热惯量法在干旱遥感监测中的应用研究

利用NOAA／AVItRR资料计算了真实热惯量、表观热惯量、NOAA／AVttRR通道4亮温差与土壤水分之间的关系模型,并讨论了陕西特殊地形、地面植被覆盖对表观热惯量与土壤水分之间关系的影响。结果表明：在实际的干旱遥感监测服务中,可以使用表观热惯量与土壤相对湿度建立的模型来监测地面旱情。考虑地形、植被和土壤类型因素时,下垫面越均一,表观热惯量与土壤相对湿度的相关性越好,但植被覆盖对地表温度差的影响需要进一步的研究。     

黑河流域土壤含水量遥感反演及不同地类土壤水分效应分析

利用NASA提供的MOD IS数据产品和黑河流域的野外实测数据,在充分考虑研究区的下垫面特征、数据的时间特性和遥感反演土壤含水量的模型与算法的基础上,采用了热惯量法,计算了表观热惯量,并与实测数据进行回归分析建模,反演了整个黑河流域的土壤含水量。随后构建了三个区域土壤水分效应评价指标:土壤水分单元权重指数、区域土壤水分单元权重指数和土壤水分效应贡献度,结合黑河流域的土地利用状况,定量评价了不同土地利用类型的土壤水分效应。研究表明:利用MOD IS数据产品,反演参量获取简单,可降低反演土壤含水量的复杂性,有利于大、中尺度的实际应用;利用当地积累的季节标准日变化曲线将温差修正到最大值,使反演的表观热惯量更接近真实,可提高模型精度;用多个地面采样点的土壤含水量均值与一个像元对应建模,能改善因MOD IS数据空间分辨率低而存在大量混合像元致使反演精度降低的问题;在黑河流域,中覆盖度草地、有林地、高覆盖度草地、水田等用地类型的土壤水分效应最为明显,贡献最大。     

基于EM38电导率仪土壤水分探测研究

通过在内蒙古农牧交错带退耕地开展EM38电导率仪监测实验,结合土壤水分观测系统及土壤样品分析,探测土壤水分。结果表明：土壤水分与土壤表观电导率（[WTBX]ECa[WTBZ]）具有显著相关性（[WTBX]r=0.822**, P[WTBZ]<0.01）,两者的变化趋势一致;同时,验证了表观电导率的深度响应函数,指出土壤水分可近似替代土壤电导率对土壤表观电导率的贡献,即土壤水分是决定土壤表观电导率变化的主要因素。建立土壤水分与土壤表观电导率间的线性回归模型并进行模型验证,模型预测结果较可靠（[WTBX]R2=0.65[WTBZ]）。EM38电导率仪探测退耕地土壤水分具有可行性,探测结果可为揭示农牧交错带土壤水文过程及土壤-植被系统演化过程提供方法与数据支持,并为该地区土壤管理提供科学的决策依据。     

我国土壤水分热红外遥感监测研究进展

目前热红外遥感监测土壤水分含量的方法主要有热红外法、热惯量法和温度植被指数法。其中,热红外法简单易行,在缺乏昼夜温差数据时可用白天下垫面温度反演土壤水分,但其仅考虑某一时刻土壤水分对土壤温度的影响,故其反演精度不够理想;热惯量法物理意义明确,估算精度高,简单易行,但也存在诸如只适用于裸露或植被覆盖度低的地区以及卫星数据难于获取等局限性;温度植被指数法物理意义也较明确,适用性广,但计算过程较复杂,且某些参数难于及时获得。相对来说,植被稀疏区宜采用热惯量法,植被郁闭区则宜采用温度植被指数法。在未来,随着遥感传感器性能的改进,多种技术的综合应用,特别是热红外技术与微波技术的结合应用,将会显著提高土壤水分含量遥感监测的精度。     

黄土高原人工草地的土壤水分动态及水土保持效益研究

通过９年观测，黄土高原人工草地土壤水分的季节性变化可划分为三个阶段，在此基础上模拟不同人工草地土壤水分的变化规律；随着牧草生育期的延长至第９年，人工草地土壤水分恢复程度逐渐减弱；沙打旺生存能力极强，能够高效地利用深层土壤贮水；用数学模型可以模拟不同人工草地的水土流失，将植被因子引入水土流失方程，可以定量描述对水土流失的影响；反映植被、土壤等因子与水土流失关系的复合因子Ａ￣１值，基本上代表不同人工草地水土流失状况。     

