基于电磁感应技术的土壤剖面盐分空间分布建模研究

土壤盐渍化问题是干旱半干旱地区农业发展的主要障碍,也是制约荒漠植物生长状况的关键因素之一,严重影响到绿洲生态环境的稳定与安全。研究土壤剖面盐分的分布情况,能及时探究盐渍化对生态的影响。以渭干河-库车河三角洲绿洲为研究靶区,利用电磁感应仪技术与传统采样方法获取该地区典型地块的土壤电导率,剖析其剖面分布特征,在建立磁感式表观电导率和土壤样本实测电导率之间的线性混合模型的基础上,采用自然邻近插值方法解析和评估研究区土壤剖面盐分的空间分布特征。结果表明:研究区土壤电导率具有较强的表聚性与空间变异强度,土壤主体属于中度盐渍化类型;基于各深度层土壤电导率与磁感表观电导率所构建的3种线性混合模型均能达到0.01的显著性水平,其中磁感表观电导率两种模式相结合解译模型预测精度最高;自然邻近法插值结果直观反映研究区土壤剖面盐分的空间分布状况,与水平模式和垂直模式相结合的土壤盐分解译模型相结合则能够更有效的提高土壤盐分空间分布的预测精度。研究结果表明,借助构建的土壤盐分解译模型可对研究区土壤盐渍化空间分布情况进行快速监测与评估,为该区土壤盐渍化的防治提供了一定的技术支撑。     

干旱区土壤盐渍化特征空间建模

当前,土壤盐渍化以及因灌溉引起的土壤次生盐渍化问题是我国干旱、半干旱区所面临的主要生态环境问题。在特征空间理论的支持下,以波谱分解技术为基础,以Landsat-TM、Landsat-ETM+多光谱遥感影像和野外调查数据为基础数据源,通过分析干旱区土壤盐渍化对地表生物物理特征的影响,探讨了表征盐渍化过程与地表生物物理特征之间的规律及定量关系,进而利用土壤盐渍化遥感监测中关键的3个指标——经过波谱分解技术获得的直接表征盐渍化的土壤盐渍化光谱、间接表征盐渍化的植被覆盖度和土壤水分含量协同构建了二维特征空间支持下的土壤盐渍化遥感监测模型VSSI(Vegetation fraction and Soil fraction Soil Index)、SVSI(Soil water contents and Vegetation fraction Soil Index)、SSSI(Soil water contents and Soil salinization fraction Soil Index)和三维特征空间支持下的土壤盐渍化遥感监测模型SVWSI和SDI。研究结果表明:基于三维特征空间建立的SVWSI(Soil salinization fraction-Vegetation fraction-Water contents Soil Index)和SDI(Soil Distance Index)模型对不同盐渍化程度土壤的敏感程度要高于基于传统二维特征空间建立的VSSI、SVSI和SSSI模型。其中,SVWSI和SDI模型与实测0—10 cm土壤盐分含量决定系数分别为R2=0.8325和R2=0.8646,这充分说明基于高维数特征空间所构建的土壤盐渍化遥感监测模型能更准确地反映盐渍化土壤地表盐量组合及其变化信息,且指标简单、易于获取,对于今后干旱区区域大尺度盐渍地信息提取以及动态监测研究具有重要意义。     

