黄土高原塬区麦田土壤干旱特征

通过对黄土高原典型残塬董志塬麦田不同时期土壤各层次水分含量的分析,揭示了陇东黄土高原塬区土壤干旱特征。分析显示,麦田土壤从上层到下层,干旱发生频率呈现出逐渐增加的趋势,但干旱强度呈现出逐渐减弱的趋势;重旱主要出现在春末初夏,土壤中、上层出现概率最高,1 m以下土层基本不出现重旱现象;过湿现象主要出现在秋季,土壤中、下层出现概率最高,1 m以上土层基本不出现过湿现象;晚秋是董志塬麦田土壤含水量最丰沛的时期,春末初夏是最干旱的时期,早春出现重旱的几率较小。     

陇东塬区周年水资源分布及对农业生产的影响

通过分析黄土高原典型残塬"董志塬"麦田周年水资源、不同季节水资源、冬小麦返青后生长期水资源构成,揭示了陇东黄土高原塬区麦田不同时段水资源潜力。结果表明多数年份早春土壤有效贮水量占生长季水资源总量20%以上,最高可达到38%。春季麦田水资源64%来源于早春土壤水库贮水,秋季麦田水资源52%来源于初秋土壤水库贮水,由于麦田春季消耗了大量土壤水库贮水,夏季麦田水资源只有22%来源于春末土壤水库贮水。冬小麦返青后生长期水资源一半来源于早春土壤贮水,一半来源于返青后生长期降水量。鉴于冬小麦既可以利用上年收墒期降水,又可以利用当年生长期降水,对周年水资源利用率较高,针对陇东塬区两年三熟的种植方式,建议采用冬小麦+小秋作物的种植模式,既可以变两年三熟为一年两熟,又可以提高土地利用率,有效利用光、热、水资源,增加单位面积产出。     

黄土塬区麦田水资源特征研究

利用当地农业气象观测资料研究了陇东塬区麦田晚秋土壤贮水与收墒期水资源关系、春季降水与春旱的关系、春旱特征,并利用世界粮农组织(FAO)公布的模式,计算了该区域冬小麦不同生长阶段需水量,分析了该区域冬小麦不同生长阶段水资源丰歉度、可生长季水资源构成和农业生产对策。分析显示:陇东塬区冬小麦冬前生长期水资源过剩,返青后生长期水资源短缺,短缺最严重的时段是成穗期,即4月中旬到5月中旬,水资源总量只占需水量的67%,80%保证率为31%,是影响冬小麦产量的关键时期。春、夏、秋三个可生长季节中,春季麦田水资源以早春土壤贮水为主,夏季以自然降水为主,秋季初秋土壤贮水和自然降水占水资源总量的比例接近。植株生长期水资源、成穗期水资源和全生育期耗水量和冬小麦产量相关程度较高,幼苗期和籽粒形成期水资源对产量的影响相对较小。农业生产上要根据不同时期水资源构成特征科学决策种植模式,并采取工程措施或生产措施有效降低越冬期土壤水分损耗、麦田冬前旺长水肥损耗、晚秋和早春秋白地水分无效损耗,提高水分利用率。     

陇东黄土高原塬区冬小麦越冬期土壤水分损耗规律浅析

通过分析陇东塬区冬小麦越冬期土壤水分损耗,以及决定越冬土壤水分损耗的关键气象要素,指出在秋季降水充沛、土壤收墒充足、冬季气温偏高、降水明显偏少的年型,越冬期土壤水分损耗是不可忽视的,其中有一半年份,越冬期土壤水分损耗占冬小麦生长季节自然降水的10%～22%。尤其是入冬前土壤含水量充沛,而返青以后生长期降水相对较少的年份,越冬期麦田土壤水分损耗相当于返青到成熟期降水量的44%。     

