河北平原中低产区小麦与玉米生产现状及增产潜力分析

本文基于2000—2013年MODIS/NDVI遥感信息与主要粮食作物的统计数据,分析了河北平原中低产区冬小麦和玉米生产的时空格局,并利用各县粮食作物主要生育期累积NDVI的逐年值、14年的最大值及单产统计数据,采用最小二乘法原理,进行数值曲线拟合,构建了单产遥感估测模型,估算了河北平原中低产区冬小麦和玉米的增产潜力。结果表明:1)冬小麦在邯郸和衡水的最大生产力水平较高,在沧州、廊坊及邢台中部的最大生产力水平较低,即后者挖掘增产潜力之后也很难达到前者的最大生产力水平;玉米的最大生产力水平普遍较高,挖掘增产潜力后均可达到较高的生产力水平。2)冬小麦和玉米总产增产潜力在沧州和邯郸较大;冬小麦单产增产潜力多低于10%,平均增产356 kg?hm?2(5.87%);玉米单产增产潜力多高于10%,平均增产798 kg?hm?2(12.33%);单产增产潜力区域分布不同,冬小麦为廊坊保定沧州邯郸邢台衡水,玉米为邢台邯郸保定沧州衡水廊坊。3)以河北平原近14年来作物累积NDVI的最大值估算的全区冬小麦增产潜力为3.90亿kg,玉米增产潜力为9.62亿kg,二者合计可增产13.52亿kg,约相当于区域冬小麦和玉米理论可达增产潜力的1/5。本文估测粮食作物增产潜力的方法可以应用于估测多尺度范围、不同作物的增产潜力,研究结果可为相关部门的决策和管理提供依据。     

不同生物质炭输入水平下旱作农田温室气体排放研究

在陇中黄土高原干旱半干旱区,采用小区定位试验,对不同生物质炭输入水平下春小麦农田土壤温室气体(CO_2、N_2O和CH_4)的排放通量进行全生育期连续观测,并分析其影响因子。结果表明:6个生物质炭输入水平处理下[0 t·hm~(-2)(CK)、10 t·hm~(-2)、20 t·hm~(-2)、30 t·hm~(-2)、40 t·hm~(-2)、50 t·hm~(-2)],旱作农田土壤在春小麦全生育期内均表现为CH_4弱源、N_2O源和CO_2源。全生育期各处理CH_4平均排放通量依次为:0.005 7 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.0047 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.003 6 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.003 3 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.002 7 mg·m~(-2)·h~(-1)和0.000 4 mg·m~(-2)·h~(-1),N_2O平均排放通量依次为:0.230 5 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.144 1 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.135 3 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.098 9 mg·m~(-2)·h~(-1)、0.125 0 mg·m~(-2)·h~(-1)和0.151 3mg·m~(-2)·h~(-1),CO_2平均排放通量依次为:0.449 2μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.447 0μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.430 3μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.391 4μmol·m~(-2)·s~(-1)、0.408 0μmol·m~(-2)·s~(-1)和0.416 4μmol·m~(-2)·s~(-1)。土壤CH_4排放通量随生物质炭输入量的增加而减小;当生物质炭输入量小于30 t·hm~(-2)时,土壤N_2O、CO_2排放通量随其输入量增加而显著减小,但当其输入量超过30 t·hm~(-2)时,N_2O、CO_2排放通量则呈显著增大趋势。各处理在5~15 cm土层平均土壤温度差异显著(P0.05),在5~10 cm土层平均土壤含水量差异显著(P0.05),土壤温度及含水量受生物质炭影响明显;且CK处理不同土层的土壤温度及含水量波动最大,生物质炭输入可在一定程度上降低不同土层土壤的水热变化幅度;N_2O、CO_2排放通量与10~15 cm土层土壤温度呈显著性负相关,与20~25 cm土壤温度呈显著性正相关;CH_4平均排放通量与5~10 cm土层土壤温度呈显著性负相关,与其含水量呈显著性正相关;N_2O平均排放通量与15~20 cm土层土壤温度呈显著性正相关;CH_4、N_2O、CO_2平均排放通量与0~5 cm土层土壤水分呈显著性负相关。生物质炭的输入能够减小温室气体的排放,且会因其输入量的不同而异,因此适量应用生物质炭有利于旱作农田生育期内增汇减排。     

