红外土壤表面水分测量仪的研制

为了深入开展土壤粘附研究,依据水的红外特征吸收原理,研制了一台红外土壤表面水分测量仪。实验证明,该仪器具有测量精度高,测量速度快,不干扰破坏被测土壤系统,可长期在线监测等一系列优点,其标准测量误差为０．１３％。文中还对该仪器中所使用的相关滤波器原理及滤波效果等问题进行了讨论。该仪器也可用来测量烟草、纸张、面粉、茶叶等物质的含水量。     

基于静止气象卫星的河北平原实际蒸散量遥感估算

本文提出利用中国第1 颗可操作性静止气象卫星风云2 号C 星(FY-2C)数据结合中等分辨率航天成像光谱仪MODIS 产品估算河北灌溉农田实际蒸散量(ET)的方法, 其中FY-2C 的第1、2 波段用于反演区域地表温度, 再结合16 d MODIS 合成的植被指数产品(MOD13), 得到地表温度与植被指数的三角空间分布图(Ts-NDVI)。通过Ts-NDVI 空间分布的关系, 利用改良三角算法得到区域的蒸发比(EF)。最后结合MODIS 地表反射率产品MCD43 估算得到的日净辐射量, 根据能量平衡计算得到该地区的日实际蒸散量。模型结果与地表Lysimeter 观测数据比较, 显示该模型估算得到的蒸发比和日蒸散量结果较为合理, 误差在可接受范围。此外, FY-2C 用于估算地表ET, 其时间分辨率具有较强的优势, 从而为获得多幅无云蒸散图提供了有利条件。     

土壤表面活性剂对土壤水分特性影响的研究

试验评估4种土壤表面活性剂Wet-Sol#233(Ⅰ)、WaterMaxx(Ⅱ)、Ad-Sorb(Ⅲ)和Fornula One(Ⅳ)对粉砂土和沙土水分特性的影响。在α=0.05水平下,表面活性剂处理和对照的渗透率、保水能力没有显著差异,仅在沙土样品中,处理问不饱和水力传导系数(P=0.009)和毛管上升(p=0.048)表现出显著差异。Ⅳ的不饱和水力传导系数显著高于Ⅱ和Ⅰ,和对照差异不显著,Ⅰ最低。毛管上升试验中,Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ样品的上升高度显著低于对照。通过土壤物理水分特性的数据统计,单一地使用阴离子型、非离子型、嵌段聚合物等4种土壤表面活性剂没有提高试验中亲水土壤的水分渗透分配和保水功能。     

土壤氮素矿化的温度水分效应

应用一级反应动力学模型分析了不同温度、水分条件下间歇淋洗和分次提取通气培养法生成的累积净矿化氮与时间的关系。结果表明,温度对土壤氮素矿化速率常数有明显影响。间歇淋洗加砂培养的回归式为:1ogK=6.80-2497/T;不加砂培养为:1ogK＝4.19-1817／T;分次提取培养为:logK=6.47-2937／T。矿化速率常数与水分含量符合直线关系,矿化氮量随水分含量的升高而增加。温度、水分对矿化速度有明显的正交互作用。     

红外遥感估算春小麦农田土壤含水率的试验研究

根据水分亏缺条件下作物蒸发蒸腾量计算公式及作物水分胁迫指标CWSI(Crop Water Stress Index)的定义,提出了基于遥感作物冠层温度和土壤水分修正系数的春小麦田土壤含水率估算公式,其中土壤水分修正系数采用了幂函数形式。用该公式对春小麦田土壤含水率在分蘖后-拔节抽穗期、抽穗开花-灌浆期和乳熟-黄熟期3个生育阶段进行了估算,并对估算值和实测值进行对比和误差分析,结果表明该模型估算春小麦根层土壤含水率误差保持在18%以内。     