黄土旱塬区麦田休闲期降水与土壤贮水的变化特征

为提高休闲期降水资源利用效率和确保区域粮食安全,利用1981—2020年陇东黄土高原旱作麦田定位土壤水分和气象观测资料,分析了冬小麦田休闲期间降水与土壤水分的变化特征及其影响因素。结果表明:(1)近40年陇东黄土高原休闲期降水以14 mm/10 a的速率增加,降雨总日数和小雨日数呈减少趋势,中雨、大雨日数呈弱增加趋势;(2)近40年休闲期1 m土层平均以9.5 mm/10 d的速率充水,贮水量平均增加97 mm,21世纪以来贮水量增加明显;(3)休闲期降水与1 m土层贮水增量符合二次函数关系,1 m土层开始贮存水分的降水阈值为175 mm,贮水增量与中、大雨总日数相关性最高,前期降水主要以土壤蒸发消耗为主,后期降水则大部贮存于土壤中;(4)休闲期1 m土层平均贮水效率为0.27,贮水效率随着麦收时的土壤墒情增加而线性递减,当麦收时1 m土层贮水量小于田间持水量的45%～48%时,贮水效率较高,1 m土层水分得到充分补充的降水阈值为388 mm。该研究成果揭示了近40年陇东黄土高原休闲期降水和土壤贮水的转化规律,同时为指导区域水资源高效利用提供科学依据。     

施肥水平对冬小麦田土壤水分影响的模拟

在模拟精度验证基础上,应用WinEPIC模型模拟研究了黄土高原长武早塬地1957～2001年期间不同肥力水平下连作冬小麦田的土壤干燥化效应.结果表明:4种肥力处理下连作冬小麦逐月土壤有效含水量均呈现波动性降低趋势,平均每年分别减少8.6、8.6、11.1和13.7 mm,无肥和低肥与中肥和高肥处理间土壤有效含水量差异十分显著,但无肥和低肥处理间无明显差异;在模拟初期出现了土壤湿度逐年降低、土壤干层逐年加厚的干燥化过程,在连作第5～8年以后均出现了稳定的土壤干层,无肥和低肥处理土壤干层均分布于2～3 m土层,中肥和高肥肥处理分别分布于2～4 m和2～5 m土层,随肥力和作物产量水平的提高,土壤干层厚度增厚;4种肥力处理麦田生产年度耗水量接近且呈现波动性缓慢降低趋势,但前1～4年中肥和高肥处理麦田共计较无肥处理麦田多耗水91和203 mm,长武旱塬地麦田土壤水分承载力为1.422～2.405 t/hm2,相应的肥力水平为N45～90 kg/hm2和P 15～30 kg/hm2.     

黄土高原沟壑区苜蓿地土壤水分剖面特征研究

对黄土高原沟壑区不同种植年限苜蓿地土壤深层水分特征的分析表明,受降水影响0～2m土层水分变化较大,2m以下由于没有水分的补给,出现了干燥化现象。苜蓿在生长前期主要利用上层土壤水分,土壤水分恢复也是从上层开始,下层的干层则难予恢复。10、15、23年生苜蓿分别在9、10.8和11m处水分含量趋于稳定,达到土壤干层的下限。土壤水分的变异系数随土层深度的增加而减小,水分含量趋于稳定。在0～9m土层土壤水分亏缺较大,亏缺量大于年均降水量。     

黄土高原人工林对区域深层土壤水环境的影响

通过对典型黄土区 1 0m土层土壤水分的分析表明 :黄土高原土壤深层具有丰富的土壤水资源 ,3～ 1 0m土层内土壤水资源从南部的 1 0 86.8mm逐渐降低到北部的 5 2 4.1mm ,各地土壤水资源量约相当于当地多年平均降水量的 2倍。在 1 0m土壤水分剖面内 ,随土层深度的变化土壤含水量具有波动性和相对稳定性的特征。以荒坡地或低产农田为对照 ,通过对比分析发现 ,黄土高原目前主要的造林树种可利用 9～ 1 0m以下土层的土壤水资源。在黄土高原半干旱气候背景下 ,人工林植被的耗水主要使黄土区中北部地区 3～ 8m土层土壤含水量降低到长期接近或低于凋萎湿度 ,形成难以恢复的深厚土壤干层。人工林大量耗水形成的难以恢复的土壤干层是黄土高原特殊的生态水文现象 ,是目前区域人工植被生态系统不稳定性的体现。同时表明 ,黄土高原营造的人工林尚不能达到涵养水源之功能。     

