覆盖材料和沟垄比对燕麦产量和水分利用效率的影响

为改善半干旱地区土壤水分状况和提高降雨资源利用率,在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地布置田间试验,采用完全随机设计,以无覆盖平作为对照,研究不同覆盖材料垄作(普通地膜、生物可降解地膜和无覆盖土垄)及垄作不同沟垄比(60 cm∶30 cm、60 cm∶45 cm和60 cm∶60 cm)对燕麦土壤贮水量、干草产量、籽粒产量、水分利用效率和经济效益等的影响。结果表明,就同一覆盖处理的平均值而言,土壤贮水量的排列次序为普通地膜≈生物可降解地膜土垄平作,在同一覆盖处理下,土壤贮水量随沟垄比减小而增加。土垄燕麦的干草产量、籽粒产量和水分利用效率比平作分别降低12%、18%和27%;生物可降解膜垄燕麦的干草产量、籽粒产量和水分利用效率比平作分别提高5%、4%和14%;普通膜垄燕麦的干草产量、籽粒产量和水分利用效率比平作分别提高7%、9%和23%。就大多数情况而言,燕麦干草产量、籽粒产量和水分利用效率随沟垄比减小而减小。对垄宽和实际籽粒产量的回归分析表明,当沟垄比为60 cm∶38 cm时,普通膜垄的燕麦实际籽粒产量达到最大值2 213 kg·hm-2;当沟垄比为60 cm∶34 cm时,生物可降解膜垄的燕麦实际籽粒产量达到最大值2 114 kg·hm-2。平作、土垄、生物可降解膜垄和普通膜垄燕麦经济效益分别为5 194元·hm-2、4 557元·hm-2、4 889元·hm-2和5 637元·hm-2。从燕麦籽粒产量、水分利用效率和环保等方面考虑,在我国半干旱黄土高原区沟垄集雨种植燕麦,覆盖材料应采用生物可降解膜,沟宽∶垄宽为60 cm∶34 cm。     

大面积果园高架长叶片防霜机的效果试验

为了验证防霜机能否对果园上方空气进行物理扰动、消除近地层逆温,基于自主研究设计的国内首台高架长叶片防霜机,利用2013年10月19-21日强降温过程中的对比试验观测数据及分析,对该防霜机防霜冻效果进行了评估。结果表明:在逆温条件下,一套功率为120 kW,高度为8.5 m,风叶直径为6 m的高架防霜机扰动混合环境内上下层空气使得保护区内逆温现象消失,近地层1~3 m增温明显,防霜机保护区内相对湿度减小较快,有效防止霜冻形成;20 m左右是防霜机的强风速扰动影响区,距离地面3、2、1 m处风速分别为4.0、2.1、1.6 m/s。防霜机有效保护范围为水平20~100 m,在其范围内空间1~3 m的风速随水平距离的增大呈波动减少趋势;每台防霜机的有效保护面积为1.73~3.07 hm2。该文研究为科学高效的人工防御霜冻灾害和防霜机的技术推广提供参考。     

生长后期干旱复水对饲草大麦产量、品质及叶绿素含量的影响

为研究水分胁迫对饲草大麦生长、产量、籽粒关键品质和相关生理指标的影响,于2017～2018年采用盆栽称重控水法对甘饲麦1号进行以干旱胁迫持续时间(T)为主因素(10、20、30 d)和旱后复水量为副因素(W1、W2和W3)的裂区试验,测定其株高、穗长、生育期、单株产量及构成因子、关键品质指标以及叶绿素含量的变化。结果显示:干旱胁迫时间显著影响了各项测定指标,各项测定指标均表现出随着干旱胁迫时间的延长其显著降低,指标测定值均表现出T1T2T3。较T1,T2和T3处理的株高显著降低了10.87和16.26 cm,生育期显著提前了5.12和14.00 d;穗粒数、千粒重和单株产量分别显著降低了37.77%和67.06%、15.68%和30.62%、28.72%和69.09%;籽粒蛋白质含量显著提高了4.33%和10.16%,籽粒淀粉含量显著降低了5.65%和22.78%,籽粒饱满度显著降低了12.83%和18.95%。在同一胁迫期内,除了籽粒蛋白质含量以外,其余各项测定指标值均随着复水量的减少而不同程度的降低,指标测定值均表现为W1W2W3,且在T2和T3胁迫期下较对照W1,W3降低尤为明显。通过测定饲草大麦叶片叶绿素含量发现:在T1和T2持续胁迫时间下,复水后W1和W2处理存在显著的补偿效应,而W3以及T3持续胁迫时间的所有复水处理均未产生显著的补偿效应。说明甘饲麦1号干旱复水补偿效应的利用应注意干旱胁迫持续时间不超过20 d(土壤最大持水量的60%～65%),旱后复水量不低于田间土壤最大持水量的55%～60%为宜。     