膜下滴灌棉田冻融期土壤水分盐分变化特征

通过分析2014年11月—2015年3月北疆地区膜下滴灌棉田冻融期土壤盐分、水分与温度变化,探讨了不同土层水热盐在冻融期的变化和耦合关系。结果表明:冻融期土壤表层和深层含水量较高,中间层含水量较低;土壤剖面盐分在0~80 cm呈现层状分布,浅层土壤发生盐分明显累积,土壤盐分变异系数20 cm土层为0.525、40 cm土层为0.257、80 cm土层为1.041。在冻融期,土壤水分盐分沿剖面分布发生明显变化;土水势梯度、土壤温度梯度是冻融期土壤水分盐分迁移的主要因素,土壤水热盐之间变化具有高度的耦合性。     

基于HYDRUS模型低温水入渗下土壤水热运移模拟

为了深入研究高坝大库低温水下泄对河(渠)两岸土壤水分、温度动态变化的影响机理,构建了低温水入渗土壤水热运移的数学模型,利用HYDRUS-2D软件进行了求解,并对土壤水热运移数学模型进行参数率定与模型验证的基础上,模拟分析了不同水头低温水入渗条件下土壤水分、温度动态变化规律。经过试验验证,总体的模拟与实测温度和水分的均方根误差RMSE分别为1.074和0.01,模拟结果和实测数据均吻合较好。模拟结果表明,水头变化对土壤温度场和水分场的分布均会产生较大的影响;当模拟达到相对稳态后,土壤平均温度从上到下逐渐降低,土壤中的温度场分布较为均匀;当入渗水温相同时,随着水头增加,土壤内部平均温度降低,土壤深层低温区域逐渐扩大,温度梯度增加;土壤的深层含水率较高,达到饱和状态,含水率分布从上到下逐步增加;随着水头增加,土壤深层饱和区域逐渐扩大,并逐渐向土壤表层区域扩展。该研究揭示了不同水头下低温水入渗对土壤内部温度场、水分场影响分布的一般规律,对进一步改善水库下游河岸带生态环境,丰富土壤水动力学基本理论有着重要的理论意义和实际价值。     

半干旱偏旱区农田土壤水分状况的主要影响因子分析

依据土壤－植物－大气系统理论，综合分析研究了气象条件、土壤因素和农业技术措施与土壤水分状况的关系，为制定土壤水分调控技术措施提供依据。     

黄土区冻融期不同土地利用土壤水分与温度的关系

为了研究冻融期土壤水分与温度的变化及其关系,通过监测野外不同土地利用径流小区土壤水分与温度数据,分析了不同深度土层土壤水分和温度的时空变化规律,阐明了研究区土壤水分与温度的相关关系。结果表明:冻融期,坡耕地20 cm土层含水率变幅最大,草地和林地均为40 cm土层含水率变幅最大;坡耕地20 cm土层含水率变异程度最大,而草地和林地的最强活跃层分别为:30 cm和10 cm;草地最先进入冻结期和融解期,且冻结和融解时间逐层滞后; 3种地类(坡耕地、林地、草地)土壤含水率与温度均呈二次函数关系。林地土壤水分与温度的相关性最强,更有利于黄土区土壤水-热保持,该结果可为黄土区土壤水分对植被恢复影响研究以及环境建设保护提供科学依据。     

