自动土壤水分观测资料异常数据检测方法

针对全国自动土壤水分实时小时观测资料,结合仪器标定方法、土壤水文物理常数等因素,研究土壤水分固有变化特征,分析异常数据误差来源和阈值判定,利用频率检测、界限值检测、无降水突变检测、异常峰值检测、恒值检测五类方法对土壤水分观测资料进行质量控制实验和检验。结果表明:(1)自动土壤水分异常数据主要分为:粗大值、突变、异常峰值和僵值,主要由仪器失灵、土壤水文物理常数测定不准、传感器标校不合理等原因引起。(2)频率检测可有效检出因仪器故障引起的错误数据。目前该方法已应用于综合气象观测数据质量控制业务系统,用于开展全国实时自动土壤水分小时数据的质量控制和质量评估。     

结合土壤水分可供率改进显热通量估算方法

通过引入土壤水分可供率因子修正双层遥感蒸散模型中的植被剩余阻抗,以改进表层土壤含水量较小时的植被显热通量估算,并与美国Walnut Gulch流域两个地表通量站的观测值进行比较。实验结果表明:土壤水分可供率遥感估算值与实测波文比换算值的相关系数R2均大于0.84;引入土壤水分可供率改进后的显热通量估算值与实测值的相关系数R提高了0.34;均方根误差在两个通量站分别减少73.5W/m2和97.2W/m2,相对均方根误差均减小15%以上。结合土壤水分可供率的显热通量估算方法能够有效提高估算精度。     

六道沟流域土壤水分抗风蚀性分析

根据在六道沟流域采集的土样进行土壤水分对风蚀影响的风洞模拟实验结果，建立了土壤风蚀率（风蚀强度）与土壤含水率的定量关系；通过长期的各种土地类型的土壤水分监测及同步空气相对湿度观测，建立了土壤表层（０～３ｃｍ）水分含量与空气相对湿度的相关关系；进一步推导出土壤风蚀强度（风蚀率）随空气相对湿度的增加呈－８次幂函数减少的理论关系。最后，按照风蚀强度与土壤含水率的关系及土壤水分监测结果分析和比较了各种土地类型的土壤水分抗风蚀性；根据土壤风蚀强度与空气相对湿度应具有的理论关系及空气相对湿度的详细观测资料分析了土壤水分抗风蚀性的时间变化特征     

土壤水分及土壤-大气界面对麦田水热传输的作用

文章根据1996年在中国栾城农业生态试验站观测的田间试验资料,分析了土壤水分和土壤-大气界面对麦田水热传输的抑制和加速作用。对于显热和潜热输送,土壤水分起决定作用,土壤水分越小,显热通量越大,潜热通量越小,反之亦然。只在土壤水分较小时界面厚度对显热和潜热输送作用较大。对于土壤热输送,界面厚度起决定作用,界面厚度越大土壤热通量越小。分析还发现60cm深处土壤水势与叶水势和大气水势的相关系数较其它深度处的土壤水势大。0～60cm土层是确定土壤水分运动对界面水热传输影响的一个良好的指示层。     

701和L波段雷达测风探测资料的对比统计分析

利用蒙自探空站高空探测系统换型的对比观测资料,通过质量控制,对701雷达和L波段雷达探测数据进行筛选,按时间序列分别对雷达探测3个要素进行图形比较分析,同时应用统计学方法,对规定等压面上的风向、风速进行统计分析,根据统计结果,判定L波段探测资料离散度较小,更为准确、可靠。     

近7年蒙自自动站与人工站气温差异对比分析

利用蒙自站2003～2009年自动站与人工站的逐时气温平行观测资料,对两种仪器的观测值进行了对比差值及其均方根、标准差及不确定度、粗差率、一致率等方面的对比分析,并对自动站观测气温序列进行了显著性检验。结果表明:由于两种仪器气温的感应元件、测温原理和观测方式不同,造成两种观测数据存在差异,人工观测值普遍小于自动观测值。偏差存在明显的日变化,白天大于夜间,夏季的偏差明显高于其他季节,超出了+0.2℃的正常范围。自动站观测的气温值与历史序列中的气温值无显著性差异。由于两者在部分时次或月份还存在较大偏差,在业务应用时还需时行较长时间的平行观测,并对其进行均一性分析和客观订正。     

