TDR法测定土壤含水量的标定研究

用波兰ET FOM/mts型TDR水份测定仪对封丘地区两种质地土壤在不同的温度和容量条件下进行测定 ,结果表明 ,其介电常数的平方根 (ε)与土壤容积含水量 (θ)有良好的线性关系 (r≥ 0 .997)。标定曲线的误差 (Sθ/ε)范围为 0 .0 0 2～ 0 .0 2 7cm3cm- 3,其中砂质土壤在温度较低 (1 6℃ )条件下的误差最小 ,壤质粘土在温度较高 (2 6℃ )条件下误差最大。     

东北黑土区土壤凋萎湿度研究

以第二次全国土壤普查资料为基础,调查了东北黑土区黑土类中23个土种的典型剖面,测定了土壤凋萎湿度及相关理化性质,在分析黑土土种凋萎湿度特征及其与土壤理化性质关系的基础上,建立了分别利用土壤理化性质和最大吸湿水计算土壤凋萎湿度的两种方法。研究区23个土种的土壤凋萎湿度变化为9.45%~22.67%,平均为14.90%,随厚度略有增加,但变化不大。3个黑土亚类中,黑土的凋萎湿度最大,白浆化黑土最小。土壤凋萎湿度与机械组成,土壤容重和有机质含量有显著的相关性,可分别利用粘粒含量一个指标,粘粒含量与砂粒含量两个指标,粘粒含量、砂粒含量和容重3个指标计算估算土壤凋萎湿度,且选取变量越多估算效果越好。也可利用土壤最大吸湿水估算土壤凋萎湿度:PWP=1.4742×MH 0.6292。对这些估算方法的检验结果表明,利用土壤理化性质和利用最大吸湿水估算的土壤凋萎湿度与实测结果没有差异,建议方法是可行的。     

TDR在红壤和水稻土含水量测定中Ks值的标定及验证

时域反射仪(TDR)测定土壤水分具有自动、连续和原位监测等优点。根据TDR基本工作原理,标定曲线θv=(K1/2-K1/2w-1)中Ks取值直接关系到θv值测定的准确性,而KS值又与土壤性质(主要考虑质地)S)/(K1/2相关。因此,尽管TDR生产厂家一般均设定缺省Ks值,但为保证测定值的准确性,使用者仍需针对不同土壤类型进行标定和校正。我国南方红壤和水稻土质地粘重,土壤介电常数与砂性土壤和北方潮土等不尽相同,对MP-917型TDR用于测定该地区土壤含水量之基础参数Ks值进行标定,并用PVC土柱结合经典称重法加以验证。结果显示,用标定KS值,测红壤含水量的平均标准差(样本值相对真实值)为0.00484cm3/cm3,水稻土平均标准差为0.00468cm3/cm3,表明Ks标定值较合理。建议一般红壤的Ks=2.92,一般水稻土的Ks=2.90。     

土壤容许流失量研究的方法--以东北典型黑土区为例

概述了国内外土壤容许流失量的发展历史、国内外的应用及研究方法。对东北典型黑土分布、形成、及其侵蚀现状做了阐述。结合前人经验对东北典型黑土区丁值的确定进行了方法上的分析。     

东北黑土区农田土壤水分剖面分布与大气降水关系的研究

东北黑土区属于雨养农业,大气降水是土壤水分的主要来源,大气降水的强度和频率是影响水分在剖面分布的重要因素。以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内水分平衡观测场的自然降水条件下的0~170 cm土体为研究对象(三次重复),2011~2016年的每年5月25日~9月10日利用中子仪测定0~170 cm土层土壤含水量,其中0~10 cm、10~20 cm和160~170 cm土层深度间隔10 cm,40~160 cm间隔为20 cm。研究结果表明:观测期内64.35%以上的降水发生在7月5日~8月20日,0~170 cm不同土层的平均含水量在24.71%~37.23%之间(体积含水量),随着剖面深度的增加不同深度土层间土壤含水量差异逐渐减弱;受降水、地面蒸发和作物耗水的影响,土壤含水量变化最大的层次为0~10 cm土层。当单次降水量达到178.20 mm时,0~170 cm各层土壤含水量均增加,但49.30%的降水储存在0~40 cm土层;而在作物生长季节持续15 d无降水时,0~170 cm各层次土壤水分均呈亏缺状态,其中消耗水量的47.38%~58.80%来自0~40 cm土层。因此,东北黑土区农田0~40 cm土层对于容纳大气降水、满足作物需水具有重要作用,应通过耕作和有机物料还田等措施进一步改善这一土层土壤物理性质以增强其蓄水、保水和供水的能力。     

