覆膜抑制土壤呼吸提高旱作春玉米产量

为从农田碳通量角度揭示地膜覆盖种植方式的增产增效机理,于2011年在山西寿阳旱作农业野外试验站对覆膜和露地春玉米田,进行了表层土壤温湿度、土壤呼吸和净碳交换规律及作物生长发育规律的研究和分析。结果表明:与露地处理相比较,覆膜处理全生育期表层土壤含水率提高了18.7%,前期可平均提高表层土壤温度1.67℃。覆膜和露地处理土壤呼吸变化规律总体一致,但前者的温度敏感系数Q10比后者低,且中后期前者排放的碳仅为后者的61.7%,说明采用覆盖地膜种植方式有利于农田土壤碳管理。前期和中期覆膜处理绿叶面积指数比露地处理平均高0.81 m2/m2,后期覆膜处理衰老较快,收获时比露地处理低1.00 m2/m2;露地处理在前期和中期日均净碳通量平均比覆膜处理大0.04 mg/(m2·s),而后期仅小0.02 mg/(m2·s),这是造成2处理最终生物产量和经济产量差异的根本原因。在地上干物质积累和地下干物质积累方面,覆膜处理始终比露地处理高,收获时差值分别为269.7和38.6 g/m2。露地处理每公顷少收春玉米籽粒1 348 kg。由此可见,覆膜种植可提高表层土壤温湿度,促进作物生长发育,抑制土壤呼吸,促进碳积累,增加农民收入的同时更有利于土壤碳管理。     

基于光谱特征空间的农田植被区土壤湿度遥感监测

土壤湿度遥感动态监测在农业生产中具有重要作用。近年来,多种基于光谱特征空间的土壤水分监测指数被陆续提出,并得到广泛关注和应用,但当前多数监测指数未考虑混合像元的影响。该文针对垂直干旱指数(perpendicular drought index,PDI)在农田植被覆盖区监测精度降低问题,分析了植被覆盖下的PDI误差分布规律,引入垂直植被指数(perpendicular vegetation index,PVI)作为植被覆盖表征量,在PVI-PDI二维空间对PDI模型进行调整,提出了适于植被覆盖的植被调整垂直干旱指数(vegetation adjusted perpendicular drought index,VAPDI),并利用内蒙古明安镇研究区实测土壤湿度数据,对PDI与VAPDI进行了比较和验证。结果表明,在裸土、麦茬、土豆、豇豆4种植被覆盖类型中,PDI与土壤实测含水率的决定系数分别为0.630、0.504、0.571、0.543,VAPDI与土壤实测含水率的决定系数分别为0.599、0.523、0.602、0.585。VAPDI在植被区的误差略小于PDI,一定程度上克服了植被覆盖对监测精度的影响。通过PDI和VAPDI空间分布图的比较也说明,VAPDI对土壤湿度的差别有更好的区分能力,在中尺度土壤表层水分遥感反演方面具有一定的优势。该研究可为农田土壤湿度遥感监测方法选择及监测误差分析提供参考依据。     

基于电阻抗成像的植物单根断层图像重建

为了实现植物根系结构形态的原位检测,植物根系单根的断层图像重建研究非常必要。该文应用动态电阻抗成像技术对土壤-树根模拟系统进行了图像重建,对重建图像进行二值化处理并求出树根在该系统中的位置坐标、面积和形状,并以树根的位置坐标、面积及形状的相对偏差为指标,分析了图像重建算法、土壤含水率2个因素对成像质量的影响。结果表明：电阻抗成像技术能够实现树木单根断层图像重建;将重建图像进行二值化处理,所得图像更加直观,便于定量评价成像质量;基于Newton单步残差正则化的一步牛顿误差重构（Newton's one-step error reconsruction,NOSER）算法,比基于全变差正则化的主双-内点模式（primal dual-interior point method,PD-IPM）算法的成像质量好;土壤含水率越高成像质量越好。该研究为基于电阻抗成像技术的植物根系结构形态的图像重建提供参考。     