"池-田"蓄引水模式改善环渤海棉田水盐运移提高棉花产量

为探明环渤海"池-田"蓄引水模式下棉田水盐运移规律对棉花生产的影响,2017和2018年4-10月对未改造棉田(CK)及模式中的台田(A)、浅层地下水抽提棉田(B)、抑盐排涝棉田(C)进行土壤水分、盐分和pH值、棉花光合指标、产量进行测定,结果表明,模式中棉田0～80cm土层盐分和pH值显著降低,A和B棉田盐分降至3.0g/kg左右,pH值低于8.0;C棉田盐分低于5.0 g/kg,7-8月pH值低于8.0。A棉田土壤水分、盐分和pH值最低,滴灌条件下棉花光合性能长期保持高值,光合物质积累的直线增长持续时间和活跃期最长,籽棉产量超过3 500 kg/hm~2。B棉田水分0～40 cm土层高于20%,光合性能高值较长,籽棉产量超过3 000 kg/hm~2。C棉花7-8月光合性能明显提高,籽棉产量超过2 500kg/hm~2。环渤海"池-田"蓄引水模式显著改善棉田水盐运移,有利于棉花生产,从而提高产量。研究可为高效开发利用滨海盐碱地提供科学模式和理论基础。     

基于注意力机制神经网络的荒漠区蒸散量模拟

该研究对基于注意力机制的长短期记忆（Attention-Based Long Short Term Memory，AT-LSTM）模型对蒸散量（Evapotranspiration，ET）模拟的可行性和有效性进行验证，以提高环境数据缺失情况下的蒸散量模拟精度。基于盐池县2012-2017年的每30 min环境数据，利用不同环境因子组合构建基于注意力机制的LSTM模型，并将其与极限学习机（Extreme Learning Machine，ELM）模型、支持向量机（Support Vector Machine，SVM）模型、长短期记忆（Long Short Term Memory，LSTM）模型在日尺度、月尺度和季节尺度上进行对比分析。结果表明：与其他3种模型相比，当输入环境因子变化时，AT-LSTM模型模拟精度变化很小，模拟效果均较好。当输入空气温度、净辐射、相对湿度、土壤温度、土壤含水率所有环境因子时，基于AT-LSTM模型的模拟效果最好，均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）为0.013 mm/30 min，平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）为0.006 mm/30 min，相关系数（Correlation Coefficient，R）值为0.905。且无论是从小时尺度、日尺度和月尺度来看，AT-LSTM模型的模拟效果均优于其他3种模型。在环境因子缺失的情况下，净辐射对盐池县ET的模拟贡献程度最大，仅输入净辐射时，AT-LSTM模型模拟得到的RMSE和MAE分别为0.014、0.007 mm/30 min，R为0.892，模型模拟精度较高，AT-LSTM模型模拟精度高，模型稳定性强，对蒸散量模拟预测具有一定的适用性，仅输入净辐射的AT-LSTM模型可以作为环境数据缺失条件下的蒸散量预测模型。     

基于VG-PENG收缩特征曲线与收缩各向异性的裂隙率估算模型

为量化农田裂隙发育程度,考虑脱湿过程中土壤孔隙在基质域、沉降域和裂隙域间转化,该研究提出基于土壤收缩特征和收缩各向异性的裂隙体积比率(裂隙率)关于含水率的预测模型。该模型包括3个子模型:改进VG型式的基质域收缩特征VG-PENG模型,描述收缩各向异性的几何因子Logistic模型,基于上述VG-PENG收缩特征模型和几何因子模型的裂隙率预测模型。通过土壤收缩试验和裂隙演化监测试验,采用图像处理技术提取裂隙数据,评价了该模型的优度及适用性。结果表明,VG-PENG收缩模型具有较好的连续性和明确的物理意义,可精确描述土壤收缩特征(R~20.98);该研究引入Logistic曲线描述土壤收缩几何因子,揭示了收缩过程中土壤横向开裂和纵向沉降的各向异性机理,提出了脱湿初期纵向沉降(几何因子趋近1)、中期主沉降-副开裂(几何因子处于1～3之间)、后期趋于稳定3个阶段,Logistic模型可精确描述收缩几何因子随含水率变化;基于VG-PENG收缩模型和Logistic几何因子模型,构建了裂隙率关于含水率的演化模型,该模型呈"S"型曲线,取决于土壤收缩属性及其各向异性特征,裂隙率模拟值和实测值吻合较好,呈显著水平(R~20.90,P0.001)。该研究裂隙率预测模型修正了土壤收缩各向异性在裂隙率估算中造成的误差,并突破性地将VG-PENG收缩特征曲线进一步推演并应用于裂隙率模拟,可方便、快捷地通过土壤收缩数据预测农田裂隙率随含水率演化规律,为膨缩土裂隙流研究提供理论依据和参数基础。     

