基于决策树和随机森林模型的湖北油菜产量限制因子分析*1

利用1961-2014年湖北省主产县油菜产量统计资料及同期气象观测资料,采用决策树和随机森林模型,对影响油菜产量的气候因子进行分析。结果表明：温度、日照时数及干旱、湿渍害对油菜产量均有不同程度的影响,且因生育期不同而存在差异。油菜开花期以前对低温敏感,开花期以后对高温敏感;苗期和蕾薹期对干旱较敏感,开花期和角果期对湿渍害更敏感;日照时数对油菜产量的影响受水分状况的制约,在干旱状况下日照偏多不利于产量形成,偏湿状况下则表现为日照越多越有利于产量形成。在各限制因子中,以湿渍害发生频率对油菜产量的影响最高,其次是干旱和冻害。湿渍害对产量的影响以高湿寡照的次生灾害影响较土壤偏湿的直接影响更大。     

四川省土壤温度状况空间分布特征

土壤温度状况(STR)在现代土壤系统分类中是确定土壤分类单元的重要诊断特性。利用四川省160个气象站点的多年年均和月均地面气候资料与数字高程模型数据,分析不同气象因子与地形因素对土壤温度(土温)的影响,然后以显著影响的因子为辅助变量,采用回归克里格法预测四川省STR的空间分布,依据中国土壤系统分类高级与基层分类划分标准中有关STR的定量诊断指标,对四川省STR及其空间分布特征进行分析。结果表明,气温、经度、纬度与海拔对土温有显著影响,在高级分类划分标准下,四川省STR以热性、温性、寒性为主,部分区域为永冻、冷性、高热;在基层分类划分标准下,四川省STR以热性、温性、冷性为主,部分地区为高寒性、近寒性、亚寒性、高热性。四川省STR分析为四川土壤系统分类与土壤资源的合理利用提供了科学依据。     

光温条件和土壤湿度对栓皮栎幼苗蒸腾潜热和叶温的影响

研究光温条件和土壤湿度对栓皮栎幼苗叶片蒸腾的影响程度,以及太阳辐射、蒸腾和对流换热对叶温形成的贡献.用盆栽遮雨和称量法,控制土壤干旱胁迫水平(体积含水量)为轻度(12.5％ ～ 14.5％)、中度(9.5％～11.5％)和重度(5.5％～7.5％),并分别在自然和人工气候箱(温度控制在25 ～ 43℃)的环境下测定蒸腾速率和气象因子;用热量分析方法,定量确定各因子对叶温差的贡献.结果表明:1)轻度干旱下,蒸腾速率与正常土壤水分下相近,重度干旱胁迫下蒸腾速率降到1.5 mmol/(m2·s)以下;2)晴天的蒸腾速率与太阳辐射关系密切,呈正相关,不同土壤水分胁迫下的斜率不同,表明太阳辐射是蒸腾的主导因子;3)多云天时,蒸腾速率与太阳辐射的线性关系明显下降,说明白天蒸腾一旦开始,蒸腾速率不因短时间的太阳辐射下降而降低;4)在3个土壤干旱水平下,气温都不是蒸腾的主导因子.人工气候箱试验条件下,蒸腾速率虽与气温线性关系明显,但蒸腾速率明显小于晴天自然条件下.同时也说明,轻度干旱不影响栓皮栎蒸腾;在静风条件下,太阳辐射是栓皮栎叶温变化的主导因子,可使叶温变化7℃左右,占叶温变化的50％～70％;蒸腾潜热和对流换热项可使叶温变化1 ～2℃左右,各占叶温变化的10％ ～20％.本研究为构建栓皮栎的WSI,以及用叶气温差诊断栓皮栎土壤水分提供理论依据.     

地膜残留量对新疆棉田蒸散及棵间蒸发的影响

为探讨残膜对干旱区农田蒸散耗水特征的影响,在新疆阿克苏典型覆膜滴灌棉田开展2 a小区试验研究,设计0、225、450 kg/hm2共3种不同的地膜残留量,采用水量平衡法,微型棵间蒸发仪法,于主要生育时期测定并计算土壤含水量、蒸散量、棵间蒸发量、作物蒸腾量、棵间蒸发占蒸散的比例。结果表明:随着地膜残留量增加棵间蒸发量、棵间蒸发占蒸散的比例呈增大趋势,而蒸散量及作物蒸腾量则逐渐减小。与无残膜处理相比,225和450 kg/hm2处理全生育期田间无效耗水的棵间蒸发量分别增加了9.27和22.20 mm,棵间蒸发占蒸散的比例增幅分别为2.6%和6.1%,作物蒸腾量降低34.89和55.94 mm。在棉花生育期内,棵间蒸发占蒸散的比例(E/ET)与叶面积指数(leaf area index,LAI)呈幂函数关系,各处理间棵间蒸发占蒸散的比例对叶面积指数的响应差异不同,450 kg/hm2处理蒸发占蒸散的比例随着LAI的增加,曲线下降趋势较明显;无残膜处理棵间蒸发占蒸散的比例与LAI的决定系数最高,均在0.9以上。土壤水分利用率也随残膜量的增加依次降低,当残膜量由0增加到450 kg/hm2时,土壤水分利用率从28.25%降至24.91%,可见,残膜增大了农田的无效耗水,不利于土壤水分的有效利用。研究可为制定缓解或克服残膜危害的应变调控技术提供依据。     