旱地全膜覆土穴播和全沙覆盖平作对小麦田土壤水分和产量的调节机理

以春小麦品种‘陇春27’为试材,采用田间试验法,以裸地平作为对照,研究半干旱区旱地全膜覆土穴播和全沙覆盖平作对小麦田土壤水分和产量的调节作用。结果表明:与裸地平作(CK)相比,全膜覆土穴播(PM)和全沙覆盖平作(SM)小麦田0~40 cm土壤水分条件明显改善,尤其在干旱年份,能满足小麦前期生长,同时促进小麦出苗后对0~200 cm土壤水分的利用;种植第1年PM在60~80 cm土层耗水量最大,SM和CK在40~60 cm土层耗水量最大;种植第2年PM以120~180 cm土层耗水量最多,SM和CK则以60~80 cm土层耗水量最多。连续种植两年后,PM耗水深度从120 cm延伸到200 cm,SM耗水深度从120 cm延伸到140 cm,CK耗水深度无变化;小麦田休闲效率PM最大,SM次之,CK最小,但是各处理休闲效率随种植年限增加而降低。可见,PM和SM能改善小麦前期生长水分环境,促进出苗后耗水,并加快小麦对土壤深层水分的利用,因而与CK相比,PM产量增加48.77%~815.79%,SM产量增加49.41%~702.24%。但随种植年限增加,耗水深度加大,休闲效率降低,多年种植可能对土壤水分生态产生不利影响。     

不同降水年型黄土高原半干旱撂荒草地水分收支特征

以黄土高原六道沟流域半干旱撂荒草地为研究对象,根据2014—2017年连续观测得到的降水量(P)、蒸散量(ET)、土壤贮水量(S)和植被组成等数据,研究了不同降水年型下撂荒草地的水分收支特征。结果显示:(1)观测前期平水年下0—50cm土层土壤贮水量呈现缓慢下降趋势,以第三年的一场暴雨(109.60mm/d)为分界,后期土壤贮水量总体增加,但波动幅度大增,受蒸散量增加的影响,土壤水分消耗明显;(2)年总蒸散量呈逐年升高的趋势,在平水年下,地表蒸散年际变化主要受气候条件影响,丰水年下,地上生物量的作用明显;(3)水分收支呈现季节性,2—6月为撂荒草地的缺水期,7月—次年1月为丰水期,四年观测结果显示草地处于总体水分亏缺状态(总亏缺165.60mm),存在对深层土壤水(50cm以下)的大量消耗。研究结果表明:撂荒草地水分的持续损失是导致撂荒草地发生演替的重要原因,演替过程中植物深层土壤水的大量消耗可能会导致形成的次生草地土壤水分条件更差,需要加强人为干预措施,防止草地再次退化。     

基于微波反射法的谷物含水率在线检测装置研制

针对稻麦联合收割机在收获作业时难以对小麦、水稻等谷物的含水率进行准确在线测量的问题,该文基于微波反射法研究了谷物含水率在线检测方法,建立了稻麦含水率检测模型,研发了一种稻麦联合收割机谷物含水率在线检测装置。该装置采用微波测量模块对稻麦含水率进行非接触式测量,设计了电压转换电路将微波参数转换成电压信号,采用滑动平均滤波算法进行信号滤波,最后通过标定试验所建立的含水率检测模型进行稻麦含水率计算,计算结果经CAN总线通讯在显示器上实时显示。基于上述理论研究、技术开发和结构设计对所研制的谷物含水率在线检测装置分别进行了室内静态试验和田间收割试验研究,试验结果表明:检测装置的对稻麦含水率的测量范围为14%～34%,在室内静态试验和田间收割试验中的性能标准差分别为0.458 3%和1.078 0%,相对误差分别在2.5%和5%左右,具有良好的准确性与实用性。     

