机器学习用于耕地土壤有机碳空间预测对比研究——以亚热带复杂地貌区为例

耕地土壤有机碳(SOC)是土壤质量的重要指标,也是生态系统健康的重要表征。当前机器学习(Machine Learning, ML)用于SOC数字制图日益热门,但不同算法在高空间分辨率SOC数字制图中的对比研究尚有欠缺。本研究以福建省东北部复杂地形地貌区为例,采用10m空间分辨率Sentinel-2影像数据,选取地形、气候、遥感植被变量为驱动因子,重点分析当前常用的机器学习算法——支持向量机(SupportVector Machine,SVM)、随机森林(RandomForest,RF)在SOC预测中的差异,并与传统普通克里格模型(Ordinary Kriging, OK)进行比较。结果表明:基于地形、遥感植被因子和气候因子构建的RF模型表现最佳(RMSE=2.004,r=0.897),其精度优于OK模型(RMSE=4.571, r=0.623),而SVM模型预测精度相对最低(RMSE=5.190, r=0.431);3种模型预测SOC空间分布趋势总体相似,表现为西高东低、北高南低,其中RF模型呈现的空间分异信息更加精细;最优模型反演得到耕地土壤有机碳平均含量为15.33 g·kg-1; RF模型和SVM模型变量重要性程度表明:高程和降水是影响复杂地貌区SOC空间分布的重要变量,而遥感植被因子重要性程度低于高程。     

长期施肥下褐土易氧化有机碳及有机碳库的变化特征

本研究探讨了24年长期施肥对褐土土壤有机碳(TOC)、有机碳储量(TOCs)、净固碳效率(NCSE)和碳库管理指数(CPMI)的影响,为评价褐土土壤碳库变化与质量及科学施肥提供理论依据。研究以褐土肥力与肥料长期定位试验为平台,通过9个处理[A组:不施肥处理(N_0P_0、CK);B组:单施无机肥处理(N_1P_1、N_2P_2、N_3P_3和N_4P_4);C组:有机肥与无机肥配施处理(N_2P_1M_1、N_3P_2M_3和N_4P_2M_2);D组:单施高量有机肥处理(M_6)]测定土壤TOC与易氧化有机碳(ROOC)含量,并计算TOCs、NCSE及CPMI等相关指标。结果表明,在不同土层不同时期施用较高量有机肥配施无机肥及施用高量有机肥(N_3P_2M_3、N_4P_2M_2和M_6)均可提高TOC和ROOC含量,且随土层深度加深提升作用减弱。TOCs、NCSE与0~20 cm土层TOC含量在时间和空间上的变化规律基本一致。施用高量有机肥(C组、D组)可有效提高TOCs,A组、B组的TOCs均值分别比C组、D组低76.77%与17.36%。长期施肥处理可提高NCSE,尤其是施用有机肥处理可显著提高NCSE。NCSE为D组C组A组=B组;D组NCSE为1 152.27 kg·hm~(-2)·a~(-1),是C组的2.51倍,B组的16.20倍。与试验前相比,C组和D组的CPMI无显著变化,且C组与D组间差异不显著,但A组与B组比试验前降低16.38~40.02。与A组(CK)相比,B组中N1P1处理与C、D组处理显著影响CPMI,提高了23.30~45.67。在0~40 cm土层CPMI与ROOC含量呈显著正相关,CPMI可以很好地指示有机碳的变化。可见,施用高量有机肥或者较高量有机肥与无机肥配施可极显著提高褐土土壤TOCs、NCSE和CPMI,即施用高量有机肥或者较高量有机肥与无机肥配施(N_3P_2M_3和N_4P_2M_2)有利于褐土有机碳的固存,可减少无机肥的施用量,使土壤性质向良性方向发展,培肥土壤。     

