自然降雨对干化土壤水分恢复有效性分析

研究自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性,有利于合理利用降水资源,加强干化土壤水分管理,促进土壤干层得到有效恢复。在陕北米脂试验站设置野外地下大型土柱,通过2014—2019年连续定位监测降雨、土壤含水率状况,分析自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性。结果表明:(1)从深层干化土壤水分恢复角度考虑,黄土丘陵半干旱区降雨可以分为3种类型:表层入渗快速蒸发型、浅层入渗缓慢蒸发型和深层入渗补给型。其中深层入渗补给型降雨为有效降雨,该类型雨量>26 mm,能够对深层干化土壤产生有效水分补给。2014—2019年发生深层入渗补给型降雨仅16次,累积雨量791.8 mm,降雨次数、降雨量的有效率分别为4.64%和35.19%。(2)月尺度条件下,降雨量(P月)与逐月入渗深度(Z逐月)、月累积入渗深度(Z累积)均呈二次函数关系变化,Z逐月=-0.0102P月2+3.955P月-6.7335(R^2=0.9639),Z累积=-0.0003P月2-0.1331P月+191.71(R^2=0.9208)。(3)年尺度条件下,2014—2019年雨量分别为187.6,391.6,590.8,337.6,342.4,400.0 mm,降雨逐年引发的入渗深度依次为160,220,400,260,260,120 cm,累积入渗深度依次可达180,220,400,700,1000,1400 cm。研究结果对揭示自然降水恢复干化土壤机理,加强土壤干层人工蓄水保墒技术,合理选择保墒措施,以及促进当地生态环境建设具有积极的推动作用。     

基于MCR模型的城镇生态安全格局构建和建设用地开发模式

近年来,在中国城市土地开发的顶层设计中越发强调生态空间的重要性,充分识别城市生态安全格局并探讨建设用地空间扩展格局成为划定生态保护红线、确定城市开发边界和"三规合一"空间管制等政策实施的迫切需求。该文以唐山市为例,基于"生态过程—格局"理论和GIS的空间相关性分析、距离分析和叠加分析等方法,从综合水安全、地质灾害预警、生物生境保护、水土保持、游憩安全5个方面,整合构建了底线安全格局、缓冲安全格局和最优安全格局3种不同等级的综合生态安全格局。该文在MCR模型算法引入不同等级"源"的权重系数,以综合生态安全格局为阻力因子,并结合城镇中心的吸引力、主要道路的吸引力和政策调控(区域开发重点)等城镇用地扩展影响因素,得到在不同约束条件下的区域空间扩展阻力面,分别确定了唐山市在"生态安全约束型""经济增长主导型"和"生态与经济并重"3种模式下城镇空间可能的发展范围,经过多方案比较,"生态与经济并重"城镇建设用地空间发展模式是未来城镇健康有序发展的最优模式,这种发展模式既有利于减少大规模、高强度的城镇化和工业化过程所造成的城市发展和环境保护之间的用地冲突,也可为城市用地布局规划和生态红线划定提供科学依据。     

Considering sink strength to model crop production under elevated atmospheric CO2

Climatic changes and elevated atmospheric CO₂ concentrations will affect crop growth and production in the near future. Rising CO₂ concentration is a novel environmental aspect that should be considered when projections for future agricultural productivity are made. In addition to a reducing effect on stomatal conductance and crop transpiration, elevated CO₂ concentration can stimulate crop production. The magnitude of this stimulatory effect (‘CO₂ fertilization’) is subject of discussion. In this study, different calculation procedures of the generic crop model AquaCrop based on a foregoing theoretical framework and a meta-analysis of field responses, respectively, were evaluated against experimental data of free air CO₂ enrichment (FACE) environments. A flexible response of the water productivity parameter of the model to CO₂ concentration was introduced as the best option to consider crop sink strength and responsiveness to CO₂. By varying the response factor, differences in crop sink capacity and trends in breeding and management, which alter crop responsiveness, can be addressed. Projections of maize (Zea mays L.) and potato (Solanum tuberosum L.) production reflecting the differences in responsiveness were simulated for future time horizons when elevated CO₂ concentrations and climatic changes are expected. Variation in future yield potential associated with sink strength could be as high as 27% of the total production. Thus, taking into account crop sink strength and variation in responsiveness is equally relevant to considering climatic changes and elevated CO₂ concentration when assessing future crop production. Indicative values representing the crop responsiveness to elevated CO₂ concentration were proposed for all crops currently available in the database of AquaCrop as a first step in reducing part of the uncertainty involved in modeling future agricultural production.     