利用SAR影像与多光谱数据反演广域土壤湿度

针对基于主动微波遥感途径开展广域土壤湿度反演的过程中,对植被和土壤粗糙度影响难以进行有效估算的问题,该研究联合多极化雷达和原始多光谱数据源,提出一种改进的卷积神经网络(Improved Convolutional Neural Network,ICNN)方法。该方法采用不同尺寸的卷积核对原始变量进行一维卷积运算,自适应提取能反映测区土壤湿度时空差异的高级特征维;同时,去除了传统卷积神经网络结构中的池化层,保证提取的特征信息完整。试验结果表明,在边长超过100 km的四川盆地研究区域内,模型预测值与样本数据相关系数达到0.934,预测值偏差服从均值趋近于0的正态分布,均方根误差为1.45%,误差分布范围小于6.3%,结果具有较高的可靠性。该方法可为精准农业、旱涝灾害等领域的广域监测研究提供一定的支撑。     

基于低场核磁共振的热风干燥猕猴桃切片含水率预测模型

为研究猕猴桃切片热风干燥过程中水分迁移规律,该试验通过对猕猴桃切片进行热风干燥,考察不同干燥温度(70、80、90℃)、切片厚度(3、4、5 mm)下的干燥特性。试验采用直接干燥法测定含水率,运用低场核磁共振技术(Low-Field Nuclear Magnetic Resonance,LF-NMR)分析热风干燥过程中猕猴桃切片内部水分分布状态与变化规律,建立动力学模型,验证并预测。结果表明:猕猴桃切片热风干燥开始为外部控制,随后属于内部扩散控制,水分有效扩散系数范围为1.58×10-7～4.18×10-7 m2/s,扩散效率随温度升高而增大。升高温度能显著提高猕猴桃干燥速率,可加快结合水、不易流动水以及自由水的迁移。自由水和结合水先于不易流动水发生变化,自由水含量在干燥前期逐渐下降,此过程中不易流动水和结合水含量均表现为先升高后降低的趋势。当自由水被脱除后,不易流动水和结合水含量依次达到最大值;此后,随着干燥的进行,不易流动水逐渐被脱除,此时结合水含量开始下降直至干燥结束。整个干燥过程中,猕猴桃切片部分自由水先转化为不易流动水和结合水,结合水与不易流动水相互转化,循环往复伴随整个干燥过程。以干燥过程中的自由水、结合水、不易流动水的核磁峰值总和、切片厚度和干燥温度为自变量,猕猴桃切片含水率为因变量,进行多元线性回归分析,建立含水率预测模型,模型的拟合优度为0.982。结果表明,低场核磁共振技术结合数学模型可用于描述猕猴桃切片热风干燥过程,可实现对猕猴桃切片干燥过程中含水率的快速、无损检测,研究结果可为猕猴桃热风干燥工艺和过程设计提供理论依据。     

"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。     

Soil Organic Carbon and Soil Physical Characteristics as Affected by Land Uses under Semiarid Irrigated Conditions

ABSTRACT

Rice-Wheat rotation is the dominant land use in the state of Punjab, resulting in over exploitation of ground water resources. Thus, it is necessary to evaluate other land uses that requires less water and are sustainable. The present investigation was planned with four land uses viz., fallow (FLU), rice-wheat (ALU), grasses (GLU) and pear (PLU) with respect to their effect on soil organic carbon and soil physical characteristics in surface and subsurface depth in district Ludhiana, Punjab. The soil organic carbon (SOC) content was higher by 10, 30.9 and 24.9% under rice-wheat, grasses, and pear than that under fallow. The grasses showed higher soil moisture characteristics curve (SMCC) and lower bulk density (Db) than that under rice-wheat. The larger mean weight diameter (MWD) were observed under pear, grasses and fallow than that under rice-wheat by 0.21, 0.51 and 0.41 mm, respectively. The saturated hydraulic conductivity (K_s) was higher in magnitude by 56.1, 55.4 and 28%, respectively under PLU, GLU and FLU over ALU. Of the evaluated land uses, pear and grasses proved to be more sustainable by retaining more moisture, maintaining better soil physical characteristics and SOC under semiarid irrigated conditions in the state on long term gradual response.