度的差异以苗期为主,即5cm土层的平均温度PL和PP处理显著低于LL处理,但最低温度则以PL和PP处理显著高于LL处理,分别高1.6和1.2℃。总体来看,PL处理不仅可提高玉米苗期土壤的最低温度和耕层土壤储水量,而且可增加中后期土壤积蓄雨水量,促进作物生长发育,因而籽粒产量比LL和PP处理分别高7.6%和6.4%。     

不同土壤水分处理对膜上灌春小麦土壤温度的影响

依据膜上灌春小麦大田试验资料,研究了地膜覆盖和露地处理不同土壤水分亏缺水平对土壤温度变化特征的影响.结果表明:不同土壤水分处理对土壤温度的影响差异较大,覆膜重度水分亏缺处理土壤温度在全生育期始终较高,日最高土壤温度较露地丰水处理高9.8℃,而覆膜丰水、轻度与中度水分亏缺处理日最高土壤温度依次较露地丰水高6.4℃、4.6℃和1.7℃;受不同因素影响,三叶期和灌浆期各处理间土壤温度差异较大,日变幅分别在2.1～11.4℃和2.4～13.5℃之间;在不同土层中,各处理土壤温度变化幅度大致沿深度递减,0 cm土壤温度日变幅最大,为34.6～40.9℃,25 cm处土壤温度日变幅最小,为3.0～3.5℃,0～5 cm处除覆膜轻度和中度处理之间无显著性差异,其余各处理均达到极显著差异.试验结果将对膜上灌春小麦土壤温度调控及制定合理的灌溉制度提供理论依据.     

可降解地膜对土壤、温度水分及玉米生长发育的影响

针对普通地膜覆盖导致的农田土壤污染现象,进行了可降解地膜、普通地膜覆盖及露地栽培玉米对比试验,探讨可降解地膜对土壤温度、土壤水分、玉米生长发育、产量及相关农艺性状的影响。结果表明,与露地栽培相比,可降解地膜覆盖能明显提高玉米播种后2个月的地表和地下10 cm的土壤温度,增加玉米播种至大喇叭口期0～20 cm、>20～40 cm的土壤水分含量,使玉米生育进程加快,出苗率和拔节期节根层数及条数增加,玉米不同生育时期株高、叶面积及地上部干物质积累量增加,玉米穗粒数增加9.6%,千粒质量增加20.9%,产量增加35.1%。可降解地膜和普通地膜间差异不显著。研究认为,以可降解地膜替代普通地膜应用于农业生产是可行的。     

模拟降雨条件下保水剂对沙质土壤水分的影响

为了探究保水剂对沙质土壤水分的影响,采用室内重建土柱,在人工模拟降雨条件下研究不同用量保水剂对沙质土壤(0~30 cm)含水率的影响。结果表明:土壤含水率随着保水剂用量的增加而增加,保水剂用量为0.2%时不但省时省力,而且0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 3个土层土壤含水率分别为45.42%、48.48%、46.16%,既能满足植物的生长需要,又能节省经济成本,可为干旱、半干旱区节水造林及保水剂的合理使用提供理论依据。     

基于van Genuchten模型的渭北苹果园土壤水分能量特征分析

针对渭北地区干旱缺水,果树生长发育受限的客观实际,开展了苹果树生育期0～150 cm土壤水吸力动态变化规律研究。依据渭北果园土壤剖面构型,将离心机法与水汽平衡法相结合,按照发生学土层,逐层测定了供试土壤水分特征曲线,并用van Genuchten模型拟合。基于该模型,将在幼龄果园、老龄果园以及农田定期逐层监测的土壤水分含量转化为土壤水吸力,以农田为对照,评价植果条件下土壤水分的胁迫状况。结果表明,van Genuchten模型能很好地拟合渭北果园耕层、农田耕层、黑垆土层及黄土母质层的水分特征曲线,拟合精度均达0.96以上。渭北地区农田受干旱胁迫较严重,3月中旬－7月初,0～100 cm土层均处于水吸力高于3.98的重度胁迫状态;受植被冠层覆盖及果树生育期的影响,干旱对果树的胁迫程度较农田小,对老龄果园胁迫程度比对幼龄果园的大,幼龄果园在3月中旬－5月初、5月底－7月初仅0～20 cm土层为高水吸力区,直至6月中旬－7月中旬高水吸力区才延伸到40～70 cm土层;老龄果园在3月中旬－4月底的0～40 cm土层、5月底－7月中旬的30～100 cm土层和7月中旬－8月底的0～20 cm土层为高水吸力区。可得出,渭北不同园龄苹果园在不同生育期的不同深度土层会间歇性地出现高水吸力的土壤水分胁迫区,但相对于农田而言,果园受到的干旱胁迫相对较轻,渭北地区植果有助于缓解干旱胁迫。     