土壤含盐量与土壤电导率及水分含量关系的试验研究

应用不同盐分含量土壤，进行了土壤电导率与土壤含盐量关系的试验研究，获得了不同含盐量土壤的电导率随水分含量变化的规律，并且建立了土壤含盐量与土壤电导率及水分含量的关系．本文所用方法简便可行，试验结果具有较高精度．本研究为较精确测定土壤含盐量及快　速进行较大规模盐渍土壤调查提供了一种较佳方法．     

土壤表面灰度值与表层土壤含水量关系研究

快速准确获取表层土壤水分是土壤学、生态学及相关学科研究的基础。该研究在室内条件下,研究了5种不同土壤表面灰度值与含水量之间的关系,以期为利用土壤表面灰度值反演表层土壤含水量建立试验基础。研究结果表明:土壤在烘干过程中,含水量的变化受孔隙结构的影响;对于不同类型的土壤,土壤表面灰度值受矿物质组成和有机质含量的影响,随着土壤有机质含量的增加,同一含水量下的土壤表面灰度值降低;土壤表面灰度值与表层土壤含水量呈指数负相关关系。     

西安地区不同植被下土壤含水量及水分恢复研究

通过大量土壤样品采集和室内水分测定，对西安地区极端降水前后不同植被下0～6m土壤水分含量及其水分恢复进行了研究。结果表明，西安地区杨树林、法国梧桐林和中国梧桐林下大约1．5～4m深度范围内土壤含水量分别为9．3％，9．0％和9．7％，土壤干层已存在，干层厚度约2．5m。麦地和草地下0～6m未出现土壤干层。丰水年极端降水后土壤干层消失，水分得到很好的恢复，原来的土壤干层所在层位恢复后的水分含量明显高予其上部和下部。发育弱的土壤干层并未影响到人工林的正常生长，说明在西安或与西安地区类似降雨量的黄土高原其他地区，种植高大的乔木林是可行的，但应避免更为严重的土壤干层出现。     

温度和水分对典型香型烟区植烟土壤氮素矿化的影响

为探究典型香型烟区植烟土壤氮素矿化特征及其与温度和水分的关系,采用室内培养试验研究了土壤温度(15、28、37℃)和土壤相对含水量(50%、65%、80%田间持水量)对云南大理、贵州毕节、河南许昌3个典型香型产区植烟土壤氮素矿化的影响。结果表明:不同地区植烟土壤矿质氮和矿化速率变化规律与温度和水分密切相关。3个产区植烟土壤的矿质氮含量和矿化速率均随着温度的升高而升高,在同一温度条件下,以土壤有机质含量较高的云南大理土壤矿化量较大,有机质含量较低的河南许昌土壤矿化量较小。不同地区植烟土壤含水量与氮素矿化的关系不尽相同,土壤相对黏重的贵州毕节土壤以50%田间持水量处理土壤氮素矿化量和矿化速率最大,以80%田间持水量处理最不利于氮素矿化;而质地相对较轻的河南许昌土壤和云南大理土壤均为在65%田间持水量条件下最有利于氮素矿化,以50%田间持水量处理氮素矿化量较小。基于一级动力学方程的模拟,3个植烟土壤的潜在矿化氮库(N0)都随温度的增加而提高,总体以28～37℃的培养温度较为适宜,低于15℃不利于土壤有机氮的矿化,3个植烟土壤的N0以云南大理最高,河南许昌最低;土壤矿化速率常数(K)以云南大理最大。土壤相对含水量也对N0有一定影响,且土壤温度和含水量对不同土壤氮素矿化量和矿化速率均存在显著的互作影响,合理调控土壤温度和土壤相对含水量,可以有效调节不同生态烟区土壤氮素矿化动态变化。     