柴达木盆地沙丘移动的空间分异及对形态参数的响应

研究沙丘移动规律与空间分异特征有助于准确了解风沙活动的危害程度,为区域城镇规划和青藏高原国家生态安全屏障保护与建设提供参考。该研究基于GoogleEarth软件测量横向沙丘的形态参数与移动速度,分析了移动速度与方向的空间分异特征,以及移动速度对形态参数的响应。结果表明,1)柴达木盆地内沙丘移动速度介于0～23.53 m/a之间,平均4.66 m/a,以中速(1～5 m/a)为主(53.73%),中部移动最快(5.22±4.27 m/a),东南部最慢(3.27±3.08 m/a),移动方向与主风向一致;2)沙丘移动速度与宽度的相关性最好(R~2=0.988),以后的研究中需多关注沙丘宽度这一参数;3)从柴达木盆地整体看,降水量越大、风速越低,沙丘移动越慢;从局部看,植被覆盖度越大,沙丘移动越慢;4)密集的河流可阻挡沙丘移动,保护格尔木市区,但不能消除沙丘移动的威胁。     

结合Sentinel-2影像和特征优选模型提取大豆种植区

准确获取大豆的空间分布对于产量估计、灾害预警和农业政策调整具有重要意义,目前针对种植结构复杂地区所开展的大豆遥感识别研究鲜有报道。该研究以安徽省北部平原的典型大豆产区——龙山、青疃镇为研究区,基于Sentinel-2数据提出一种分层逐级提取策略的大豆识别方法。该方法首先构建决策树筛选规则,剔除研究区内非农田地物,获得田间植被的总体分布;然后生成19个候选特征因子,包括分辨率小于等于20 m的10个波段反射率以及9个植被指数。在典型地物类型样本的支持下,将ReliefF特征权重评估算法与随机森林(RandomForest,RF),BP神经网络(Back-Propagation Neural Network,BPNN)和支持向量机(Support Vector Machine, SVM)相结合,分别构建ReliefF-RF、ReliefF-BPNN、ReliefF-SVM三种组合模型筛选出对于大豆识别最有效的特征,并基于布设在研究区内6个样方(大小为1 km×1 km)的无人机影像提取得到的大豆分布来评估3种模型在大豆制图中的表现。结果表明,ReliefF-RF模型表现最佳,基于该模型筛选出7个优选特征因子,大豆制图的总体精度介于85.92%～91.91%,Kappa系数在0.72～0.81之间,各个样方的提取效果均优于其他两种模型。此外,基于优选特征达到的提取精度明显高于原始波段反射率,虽然略低于全部19个特征的结果,但是数据量降低了63.16%。该研究可以为农田景观破碎、种植结构复杂地区的大豆种植区提取相关研究提供有价值的参考和借鉴。     

基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究

作为黄土高原地区沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的梁峁坡面,在强降雨下其产流产沙对沟缘线以下坡面及沟道侵蚀有着重大影响。该研究根据野外实地考查构建5°～35°变坡段实体模型,进行6场间歇性人工模拟降雨试验,并借助基于三维重建技术的PhotoScan软件获取坡面DEM,将其侵蚀演化过程进行图形化、数字化,定性定量揭示其侵蚀形态演变特征。研究表明:1)梁峁坡面细沟侵蚀历经4个阶段:面蚀阶段,即产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑,宽度5～9 cm,深度1～4 cm;细沟形成阶段,由面蚀所产生的微小跌坑在径流作用下长、宽、深均不断增大,最大分别达到266、7.6、13.8cm;细沟网形成阶段,细沟出现分叉及联通,有明显流路;小切沟形成阶段,伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和沟底下切,最大沟长及最大沟深较细沟形成时增大3倍以上。2)对比次降雨过程基于三维建模所计算侵蚀量与实测侵蚀量,第1场降雨试验因地表疏松颗粒较多导致实测侵蚀量比建模计算侵蚀量大而引起较大偏差(20.82%),其他场次偏差均在10%左右或以下,总体来说,该技术可以较好地应用于侵蚀发育过程的研究。该研究实现侵蚀演变关键过程图形化、数字化,有助于人们定性、定量了解和认识梁峁坡面侵蚀过程,且对于创新侵蚀过程研究方法亦具有实践指导价值。     

日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析

为减小日光温室土墙厚度,该研究在分析土墙温度变化的基础上提出了土墙轻简化路径并进行了理论分析。根据测试分析,土墙可划分为用于储蓄热量的蓄热层和防止热量从蓄热层向室外方向流失的保温层。土墙86.9%的部分为保温层。模拟结果表明使用由47 cm厚夯土和7 cm厚聚苯板(热阻等于3.13 m厚夯土保温层)构成的复合墙在夜间的放热量与3.6 m厚土墙相近。使用保温材料替代夯土保温层来减薄土墙在理论上可行。另外,根据模拟,当土壤20 cm深处温度提高至23℃后,土壤供热量可超过测试条件下土壤和土墙放热量总和。为此,土墙在理论上可通过以下2条途径实现轻简化:1)使用保温材料建造墙体保温层;2)使用土壤蓄热替代墙体蓄热。