青藏高原高寒草甸生长季土壤呼吸的昼夜变化及其季节动态

采用LI-8100土壤呼吸监测系统,于2015年6~10月对青藏高原高寒草甸的土壤呼吸进行监测,分析了土壤温度和土壤湿度对草甸昼、夜间土壤呼吸特征及其季节动态变化的影响。结果表明:(1)样地观测期内,土壤呼吸速率存在明显的日变化和季节变化规律,呈现单峰趋势,呼吸速率的日峰值出现在15:00左右,季节峰值出现在8月上旬;(2)生长季内,土壤温度是高寒草甸土壤呼吸的主要控制因子,其可以解释土壤呼吸季节变化的69%(指数函数)和72%(Arrhenius模型);土壤温度和土壤水分的复合模型可以解释土壤呼吸的81%;(3)观测期内昼、夜的Q10值分别为2.66和3.29,昼间土壤温度反应灵敏度要比夜间小,验证土壤呼吸的敏感性指数随温度的降低而增加。     

基于土壤水分的农业干旱监测研究进展

土壤水分是评估农业干旱的关键变量。然而长期以来,由于缺乏大范围、高精度、长时间的土壤水分观测数据,基于土壤水分的农业干旱监测在实际应用中受到限制。近年来,随着遥感观测技术的发展,土壤水分数据的时空覆盖度和产品精度显著提升,基于土壤水分的农业干旱监测逐渐吸引更多的关注。论文系统归纳了站点观测与微波遥感观测的土壤水分数据特性,综述了目前基于土壤水分的3种农业干旱监测指标：基于长时间土壤水分序列的干旱指标、基于土壤水分与土壤水力学参数的干旱指标和基于土壤水分等多变量综合的干旱指标。最后,论文从提高土壤水分数据空间分辨率、加强农业干旱机制研究与完善农业干旱监测体系三方面提出基于土壤水分的农业干旱监测所面临的挑战与机遇,以期为未来的相关研究提供参考。     

阿拉尔灌区棉田蒸散量计算模型

根据2000年阿克苏水平衡站有底测坑试验资料，分析了土壤水分有效性函数与土壤相对有效含水率，作物生物学特性函数，与群体叶面积指数的关系，结果表明：（1）土壤水分有效性函数与土壤相对有效含水率呈直线函数关系；（2）作物生物学特性函数与群体叶面积指数呈指数函数关系。选用20cm蒸发器水面蒸发量、作物生物学特性函数和土壤水分有效性函数，应用数理统计方法建立了阿拉尔灌区棉田蒸散量计算模型。该模式仅需常规气象与土壤湿度资料，计算简便，精度较高，便于在缺乏实测资料的地区使用。     

陇东黄土高原土壤水分演变及其对气候变化的响应

以西峰为例,利用近45 a气象观测资料和近25 a的土壤水分观测资料,分析全球气候变暖背景下陇东主要气象要素及土壤水分的变化特征,探讨了气候变化对土壤水分的影响,以及影响土壤水分变化的主要气象因素。1993年以后,土壤水分以负距平为主,土壤干旱严重,0—50 cm和60—100 cm土层土壤水分含量在1997年和1995年降到最低值。春季是土壤水分减少最明显的季节,其中表层土壤水分对气候变化的响应更为明显,而夏秋季,较深层的水分变化更为明显。影响土壤水分的气象因子以降水、蒸发为主,气温通过影响蒸发间接产生影响。通过对土壤水分演变特征及其影响因子的分析,为进一步理解土壤水分条件的恶化原因,采取措施,合理利用气候资源,调整农业生态布局,恢复生态环境,积极应对气候变化提供决策方面的参考。     

禹城沙地水分动态规律及其影响因子

通过对禹城沙河地沙土土壤水分动态监测,分析其土壤水分剖面变化,得出本沙地土壤水分动态变化规律:依据降水、植被、地下水和土壤将土壤水分垂直剖面划分为表层0-10m或0-20cm干沙层,20-40cm土壤水分变化剧烈层,40-80cm土壤水分活跃层,80-120cm以下土壤水分深部稳定层;沙地土壤水分随季节变化划分为,春季水分变化较微──弱失水阶段,夏季水分剧烈变化──降水补给阶段,秋季水分变化缓慢——失水阶段,冬季水分变化较微弱──调整阶段。     