双环直径对土壤入渗速率的影响

双环法是测定土壤入渗速率最为广泛最为经典的方法,但双环直径可能影响土壤入渗速率测定结果,因其为地表积水有压入渗,在坡地上测定时,因整平地表时会产生很大扰动,从而产生测定误差。研究设计5组不同直径的双环入渗试验,分析双环直径对土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、累计入渗量的影响。结果表明:当双环内环直径分别为15,20,25,30cm时,初始入渗速率分别是常规内环直径为35cm双环的88.3%,110.8%,119.9%,100.7%,稳定入渗率分别是54%,73%,85%,89%。对不同时刻入渗速率进行T值检验发现,用内环直径为20,25,30cm双环测定的入渗过程与常用内径为35cm的双环测定土壤入渗过程无显著差异。考虑地表扰动因素、试验需水量等多因素的影响,可用内环直径20cm、外环直径为35cm的双环替代目前常规内环直径为35cm,外环直径为50cm的双环,用于坡地土壤入渗速率测定,可以减少地表扰动,从而准确测定土壤入渗率,又能节约用水量。     

四种入渗模型对斥水土壤入渗规律的适用性

土壤斥水性影响入渗,进而影响作物产量。国外学者进行了一定的研究,但在中国研究的还很少。该文基于实测资料探讨几种常规的入渗模型在斥水土壤中的适用性。采用室内土柱进行积水入渗试验,对比了不同积水高度和斥水度条件下的土壤入渗规律,并采用4种模型分析了土壤入渗率变化特征。结果表明,累积入渗量随入渗历时的变化可用幂函数描述,不斥水土壤累积入渗量明显大于斥水土壤;累积入渗量与湿润锋推进距离呈良好的线性关系;利用Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov公式和指数公式对入渗率与入渗历时间的关系进行拟合,其中Kostiakov公式更接近于实测值,其他模型拟合效果因斥水程度等因素的不同而异。     

土壤初始含水率对优先流的影响简

土壤中优先流的存在会造成肥料利用率降低以及土壤深层甚至地下水污染.为确定土壤初始含水率对优先流的影响,通过室内含大孔隙土柱定水头入渗实验,以长武黑垆土及渭河砂土为研究对象,分析不同土壤初始含水率对优先流的影响.结果表明：1）相同质地,当土壤初始含水率大于其斥水性的峰值含水率时,湿润锋运移深度随着土壤初始含水率的增大而增大,反之湿润锋运移深度随着初始含水率的增加而减少,不同质地土壤湿润锋运移速度随土壤粉粒质量分数升高而减慢;2）累积入渗量受到土壤储水性及斥水性的双重影响,导致与湿润锋的运移趋势并不一致,黑垆土对照CK组及优先流O-C-30组（除7.04％含水率外）累积入渗量随着土壤初始含水率的增大而减小,渭河砂土CK组及O-C-30组均呈现2阶段特征,累积入渗量先随着土壤初始含水率的增加而减少,之后随土壤初始含水率的增加而增加;3）Kostiakov入渗模型能很好地拟合累积入渗量随时间的变化过程,适用于存在优先流的土壤入渗模拟.该研究结果对土壤优先流水分模拟具有一定的指导意义.     