基于流域尺度的土壤盐分空间变异特征——以渭干河-库车河流域三角洲绿洲为例

土壤中水溶性盐的分析,是发展研究盐渍土盐分动态监测与预报技术的重要基础工作。针对目前干旱半干旱区广泛存在的绿洲土壤次生盐渍化问题,基于GIS和地统计学方法,研究了渭干河—库车河流域三角洲绿洲盐渍化土壤特征(土壤含盐量)的空间变异性。研究结果表明:渭-库绿洲土壤含盐量的空间变异性为中等变异,且随土壤深度增加而减弱。各层土壤的合理采样数为在95%置信水平,20%误差下的合理采样数目。高斯模型能够较好的拟合10-30cm及30-50cm层土壤含盐量的空间结构。各层土壤盐分空间变异性受到结构性与随机性因素共同作用的影响,呈强空间相关性。套合结构模型考虑到0-10cm层土壤盐分空间变异的尺度依赖性,能够更好的拟合0-10cm层土壤含盐量的空间结构。Kriging插值以及空间等值线分布趋势图能够直观的表现研究区内土壤盐分含量的空间分布状况和变化情况。研究为土壤特征变量空间变异分析与评价提供了普适性较强的实现方法,为构建盐渍土定量动态监测模型以及盐渍土的改良利用提供一定的科学依据。     

基于遥感的塔里木盆地北缘绿洲干湿季土地盐渍化监测

土壤盐渍化是导致干旱区土地退化、抑制植被生长、影响区域农业生产的最主要的生态环境地质问题.利用遥感数据准确、快速地获取区域盐渍化土壤的动态变化信息对于土壤盐渍化监测具有重要意义.本文以盐渍化现象严重的新疆渭干河-库车河三角洲绿洲为研究区,以2011年4月15日和2011年9月22日成像的两期Landsat-TM多光谱遥感数据为数据源,结合对研究区实地考察所采集的实测数据,通过提取改进型归一化差异水体指数、归一化植被指数以及K-L变换后所提取的第3主成分等参数作为特征量,利用决策树分类方法分别建立了研究区两个关键季节（干季和湿季）的土壤盐渍化信息提取模型,并绘制了两个季节的土壤盐渍化信息分类图.结果表明： 该方法对干季和湿季盐渍地信息的提取精度分别达到87.2%、85.3%,识别精度较高;采用该方法可以有效地对盐渍地变化信息及其空间分布状况进行监测,可为干旱区盐渍地的综合治理和绿洲土地资源的合理利用提供科学依据.     

基于GIS 的渭干河流域生态环境脆弱性评价

以生态环境脆弱的渭干河-库车河三角洲绿洲为研究对象, 基于Landsat8 遥感数据源, 利用ArcGIS 空间分析功能, 以植被覆盖度、地形起伏度、坡度和土壤盐渍化为评价因子, 通过生态环境脆弱性评价模型进行生态环境评价。研究结果表明: (1)研究区的生态环境以不脆弱、轻度脆弱和高度脆弱为主, 占总面积的比重分别为25.2%、20.5%和22.3%, 中度脆弱区和极脆弱区的面积所占比例分别为16.7%和15.3%, 不同区域生态脆弱性程度各有差异, 但脆弱性特征明显。(2)地形起伏度和坡度是影响生态环境脆弱的基本因素, 而植被覆盖度和土壤盐渍化却是主导因素, 对生态环境脆弱程度影响显著。通过人为恢复与保护地表荒漠植被以及防治土壤盐渍化, 阻止区域生态环境脆弱程度的进一步恶化。     

田块尺度下土壤磷素的空间变异性

采用经典统计学与地统计学相结合的方法,对中国科学院沈阳生态实验站30 m×42 m样地进行网格法分层(0～10和10～20 cm)取样,研究了田块尺度下土壤全P和Olsen-P的空间变异特征.结果表明,49对样本土壤Olsen-P的变异系数(4.5%～5.42%)远高于全P(11.8%～13.33%);全P和Olsen-P具有较好的空间结构且具有较相近的空间相关距离.最佳理论模型的参数显示各变量空间变异主要受结构性因素的影响,各变量半方差变异函数的C/(C₀+C)均高于%.全P和Olsen-P之间及在2个土层之间均具有较相似的空间分布格局.变异系数结合空间格局分析可以大大降低试验取样的数量.     