黄土高原沟壑区小流域土壤水分空间分布特征

以长武王东沟小流域为研究对象 ,研究了黄土高原沟壑区小流域的土壤水分分布特征。结果表明 :在王东沟小流域内 ,土壤剖面中 0— 2 m的土层经过一个雨季之后 ,土壤水分得到了部分的恢复 ;2 m以下土层 ,由于没有水分补给 ,相对比较干燥。该流域内农地的土壤贮水量高于草地 ,草地高于果园地 ,林地的土壤贮水量最低。而在同一地理位置 ,土壤的水分分布又受坡度、坡向、坡位、植被类型、植被密度和生物量的影响 ,表现出一定的空间变异特性     

黄土高原沟壑区塬面苹果园土壤水分特征分析

为了解长期种植果树对黄土高原沟壑区土壤水分的影响,对不同种植年限的塬面果园土壤水分特征进行了分析。结果表明:黄土沟壑区塬面果园土壤水分含量普遍低于80%田间持水量,水分较亏缺。0~10 m果园土壤平均含水量与3 m以下各层含水量均呈极显著相关关系,与2~3 m层含水量呈显著相关关系,与0~2 m层次的土壤含水量相关性不显著。土壤水分含量随种植年限的增加呈现先降低后又略有恢复的趋势,但水分恢复量不大。土壤水分波动性及其亏缺量随种植年限的增加呈现先增加后减小的抛物线型变化趋势。果树根系所吸收利用的土壤水分的深度,随着种植年限的增加而增深。在果树的主要生命周期内,其吸收利用的土壤水分最大深度可达8 m上下,耗水量最大时期为盛果中期(种植15年左右)。     

黑河流域森林生态系统湿热特征分析

利用2008年黑河流域典型森林生态系统土壤和空气温湿度观测资料,分析了不同层次土壤和大气温度和湿度的变化特征。结果表明:(1)各层土壤温度在2—3月达到一年中的最小值,在7—9月达到一年中最高值,土壤温度周年变化幅度以及年最低温度随土壤深度的增加而递减。(2)表层土壤含水量受春季融雪和降雨影响较大,在8月中、上旬达到最高值;20—40cm土壤含水量对春季融雪响应较弱,80—120cm土壤含水量较为稳定,不受冻融交替影响。(3)从当年7月中旬至次年1月下旬,林地各层气温呈下降趋势,2月上旬至7月上旬呈上升趋势;距离地表近2m高度全年各月份气温略高于10m和24m高度,气温最高值和最低值分别出现在14:30和6:30左右。(4)4—6月林内湿度相对较低,7—10月相对较高,空气相对湿度最高值和最低值分别出现在22:00和11:30左右;10m和24m处空气相对湿度变化规律与2m处基本一致。     

金沙江下游季节性干旱区紫色土坡耕地土壤水分变化特征

土壤水分是季节性干旱区农业生产的限制因子,研究紫色土坡耕地土壤水分变化特征有助于解决坡耕地的生态水文型干旱问题。以金沙江下游季节性干旱区紫色土坡耕地为研究对象,使用PR2/6土壤剖面水分测定仪在雨季对5°、10°、15°、20°、25°、30°坡面10、20、30、40、60、100 cm土层的土壤体积含水量进行连续监测,分析紫色土剖面含水量变化特征。结果表明:坡耕地土壤水分随时间的变化特征可分为四个阶段:6月初至6月底为土壤水分恢复期,7月初至8月中旬为土壤水分快速补充期,8月中旬至8月底为土壤水分消耗期,9月初至9月底为土壤水分回升期。土体剖面含水量自上而下呈现逐渐增加的趋势,且各层含水量都具有显著的差异性和相关性。6个监测点最大含水量均出现在100 cm处,为19.67% ~ 33.82%,最小含水量大多出现在20 cm处,为3.07% ~ 11.71%。土壤含水量变异系数自上而下逐渐降低,10 cm处土壤含水量变异系数最大,为8.67% ~ 56.28%,100 cm处最小,为0.68% ~ 14.76%;土壤含水量随着坡度的增加总体上呈减小趋势,在0 ~ 60 cm土层,10°监测点的土壤含水量最高,为12.20% ~ 20.40%,在0 ~ 100 cm土层,25°监测点的土壤含水量较低,为4.28% ~ 19.22%。降雨和坡度对土壤含水量均有显著影响,二者对土壤含水量的影响随土层深度的增加而减弱。研究结果对紫色土坡面水资源高效利用及提高农业生产力具有重要意义。     