2种荒漠植物根系生物量分布与土壤水分、养分的关系

通过野外挖根试验和室内样品分析测试的研究,测定了2种荒漠植物多枝柽柳和梭梭群落内土壤水分、养分的含量及其分层根系生物量,分析了2种荒漠植物根系生物量的垂直分布与土壤水分、养分之间的关系。结果表明:1 2种荒漠植物的根系生物量随土壤深度的增加逐渐减少,符合指数递减模型,多枝柽柳的根系生物量是同林龄梭梭的2.36倍。2 2种荒漠植物群落内土壤水分含量差异显著,养分差异不显著。3 2种荒漠植物的根系生物量与土壤水分之间的相关关系显著,其中多枝柽柳与土壤水分呈显著正相关关系,梭梭与土壤水分呈显著负相关关系。表明在干旱区,土壤水分状况对植物根系生长、发育的影响极大。4 2种荒漠植物根系生物量与土壤养分的相关关系不显著,表明在本地区极端干旱的恶劣环境中,土壤养分不是植物根系生长的限制性因子。     

基于FY-3D/MERSI数据的东北地区干旱监测方法研究

干旱是影响东北地区粮食安全的主要农业气象灾害之一,遥感技术是一种可便捷进行大范围干旱监测的手段。针对目前遥感干旱指数在作物生长发育过程中监测干旱的局限性和适用性等问题,以东北地区玉米和大豆等主要大田作物发育期为切入点,基于FY-3D/MERSI卫星遥感数据和地面土壤相对湿度实测数据,开展不同作物发育阶段干旱监测指数适用性分析,结合径向基神经网络方法,构建全时期和分时期土壤相对湿度反演模型,利用实测土壤相对湿度数据开展精度验证与对比分析。结果表明：风云三号MERSI传感器数据在干旱监测中具有可行性,表观热惯量(ATI)在低植被覆盖或裸土时效果较好,适用于作物冻土期、裸土期和播种～拔节期;水分指数(WI)适用于播种～拔节期、拔节～抽雄期和成熟期等植被生长时期;分时期土壤相对湿度反演模型精度高于全时期土壤相对湿度反演模型,前者监测精度在80.0%以上,比全时期模型精度提高了10%～25%,尤其在冻土期(3月),分时期模型反演精度达到了92.6%。基于作物生长时期和形态差异,选择最适宜遥感干旱指数建立分时期土壤相对湿度反演模型,提高了干旱监测的准确性和可靠性。     

干旱区荒漠戈壁土壤结构参数和热力参数的垂直变化

本文利用 2 0 0 0年 10月 2 7日在西北干旱区敦煌戈壁提取的土壤样本的实验室的测量结果 ,分析了 80cm深度内的土壤组分、土壤容重、土壤湿度、土壤孔隙度等土壤结构参数以及土壤热传导率、土壤热容量、土壤比热和热扩散率等土壤热力参数的垂直分布特征 ,结果发现土壤容重随深度的变化受土壤孔隙度影响比较明显 ,并与土壤孔隙度变化成清楚的反相关 ;受土壤湿度变化的影响则不明显。土壤热传导率、土壤热容量、土壤比热和热扩散率等土壤热力参数的垂直变化与土壤容重和土壤孔隙度等土壤结构参数的变化均有关 ,与前者基本正相关 ,与后者基本负相关 ;与土壤湿度的关系则不明显。这说明土壤容重和土壤孔隙度的变化对土壤热力参数的影响占主导地位。土壤热力参数的实验室测量结果与野外观测结果比较接近 ,验证了野外观测结果的可靠性。     

宁南山区梯田土壤水分及养分特征时空变异性研究

主要分析了水平梯田不同位置土壤水分的变化与不同年限修建水平梯田化学特性的变化。结果表明:水平梯田0~100cm土层土壤水分,从内侧到外侧,水分逐渐减少且随梯田宽度增加,变化更加明显。不同年限修建的水平梯田,土壤养分在初期有一定的养分消耗,随时间的推移,养分含量逐渐增加,并且越接近地表,养分变化越大,0~60cm土层养分表现最明显,60cm以下养分变化趋于平稳。     