土壤pH、水分及温度对长期污染土壤中苯并[a]芘动态变化的影响初探

以受多环芳烃长期污染农田土壤中苯并[a]芘(B[a]P)为研究对象,采用室内模拟试验研究了pH、水分和温度对土壤中B[a]P的动态变化的影响。结果表明,供试污染土壤中B[a]P能被土著微生物快速去除,其消减过程受到pH、水分和温度的影响。初始pH为4.6、5.9和7.3的泥浆中B[a]P在7天内的去除率分别为43.8%、37.8%和14.0%。在土壤水分为22%、43%、65%和87%田间持水量,温度为28℃条件下培养80天后土壤中B[a]P的去除率分别为42.5%、96.6%、96.3%和34.3%。在土壤pH为4.5,土壤水分为60%±5%田间持水量,温度为25℃和40℃条件下土壤中B[a]P的半衰期分别为33天和16天。可见,pH、水分和温度等环境条件对土壤中B[a]P的消减过程具有明显的影响,可通过人为调控强化B[a]P污染土壤的生物修复。     

AMSR2缺失数据重建及其土壤湿度反演精度评价

新型传感器土壤湿度产品在水分循环、农业管理等领域应用之前,需要评价其在不同区域的反演精度与数据质量。该文针对目前全球空间分辨率最高的AMSR2(advanced microwave scanning radiometer 2)3级微波土壤湿度产品,实现了缺失数据重建及其反演精度评价目的。论文研究引入离散余弦函数表达的惩罚最小二乘回归(discrete cosine transformation-partial least square,DCT-PLS)方法,重建因卫星轨道等原因造成的缺失与异常值,以构建时空分布连续的土壤湿度数据;进而以山西省为例,采用1 km分辨率的MODIS光学波段数据对AMSR2微波产品进行降尺度处理,通过实测土壤湿度、温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI)验证评价这2种不同尺度的微波土壤湿度数据质量。结果表明:DCT-PLS方法能够充分利用三维时空信息对缺失数据进行重建,重建后土壤湿度具有较高质量;10、1 km 2种尺度的土壤湿度与实测土壤湿度在空间分布上较为吻合,2个示例日期中降尺度土壤湿度与TVDI之间的相关性提高了0.352、0.4264,能够更为准确地反映土壤湿度空间分布细节;通过实测数据、TVDI指数的校验,降尺度前后的AMSR2土壤湿度数据表现出了较高的质量与可靠性。     

FY-3B/3C和AMSR2土壤含水量产品在锡林郭勒草原地区的适用性评价

土壤表层含水量存在于陆-气界面,是模拟全球水文、能源和碳循环及其相互作用的一个重要变量,对于气候和地球系统研究至关重要。为了评价风云三号B星（FY-3B）、风云三号C星（FY-3C）、先进微波扫描辐射计（AMSR2）土壤含水量产品在锡林郭勒草原以及不同土地覆盖类型的精度和适用性,本文基于2014-2019年生长季的地面观测数据,应用时间序列相关性（R）、均方根误差（RMSE）、平均偏差（Bias）和无偏均方根误差（ubRMSE）分析了这三种网格产品的可靠性。结果表明：（1）在日尺度上,FY-3B和FY-3C土壤含水量产品高估了陆地表层含水量,AMSR2低估了土壤含水量;各项评价指标表明三种土壤含水量产品均能够捕捉锡林郭勒草原表层土壤含水量的时间变化趋势。（2）在月尺度上,与AMSR2相比,FY-3B和FY-3C土壤含水量产品的月度分布与实测土壤含水量分布较为一致。（3）在生长季尺度,3种卫星土壤含水量产品能够反映各草原亚型的土壤含水量状况;FY-3B和FY-3C土壤含水量产品在植被覆盖较高的地区适用性较好,AMSR2在植被覆盖较低的地区可靠性较好,3种产品在监测土壤含水量方面具有互补功...     