垄作免耕技术对土壤水分和玉米产量的影响

摘要：该文以2006年建立的垄作少免耕定位试验田为研究对象,分析了传统垄作和碎秆全量覆盖垄作少免耕和高留茬垄作少免耕3种耕作方式对土壤水分以及作物产量等的影响,以建立适合玉米垄作体系的垄作播种技术。5 a长期定位试验结果表明,垄作少免耕种植模式能够改善土壤结构,增加土壤蓄水保墒能力,提高土壤水分利用效率;与传统垄作模式相比,碎秆全量覆盖和高留茬覆盖2种垄作少免耕模式的作物产量分别增加了4.1%～10.7%和1.9%～6.4%,土壤水分利用效率分别提高了5.4%～10.2%和4.1%～7.9%,其中碎秆全量覆盖垄作少免耕模式效果最为明显。研究结果可为辽宁省垄作播种模式的开展提供参考。     

基于EPO-PLS回归模型的盐渍化土壤含水率高光谱反演

表层土壤含水率对于指导农业灌溉有重要的作用。研究表明,土壤光谱受到土壤水分和盐分的共同影响,但对于盐渍化地区的土壤含水率高光谱反演却很少涉及。该文通过对11组不同含盐量土壤室内蒸发过程连续监测,获取相关反射率光谱和水分、盐分的变化数据,利用外部参数正交化方法(external parameter orthogonalisation,EPO)预处理土壤光谱,滤除盐分(质量比0.1%~5.0%)的影响,建立经过EPO预处理后的偏最小二乘(partial least squares regression after EPO pre-processing,EPO-PLS)土壤水分预测模型。与偏最小二乘(partial least square model,PLS)模型相比,验证样本的决定系数R2和对分析误差RPD(residual predictive deviation)分别从0.722、1.976上升到0.898、3.145;均方根误差RMSE从5.087 g/(100 g)减少到3.237 g/(100 g)。通过EPO算法预处理后的模型性能提升显著,利用该方法能够有效的消除土壤盐分的影响,很好地实现盐渍化地区的水分含量估测。     

不同种植方式对红壤旱地土壤水分及抗旱能力的影响

通过3年田间小区试验,研究不同种植方式对红壤旱地土壤水分及抗旱能力的影响.结果表明：1）与种植花生相比,种植苎麻可显著提高土壤有机质质量分数（28.44％）、田间持水量（10.06％）和总孔隙度（5.65％）,土壤密度则显著降低7.20％;2）监测期内,花生地各层土壤以及整个0～ 100 cm土体水分变异系数普遍高于苎麻地,苎麻地0 ～ 100 cm土体水分的时间稳定性和空间协调性优于花生地;3）苎麻地0～ 40 cm土壤较花生地延长抗旱时间7d以上,但随着土层的加深,差异越来越小;4）红壤坡耕地种植苎麻有利于提高红壤旱地土壤抗旱能力,特别是中、上层土壤.从扩充土壤水库的角度考虑,红壤旱地种植苎麻优于种植花生,该研究结果可为挖掘红壤区深层土壤水分提供参考.     