中国土壤湿度的时空变化特征

基于中国155个农业气象观测站1981-2010年逐旬土壤湿度资料,分析了全国和12个气候区域0~50 cm逐层的土壤湿度时空分布规律,采用趋势分析和Cramér-von Mises（CVM）方法探究了土壤湿度的变化趋势及突变性。结果表明：西南、江淮、东北、江南、江汉、黄淮和华南地区各层土壤湿度均高于全国平均值,内蒙古地区最低;随着深度增加,西南地区土壤湿度增加最明显,仅青藏高原地区土壤湿度减小。不同区域0~50 cm各层土壤湿度年变化和季节变化差异明显,并具有阶段性特征,大部地区深层土壤湿度高于浅层;总体上,新疆、华南、华北、青藏高原、东北、黄淮地区1981-2010年土壤湿度减小趋势显著,其中新疆地区减小最为明显。除江淮地区外,各区域土壤湿度均存在较为明显的年际差异,突变时段主要集中在20世纪80年代后期至90年代初期、90年代后期两个时间段。     

干旱区梨园不同覆盖条件下土壤环境因子综合性评价研究

在干旱沿黄灌区开展不同覆盖材料配合滴灌的灌溉保墒方式下,进一步研究了不同覆盖方式对梨园全生育期的土壤理化性状和养分含量变化影响,分析了土壤温度、水分、pH等和矿质营养元素间的相互关系,对覆盖后的土壤质量进行了综合性评价。试验处理分为无覆盖对照（T1）、园艺地布覆盖（T2）、玉米秸秆覆盖（T3）和黑地膜覆盖（T4）4个处理;试验设计为随机区组设计,每个处理小区均为167株梨树（约占地667 m²）,重复3次;各小区土样分0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层取样。结果表明：（1） 园艺地布和黑地膜覆盖处理有一定的增温效应,而玉米秸秆覆盖有较好的降温和稳温效应,且增墒效应明显,土壤含水率比其他3种处理显著提高了1.0%~2.7%。（2） 相较无覆盖处理,黑地膜覆盖可提升表层土壤pH,并加速表层土壤有机质的分解,有机质含量较无覆盖处理下降33.1%;玉米秸秆覆盖可显著降低各土层的土壤pH,降低范围为1.8%~4.6%,并促进0~20 cm土层有机质的提升,土壤有机质含量增加12.2%;园艺地布覆盖下0~40 cm土层内土壤有机质含量和全盐量均有降低。（3） 黑地膜覆盖下0~20 cm和20~40 cm土层的碱解氮含量分别为73.00 mg·g^-1和64.53 mg·g^-1,均显著地高于无覆盖处理,无覆盖条件下土壤碱解氮在深层（40~60 cm土层）积累较多,显著地高于玉米秸秆和黑地膜覆盖;各处理0~20 cm和20~40 cm土层速效磷含量差异显著,大小顺序均为T4>T3>T2>T1,玉米秸秆覆盖可提升土壤速效钾和速效铁的含量。（4） 进行主成分分析表明不同覆盖方式对梨园浅层土壤环境因子的影响要明显大于深层土壤,在0~40 cm土层内各覆盖处理效果均好于无覆盖处理,其中玉米秸秆覆盖在0~20 cm和20~40 cm土层综合得分分别为1.189和0.326,覆盖效果最佳。     