东北典型黑土区土壤理化性质的变化特征

东北黑土区是我国最为重要的粮食生产基地,摸清第二次土壤普查以来主要黑土土种理化性质的变化特征可为保护黑土资源提供有力的科学依据。本文基于第二次土壤普查的典型黑土剖面资料,重新调查了典型黑土区内的23个黑土土种,结果表明:近20年来主要黑土土种上的粮食单产增加约81%;在化工肥料和侵蚀的共同作用下,黑土的有机质含量和全氮含量变化不大,但全磷含量显著增加,全钾含量显著降低,表层土壤酸化明显。建议今后适当增加钾肥施用量而减少磷肥施用量。     

东北黑土区农田土壤风蚀的影响因素及其数量关系

为明确东北黑土区农田土壤风蚀的主要影响因素,通过室内模拟试验,对比分析了黑土在不同风速(5~14m/s)、土壤含水量(2%~11%)以及秸秆覆盖率(0~80%)下的风蚀速率差异,进而分析了风蚀速率与各因素之间的数量关系。结果表明,黑土起沙风速略大于5m/s,其风蚀速率随风速增大呈指数增加,风速14m/s(含水量2%)时的风蚀速率比8m/s时增加了11.6~42.7倍。黑土风蚀速率随土壤含水量升高呈先增加后降低趋势;在土壤含水量小于5%时随含水量升高而逐渐增加,至含水量5%时达到峰值并逐渐降低,至含水量11%时接近零。秸秆覆盖显著降低了黑土风蚀速率,二者成近似指数函数关系;秸秆覆盖率20%(含水量2%)时的风蚀速率比无覆盖减少了72.6%~92.3%,但秸秆覆盖率由20%增加至80%(含水量2%)后风蚀速率仅降低了0.02~1.20g/(m2·s),幅度有限。研究表明,风速、土壤含水量以及秸秆覆盖率均可显著影响东北黑土区农田土壤风蚀速率,其权重依次为风速土壤含水量秸秆覆盖率。     

东北黑土区土壤容许流失量与水土保持治理指标探讨

在明确土壤容许流失量概念与意义的基础上，指出了我国东北黑土区现行的土壤容许流失量标准存在的不足。参考国内外土壤容许流失量制定的影响因子，以成土速率、水土流失类型与强度、土层厚度为主要参考指标，并提出以我国现行及未来一定时期内，水土保持实践中可能达到的限制土壤侵蚀的极限，作为确定东北黑土区土壤容许流失量的重要参考指标。综合考虑对黑土区内72条小流域水土保持实践的调查结果，初步确定了东北黑土区主要水土流失类型区土壤容许流失量指标及水土保持治理指标。     

东北黑土区土壤侵蚀研究进展

东北黑土区是我国重要的商品粮基地,其粮食生产能力及可持续性关系到国家的粮食安全战略。近年来,日趋剧烈的水土流失,引起黑土功能的严重退化,引起了社会的广泛关注,各种调查和防治工作正在火热开展,所以我们需要对已有的工作进行全面的总结,为以后的工作提供科学的依据。作者主要从黑土区土壤侵蚀的危害、影响因素以及侵蚀机理三个大的方面分别进行总结论述,希望对黑土区今后的土壤侵蚀研究工作提供一定的参考。     

东北黑土区水土流失与粮食安全

东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地、著名的玉米带和大豆主产区,但水土流失对粮食生产的影响很大,主要表现在剥蚀表土、恶化土壤结构、降低土壤肥力和侵蚀沟侵吞耕地上,估算坡耕地水土流失导致的粮食减产和侵蚀沟导致的粮食损失总量达108亿kg左右。通过扩大农田灌溉面积、改造中低产田、治理水土流失、科学施肥、应用新品种和耕作栽培新技术等,在未来15~20年内,可实现增产粮食约2 000万t的目标,相当于全国为保障粮食安全需新增4 000万t粮食生产能力的50%。     