旱地施有机肥对土壤水分和玉米经济效益影响

为了探明不同有机肥施用量对渭北旱塬土壤水分及玉米经济效益的影响,于2007-2010年在渭北旱塬进行了3个水平的有机肥施用量(7500、15000和22500kg/hm2)配施等量化肥试验,以单施化肥为对照(CK)。结果表明,施肥第4年(2010年),有机肥处理可显著提高大喇叭口期土壤贮水量11.49%～21.63%;高量有机肥处理比低量有机肥处理可显著提高大喇叭口期土壤贮水量9.09%。高量有机肥处理200cm土层平均贮水量比对照高4.79%～7.65%(差异显著)。中量有机肥处理施肥第4年可显著提高200cm土层平均贮水量6.50%。施有机肥能显著增加玉米水分利用效率12.37%～37.55%。高、中量有机肥处理的水分利用效率较低量有机肥处理有显著增加。随有机肥施用年限延长,土壤状况不再是影响作物水分利用效率提高的主要因子。该研究表明,中量有机肥处理蓄水保墒增收效应明显。     

基于土壤微波辐射布儒斯特角反演土壤含水率

在利用被动微波遥感技术进行裸露地表土壤含水率（Soil Moisture Content,SMC）的反演中,土壤粗糙度是制约反演精度的最关键因素。该研究利用改进的积分方程模型（Advanced Integral Equation Model,AIEM）进行地表多角度微波发射率的模拟,探索地表微波辐射多角度信息用于提高地表SMC反演精度的可行性。基于不同SMC和不同粗糙度地表多角度V极化发射率数据的变化趋势提取土壤介质布儒斯特角,结果表明,土壤布儒斯特角对SMC具有较高的敏感性,C波段（6.6 GHz）不同含水率土壤的布儒斯特角分布在60°～80°范围内。基于AIEM模拟数据的分析发现,土壤布儒斯特角正切值与SMC具有较好的线性关系,线性拟合决定系数为0.94,均方根误差为0.027 cm3/cm3,并得到了基于布儒斯特角的裸露地表SMC反演算法。基于模拟数据的算法验证结果表明,算法的SMC预测值与理论值的决定系数为0.95,均方根误差为0.024 cm3/cm3。算法在不同土壤粗糙度自相关函数下均表现出稳健的特性,SMC预测精度最大均方根误差为0.027 cm3/cm3,最小为0.023 cm3/cm3。基于布儒斯特角的SMC反演算法利用的是多角度土壤发射率的相对变化而非其绝对数值,该研究为SMC的多角度被动微波遥感提供了一种不同的研究思路。     

耕作模式对坡耕地土壤水分和大豆产量的影响

为了探讨北方土石低山地区不同耕作模式对坡耕地的土壤水分特征及其对作物产量的影响,以10°坡耕地大豆田为研究对象,监测了传统耕作(CT)、免耕(ZT)、免耕秸秆覆盖(NT)和横垄(CR)4种不同处理下0～100cm土壤水分垂直变化和水平变化,测定了大豆产量和水分利用效率。结果表明:1)在大豆不同生育期中,各处理在0～40cm土壤水分含量均表现为:NTZTCRCT,当土层深度大于40 cm时,各处理间土壤水分含量的大小关系发生波动变化,其中ZT和NT能明显改善0～50cm土层土壤水分含量,较CT处理保墒效果提高25.34%～35.57%。2)CT和ZT处理坡位间土壤水分含量的大小关系,受大豆生育期内总降雨量的影响较小,分别表现为:下坡位中坡位上坡位和下坡位≈中坡位上坡位,而NT和CR处理坡位间土壤水分含量的大小关系,会随着大豆生育期内降雨总量的不同而产生微变。3)各处理剖面土壤水分空间分布格局均表现出下湿上干的特点,CT和CR湿润土层(体积含水率≥11.6%)分别位于坡底40～100 cm和坡顶40～100 cm处,而干燥土层(体积含水率≤8.6%)则分别位于坡顶10～30 cm和坡底10～20 cm处。ZT湿润土层(体积含水率≥12%)分布集中性较差,NT湿润土层分布集中性最好,且范围最大,占据了整个坡面40～100cm深度范围。4)所考虑的3个因素对土壤水分含量影响作用的大小表现为:耕作模式剖面深度坡位。5)在2a试验中,与CT相比CR、ZT和NT处理产量分别平均增加8.77%、15.68%和26.74%,水分利用效率分别平均提高6.32%、11.6%和20.61%,因此建议在研究区种植大豆时,优先采用NT耕作模式。     