基于Landsat系列数据的盐分指数和植被指数对土壤盐度变异性的响应分析——以新疆天山南北典型绿洲为例

基于不同地理区域,借助目前已有或者构建新的盐分和植被指数定量评估研究区的土壤盐度状况。但多数指数并未在盐渍化较为严重的中国新疆地区进行系统性对比分析。因此,以新疆阜北地区(采样数=37),玛纳斯河绿洲(采样数=68)和渭干河-库车河绿洲(采样数=38)为研究区,以灌区农田和盐渍地采样数据和Landsat TM/ETM+/OLI为数据源,利用线性模型和多个非线性模型(10个)测试上述指数(14个指数)和原始波段对于研究区土壤盐度的敏感性。结果显示,阜北地区基于遥感获取的扩展的增强型植被指数Extented Enhanced Vegetation Index(EEVI)在全样本和部分样本(盐渍化样本,土壤盐度0.3%)两种模式下(0—10cm),较其他指数和波段而言较为敏感。在全样本和部分样本(土壤饱和溶液电导率2ds/m)两种模式下,与玛纳斯流域各层土壤盐度最为敏感的为band 2,部分样本模式下土壤盐度变异性显著性探测最大下探深度为30cm。渭干河-库车河绿洲全样本模式下,最大土壤盐度变异性显著性探测深度为40cm,0—10cm和10—20cm深度表现最为敏感的是土壤盐分指数SI-T,20—40cm深度则为植被指数TGDVI。部分样本下(土壤饱和溶液电导率2ds/m),0—10cm深度最为敏感的为band5,10—20cm深度最为敏感的为TGDVI,20—40cm深度则为EEVI。其他指数因地理环境的差异性(气候,土壤盐分类型,土壤类型,采样时间),与土壤盐度之间并未达到显著性(sig=0.05或者0.01)的水平。以上结果只是初步结论,但也暗示其中的某些指数在本区具有一定土壤盐度的识别潜力。此外,由于土壤本身的复杂性,需要采集更多的样本以深入分析不同盐度等级下上述指数的具体表现。     

基于GWR模型的于田绿洲土壤表层盐分空间分异及其影响因子

以于田绿洲为研究靶区,利用24个采样点的土壤表层盐分数据,选取9个与土壤表层盐分密切相关的影响因子,结合空间自相关、传统回归分析和地理加权回归模型,分析表土盐分的空间分布特征及其影响因子的空间分异.结果表明:于田绿洲表土盐分在空间上并非随机分布,而是存在较强的空间依赖关系,空间自相关指数为0.479.地下水矿化度、地下水埋深、高程和温度是影响干旱区平原绿洲表土积盐的主要因子,这些因子具有空间异质性,选取的9个环境变量中除土壤pH值外,其他变量对表土盐分的影响强度均存在显著的空间分异.GWR模型对存在空间非平稳性数据的解释能力和估计精度都优于OLS模型,而且在模型估计参数的可视化上具有明显优势.     

艾比湖流域小尺度农田土壤养分的空间分布和盐渍化风险评价

为了解绿洲经济迅速发展背景下新疆典型尾闾绿洲-艾比湖流域小尺度农田土壤的养分和盐渍化状况,对该地区典型农田土壤中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾等养分元素的空间分布、影响因素以及盐渍化风险状况进行了评价。结果表明:(1)农田土壤中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量均较高。所有土壤样点中总盐分含量属于高度变异,其他指标属于低度变异。(2)半方差函数分析表明土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量的空间变异性主要受施肥和灌溉等随机性因素的影响;而有机质和总盐分含量的空间变异性则受植被覆盖和土壤质地等结构性因素以及施肥、灌溉等随机性因素的共同影响。(3)空间分析表明,总体看农田土壤中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量较高区域主要分布在中部和北部,受施肥、灌溉方式和植被盖度等因素的影响;而盐分含量较高区域主要分布在研究区南部和边缘区域,主要受地形、土壤质地和植被盖度的影响。(4)相关分析表明农田土壤中有机质、速效钾、速效磷、碱解氮和总盐分含量呈显著的负相关关系。盐渍化风险评估表明土壤中总盐分含量属于低度到中度的盐渍化风险,不会对主要作物棉花的生长产生危害,但应改进灌溉方式和种植制度,同时采用增施有机肥、进行秸秆还田等措施促进棉花作物的稳产、高产。     