1983—2019年黑龙江省春季土壤湿度时空变化特征及影响因素

春季土壤湿度是影响东北粮食产量和品质的重要因素。在气候变暖的背景下,东北春季土壤湿度如何变化,鲜有研究。本文基于1983—2019年黑龙江省22个农业气象站的土壤湿度和气象观测资料,采用方差分析、突变分析及空间分析等方法,分析20世纪80年代以来黑龙江省春季土壤湿度的时空变化特征及其影响因素。结果表明：1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度均值为88.22%,0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度平均值分别为82.63%、89.66%、92.36%,土壤湿度随深度增加而增加,各层均未出现干旱状态。但各层土壤湿度均出现极显著下降趋势,21世纪最初10年较20世纪80年代各层土壤湿度下降6%~15%,在20世纪80年代末进入偏干期。黑龙江省春季土壤湿度呈现由东到西逐渐减小的趋势,32%左右的观测站点呈现显著下降趋势,主要集中在黑龙江省西部及东部地区。前秋季降水量、积雪期长度和积雪初日是影响各层及各月份土壤湿度最重要的因素,其对土壤湿度的影响能持续到5月份,并能影响到20~30 cm。积雪深度及积雪终日对4月份表层土壤湿度有重要影响。地表温度、日平均气温、日平均风速和降水量也是影响不同时期不同深度土壤湿度的关键因素。     

腾格里沙漠不同类型沙丘土壤水分含量与地形-植被因子关系研究

土壤水分是沙区主要的生态限制因子,其分布受气候、地形和植被等众多因素的影响。以腾格里沙漠沙坡头地区3种类型的沙丘（固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘）为研究对象,利用方差分析和冗余分析（RDA）等方法对沙丘不同部位和不同深度土壤水分的分布特征及其与地形-植被因子之间的关系进行了综合分析。结果表明：（1） 不同类型沙丘上0~300 cm的土壤水分随着深度的增加而增加,表层土壤水分的波动程度大于中层和深层。（2） 固定沙丘不同部位及不同深度的土壤水分之间没有明显的差异,半固定沙丘和流动沙丘迎风坡与丘底的土壤水分高于背风坡和丘顶。（3） 固定沙丘上的土壤水分受地形-植被因子的影响较半固定沙丘和流动沙丘小,影响固定沙丘土壤水分的主要因子有坡向、高差和灌木多度。（4） 地形-植被因子与研究区绝大多数半固定沙丘和流动沙丘的土壤水分均有负相关关系。研究揭示了腾格里沙漠土壤水分的分布规律及其与地形-植被因子的关系,对制定相应的防风固沙措施以及建立科学合理的植物固沙模式有积极的指导作用。     

Spatial variability of soil moisture content and its relation to environmental indices in a semi-arid gully catchment of the Loess Plateau, China

The degree of spatial variability of soil moisture and the ability of environmental attributes to predict that variability were studied at the Da Nangou catchment (3·5 km²) in the semi-arid loess area of China. Soil moisture measurements were performed biweekly at five depths in the soil profile (0–5 cm, 10–15 cm, 20–25 cm, 40–45 cm and 70–75 cm) from May to October 1998 and from May to September 1999 using Delta-T theta probe. Results indicated that with increasing soil depth, the mean soil moisture content increases significantly for five layers and the coefficients of variation (CV) also increases with depth from 10–15 cm. It was observed that heavier rains and higher mean moisture contents are often associated with lower spatial variability (CV). Environmental attributes such as land use and topography play controlling roles in the spatial distribution of soil moisture content. However, the relative roles of these environmental indices vary with soil depth. The dominant controls on spatial variability of the time-averaged soil moisture changes from land use, aspect, relative elevation and hillslope position in the surface soil (0–5 cm) to relative elevation, hillslope position and aspect in the subsurface soil (10–15 cm, 20–25 cm), and to land use, relative elevation and slope gradient at larger depths (40–45 cm, 70–75 cm). The dynamic behavior of influences of different environmental indices on the layer-averaged soil moisture depends on several factors. In general, the correlation of soil moisture with slope gradient shows a more significant increase following a greater amount of antecedent precipitation (except for the extremely heavy storms), and declines afterwards. The relation of soil moisture with relative elevation and hillslope position exhibits an opposite trend. It was observed that the influence of land use corresponds to the difference in vegetative characteristics, with a stronger influence in June and August with a greater difference in vegetation. A significant influence of cos(aspect) was found during early spring and autumn with a rapid transient in solar irradiation. Finally, it was found that the sample size is adequate to estimate the catchment mean soil moisture at all five depths and on all 10 observations in 1999 (81 sites), while it is only enough for the upper soil layers (0–5 cm and 10–15 cm) in 1998 (26 sites).     