东北黑土区丘陵漫岗夏季坡面土壤水分差异分析

在7月雨季过后,用TDR在典型黑土区小流域做土壤水分调查。结果显示:小流域坡面从下部到上部,表层10 cm土壤水分含量变化幅度最大。在深度上,表层10 cm水分含量最低,0~30 cm内由上到下水分迅速增加,从30 cm以下到100 cm趋于稳定。坡面3个部分中,在表层10 cm水分含量下部最高,中部次之,上部最低;20 cm土层水分含量上中下3部分相差无几,而在30 cm以下到100 cm,土壤水分含量由高到低基本上是上部、下部和中部。坡面上的林带在相同条件下土壤含水量显著低于豆地,但因为宽度只有10 m左右,从变化趋势来看其影响深度仅在1 m以内。沟底林带地势低,表层水分较高,因宽度大而影响深度要超过1 m。麦地和豆地相比,土壤水分含量较低。     

不同土地利用方式对岩溶山区旱坡地土壤水分时空分异的影响

通过对岩溶山区贵州修文县2年的土壤水分定点观测,系统分析了研究区不同坡度下土地利用方式对土壤水分的影响.分析结果表明,在不同坡度之间,土壤水分的变化差异极为显著;在不同的土地利用方式条件下,蔬菜地的土壤水分变化与其他两种用地的差异极为显著,而裸地与小麦-玉米轮作地之间却没有显著差异.同一时间径流深虽然16°坡地＞9.5°坡地＞6.5°坡地,但土壤水分却存在9.5°坡地＞16°坡地＞6.5°坡地的关系,初步分析这是由土壤剖面质地差异所致,从剖面分布来看,土壤水分含量都随着深度的增加而增大.坡度和土地利用方式对土壤水分的影响主要集中在BC层以上,而在C层这种影响较弱,坡度因素的影响深度比土地利用方式小.     

Soil loosening on permanent raised-beds in arid northwest China

Poor lateral water infiltration into permanently raised beds (PRB) can reduce crop yield and water use efficiency (WUE) in dryland agriculture. Especially for densely planted crops the reduced soil moisture affects seedling emergence and causes slow crop growth. Soil loosening with three different types of cutters was tested to overcome this problem of wide PRB in this study. A field experiment with five treatments (traditional tillage, bed without soil loosening, bed with soil loosening by two-edge cutter, bed with soil loosening by flat cutter and bed with soil loosening by V-shaped cutter) was conducted in the Hexi Corridor, northwest China, on spring wheat in 2005 and 2006. The effects of soil loosening and the performances of the three cutters were assessed based on 2 years of soil moisture, bulk density, temperature, spring wheat growth, yield, WUE, power and fuel consumption data. Soil loosening significantly increased lateral water infiltration and thus improved soil water content by 3–8% to 100 cm depth and soil temperature by 0.2–0.4 °C to 30 cm depth compared to beds without soil loosening on sandy-loam soil in 100 cm wide bed systems. Furthermore, bulk density at 10–20 cm depth was about 7.4% lower for bed with soil loosening treatments than for bed without soil loosening. The best results were achieved by the V-shaped cutter, which at a slight additional fuel consumption of 0.46–0.84 l ha⁻¹ offered the greatest benefits to spring wheat yield and WUE. Spring wheat yields increased by 5% and WUE improved by 38% compared to traditional tillage due to higher soil moisture and temperature, lower bulk density and faster growth. The improvements in WUE have tremendous implications in the arid areas of northwest China where agriculture relies heavily on irrigation, but water resources are scarce. We conclude therefore that soil loosening by V-shaped cutter is an efficient way to remove poor water infiltration, and significantly improve yield and WUE for wide beds under PRB farming system in arid areas of northwest China.     