低山丘陵区红壤水分的动态变化及影响因素

红壤分布区域是中国重要的粮食产地,但是降水时空分布的不均匀导致了季节性干旱的发生。因此,了解红壤中水分时空分布规律具有十分重要的意义。该文研究了低山丘陵区红壤旱地不同肥料配比长期试验小区土壤含水率的季节性变化状况及其与气象因素的关系,分析了典型红壤地区的土壤水分变化规律。结果表明：研究区1 a内的土壤含水率变化分为4个阶段：土壤水分充盈期、土壤水分亏缺期、土壤水分补充恢复期和土壤水分平稳期。空白小区土壤含水率变化较大;在施用肥料的试验小区中,蒸发对氮肥小区、氮磷小区和氮磷钾小区的影响逐渐降低;而降雨对氮肥小区、氮磷小区和氮磷钾小区的影响力逐渐增加。通过掌握典型红壤地区的土壤水分变化规律,对该地区水资源的调配管理、灌溉安排及干旱评估均可起到重要的指导作用。     

钙结石含量对土壤水分蒸发影响的模拟试验

通过在土柱中人工模拟黄土高原北部含钙结石土壤,在土壤总水分一致的情况下研究了钙结石含量对土壤水分蒸发过程的影响,以期为黄土高原特定土壤类型中土壤水平衡的计算和模拟提供试验依据。研究结果表明：不同钙结石质量分数（钙结石质量/（钙结石质量+土壤质量））的土壤水分累积蒸发在最初的7 d内差别不大,随后表现出一定的差异;试验期间不同处理的蒸发率差异很小。土壤水分蒸发量随钙结石质量分数的增加而降低,当钙结石质量分数为0.5时,土壤水分蒸发降低8 mm,占到土壤总水分的10%。土壤水分蒸发与钙结石含量之间的负相关关系与钙结石含量增加所导致的土壤含水率降低有关。钙结石对土壤水分蒸发的作用效果与钙结石吸水性、钙结石含量以及水分在钙结石和土壤之间的分配有关。     

地膜残留量对新疆棉田蒸散及棵间蒸发的影响

为探讨残膜对干旱区农田蒸散耗水特征的影响,在新疆阿克苏典型覆膜滴灌棉田开展2 a小区试验研究,设计0、225、450 kg/hm2共3种不同的地膜残留量,采用水量平衡法,微型棵间蒸发仪法,于主要生育时期测定并计算土壤含水量、蒸散量、棵间蒸发量、作物蒸腾量、棵间蒸发占蒸散的比例。结果表明:随着地膜残留量增加棵间蒸发量、棵间蒸发占蒸散的比例呈增大趋势,而蒸散量及作物蒸腾量则逐渐减小。与无残膜处理相比,225和450 kg/hm2处理全生育期田间无效耗水的棵间蒸发量分别增加了9.27和22.20 mm,棵间蒸发占蒸散的比例增幅分别为2.6%和6.1%,作物蒸腾量降低34.89和55.94 mm。在棉花生育期内,棵间蒸发占蒸散的比例(E/ET)与叶面积指数(leaf area index,LAI)呈幂函数关系,各处理间棵间蒸发占蒸散的比例对叶面积指数的响应差异不同,450 kg/hm2处理蒸发占蒸散的比例随着LAI的增加,曲线下降趋势较明显;无残膜处理棵间蒸发占蒸散的比例与LAI的决定系数最高,均在0.9以上。土壤水分利用率也随残膜量的增加依次降低,当残膜量由0增加到450 kg/hm2时,土壤水分利用率从28.25%降至24.91%,可见,残膜增大了农田的无效耗水,不利于土壤水分的有效利用。研究可为制定缓解或克服残膜危害的应变调控技术提供依据。