不同覆盖模式下砂壤土水盐运移特征研究

地表蒸发引起土壤水分的散失是造成盐分表聚的重要原因之一,土壤表层进行覆盖可改变地表结构,从而影响土壤水分蒸发和盐分迁移过程。为了揭示不同覆盖模式的蓄水控盐效果,通过室内模拟试验,研究了不同覆盖模式下土壤水分入渗过程和水盐迁移特征。试验设置无覆盖(CK)、覆砂(S)、覆砂+覆膜(SM)、覆秸秆+覆膜(JM)和覆秸秆+覆砂(JS)5种模式。结果表明:土壤表层进行的不同覆盖处理会降低土壤湿润锋推进速率和水分入渗速率,具有一定的阻渗作用;湿润锋推进距离与时间符合幂函数F=a·t~b,累积入渗量与时间符合Kostiakov入渗公式,湿润锋推进距离与累积入渗量符合线性关系I=K·Z_f+c。土壤表层进行的不同覆盖处理可有效抑制土壤水分蒸发,土壤保水效果为SMJSSJMCK;随土层深度的增加,土壤含水率减小的趋势逐渐减缓。土壤表层进行的不同覆盖处理也可减弱土壤盐分表聚,缩小盐分在土壤中迁移的范围;覆盖处理的土壤盐分主要在0—20cm范围内迁移,CK在0—35cm范围内。综合考虑不同覆盖模式对土壤水分入渗、抑制水分蒸发和减弱盐分表聚效果,认为砂石覆盖模式是较适合西北旱区的覆盖模式。     

基于低频GPR的土壤累积入渗量的探测方法研究

农田尺度上土壤累积入渗量的准确获取是目前土壤入渗研究中的难题.通过土工模拟和灌水实验,探讨利用低频探地雷达(GPR)技术探测土壤累积入渗量的方法.在分析灌水前后GPR剖面特征的基础上,分别构建和对比了基于波速法和振幅法的土壤累积入渗量计算模型.结果表明,基于振幅的探测模型在精度和稳定性方面均优于波速法,反射波振幅模型精度高于地面波模型,利用反射波波谷1构建的累积入渗量的GPR探测模型的决定系数达到0.96.因此,使用低频探地雷达可以实现对土壤累积入渗量的准确探测.研究结果为农田尺度上土壤累积入渗量的探测方法提供了一种新思路,同时,也为GPR在土壤学领域中的进一步应用提供了科学依据.     

基于MCR-ANN-CA模型的包头市生态用地演变模拟

以内蒙古自治区包头市为研究区,耦合最小累积阻力(MCR)模型、人工神经网络(ANN)和元胞自动机(CA)构建MCR-ANN-CA模型。利用MCR模型量化包头市各用地类型演变为生态用地时的阻力,构建CA适宜性规则;利用ANN模型提取CA邻域转换规则,基于包头市2006、2011年土地利用数据及归一化植被指数(NDVI)、高程、坡度、水体距离、人口密度多项数据,对2016年生态用地演变情景进行模拟,以2016年实际生态用地分布为参照,将该模型模拟结果与CA-Markov模型的模拟结果进行对比(以2016年实际景观分布为参照),结果显示,两种模型模拟结果的卡帕一致性指数(Kappa index of agreement,KIA)分别为0. 89和0. 87,相对误差分别为3. 10%和5. 31%,MCR-ANN-CA模型显示了较高的模拟精度。     

酒精溶液对斥水土壤入渗规律的试验研究

采用室内土柱积液入渗试验,进行了不同斥水程度的2种土质的酒精溶液和蒸馏水的对比入渗试验研究,对比了不同斥水程度的土壤累积入渗量和入渗率随时间的变化,验证了Kostiakov公式在斥水土壤酒精溶液入渗的适应性,探索了i与t-1/2的拟合关系,以及全盐量和氯离子的剖面分布。结果表明,酒精入渗条件下,斥水性的存在明显影响土壤的入渗性能,而不同程度斥水性的斥水土壤的入渗能力变化不明显,但明显小于亲水土壤;湿润土层内的全盐量和Cl-的淋洗在不斥水条件下效果不明显,而在斥水土壤中较为明显,且在湿润锋处达到最大值;对土壤入渗率与入渗历时的关系,Kostiakov公式的适应性较好;i与t-1/2呈良好的指数关系。斥水性的存在影响酒精溶液入渗,但不同斥水程度的斥水土壤入渗不受酒精溶液的影响。与蒸馏水入渗相比,酒精溶液入渗极大地加速了土壤的入渗过程。