东北黑土区冻融作用与土壤水分的关系

地球上受冻融作用的面积约占全球陆地总面积的70％,在我国,受冻融作用的面积约占国土陆地总面积的98％。冻融作用对土壤水分、密度、有机质和土壤的机械组成等因素都有不同程度的影响。在东北典型黑土区,通过野外观测和室内试验,研究冻融作用与土壤水分的关系。结果表明：冻融作用使土壤水分由土水势高的下部向土水势低的上部迁移,增加了土壤冻结层的含水量;土壤水分迁移使得下部未冻结层的土壤含水量降低,其降低程度受下部土壤含水量和浅层地下水埋深的影响;冻结过程中土壤水分迁移导致土壤膨胀变形,而土壤的膨胀变形是发生土壤冻融侵蚀的主要因素。研究结果可为东北黑土区冻融侵蚀防治和农业可持续发展提供理论依据。     

我国东北黑土区侵蚀沟道的普查方法与成果

东北黑土区侵蚀沟道普查是第一次全国水利普查中水土保持情况普查的重要组成部分,也是我国对该区侵蚀沟道开展的首次全面调查。本文全面介绍了本次普查的对象、范围、内容、技术方法、质量控制和成果,对进一步规范和完善侵蚀沟道调查方法、分级分类标准以及开展东北黑土区侵蚀沟道治理意义重大。东北黑土区侵蚀沟道普查以2．5m分辨率遥感影像和1：5万数字线划图为主要信息源,采取人机交互的方式辨识50km。小流域内长度在100m和5000m之间的侵蚀沟道,提取沟道面积、长度、纵比和起讫经纬度等指标。在沟道提取、数据填报和成果审核汇总等阶段,县级、省级和流域等各级普查机构通过野外核查、室内检查和数据比对等严格的质量控制方法,对侵蚀沟道的遥感解译与识别、沟道勾绘精度、图形数据接边进行审核,保证普查结果的全面性和准确性。经调查东北黑土区共有侵蚀沟道29万5663条。     

Quantifying farmland shelterbelt impacts on catchment soil erosion and sediment yield for the black soil region,northeastern China

As one part of the ‘Three Norths’ forest protection system, dense farmland shelterbelt networks in northeastern China could greatly modify water and sediment flows. In this paper, catchment soil erosion rate and sediment yield (SY) that are impacted by farmland shelterbelts were estimated using WaTEM/SEDEM model. The shelterbelts reduced catchment soil erosion and SY to some extent. The mean soil erosion rate and specific sediment yield (SSY; defined as the ratio of SY to catchment area; t km^?2 yr^?1) of the 25 reservoir catchments decreased from 351.6 and 93.9 t km^?2 yr^?1 under the supposed scenario without shelterbelts to 331.1 t km^?2 yr^?1 and 86.3% t km^?2 yr^?1 under the current situation with shelterbelts. The sediment trap efficiencies (STEs) varied from 0.01% to 23.6% with an average value of 7.6%. The STEs were significantly correlated with shelterbelt density, catchment perimeter, topographic factors, RUSLEP‐factor and land use patterns including patch density (PD), patch cohesion index (COHESION), Shannon's diversity index (SHDI) and aggregation index (AI). The multiple regression equation involving factors of catchment's topography and morphology and land use pattern has a satisfactory performance, and mean slope gradient (MSG) and AI explained most of the variability of shelterbelts’ STE. This information can help land managers to better design shelterbelts and to reduce water‐derived soil loss at catchment scale.     

典型黑土区农业小流域不同坡向和坡位的土壤水分变化特征

土壤水分变化受地形地貌、土壤质地、土地利用方式等多种因素的影响.为了分析东北典型黑土区土壤水分变化规律,以该区农业小流域为研究对象,采用野外实验的方法,从坡向和坡位出发,系统分析土壤水分在不同坡向和坡位的变化特征.结果表明：1）半阴坡平均土壤含水量低于阳坡和半阳坡;各坡向土壤水分剖面变化趋势不同,坡向仅对0 ～ 35 cm深度范围内土壤含水量变化有显著影响.2）3坡向（阳坡、半阳坡和半阴坡）土壤含水量均为下坡位＞上坡位＞中坡位,各坡向不同坡位土壤含水量剖面变化呈现不同趋势,坡位对测量范围内的阳坡和半阴坡,以及25 ～ 100 cm范围内的半阳坡土壤水分变化有显著影响,但对半阳坡0～ 25 cm土壤水分影响不显著.研究结果可对该地区小流域农作物合理配置及农田土壤水分管理提供科学依据.     