塔里木河中游绿洲盐漠带典型盐生植物光谱特征

盐生植物作为干旱区绿洲重要的生命支持系统, 对于维持绿洲生态系统平衡起着核心的作用。很多学者对此展开了大量研究, 但是对盐生植物的光谱特征研究较少, 因此, 该文以渭干河-库车河三角洲绿洲盐漠带典型盐生植物为研究对象, 利用FieldSpec Pro FR便携式地物波谱仪, 2010年10月通过对盐穗木(Halostachys caspica)、盐节木(Halocnemum strobilaceum)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、白刺(Nitrarria sibirica)、柽柳(Tamarix ramosissima)、花花柴(Karelinia caspia)及芦苇(Phragmites australis)野外光谱数据采集和处理, 获得了这7种盐生植物的高光谱数据, 然后采用光谱学分析方法分析其特征变化, 结果表明: (1)采用Percentile Filter平滑方法进行光谱噪声去除, 有很好的去除噪音效果。(2)对3种类型盐生植物样本的原始光谱曲线提取光谱吸收特征参数, 结果发现稀盐盐生植物、泌盐盐生植物、拒盐盐生植物的波谷波长位置接近, 说明盐生植物的吸收波段特征有一定的相似性。(3)对盐生植物光谱反射曲线进行归一化处理, 发现在消除土壤等背景影响、突出目标及消除同物异谱现象上具有很好的效果, 能够提高盐生植被的识别精度。(4)应用二阶导数的方法得到盐生植物识别的9个最佳波段: 510、550、690、730、950、1150、1210、1290和1310 nm。研究成果不仅可以为盐漠带植物的高光谱遥感数据处理提供一定的科学依据, 而且可以为盐漠带盐生植物的遥感识别和分类提供一定的参考。     

典型喀斯特流域旱雨季交替下溶解硅的输送特征

河流溶解硅（DSi）作为营养物质对维持陆地、河流及海洋生态系统稳定性起到至关重要的作用。选取贵州典型喀斯特流域为研究对象,通过对DSi湿沉降过程,基流过程及降雨径流过程的动态变化进行全年监测分析,探讨DSi在旱雨季交替下的输送特征及河流DSi浓度变化引起的环境效应。结果表明：①湿沉降过程降雨量越大,DSi浓度越小,河流DSi浓度变化有明显的旱、雨季特征,雨季DSi浓度较高,旱季较低,地表水径流量及DSi浓度对降雨径流过程的响应比地下水明显。②DSi沉降通量及输出通量呈明显的旱、雨季差异,雨季DSi湿沉降通量占全年的69.5%,地表水雨季DSi输出负荷占全年的98.1%,地下水占51.4%。③流域硅酸盐岩风化过程不强烈,主要受到碳酸盐岩及蒸发岩控制。流域DSi浓度受人为水库影响明显,经过水库后河流中DSi浓度旱季下降29.0%、雨季下降70.9%。研究为全面认识硅在陆地生态系统中的生物地球化学循环提供科学依据。     

松嫩平原苏打盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异

在松嫩平原西部吉林省大安市乐胜乡,于2013年4月20日选择盐碱程度不均一的典型盐渍化旱田地块,面积为4.8 hm~2作为研究样地。利用EM38大地电导率仪测定结合田间定点采样,并通过经典统计和地统计相结合的方法研究了盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异特征,分析了土壤表观电导率与土壤盐碱指标之间的关系。结果表明,盐渍化旱田土壤水平方向表观电导率(EC_h)经对数转换后具有强空间自相关,其变异特征主要是与地形地貌和水文状况等结构性因素有关。垂直方向表观电导率(EC_v)经对数转换后具有中等空间自相关性,其变异特征受结构性因素和随机因素共同作用。EC_h和EC_v半方差模拟的最优模型分别为球状模型和指数模型。Pearson分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标EC_(1∶5)、pH_(1∶5)、SAR、SC、Na~+、CO_3~(2-)、HCO_3~-呈正相关关系(P0.05),EC_h与土壤盐碱指标相关系数均大于EC_v。在实际应用中可以用EC_h来指示土壤的盐碱程度。回归分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标呈线性相关,且EC_h回归模型的决定系数均大于EC_v回归模型的决定系数,可用水平方向土壤表观电导率(EC_h)来计算土壤盐碱指标,进行土壤盐渍化的快速评估。     