退耕还林工程建设对土壤侵蚀的影响——以安塞县为例

以黄土丘陵区退耕还林典型县——安塞县为研究对象,基于3S技术与RUSLE土壤侵蚀模型,从县域尺度上分析评价了黄土高原区退耕还林前后土壤侵蚀变化。研究结果表明:与退耕前1999年相比较,2010年土壤侵蚀强度在空间上发生明显改变,总体上,土壤侵蚀强度有明显减小的趋势。极强烈侵蚀下降幅度最大(下降13.73%),主要向强烈转移,占10.45%;中度侵蚀由35.92%增加到59.98%,主要由强烈侵蚀转移而来,占27.08%;微度和轻度变化较小。土壤侵蚀既有增强区域也有减弱区域,总体趋势以减弱为主。侵蚀加强区域主要是由中度和强烈向强烈、极强烈和剧烈转移,转移面积较小;发生增强的区域主要是以草地覆盖为主;其次是原耕地,退耕还林后转化为林地和草地,部分地区出现裸露斑块,呈现部分小面积土壤侵蚀加剧。土壤侵蚀减弱区域主要是极强烈、剧烈向中度、强烈等转移;转移面积主要发生区域沟壑区低盖度草地、沟道以及河道边缘裸地。随着退耕还林还草工程的实施,荒山林草覆盖度增加,林草植被对降水进行截留下渗,缓减洪峰流量,减少降雨洪峰对沟道和河道侧冲刷,降低土壤侵蚀强度。安塞县实施退耕还林11年后,土壤侵蚀以强度侵蚀为主(46.47%)转中度侵蚀为主(59.98%),全县平均土壤侵蚀由1998年的9 780t/(km~2·a)转为2010年的5 460t/(km~2·a),每年约减少土壤侵蚀量1 274万t。退耕还林工程建设对于安塞县控制水土流失和改善生态环境有着重要作用。研究结果将对该区域水土流失治理提供参考依据。     

不同作物对坡耕地地表径流及氮素流失的影响

为了揭示坡耕地种植作物后径流和氮素流失间的差异,采用径流小区法对坡耕地种植玉米、莜麦和土豆3种作物后坡面径流、地面作物状况、氮素流失量及其关系进行了研究。结果表明:2014年7—9月6场侵蚀性降雨平均降雨量为31.49mm,径流量(Q)为Q_(莜麦-总)Q_(土豆-总)Q_(玉米-总),且与降雨量成线性关系;作物种类对径流中氮素浓度有显著影响,各形态氮浓度均值范围分别为:NO_3~-—N含量10.33~11.83mg/L,TN含量27.48~31.28mg/L,NH_4~+—N含量0.72~0.92mg/L,NO_2~-—N含量0.35~0.49mg/L;6次侵蚀性降雨全氮流失量(TNL)为TNL_(莜麦)TNL_(土豆)TNL_(玉米),均值分别为147.01,139.45,125.63mg;硝态氮流失量(NL_硝)占TNL的33.33%~43.14%,NL_硝和TNL与径流量之间存在线性关系;7—9月份,农作物进入生殖生长阶段,作物覆盖度变化较小,与降雨量和氮素流失量之间没有显著关系,不是影响坡面径流和养分流失的主要影响因素。     

紫色丘陵区坡耕地生物埂土壤抗冲性研究

本文以紫色丘陵区坡耕地4种典型生物埂为研究对象,采用原状土冲刷水槽法系统分析各种生物埂的土壤抗冲性。结果表明:（1）各种生物埂径流含沙量随着冲刷时间的继续出现“先急剧减小后平稳减小直至稳定”的变化趋势。在冲刷0~3 min,各生物埂土壤的径流含沙量均较大,随后径流含沙量平稳变化并趋于稳定。（2）生物埂抗冲刷过程可划分为快速冲刷阶段（0~3 min）、慢速冲刷阶段（3~20 min）和平稳冲刷阶段（20~28 min）3个阶段。生物埂土壤抗冲性随着冲刷时间的增长而不断增强,两者之间可用幂函数表示,其R²值在0.848 7~0.989 9。（3）各种生物埂土壤抗冲性随着坡度的增大而降低,两者关系达到极显著水平（R²=0.790 7,N=12,p < 0.001）,可用幂函数表示。研究结果可为紫色丘陵区坡耕地生物埂措施合理布置及其稳定性评价提供科学依据。     

灌溉农田土壤湿度的时空变化特征

为了探讨现代土壤墒情监测手段在业务监测实践中的应用方法,利用中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验基地的业务和试验资料,对灌溉农田土壤湿度的时间变化特征和空间关系进行了分析。结果表明,灌溉农田的土壤湿度呈一年的周期性变化;浅层(0-50cm)土壤湿度时空波动显著,且各层的变化存在不一致性,60cm以下土层湿度时空变化很小,0-50cm土层的平均土壤湿度能较好地反映0-200cm土层的土壤水分状况,对土壤湿度的监测应集中在浅层50cm内,并需要逐层测量;浅层土壤湿度变异明显,大田中两点各层土壤湿度的相关性一般随两点距离增加而减小,单个测点的土壤湿度测值的代表性差,因此在自动土壤水分仪器布点时,要获得地段的平均土壤湿度信息,必须设置多个观测重复;表层5cm的土壤湿度变化剧烈而迅速,不能正确反映作物根系主要分布层的土壤水分状况,而表层10cm的土壤湿度与作物根系主要分布层的土壤湿度具有很好的联动性,可以较好地反映作物生长的环境土壤水分状况,因此,在应用微波遥感监测土壤墒情时,其对地表的探测深度需要达到10cm以上才能获得关于作物根系主要分布层的土壤水分状况信息,相应地,在土壤墒情微波遥感监测中,需要采用5GHz以下的频率。     