区域蒸散和表层土壤含水量遥感模拟及影响因子

以甘肃省武威市为研究区域,应用灌溉前后两景Landsat TM-5卫星遥感数据,采用SEBAL模型进行了区域蒸散估算,综合应用归一化植被指数(NDVI)和地表温度(Ts),计算了该区域的条件植被温度指数(VTCI),并估算了表层土壤含水量(0～20 cm)。在获得区域净辐射通量、地表温度以及植被覆盖度空间分布的基础上,进一步对灌溉前后两景影像中日蒸散和表层土壤含水量的影响因素进行了分析。结果表明,区域蒸散和表层土壤含水量的遥感估算与地面同步观测值比较,能较好地反映研究区域的蒸散和地表含水量的空间变异特征。当土壤较干时,区域蒸散的空间分布变异较大,而表层土壤含水量的空间变异较小。在灌溉前后两景影像中,日蒸散与净辐射通量、地表温度和覆盖度之间都有极显著的相关性,决定系数均在0.90以上,而日蒸散量与表层土壤含水量的相关性以灌溉后较高。此外,表层土壤含水量与地表温度、覆盖度都呈显著的相关性,但比较而言,地表温度指数关系的离散性较小,相关系数也大。但地表温度、覆盖度与表层土壤含水量的相关性都依赖于土壤干湿程度,通常土壤越湿,相关性也越高。     

同化AMSR2数据提高HYDRUS-1D模型土壤湿度模拟精度

同化遥感监测数据提高土壤剖面湿度模拟精度,对区域农业发展等实践与理论领域具有重要意义。该文结合了集合卡尔曼滤波(ensemble Kalman filter,EnKF)方法与HYDRUS-1D模型,同化降尺度后的AMSR2(advanced microwave scanningradiometer2)微波土壤湿度数据,开展榆社、荫城2个实验站点的土壤剖面湿度模拟。结果表明:在2个实验站点,与直接使用HYDRUS-1D模型相比,同化具有一定误差的AMSR2土壤湿度数据对不同深度土壤湿度的模拟精度提高都发挥了作用,尤其是对于同化前模拟方案S1(4月1日站点实测含水量)与S4(4月1日遥感含水量),由于HYDRUS-1D模拟时输入了较少数量的土壤湿度数据,数据同化效果与土壤湿度模拟精度提高更为显著;同化前后不同深度的土壤湿度精度对比结果表明,同化效果随深度增加而逐渐减弱。     

基于多时相土壤线一致性修正的土壤含水率反演

传统上依赖改进型垂直干旱指数（modified perpendicular dryness index,MPDI）进行土壤水分反演时每个时期的影像反演都需要依赖于地面实测数据进行校准。为降低土壤含水率反演对实测数据的依赖,该研究利用2020—2021年间的哨兵2号卫星数据,分析了近红外与红光波段特征空间中土壤线斜率的变化及其影响因素。并推导了土壤线斜率变化对土壤含水率反演的影响,揭示了MPDI反演土壤含水率时每期都依赖实测数据校准的根本原因,最终提出了一种土壤线一致性修正方法。基于这种修正,该研究构建了一个能够多时相比较的再修正干旱指数（re-modified perpendicular drought index,RPDI）。结果表明,经过统一率定的RPDI与土壤含水率的回归方程在不同时相的影像上均适用,反演结果显示了良好的精度,率定集决定系数R²为0.49,无偏均方根误差为2.88%,验证集决定系数R²为0.54,无偏均方根误差为3.05%,与MPDI每期单独构建回归方程反演相比,RPDI基于统一方程反演与其保持了相近的精度水平,极大减少了在遥感土壤含水率估算中对地面实测数据的依赖,有效提升了遥感技术在土壤水分监测中的应用价值。研究可为光学遥感数据在大范围连续土壤水分反演领域的应用研究提供参考。     