低场核磁探测水稻田改蔬菜地土壤水分的相态变化

为了解水稻土转变为设施蔬菜地后土壤水分的相态变化,该研究在田间土壤调查的基础上,结合低场核磁测氢技术,评价了田间状态的水稻土和不同转化年限设施蔬菜地土壤水分的相态分布情况。结果表明:随着转化时间的延长,耕层土壤大孔隙吸持的自由水比重下降,土壤小孔隙吸持的束缚水比重上升,犁底层土壤水分的相态分布却无明显变化,土壤水分吸持性能在转化时间序列上呈现下降的趋势,但长期施用有机肥可以优化耕层质量,提升土壤大孔隙吸持自由水的能力,改善土壤水分供释性能;水稻土转化为设施蔬菜地土壤2 a后,出现新犁底层,使得原有的耕层土壤变薄,土壤水分吸持性能下降。核磁共振作为一种新的技术手段,可以实现实时、快速、准确地检测土壤水分的相态变化,可为设施农业的可持续管理提供新的技术支持。     

含水量和容重对旱地耕层土壤热导率的影响及预测

土壤热导率是研究地表能量平衡和土壤水热运移过程中的一个基础参数。受土壤耕作、干湿交替和根系生长等过程的影响,耕层土壤的含水率和结构呈现较强的变异特征,而目前缺乏关于定量分析耕层土壤热导率变异特征的研究。该研究利用田间定位试验,采用热脉冲技术测定了含水率和容重变化条件下耕层土壤热导率的变异特征,并利用传递函数模型对耕层土壤热导率进行了预测。结果表明:含水率和容重是影响耕层土壤热导率变异的主要因子,而耕作强度和干湿交替是这种变异的关键驱动力;与翻耕和旋耕处理相比,免耕处理提高了土壤容重和含水率,从而增大了土壤热导率;在干湿交替作用下,翻耕后土壤容重逐步增加,耕层热导率也呈现上升趋势,波动幅度与含水率的变化相关。基于含水率、容重和质地信息,土壤热导率传递函数模型可以给出可靠的田间土壤热导率估计值,其均方根误差和平均偏差分别为0.09和-0.01 W/(m·K);考虑耕层土壤容重的动态信息,可以提高该模型预测土壤热导率的准确性。     

基于温度差监测西北地区的土壤相对湿度

在2012年黑河生态水文遥感试验（HiWATER）观测资料的基础上,结合卫星的地表温度产品计算观测点的垂直温度差及温度的日较差,并分析了不同时间尺度上温度差与浅层土壤相对湿度（包括土层深度2 cm,4 cm和10 cm的土壤相对湿度）的相关性。为检验温度差在区域含水量监测中的效果,利用经度、纬度和海拔高度对气温进行插值。同时为消除温度的区域性差异,将各温度差进行归一化处理,最后将归一化后的垂直温度差区域分布与土壤相对湿度进行了对比。结果表明:在各温度差中,地表温度和气温计算的垂直温度差与浅层土壤相对湿度的相关性最好;在时间尺度上,温度差与浅层土壤相对湿度的相关系数随时间尺度的增加而增大;在各土层深度中,温度差与4 cm的浅层土壤相对湿度相关性更好;在气温插值中,在纬度和海拔高度基础上插值出的气温与实测值之间更为接近;区域尺度上,归一化后的垂直温度差有效地解决了地理位置和下垫面对垂直温度差的影响,可以很好地监测月尺度上土壤湿度的变化的情况。     

黑土区田块尺度土壤有机质含量遥感反演模型

为了对田块尺度土壤有机质进行空间反演并提高模型精度和稳定性,该文以黑龙江省黑土带41.3 hm~2田块为例,获取2016年5月中下旬两期(受限于拍摄周期和天气原因而选择不同卫星影像,2016年5月17日Landsat 8影像和5月25日Sentinel-2A影像)裸土时期遥感影像和4 m分辨率DEM数据;分析单期影像与土壤有机质(soil organic matter,SOM)的关系,两期影像所包含的土壤含水量变化信息与地形因素对SOM预测模型精度的影响,建立基于BP神经网络的SOM遥感反演模型。结果表明:该田块内SOM含量差异较大;利用单期影像预测SOM时,基于红波段和785~899 nm波段建立的预测模型精度(建模均方根误差RMSE 1.033,检验RMSE 1.079)和稳定性(建模决定系数R2 0.677,检验R20.644)较高;两期影像时,基于红波段和1 570~1 650 nm波段建立的预测模型精度(建模RMSE 0.855,检验RMSE 0.898)和稳定性(建模R2 0.792,检验R2 0.797)显著提高;在两期影像模型基础上,加入地形因子作为输入量,模型精度(建模RMSE 0.492,检验RMSE 0.499)和稳定性(建模R2 0.917,检验R2 0.928)进一步提高。研究成果可为土壤碳库估算和农田精准施肥提供理论与技术支持。     

