基于距离反比法的土壤盐分三维空间插值研究

以新疆兵团一块面积约70 hm2的盐碱地为研究对象,采用EM38与土钻取样相结合的方法得到了126个点不同土层(0~200 cm)的1 386个土壤盐分数据,应用三维距离反比法(3D-IDW)对土壤盐分进行了空间插值,探讨了垂向坐标扩大倍数和搜索点数对插值结果精度的影响。结果表明,研究区0~140 cm土层盐分平均含量较高,为1.84~2.11 g/kg,盐分变异较大,而140~200 cm土层盐分平均含量较低,为1.74~1.79 g/kg。所有土层盐分含量的统计特征值(平均值、标准差和变异系数等)均随土层加深而呈现递减的趋势。土壤盐分实测值和估计值的均方根误差随垂向坐标扩大倍数的增大而减小,随搜索点数的增加而增大,其值在0.1~0.4 g/kg范围内变化,当垂向坐标扩大300倍、搜索点数为6个时,插值效果较优。采用确定的参数对研究区的土壤盐分进行了三维空间插值,结果表明土壤盐分空间分布特征与实测值比较吻合,大部分区域土壤盐分含量小于2.5 g/kg,靠近北部和南部边界区土壤含盐量较低,属于非盐化土区,而大于4 g/kg盐化土主要分布在中间和南部局部区域。研究区80%土壤为非盐化土和轻度盐化土,20%为中度和重度盐化土。影响该区盐化土分布的主要因素有灌溉、局部地形、粘土层位置、地下水埋深和矿化度。当不同方向的取样间距相差很大时,选取合适的垂向坐标扩大倍数和搜索点数对保障3D-IDW法的插值结果精度至关重要。     

稻田土壤-作物系统模型参数敏感性分析与模型验证

为提高稻田土壤-作物模型校准过程的效率和精度,以长江中游地区两年的稻田试验数据为基础,采用Morris和Sobol’两种方法对WHCNS_Rice模型参数进行了全局敏感性分析,并在此基础上进行模型校准和验证。结果表明,两种方法得到的模型主要敏感性参数基本一致,与Sobol’方法相比,Morris方法具有计算量小和筛选快速的优势。土壤水力学参数和作物参数对模型输出项均有较大的影响,尤其是土壤水力学参数中的饱和含水率、田间持水率以及犁底层饱和导水率;作物参数中生育期总有效积温、最大比叶面积和作物系数对作物生长过程影响较大;氮素转化参数中仅氨挥发一阶动力学系数和反硝化经验系数分别对氨挥发和氮反硝化有一定的影响,其余参数均不敏感。在此基础上,固定非敏感参数,重点校准上述敏感参数。模型校验结果表明,模型模拟的地上部干物质质量、作物吸氮量、蒸散量和田面水高度均与实测值吻合较好,模拟值与实测值线性回归方程的斜率和相关系数均接近于1,P小于0. 01,说明校验后的模型可用于模拟该地区的水稻生长过程及稻田水分动态和氮素去向。采用Morris方法对筛选出的模型敏感性参数进行模型校准和验证,可以大大提高模型校验的效率和精度。本研究可为稻田土壤-作物系统WHCNS_Rice模型参数的校准和模型的推广应用提供技术支持。     

蒸发条件下粘土层对土壤水和溶质运移影响的模拟

以土壤水和溶质运移的动力学原理为基础 ,采用数值模拟方法 ,研究了在浅层地下水和蒸发条件下含有粘土层土壤的水和Cl-的运移状况 ,重点探讨了两种粘土的层位和层厚对水和Cl-运移影响的差别及原因。研究结果表明 ,粘土层对土壤的水和溶质运移影响的程度 ,与层状土壤中该粘土及其组合土壤的水力学性质有关。本文模拟的重粘土 (简称Y粘土 )与轻壤土所组成的层状土壤 ,其基本情况为 ,随粘土层层位的升高和层厚加大 ,土壤水分蒸发和地下水补给速率降低 ,Cl-积累减少。而轻粘土 (简称R粘土 )与轻壤土所组成的层状土壤 ,由于它们的导水率曲线在压力水头h约 - 10 0 0cm处相交 ,当h低于此值时 ,R粘土的导水率就大于轻壤土的。因此 ,蒸发、补给速率和Cl-积累强度出现以顶位最高 ,甚至高于均质轻壤土 ,其次为底位 ,最低为中部层位的现象。在蒸发条件下Cl-在剖面中的积聚部位主要是土表。粘土层的存在 ,起到了阻滞作用 ,而阻滞程度则与该粘土水力学性质、层位、厚度和地下水埋深有关     