生物有机肥对连作马铃薯及土壤生化性状的影响

生物有机肥是一种集有益微生物和有机肥优点为一体的新型肥料,能更好地让有益微生物在土壤中定植和生长。本研究针对马铃薯连作障碍问题,探索几种生物有机肥对马铃薯连作土壤生物性状、产量及品质的影响。试验以威芋5号原种为材料,在同等化肥用量的基础上,增施等量不同品种的生物有机肥,测定其出苗率、农艺性状、产量及品质、土壤生物性状等。结果表明:施用生物有机肥对马铃薯的农艺性状、出苗率、土壤养分及微生物群落结构、产量以及薯块品质均有改善作用。其中GZ-I处理增产效果最明显,增产率为52.26%,并且GZ-I处理可以明显地提高细菌与真菌的比值(B/F),其B/F较对照提高5.67倍。GZ-III处理提质效果最明显,马铃薯薯块中淀粉、还原性糖以及Vc含量最高,分别较对照提高0.68倍、1.64倍、0.41倍。施用不同生物有机肥均可提高马铃薯土壤的养分含量,改善土壤肥力水平,其中GZ-III处理的改土效果最明显,可以明显增加土壤中的有效养分含量。因此,生物有机肥可以提高连作区马铃薯的产量和品质,并对土壤有明显的改良作用,其中GZ-I处理的增产效果最好,GZ-III处理的提质和改土效果最好。     

Assessing air-drying and rewetting pre-treatment effect on some soil enzyme activities under Mediterranean conditions

Soil enzyme activities are useful indicators of soil quality as they are very sensitive to disturbance. Sample storage or pre-treatments could affect the results in these assays, which are normally determined in fresh samples, kept cold or frozen. The objectives of this study were to (i) evaluate the effect of air-drying or air-drying and rewetting on β-glucosidase, acid phosphatase and urease activities in soils from different locations, degradation status and sampling seasons, and (ii) assess if air-drying or air-drying and rewetting is an accurate sample storage and pre-treatment procedure for enzyme activities in soil quality evaluations under semiarid Mediterranean conditions. Our results showed that urease, phosphatase and β-glucosidase activities were hardly affected by air-drying of degraded and non-degraded soils from the two locations studied in all seasons. Short incubations (4, 8 and 12 d at 23 °C) of rewetted air-dried soil at 55% of water-holding capacity showed different patterns depending on the enzyme studied. Urease and β-glucosidase activities were relatively stable during incubation, with several significant (P<0.05) shifts up and down in some soils and samplings. However, acid phosphatase showed an increase in activity with incubation, of between 5% and 50% relative to air-dried samples. These increases followed no pattern and were unrelated to soil characteristics or sampling date. Hence, urease, phosphatase and β-glucosidase activities determined in air-dried soil samples seem to be representative of those obtained under field-moist conditions. In contrast, short incubations of rewetted soil samples can produce fluctuations in these enzyme activities, mainly of acid phosphatase, and estimations in these conditions are not so representative of field-moist soil values.     

活性天然有机肥在萝卜上的肥效研究

研究了活性天然有机肥在萝卜上的肥效。结果表明:与常规施肥和不施肥相比,施用活性天然有机肥可促进萝卜的生长,改善其品质,显著促进萝卜增产,增产分别达28.3%和59.2%。土壤耕层有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别增加13.20%~23.07%、14.81%~47.61%、12.70%~31.87%、21.57%~40.91%。根际土壤中细菌、真菌、放线菌的数量依次增加45.45%~60.00%、14.29%~33.33%、44.19%~100.00%。     