施肥方式对紫色土农田生态系统N2O和NO排放的影响

依托紫色土施肥方式与养分循环长期试验平台(2002年—),采用静态箱-气相色谱法开展紫色土冬小麦-夏玉米轮作周期(2013年10月至2014年10月)农田生态系统N_2O和NO排放的野外原位观测试验。长期施肥方式包括单施氮肥(N)、传统猪厩肥(OM)、常规氮磷钾肥(NPK)、猪厩肥配施氮磷钾肥(OMNPK)和秸秆还田配施氮磷钾肥(RSDNPK)等5种,氮肥用量相同[小麦季130 kg(N)×hm~(-2),玉米季150 kg(N)×hm~(-2)],不施肥对照(CK)用于计算排放系数,对比不同施肥方式对紫色土典型农田生态系统土壤N_2O和NO排放的影响,以期探寻紫色土农田生态系统N_2O和NO协同减排的施肥方式。结果表明,所有施肥方式下紫色土N_2O和NO排放速率波动幅度大,且均在施肥初期出现峰值;强降雨激发N_2O排放,但对NO排放无明显影响。在整个小麦-玉米轮作周期,N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理的N_2O年累积排放量分别为1.40 kg(N)×hm~(-2)、4.60 kg(N)×hm~(-2)、0.95 kg(N)×hm~(-2)、2.16kg(N)×hm~(-2)和1.41 kg(N)×hm~(-2),排放系数分别为0.41%、1.56%、0.25%、0.69%、0.42%;NO累积排放量分别为0.57 kg(N)×hm~(-2)、0.40 kg(N)×hm~(-2)、0.39 kg(N)×hm~(-2)、0.46 kg(N)×hm~(-2)和0.17 kg(N)×hm~(-2),排放系数分别为0.21%、0.15%、0.15%、0.17%、0.07%。施肥方式对紫色土N_2O和NO累积排放量具有显著影响(P0.05),与NPK处理比较,OM和OMNPK处理的N_2O排放分别增加384%和127%,同时NO排放分别增加3%和18%;RSDNPK处理的NO排放减少56%。表明长期施用猪厩肥显著增加N_2O和NO排放,而秸秆还田有效减少NO排放。研究表明,土壤温度和水分条件均显著影响小麦季N_2O和NO排放(P0.01),对玉米季N_2O和NO排放没有显著影响(P0.05),土壤无机氮含量则是在小麦-玉米轮作期N_2O和NO排放的主要限制因子(P0.01)。全量秸秆还田与化肥配合施用是紫色土农田生态系统N_2O和NO协同减排的优化施肥方式。     

PBAT生物降解膜覆盖对绿洲滴灌棉花土壤水热及产量的影响

为应对农田残膜污染,探明基于聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)材料的完全生物降解地膜代替普通塑料地膜与滴灌结合在棉花滴灌上应用效果,于2015-2016年在新疆石河子大学节水灌溉试验站,分别设置4种不同厚度和降解诱导期生物降解地膜和普通塑料地膜共5种不同处理,研究不同覆盖对滴灌棉花土壤温度、水分及产量的影响,并对可降解膜降解性能和经济效益对比分析.2a试验结果表明,覆膜60～80 d开始出现降解,至覆盖180 d后出现均匀细纹并未完全降解,0.012mm可降解地膜覆膜180 d仅仅出现裂纹,降解速度较慢.0.010mm和0.012mm厚完全生物可降解地膜处理棉花苗期土壤0～25 cm平均温度较对照分别低0.94℃和1.34℃(P＜0.05),但随着作物生长两者差异逐渐减小.4种类型可降解膜覆盖在棉花生长前期均能提高土壤土壤水分,但随地膜降解和棉花生长后期则显著降低,与普通塑料地膜相比土壤水分显著降低1％～3％.总体而言,覆盖完全生物可降解地膜处理2a平均产量较CK减少2％～3％,水分利用效率减少4％左右(P＜0.05),净收入少1 858.5元/hm2 (10.2％),4种类型可降解地膜产投比相比,厚度较薄0.010mm处理应用经济效果较好.可见,目前全生物降解地膜若要代替普通地膜,解决残膜污染,仍需进行较大的改善.