农田无线传感器网络中的簇首轮换机制

在大规模农田无线传感器网络WSN应用中,如何选择最优的网络架构和相应的自组织方式是一个急需研究的问题。在多跳、无线自组织网络Ad Hoc结构基础之上,针对规模农田面积大、作物生长周期长、传感器节点众多的特点,借鉴生物体内大量细胞生长发育和相互协作的组织机理,提出一种星状网和网状网相结合的分层无线传感器网络拓扑结构和簇首轮换机制,通过簇内控制减少节点与基站远距离的信令交互,降低网络建立的复杂度,减少网络路由和数据处理的开销。     

间作模式下玉米/大豆的根系特征及其与团聚体稳定性的关系

通过玉米单作、大豆单作和玉米大豆间作种植,利用WINRHIZ软件分析不同种植模式下0-10 cm,10-20 cm,20-30 cm不同深度土层的作物根系的根系密度、根长、根表面积等根系特征指标,并采用湿筛法对各个土层团聚体稳定性进行分析,研究根系特征对团聚体稳定性的影响。结果表明:单间作条件下,玉米和大豆的根系密度、根长、根表面积、根长密度、根体积等随着土层深度的增加而减少,间作模式下根系密度、根体积在0-10 cm土层分别比单作增加了14.79%和11.74%。间作模式下各土层团聚体平均重量直径和平均几何直径显著高于单作模式,团聚体破坏率、可蚀性因子K值、分形维数（D）显著小于单作模式,0-10 cm土层差异表现为极显著,充分说明间作模式下团聚稳定性优于单作模式。且以上指标在0-10 cm土层内差异最显著,随土层深度增加差异呈减小趋势;通过相关性分析,团聚体破坏率与根体积,根尖数呈显著负相关,与根长,根表面积,根长密度,根杈数极显著相关,说明根长、根长密度、根表面积和根杈对提高团聚体稳定性具有一定作用。因此,间作模式可通过增大根表面积、根长等改变根系特征,从而提高土壤团聚体稳定性。     

等高反坡阶措施对滇中红壤坡耕地土壤贮水量的影响

为探讨布设等高反坡阶后土壤水分驱动特征,揭示其水源涵养能力,以滇中昆明市北郊松华坝迤者小流域为研究区,采用野外监测与室内测试分析相结合的方法,分析了2017年5月1日-2018年4月30日期间不同土层深度（0-100 cm）土壤贮水量时空变化特征及其与其他物理性质的关系。结果表明:（1）试验期间雨季和旱季降雨量分别为528.5,41.5 mm,占试验年降雨量的92.7%,7.3%,I₃₀（最大30分钟雨强）与降雨量的整体变化趋势一致;（2）布设等高反坡阶后,各土层平均土壤贮水量较原状坡耕地在雨季和旱季分别增加9.6%~13.5%,10.0%~23.9%;（3）布设等高反坡阶后坡耕地土壤贮水量变异系数明显减小（p<0.05）,各土层深度下土壤贮水量变异系数的大小为:20 cm > 40 cm > 60 cm > 80 cm > 100 cm;（4）土壤贮水量随土层深度的增加明显减弱,布设等高反坡阶对坡耕地土壤贮水量的影响表现为40 cm > 20 cm > 60 cm > 80 cm > 100 cm;（5）等高反坡阶处理和不同土层深度交互作用对土壤贮水量的影响显著,修正模型平方和达到48 149.124。综上,等高反坡阶处理对坡耕地土壤的贮水能力具有明显的提高作用,对坡耕地地表径流拦蓄、增加水分入渗和减少土壤流失改善作用显著。     

仿蛛网农田无线传感器网络抗毁性量化指标体系构建

为解决传统抗毁性量化指标无法准确描述网络组件失效的耦合关系和全局作用,难以有效归纳、继承蛛网抗毁性机制与规律的问题,该文提出了一套基于节点平均路径数和节点、链路平均使用次数的人工蛛网模型抗毁性量化指标体系,评测失效网络组件的全网影响度和权重等指标。仿真试验表明该指标体系可有效量化评价不同规模的人工蛛网模型的抗毁性,测评各网络组件的抗毁性权重占比,其中,节点、弦链、辐链分别占50%、39.44%、10.56%,同时与传统抗毁性量化指标相比,该文提出的指标具有独特的优势。田间试验结果表明节点遭受不同程度损坏时,仿蛛网部署仍可通过备用链路进行数据传输,相较非交叠分簇部署、栅格部署具有更优的抗毁性。人工蛛网模型抗毁性量化分析可为优化农田无线传感器网络部署,实现规模化可靠应用提供参考。