退化高寒草原土壤微生物变化特性研究

对藏北退化高寒草原土壤微生物群落数量的研究结果表明：①相对于正常草地，轻度退化草地土壤细菌、放线菌、真菌数量均呈不同程度的提高；中度退化和严重退化草地土壤细菌和真菌数量则呈显著下降趋势，而土壤放线菌数量显著升高。②土壤真菌与土壤细菌表现为极显著正相关（P≤o．01）；而与放线菌则为负相关；土壤放线菌和土壤细菌间则为显著负相关（P≤0．05）。③土壤细菌、放线菌和真菌与土壤有机质均呈显著相关，r值分别为0．7256、-0．7533、0．7215。④不同退化程度高寒草地土壤微生物数量以细菌占绝对优势，放线菌和真菌较少，并有不同的变动规律。⑤西藏高原高寒、干旱条件下，轻度退化草地一定程度的沙化所导致的土壤通透性能的改善对土壤微生物的繁殖与活动具有重要的促进作用。     

水稻强化栽培对稻田土壤生物学特性的影响

采用田间试验,对强化栽培(SRI)和常规水作(TF)条件下稻田土壤微生物数量、微生物量、土壤酶活性及相关养分含量进行了研究。结果表明:与常规水作相比,强化栽培增加了土壤细菌、放线菌、真菌数量,分别提高了53.1%～173.8%、61.7%～229.4%、10.0%～55.9%,统计差异显著(p<0.05)。强化栽培土壤微生物量碳、微生物量氮比常规水作提高了12.2%～43.6%,22.7%～175.4%,统计差异显著(p<0.05)。与常规水作比较,强化栽培提高了分蘖期土壤脲酶、碱性磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶活性,分别为12.6%、30.0%、15.1%、13.8%;强化栽培也显著增加了土壤碱解氮含量,但有效磷含量差异不显著。     

秸杆覆盖保墒效果探讨

本文以试验资料的计算结果为依据，研究了秸杆覆盖的保墒效果。研究结果表明，条带状秸杆覆盖在产量、单位面积耗水量以及水分利用率等方面，都比无覆盖和全覆盖优越，从而为生产部门的推广和应用提供了依据     

不同年限温室土壤盐分变化及对土壤退化的影响

为明确种植年限与土壤盐分及土壤退化间的关系,选择栽培模式和管理方式相近的温室,研究其土壤盐分、pH和交换性盐基离子随种植年限的变化趋势。结果表明:随种植年限的增加,土壤全盐量增加,第18年达1.833g/kg;土壤K~+和SO_4~(2–)含量升高,Ca~(2+)、Mg~(2+)和HCO_3~–含量降低;土壤中Na~+和Cl~–增量相对较少。土壤盐离子之和占全盐百分比在第6年平均为77.58%,而至第18年时为52.46%,说明随着种植年限延长,土壤盐离子组成已发生较大改变。土壤pH,第18年比第6年平均下降了1.01个单位,土壤交换性盐基下降了20.11%。因而,随温室种植年限延长,土壤盐渍化严重,酸化程度加重,交换能力下降,土壤肥力下降。     

脱硫废弃物和专用改良剂在碱化土壤改良中的效果

通过大田试验,研究了添加燃煤脱硫废弃物和几种专用改良剂对碱化土壤性质的变化及其对油葵(Helianthusannuus)生长的影响。结果表明:二者配合施用提高了土壤有机质和养分含量,一定程度上降低了碱化度、pH和全盐含量,使油葵出苗率、株高和产量分别提高了116.7%、19.2%和140.7%以上;3种专用改良剂间,改良剂Ⅲ在提高土壤养分含量和降低碱化度和全盐含量等方面的效果最佳,其增产幅度也最高;改良剂Ⅰ的两个施用时期间,秋施显著提高了有机质、全N和碱解N含量,降低了全盐含量,提高了油葵出苗率和产量;改良剂Ⅰ的3个施用水平间,7.50 t hm-2和11.25 t hm-2的施用量下具有较高的全N和碱解N含量、较低的全盐含量和碱化度以及较高的出苗率、株高和产量。以上结果表明脱硫废弃物和改良剂及其配合施用改善了土壤物理化学性质,且有利于油葵的生长和发育。其中,改良剂Ⅲ的改良效果最佳,但其施用技术有待于进一步的研究。