不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定

为了获得可用于东北地区黏重黑土与触土部件相互作用的离散元仿真模拟参数,该文利用EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型对不同含水率的东北地区黏重黑土进行相关参数标定,针对含水率在10%～20%的实际作业环境,分别配置含水率为12.46%±1%和17.15%±1%的2种黏重黑土,以土壤颗粒间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,并以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken的响应面优化方法得到堆积角回归模型,并对回归模型进行寻优,得到2种含水率的模型参数优化解,并给出了模型参数范围。测定了4种含水率下黏重黑土对3种触土部件材料(65Mn、UHMW-PE和PTFE)的静摩擦系数,并以此为基础分别对65Mn(典型铁基材料)和PTFE(典型低表面能材料)板进行斜面试验,以含水率为17.15%±1%的黏重黑土为试验对象,分别搭建斜面物理试验平台和仿真模型,以土壤颗粒与触土部件材料之间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,以仿真得到的土球在65Mn和PTFE板上的滚动距离为响应值,基于响应面优化法得到滚动距离回归模型,以实测的滚动距离为目标对回归模型进行寻优,得到黏重黑土对2类典型触土部件材料接触模型参数的优化解。研究结果表明,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实的东北地区黏重黑土进行仿真,可利用标定后的参数进行黏重黑土与触土部件间的离散元仿真,可为东北黏重黑土作业条件下的农业机械触土部件仿生减阻设计与优化提供基础数据。     

东北典型黑土区耕地质量时空变化研究

为揭示东北典型黑土区耕地质量时空变化特征,本研究遵循《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)国家标准,在利用特尔菲法选取16个评价指标、层次分析法确定评价指标权重的基础上,建立了东北典型黑土区耕地质量评价指标体系,借助ArcGIS软件对研究区2008年和2018年耕地质量进行同一指标体系和同一分级标准的耕地质量评价,旨在掌握研究区10年间的耕地质量时空变化特征,探究耕地质量变化原因。结果表明:东北典型黑土区耕地质量2008年以中低等地为主,平均耕地质量等级为5.14, 2018年以中高等地为主,平均耕地质量等级为3.92, 10年间东北典型黑土区耕地质量等级提升了1.22个等级;其中, 1～4等地面积均有增加,5～10等地面积均减少,10年间研究区评价单元耕地质量等级提升最多为8个等级,下降最多为7个等级,耕地质量等级提升的评价单元总面积是等级下降评价单元总面积的3.5倍。10年间东北典型黑土区的中西部和西北部耕地质量上升较为明显,而其南部和东北部质量下降的耕地分布较多。本研究规范了研究区耕地质量时空对比分析的依据,合理揭示了其时空变化特征,为该区域今后耕地质量提升工作指明了方向,对今后进一步可持续利用和管理黑土地具有积极意义。     

东北黑土区降水特征及其对土壤水分的影响

水分是东北黑土区农业生产的主要限制因子,为了探讨东北黑土区可持续的土壤水分管理方式,该研究以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内为基础,利用SPI（standard precipitation index）值（标准降水指数）研究了该地区1952－2008年的大气降水情况,同时分析了土壤水分对大气降水（1999－2008年）的响应。1952－2008年平均年降水量为540 mm,标准差为121 mm,生长季内平均降水量为473 mm,占年平均降水量的87.60%。利用标准降水指数（SPI）将1952－2008年大气降水划分为7个不同的干/湿状态,分别是极端干旱,严重干旱、中等干旱、平常年份、中等湿润、非常湿润和极端湿润。分析近10 a（1999－2008）大气降水的SPI值发现极端干旱的年份有增加的趋势,同时对生长季末期土壤含水量的影响表现为湿润的年份（2003年,SPI值=1.5）能够显著增加土壤含水量（639.70 mm）,而在极端干旱的年份（2004年,SPI=-2.6）土壤含水量达到了最低值（512.21 mm）。年际间降水量的差异也影响了土壤的供水特征特,同时肥料的施用增加了作物对土壤中水分的消耗。根据降水合理地管理东北黑土区的土壤水分对农业的可持续发展具有重要意义。     