银川平原土壤盐分及盐渍土的空间分布格局

系统认识和掌握盐渍土的空间分布特征,是治理改良盐渍土的基础。在总面积约6 184.9 km2的银川平原引黄灌区布设101个采样点,分层（0～180 cm）测定了土壤全盐量,应用地统计学方法结合GIS技术对其空间分布特征进行了研究。结果表明,银川平原各层土壤盐分的分布类型均比较复杂,呈高度的偏态分布。土壤盐分的变异属于中等变异强度。0～120 cm土层盐分的空间相关距离一般在20～28 km;而深层（＞120 cm）土壤的空间相关距离较大,约34 km。银川平原表层土壤属于非盐化土、轻度、中度、重度盐渍土和盐土的土地面积分别为0、1 508.8、3 614.9、982.6和78.6 km2,总体属于中度和轻度盐化土类型,且呈现一定的盐分表聚趋势。重度盐渍土和盐土主要分布在银北的石嘴山市、平罗县、惠农县一带和银南的部分地区。总体来说,银川平原的土壤盐渍化现象依然严重,应加强研究与治理改良。     

红壤蔗区土壤有效硅的空间变异特征

在一块面积约24 km2的低丘红壤蔗区中,测定了土壤表层175个土样的土壤有效硅含量,结果表明有效硅平均含量较低(117.7mg/kg),变异系数为中等变异强度。地统计学的空间结构分析表明,土壤有效硅存在中等程度的空间相关性,变程为5 km。Kriging方法绘制的等值线图显示,土壤有效硅的空间分布呈明显的斑块状,与地形分布有一定的相关性。通过估计值标准差分布图增补采样点可提高插值精度,为施肥管理提供依据。     

不同水肥管理下设施黄瓜地氮素损失及水氮利用效率模拟分析

【目的】利用模型定量分析不同水肥管理对设施菜地氮素损失及水氮利用效率的影响,为设施菜地合理水肥管理措施的制定提供理论指导。【方法】2010—2011年在山东寿光设施大棚设置了4种水肥管理模式：对照+畦灌（CK）、传统施肥+畦灌（FP）、优化施肥+畦灌（OPT）和传统施肥+滴灌（RI）。利用EU-Rotate_N模型模拟了两个生长季（春夏茬和秋冬茬）各处理下设施黄瓜地的产量、氮素淋失和气体损失等,并计算了水氮利用效率。【结果】两个生长季内滴灌处理（RI）比畦灌处理（CK、FP和OPT）节水约60%,且灌溉水利用效率提高了2倍多。在各施肥处理中,春夏茬和秋冬茬黄瓜的氮素气体损失分别占施氮量的16%—19%和6%—11%,氮素淋失量分别占施氮量的14%—57%和20%—55%,其中OPT和RI处理的氮素淋失量比FP处理分别减少了19%—31%和63%—76%。OPT处理两茬黄瓜的氮素利用效率比FP处理分别提高了3%和7%,而RI处理的氮素利用效率比FP处理分别提高了41%和44%。【结论】氮素淋失是设施菜地氮素损失的主要途径,滴灌和优化施肥均能有效地减少菜地土壤硝态氮的淋失,提高氮素利用效率。     