Surface and profile soil moisture spatio-temporal analysis during an excessive rainfall period in the Southern Great Plains,USA

In this work we analyze the temporal stability of soil moisture at the field and watershed scales in the Little Washita River Experimental Watershed (LWREW), as part of the remote sensing Cloud and Land Surface Interaction Campaign (CLASIC07) during June 2007 in south-central Oklahoma. Temporal stability of surface and profile soil moisture data were investigated for 20 LWREW soil moisture measurement stations. In addition, daily surface and profile soil moisture measurements were obtained in four 800 m by 800 m fields (remote sensing footprint), including two rangeland sites and two winter wheat fields. The work aimed to analyze the temporal stability of soil moisture at the watershed and field scale and to identify stations within the watershed, as well as locations within each field, that were representative of the mean areal soil moisture content. We also determined the relationship between sites found to be temporally stable for surface soil moisture versus those determined stable for average profile soil moisture content. For the unusually wet experimental period, results at the watershed scale show that LWREW stations 133 and 134 provided stable underestimates, while stations 132 and 154 provided stable overestimates of the watershed mean at all depths. In addition, station 136 had very high non-zero temporal stability at the 25 cm and 45 cm depths indicating that it could be used as representative watershed site provided a constant offset value is used to acquire a watershed mean soil water content value. In general, the deeper depths exhibited higher soil moisture spatial variability, as indicated by the higher standard deviations. At the field scale, measured average profile soil moisture was higher in the winter wheat fields than the rangeland fields with the majority of the winter wheat depth intervals having high non-zero temporal stability. Field scale temporal stability analysis revealed that 4 of the 16 sampling sites in the rangeland fields and 3 of the 16 sampling sites in the winter wheat fields either under or overestimated the field means in the 0–5 and 0–60 cm depth intervals. Field sites considered temporally stable for the surface soil moisture were not stable for the profile soil moisture, except for the LW45 field where two sites were stable at both the surface and profile soil moisture. This finding is significant in terms of soil moisture ground-truth sampling for calibrating and validating airborne remotely sensed soil moisture products under extremely wet conditions. In addition, identification of temporally stable sites at the watershed and field scales in the LWREW provide insight in determining future measurement station locations and field scale ground sampling protocol, as well as providing data sets for hydrologic modeling.     

基于温度植被干旱指数的江苏淮北地区农业旱情监测

为实现江苏省淮北地区农业旱情监测,利用Savitzky—Golay(S-G)滤波方法,对2011—2012年江苏省淮北地区1-5月MODIS的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和地表温度(land Surface temperature,LST)8 d产品进行重构,去除原8 d数据的噪声,填补受云影响而缺失的数据。基于重建后的NDVI和LST数据,计算温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI);分析TVDI和土壤湿度之间的关系,构建土壤湿度反演模型。最后,利用另外1组数据验证所建土壤湿度模型的精度。研究结果表明:1)S-G滤波方法能够提高MODIS LST和NDVI数据质量,并能对缺失数据进行填补;2)TVDI方法能够实现试验区土壤湿度反演,所建模型在试验区具有一定的普适性,反演精度较高(R2=0.575,RMSE=2.59%);3)TVDI方法在江苏省淮北地区干旱监测中得到了较好的应用,能够成功地监测出江苏淮北地区2011年和2012年春旱。该研究可为农业旱情的快速监测提供借鉴。     

A system for measuring soil physical properties in the field

An automated soil sampler and a system for measuring the physical properties of soil cores in the field were developed for the study of soil compaction and tillage effects on soil physical properties. The system measures the bulk density, air-filled porosity, intrinsic air permeability, and moisture content on 47.6 mm diameter soil cores as well as measuring cone penetration resistance in the field. Results of a laboratory calibration study illustrated that the system measures the soil properties with acceptable accuracy. A main benefit of the system was the fact that it could measure all of the above properties on ten core samples down to a depth of 0.5 m, typically within 15 min.

A field compaction study showed that the system was capable of detecting the effects of a 15.2 tonne axle load on the soil down to a depth of 0.4 m, 1 year after compaction.     

干旱年份地膜覆盖模式对春小麦土壤水分和产量的影响

在西北半干旱雨养条件下,采取不同地膜覆盖方式,研究了春小麦地膜覆盖的水分效应。结果显示,覆膜可显著提高土壤表层（0-20cm）墒情,但在拔节后土壤深层墒情覆膜明显不如露地。从200cm土体全生育期平均水分状况来看,地膜覆盖的耗水量比对照少;6种模式中,甘谷模式和甘肃模式的秋覆膜的土壤水分状况明显优于露地;覆膜的春小麦产量高于露地（平均增产率44.45%,增产711.45kg·hm^-2）,且秋覆膜的平均产量略高于春覆膜。试验表明,覆膜春小麦在更干旱土壤上获得更高产量的水分保障和增产机制是能有效利用深层土壤水分,同时把深层的水分输送到表层。