Spatial variability of soil salinity in Bohai Sea coastal wetlands,China: Partition into four management zones

Soil salinization constitutes an environmental hazard worldwide. The Bohai Sea coastal wetland area is experiencing dramatic soil salinization, which is affecting its economic development. This study focused on the spatial variation and distribution characteristics of soil salinity in this area using geostatistical analysis combined with the kriging interpolation method, based on a large-scale field investigation and layered soil sampling (0–30, 30–60 and 60–100 cm). The results revealed that soil salinity in these layers demonstrated strong variability, obvious spatial structure characteristics and strong spatial autocorrelation. Soil salinity displayed a significant zonal distribution, gradually decreasing with increasing distance from the coastline. Apart from the northern part of the study area, which appeared to be not affected by soil salinization, there were varying degrees of soil salinization in nearly 70% of the total area. With increasing soil depth, the areas of non-salinized and mild salinized soil gradually decreased, while those of moderate salinized and strong salinized soils increased. The area of saline soil first decreased and then increased. The study area could be divided into four management zones according to soil salinities in the top 1-m soil body, and utilization measures, adapted to local conditions, were proposed for each zone. The results of our study present an important theoretical basis for the improvement of saline soils, for wetland re-vegetation and for the sustainable utilization of soil resources in the Bohai Sea coastal wetland.     

玛纳斯河流域盐渍化灌区生态环境遥感监测研究

土壤盐渍化已成为全球性问题,给生态环境及农业生产带来严重的威胁。为了快速、准确评价土壤盐渍化给区域生态坏境带来的影响,该文提出了新的完全基于遥感数据的遥感生态指数(SSEI,Soil Salinization Ecology Index)来监测玛纳斯河流域盐渍化灌区生态环境变化。该指数利用主成分分析的方法耦合与土壤盐渍化相关的土壤盐度、地表反照率、植被覆盖度和土壤湿度四大地表参数,指数构建是数据本身性质所决定,不同于以往遥感与非遥感指数加权叠加易受人为影响。研究结果表明:耦合与盐渍化信息相关的各遥感指数得到的生态指数,能够对土壤盐渍化影响区域的生态环境进行快速、定量、客观的监测。将该指数应用到新疆玛纳斯河流域灌区,结果表明在近26年优和良等级生态环境面积增加了12.89%,这说明灌区生态环境有所改善。该研究对土壤盐渍化监测与评价具有一定参考意义。     

鼎湖山针阔叶混交林优势种树干液流特征及其与环境因子的关系

运用Granier热扩散式探针法,于2010年干湿季对鼎湖山自然保护区针阔混交林4种优势树种马尾松、锥栗、木荷和广东润楠的树干液流密度进行连续监测,并同步观测气温、相对湿度和光合有效辐射等环境因子的变化,研究其树干液流特征及其对环境因子的响应.结果表明:在干湿季,4种优势树种的树干液流速率日变化均呈“昼高夜低”的典型单峰曲线,阔叶树锥栗、木荷和广东润楠的平均液流速率和峰值以及日液流量均显著大于针叶树马尾松;马尾松、锥栗、木荷和广东润楠的最大树干液流密度分别为29.48、38.54、51.67、58.32g H2O·m-2·s-1.优势树种树干液流速率的变化与环境因子的昼夜变化存在时滞;液流速率变化与光合有效辐射、水汽压亏缺和气温等环境因子的变化呈显著正相关,其中湿季以光合有效辐射为主导因子,干季以气温为主导因子.