农田土壤养分的空间变异性特征

对一块面积为１ｈｍ^２麦田内的９８个观测点取样分析,测定了代表不同土壤含水率水平下的两个时期土壤表层和底层的ＮＨ_４-Ｎ、ＮＯ₃-Ｎ、Ｏｌｓｅｎ-Ｐ、表层有机质和全氮等养分。应用地统计学的方法对所取的数据进行了分析,结果表明底层土壤的ＮＨ_４-Ｎ、表层土壤的有机质服从正态分布;其余养分基本上服从对数正态分布;按一定的精度和置信水平确定了合理的取样数目。通过半方差函数分析,发现这些养分在一定范围内存在空间相关性;采用Ｋｒｉｇｉｎｇ方法对未测点进行了估值,绘制了等值线图,并对两个时期的养分动态的空间变异进行了初步分析。该成果可用于提高氮肥利用率和精确农业（施肥）的研究和实践。     

溶液初始pH值及裂解温度对玉米秸秆基生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影响

以玉米秸秆为原料,在300、450℃和600℃下裂解得到3种生物炭,通过批处理实验讨论了溶液初始pH值和裂解温度对玉米秸秆及其生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影响,并用吸附动力学模型和等温吸附模型对实验结果进行拟合。结果表明：对于同种吸附材料而言,溶液初始pH值越低,玉米秸秆及其生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附量越大;当溶液初始pH值为3或5时,对Cr（Ⅵ）的吸附性能大小顺序为：玉米秸秆 > 生物炭300℃ > 生物炭450℃ > 生物炭600℃;当溶液初始pH=1时,对Cr（Ⅵ）的吸附性能大小顺序为：生物炭300℃ > 玉米秸秆 > 生物炭450℃ > 生物炭600℃,且生物炭300℃对Cr（Ⅵ）的最大吸附量约为141.24 mg·g^-1。可见,溶液初始pH值越低,生物炭的裂解温度越低,越有利于生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附。     

基于PEST的土壤-作物系统模型参数优化及灵敏度分析

农业生产管理系统模型输入参数多,参数率定过程十分耗时费力,大大限制了其推广应用。该研究以华北平原2 a的冬小麦-夏玉米田间试验观测数据为基础,使用PEST(parameter estimation)参数自动优化工具对土壤-作物-大气系统水热碳氮过程藕合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)的土壤水力学参数、氮素转化参数和作物遗传参数进行自动寻优,同时计算分析模型参数的相对综合敏感度,并将优化结果与土壤实测水力学参数和试错法的模拟结果进行比较。参数敏感度分析结果表明,18个模型参数的相对综合敏感度较高,其中土壤水力学参数普遍具有较高的敏感度,以饱和含水率敏感度最高;作物参数中,作物生长发育总积温和最大比叶面积具有较高的综合敏感度;而氮素转化参数的敏感度远低于土壤水力学参数和作物参数。评价模型模拟效果的统计性指标(均方根误差、模型效率系数和一致性指数)表明,PEST法比实测水力学参数的模拟精度有所提高,其中土壤含水率、土壤硝态氮含量、作物产量和叶面积指数的均方根误差分别降低了61.8%、23.5%、73.6%和23.3%。同时PEST法比试错法对土壤水分和作物产量的模拟精度也有较大提高,但对土壤氮素和叶面积指数的模拟精度提高不明显。由于该方法大大节约了模型校准时间,在较短的时间内获得了明显高于试错法的模拟精度,因此PEST软件在WHCNS模型参数自动优化中是一个值得推广的工具。     

华北平原高产粮区不同水氮管理下农田氮素的淋失特征

为了降低集约化种植制度下华北平原农田硝酸盐的淋失,该研究选择华北平原高产粮区,开展了为期2 a （2006－2008年）的田间试验,试验设计了2个灌溉处理（常规灌溉处理和基于土壤水分实时监控的优化灌溉处理）和2个施氮处理（传统施氮处理和优化施氮处理）,利用张力计结合土壤溶液提取器对土体2 m处的水分和硝酸盐通量进行了监测和计算。研究结果显示,在相同施氮条件下,优化灌溉能够有效降低农田水分的渗漏量,渗漏量仅为传统灌溉渗漏量的50%左右。优化施氮能够有效降低2.1 m土体硝态氮含量,在相同灌溉条件下2.1 m土体硝态氮的残留量都在传统施氮的60%以下,而灌溉方式对硝态氮累积的影响不大。优化水氮管理相比传统水氮管理氮素的淋失量下降了60%,淋失率也下降了50%左右,粮食产量略有提高。