基于高光谱与电磁感应技术的干旱区绿洲土壤含水量反演研究

为实现干旱区绿洲土壤含水量的快速、准确监测,利用采集自渭干河-库车河绿洲的84个表层(0~10cm)土壤样本,通过利用电磁感应仪(EM38)将所测解译后数据代替实测土壤含水量数据,将高光谱反射率重采样为Landsat8卫星遥感波段反射率,在选取光谱特征参数、提取敏感波段的基础上,利用偏最小二乘回归(PLSR)方法建立土壤含水量模型,将最优估算模型应用于遥感影像,实现研究区土壤含水量遥感反演。研究结果表明:(1)利用EM38所测水平模式土壤表观电导率与土壤含水量拟合效果最优,能够代替实测土壤含水量进行后续建模分析。(2)相比3种单一的光谱特征指数,利用多种光谱特征指数所建土壤含水量估算模型的建模效果更优,其干、湿各季建模集决定系数R~2大于0.7,均方根误差(RMSE)均小于0.5%,RPD均大于2,能够作为有效手段估算干旱区绿洲土壤含水量。(3)不同季节土壤含水量遥感反演值与实测值决定系数R~2均大于0.6,均方根误差(RMSE)均小于0.6%,显示了较高的预测精度,证明利用电磁感应技术与高光谱相结合能够实现对干旱区绿洲土壤含水量的精准、高效监测。     

Investigating spatial and temporal variations of soil moisture content in an arid mining area using an improved thermal inertia model

Mining operations can usually lead to environmental deteriorations. Underground mining activities could cause an extensive decrease in groundwater level and thus a dramatic variation in soil moisture content(SMC). In this study, the spatial and temporal variations of SMC from 2001 to 2015 at two spatial scales(i.e., the Shendong coal mining area and the Daliuta Coal Mine) were analyzed using an improved thermal inertia model with a long-term series of Landsat TM/OLI(TM=Thematic Mapper and OLI=Operational Land Imager) data. Our results show that at large spatial scale(the Shendong coal mining area), underground mining activities had insignificant negative impacts on SMC and that at small spatial scale(the Daliuta Coal Mine), underground mining activities had significant negative impacts on SMC. Trend analysis of SMC demonstrated that areas with decreasing trend of SMC were mainly distributed in the mined area, indicating that underground mining is a primary cause for the drying trend in the mining region in this arid environment.     

盐渍土的热力构型对水盐运移的影响研究

通过野外定位观测和室内分析,探讨了冻融季节苏打盐渍土的热力构型及对苏打盐渍土的水盐变化的影响。结果表明:土体热力梯度是水盐运移的诱导因素和驱动力。冬季松嫩平原西部土体热力构型为冷冻层-过渡层-暖土层;消融季节土体热力构型为暖土层-过渡层-冷冻层-过渡层-暖土层。受土体热力梯度和水势梯度驱动,潜水向冻结层积聚形成冻土。土壤类型不同,冻土的组成和性质存在显著差异。盐化草甸土和苏打草甸盐土成为水分迁移的汇集区,大量地下水汇集在盐化草甸土和盐土的冻层中,0-70 cm土层的含水率显著增加,最高含量达60%。苏打草甸盐土和白盖苏打碱土的冻层为盐分汇集区,苏打盐土和白盖苏打碱土0-70 cm土层土壤盐分增加明显,其中0-40 cm土层的盐分增量最显著。冻土层积聚大量盐分导致消融季节土壤的盐渍化程度不断加重。     

干旱区土壤蒸发及水热耦合运移模式研究

干旱地区土壤蒸发模拟及水热耦合运移研究,对干旱地区水资源利用、陆面过程及气候模式研究具有重要意义.通过对土壤蒸发与内部水分传输机理的深入了解,推导出土壤水热传输与土壤蒸发模式.为了比较模式模拟结果,利用本模式对CoLM陆面过程模式进行改进,并采用黑河沙漠站观测资料,对模式改进前后土壤蒸发与土壤温度和湿度模拟结果进行了对比.结果表明:改进后模式能够更好地模拟土壤温度与土壤蒸发,干旱条件下应考虑水汽对土壤水分与温度传输的影响.     

基于生物量的土壤水分动力学模型研究进展

土壤水分是农作物生长发育的基本条件和农作物产量预报的基本参数,土壤含水量的多少和空间分布,能有效反映作物当前的生长状况,以及研究区域的干旱情况.利用遥感技术监测土壤水分,具有实时、动态、大面积的优势.随着土壤水分动力学的发展,如何将两者结合起来,建立较少依赖于非遥感数据的模型,实现土壤水分的大面积监测,是监测土壤水分的...