土壤含水率对近红外传感器标定模型的响应研究

为提高近红外传感器测量的准确度,进一步理解不同标定模型对土壤含水率测量精度的影响。利用土壤表面的近红外反射光强来预测土壤含水率,通过归一化处理将反射光强转化为相对吸收深度和相对反射率,采用2种标定方法,分别建立土壤含水率与相对吸收深度之间及土壤含水率与相对反射率之间的线性模型与非线性模型。选取我国东北地区的黑土进行标定,并用独立的试验数据对模型进行检验。结果表明,吸收深度法的线性和非线性模型的预测值和实测值符合度较好。反射率法的线性模型和非线性模型对土壤的含水率预测均方根误差(RMSE)分别为2.89%和2.95%,相对吸收深度法非线性模型的RMSE值明显大于其他3种模型,预测准确度最低。说明不同标定方法会影响土壤含水率的预测结果。4种模型的预测精度能够满足测量要求。     

测量土壤颗粒密度的体积置换法

土壤颗粒密度测量在土壤和水的关系研究和实践中有重要意义。该文提出一种采用体积置换测量土壤颗粒密度的方法。该方法可以从2种途径进行测定。第1种途径是湿土测量法。第2种途径是干土测量法。湿土测量法:将任意质量和含水量的湿润土样装入容积已知的恒容容器后,称量得到其质量,再将恒容容器中注满水,置换出容器和土壤充气孔隙中气体的体积,再称量得到容器中土颗粒与水的总质量,进而计算得到补水置换体积。然后将土样充分烘干测量得到土颗粒的质量,计算原始土样中土壤水的体积与质量,进而计算得到土颗粒体积,由此测得土粒密度。干土测量法:将土样充分烘干测定土颗粒质量,再将烘干土样置于恒容容器中并注满水,测量并计算得到补水所置换的容器和土壤孔隙的体积,由此确定出土颗粒体积,进而由土颗粒体积和土颗粒质量计算得到土粒密度。采用4种土壤:陕西杨凌的黏黄土、北京的粉壤土、吉林的黑土和江西的黏红土,配制成5种不同土壤含水率(10%、15%、20%、25%、30%)。用上述体积置换法的2种途径,分别测定了每种土壤的土粒密度,并将测得的结果与常规比重瓶法、容量瓶法的测量结果进行比较。试验结果表明,所采用的4种土壤,持续烘干72 h(105℃),湿土法测量得到的土粒密度分别为2.6576、2.6301、2.6411和2.6687 g/cm3,采用干土法测得土粒密度分别为2.6557、2.6320、2.6423和2.6660 g/cm3。4种土壤烘干8 h(105℃)可能使测量得到的土壤颗粒密度偏小1%~2%。土壤颗粒密度测量误差随着烘干时间的延长而逐渐减小。干土法和湿土法测量土壤颗粒密度的散点都聚集在1∶1线上,表明2种方法测量得到的结果基本相同,测量结果比较的最大相对误差小于0.5%,说明体积置换法2种途径可以达到同等测量效果。所提出的方法测量精准度高,操作过程优于常规比重瓶法和容量瓶法。     

高寒区冻融侵蚀类型及驱动力分析

高海拔寒区环境特殊,在全球气候变暖和人为活动加剧等因素的影响下,高海拔寒区日益严重的水土流失给牧区人民生产生活和生态环境带来严重影响。对高海拔寒区主要的土壤侵蚀类型——冻融侵蚀的概念,高海拔寒区冻融侵蚀的主要类型——冰川侵蚀、融冰/雪径流侵蚀、冻融风蚀、冻融泻溜、冻融泥流和沟道冻融侵蚀的形成特点及驱动力进行了分析,以期为高海拔寒区冻融侵蚀研究提供参考。     