含水量对黑土光谱特征影响的定量分析

Several studies have demonstrated that soil reflectance decreases with increasing soil moisture content, or increases when the soil moisture reaches a certain content; however, there are few analyses on the quantitative relationship between soil reflectance and its moisture, especially in the case of black soils in northeast China. A new moisture adjusting method was developed to obtain soil reflectance with a smaller moisture interval to describe the quantitative relationship between soil reflectance and moisture. For the soil samples with moisture contents ranging from air-dry to saturated, the changes in soil reflectance with soil moisture can be depicted using a cubic equation. Both moisture threshold (MT) and moisture inflexion (MI) of soil reflectance can also be determined by the equation. When the moisture range was smaller than MT, soil reflectance can be simulated with a linear model. However, for samples with different soil organic matter (OM), the parameters of the linear model varied regularly with the OM content. Based on their relationship, the soil moisture can be estimated from soil reflectance in the black soil region.     

考虑地表粗糙度改进水云模型反演西班牙农田地表土壤含水率

土壤含水率是农业、环境、气象等领域进行建模的重要参数。该研究将微波遥感与光学遥感相结合,利用Sentinel-1数据交叉极化比及变换土壤调节植被指数对地表粗糙度进行估计,构建了一种改进的水云模型(modifiedwatercloud model, MWCM)。分析将NDVI、NDWI和NDWI1725,2200等植被指数作为植被冠层含水率时,水云模型(water cloud model,WCM)及MWCM农田地表土壤含水率的反演精度。结果表明:从总体精度上来看,MWCM的反演精度优于WCM。在不同植被覆盖度情况下:当植被覆盖度为中、低程度(NDVI0.5),MWCM具有较高的反演精度;在较高的植被覆盖度情况下(NDVI≥0.5),WCM与MWCM的反演精度较为接近。MWCM可有效的建立微波后向散射系数与地表土壤水分的关系,提高土壤含水率反演精度,为各种地表覆盖类型的土壤含水率反演提供研究思路及理论支持。     

东北黑土区长期不同种植模式下土壤碳氮特征评价

土壤碳氮是衡量土壤肥力的重要指标,阐明农田管理措施对土壤碳氮特征的综合影响,可为农田地力培育和土地可持续利用提供理论与技术支撑。该研究借助在吉林公主岭建立的长期定位试验,选择休闲处理与增施有机肥条件下的玉米连作、玉米-大豆轮作、大豆连作等处理,系统评价了种植模式对土壤不同形态碳氮的影响及其相互关系。经过21 a的增施有机肥,玉米连作、玉米-大豆轮作、大豆连作3个处理的耕层(0~20 cm)土壤有机碳、全氮和有效氮比休闲处理分别提高23.5%~46.8%、4.9%~64.3%和35.4%~121.9%,其中以玉米连作处理最高(P0.05);有机碳与全氮、有效氮呈极显著的相关关系(P0.01),表明较高的有机碳会促进氮素有效性。玉米连作处理的耕层土壤微生物量碳分别比玉米-大豆轮作和大豆连作处理高23.1%和41.4%,而土壤微生物量氮则分别高37.8%和135.3%,差异显著(P0.05)。玉米连作处理下耕层2 000μm、≥250~2 000μm、≥53~250μm以及53μm的土壤团聚体结合有机碳均为最高(P0.05)。此外,玉米连作处理的高活性有机碳组分显著(P0.05)高于其他处理,其化学活性指数也显著(P0.05)高于玉米-大豆轮作处理,表明玉米连作处理下的土壤有机碳对外界环境变化较为敏感。上述研究表明,在施用有机肥的条件下,长期玉米连作可提高土壤有机碳质量分数,促进土壤氮素有效性,但应配合采用合理的耕种措施,以降低有机碳分解风险。