基于RADARSAT-2全极化数据反演周期性地表土壤湿度

土壤湿度是农作物估产和旱情监测的关键参量。目前常用的土壤湿度反演模型都建立在随机粗糙地表条件下,对周期性垄行结构的土壤并不适用。基于RADARSAT-2全极化数据和野外实测数据,分析了交叉极化(vh)后向散射系数对垄行方位角无明显响应;同极化(hh,vv)对方位角的响应为余弦函数,但在方位角为90o±2o位置易出现偏离曲线的异常高亮度值。通过雷达影像上采样点的实测值和Oh模型推算的理论值,拟合得到周期性地表和随机地表之间的误差函数,进而对同极化影像进行纠正。纠正后的同极化比(p)去除了方位角和异常值的影响,交叉极化比(q)受到异常值的影响。通过Oh模型中的p和vh对研究区的地表参数进行反演,17个检验点的验证结果表明,预测的土壤湿度平均相对误差为11.13%,标准差为0.0256cm3/cm3;预测的均方根高度平均相对误差为13%,标准差为0.1315cm。结果与随机粗糙地表土壤湿度和均方根高度的反演精度相当,证明了该模型的有效性。     

耕作措施对华北农田CO_2排放影响及水热关系分析

为探讨不同耕作措施对农田土壤呼吸排放的影响及其与土壤温度、水分之间的关系,该研究利用长期定位试验研究翻耕、旋耕、免耕3种耕作措施下冬小麦、夏玉米生育期农田CO2的排放通量及其季节变化规律,并通过农田土壤温度、水分对CO2的排放通量进行回归统计分析.结果表明:不同耕作措施下农田CO2排放通量具有明显的季节排放规律,冬小麦、夏玉米生育期农田CO2排放通量:翻耕>旋耕>免耕,且处理间差异都达到显著或极显著水平.不同耕作措施对农田土壤温度及土壤含水率具有显著的影响,免耕条件下农田各层土壤温度最低,冬小麦季免耕农田土壤水分含量高于其他两处理.各处理条件下农田CO2排放通量与土壤温度具有显著的相关性,其中翻耕处理的CO2排放通量与10 cm土温相关性最高,旋耕和免耕则均与20 cm土温相关性最高.当土壤温度高于10℃时CO2排放通量与5 cm土壤含水率具有显著的相关性,此时土壤水分成为CO2排放的主要影响因素.     

黑河中游绿洲不同景观单元表层土壤水分空间变异性

了解黑河中游绿洲生态系统表层土壤水分空间分布规律可为绿洲生态系统水资源合理分配与利用提供参考。使用地统计学方法分析黑河中游绿洲8—10月戈壁、林地、农地3种典型景观单元表层土壤水分空间变异特征。结果表明：1）3种景观单元土壤含水量从8—10月有下降趋势,呈中等变异特征且土壤水分相对变异（变异系数）一般在干燥时较大,绝对变异（标准差）在湿润时较大;2）表层土壤水分具有明显空间结构及季节变化特征,呈明显斑块状分布,最优拟合模型均为指数模型;土壤水分基台值和变程的变化大致与土壤平均含水量的变化呈相同趋势,具有中等和强烈的空间相关性,且10月份的土壤水分空间自相关性明显大于8和9月,相似性质斑块空间尺度有缩小趋势;3）在黑河中游绿洲区景观类型、土壤平均含水量、土壤、地貌、气候条件及人为管理等因素是造成黑河中游荒漠绿洲区表层土壤水分呈现时间和空间上明显差异的主导因素,其中平均含水量起的主导作用是持续存在的。     

基于改进水云模型和Radarsat-2数据的农田土壤含水量估算

为了直接将雷达遥感中"水云模型"进行反演应用,该研究将"水云模型"中植被参数改为雷达植被指数,利用全极化数据直接支持遥感反演土壤含水量,无需遥感反演植被参数输入。改进模型为利用雷达遥感结合"水云模型"进行土壤含水量监测提供了一种高效便捷方法。基于Radarsat-2全极化数据对冬小麦覆盖的农田土壤含水量进行估算,利用2014年在陕西杨凌区获取的4个生育期内Radarsat-2卫星数据及同步田间测量108组冬小麦农田土壤含水量地面测量数据进行模型参数校正和精度验证。验证结果精度为:改进的雷达植被指数模型原叶面积指数模型(实测叶面积指数验证)原叶面积指数模型(光学遥感反演叶面积指数验证),且改进的雷达植被指数模型可以在多个生育期内对农田土壤含水量进行监测。