极端降雨条件下秸秆覆盖坡面水流流速空间分布

坡面流流速是地表水文和水土保持研究的重要参数。极端降雨条件下,秸秆覆盖坡面水动力过程复杂,探明其流速分布规律对坡耕地土壤侵蚀预报具有重要意义。该研究的模拟降雨试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室降雨大厅内进行。试验土槽宽0.25 m,长8 m,深0.3 m,底部填装黏壤土（31.8%黏粒,43.3%粉粒,24.8%砂粒）,土壤表面均匀铺设长5～7 cm小麦秸秆。试验雨强为160 mm/h2,共设置3种坡度（5°、10°和20°）和3种秸秆覆盖率（0、2和8 t/hm2）,分别在沿着坡长方向距坡顶1.15、3.15、4.15和5.15 m处设置采集点;采用电解质示踪法测量坡面水流流速,分析秸秆覆盖率对坡面流流速及其空间分布规律的影响。结果表明,极端降雨条件下质心法适用于秸秆覆盖坡面流速测量,秸秆覆盖下测量流速为0.017～0.117 m/s;秸秆覆盖可削弱雨滴对坡面流的扰动,增大下垫面的粗糙度,流速随覆盖率的增大而减小。流速随坡度与坡长的增加而增大;沿坡长方向流速变化率逐渐减小,流速最终趋于稳定;由于秸秆对水流的阻碍作用,高秸秆覆盖率坡面达到最大稳定流速的距离减小。秸秆覆盖坡面与裸坡面的水流流速存在显著的线性关系。秸秆覆盖影响坡面流流态,层流的临界雷诺数取值应小于500。研究结果对理解极端降雨条件下覆盖坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。     

脉冲边界模型测量冻土坡面径流流速与距离优选

在室内不同坡度和流量条件下,用电解质脉冲边界模型以及染色剂示踪法进行冻土坡面和未冻土壤坡面径流流速测量的对比研究。采用长3.8 m、宽0.2 m和深0.08 m的试验土槽,用新疆阿克苏温宿县科其喀尔冰川流域草甸土,装土容重为1.0 g/cm3、厚度5 cm,将土样饱和后冻结,制备用于试验的冻土坡面。为提高试验效率,采用在砂纸上粘贴土壤颗粒的方法模拟未冻土壤坡面。在坡度5°、10°和15°,流量12、24和48 L/min条件下,采用电解质脉冲边界模型方法和染色剂示踪方法测量冻土和未冻土壤坡面径流流速,并确定电解质脉冲边界模型方法的最优测量距离。结果表明:电解质脉冲边界模型测量流速随着测量距离增加呈指数增加,并逐渐趋于恒定。通过流速随沟长的变化关系,计算得到冻土坡面条件下,电解质脉冲边界模型测量流速与实际流速相差5%和10%,所需测量距离分别为1.7~2.7 m以及1.4~2.1 m。电解质脉冲边界模型法测得的冻土坡面径流流速随坡度、流量增大而增大,为0.45~0.98 m/s,是未冻土壤坡面径流流速的1.43倍。冻土坡面染色剂示踪法测得的流速较电解质脉冲边界模型测得的流速大3%~20%;未冻土壤坡面染色剂示踪法测得的流速较电解质脉冲边界模型测得的流速大6%~35%。     

基于红外视觉的点源土壤入渗性能自动测量方法改进

土壤入渗性能指标是农业及其他近地表水文等相关研究领域的关键参数，对其进行快速准确的测量对水资源高效利用具有重要的理论及研究意义。为实现地表有覆盖物时土壤入渗性能的自动精准测量，该研究提出了一种利用热红外成像技术对点源土壤入渗性能测量方法的改进方案，设计并构建了对应的测量系统。采用红外热像仪获取地表湿润面积随时间的推进过程，构建了地表湿润面积提取算法，定义了土壤入渗性能曲线的形状基函数，根据水量平衡原理对曲线配位，并建立了土壤入渗性能模型。室内试验设置了土壤类型（粉壤土和砂壤土）、地表坡度（0°、5°和8°）和覆盖度（20%、40%、50%、60%、65%、70%、75%和80%）3个因素；在自然植被覆盖条件下进行了田间验证试验。结果表明，坡度和土壤类型对地表湿润面积识别影响不显著；当轮廓覆盖度小于60%时，采用本文的算法，地表湿润面积识别误差在5%左右，可满足土壤入渗性能的测量要求。室内及田间入渗性能测量试验的水量平衡误差均在2%以下，表明土壤入渗性能测量模型精度较高。该研究提出的方法操作方便，测量精度高，为实现野外地表有覆盖物的复杂环境下原位测量土壤入渗性能提供了可靠途径。