吉林省春季土壤水分分布特征及影响因素分析

利用2003~2010年吉林省春季土壤含水率数据及相关数据,采用常规统计方法、地统计学方法和基于地理信息系统的空间分析方法,讨论吉林省春季土壤水分分布特征,并对其影响因素进行初步分析。结果表明,吉林省春季0~30 cm土壤平均含水率总体上呈由西向东逐渐增加的趋势,空间差异性显著,其中10 cm深度土壤含水率空间差异最大;土壤层之间的距离越近,土壤含水率的相关性越好,东部10 cm深度与其他层次土壤含水率的相关性好于中西部,中部相比东部和西部而言,各层次之间土壤含水率相关性最差。研究还发现,田间持水量和降水量是影响吉林省土壤含水率分布的主要因素,受土壤、气候等自然要素的空间异质性影响,田间持水量对中部和东部的土壤含水率影响更大,而降水对中部和西部的土壤含水率影响更大。     

东北黑土区土壤剖面地温和水分变化规律

东北黑土区土壤侵蚀的结果使土壤在坡面上发生再分配,土壤腐殖质层厚度的空间变异增大。腐殖质层厚度的变化又引起地温和土壤水分等土壤物理性质的变化,地温和水分是影响和反映冻融侵蚀作用的重要因子,也是影响地表和土壤剖面物质运移的重要因素。本文通过实测不同厚度腐殖质层剖面的地温和土壤水分,分析了地温和水分随时间和土壤剖面深度的变化规律。结果显示腐殖质层厚度对土壤温度和含水量有显著影响,腐殖质层较厚的剖面解冻速度比薄层黑土区要慢,不同深度土层温度到达0℃的日期也不相同,腐殖质层较厚的剖面冻结时间要滞后1周左右。同时,腐殖质层较厚的黑土区土壤含水量明显大于薄层黑土区,土壤水分运移的深度范围也大。     

基于Hydrus-1D模型的科尔沁沙地沙丘-草甸相间区土壤水分动态模拟

土壤水分是干旱半干旱地区生态环境的主要限制性因子,研究科尔沁沙地流动沙丘和草甸地土壤水分动态规律有助于荒漠化地区的生态恢复和保护。以2018年5月25日至10月31日为研究期,利用土壤各项实测参数和气象数据,评价Hydrus-1D模型在科尔沁沙地的适用性,并揭示科尔沁沙丘-草甸相间区土壤水分分布特征,重点分析研究区流动沙丘200 cm剖面和草甸地80 cm剖面土壤水分的动态规律。结果表明:研究区典型土地类型流动沙丘和草甸地土壤水分模拟值和实测值的决定系数均高于0.76,均方根误差0.01~0.02 cm³·cm^-3;在土壤剖面上具有明显的分层结构,流动沙丘分为3层,即0~20 cm为干沙层,20~120 cm为活跃层,120~200 cm为稳定层,其中40 cm土壤水分波动性最大;草甸地分为2层,即0~40 cm为活跃层,40~80 cm为稳定层,主要受降雨、蒸散发和地下水位影响;流动沙丘和草甸地降雨与表层土壤水分呈极显著相关,降雨量与地下水位变化仅草甸地呈显著正相关;在整个研究期内,流动沙丘土壤水分储量变化量为12.6 mm,土壤实际蒸发量为105.9 mm,200 cm深层渗漏量为173.9 mm,占总降雨量的59.5%;草甸地土壤水分储量变化量为8 mm,80 cm深层渗漏量为-27.2 mm(地下水补给量),土壤实际蒸发量为67 mm,植被蒸腾量为244 mm,地表径流量为0 mm。     

喷灌条件下农田土壤水分的空间变异性研究

本试验对喷灌区不同水分处理的麦田进行取样分析,分别测定0～10、10～20、20～40、40～60cm四个层次的土壤水分。应用传统统计学的方法对所取的数据进行了分析,结果表明10～20cm土层受降雨、蒸散和根系等因素的影响最大。通过地统计学的半方差函数分析,发现不同处理的同一层次、同一处理的不同层次的空间相关性均存在差异以及喷灌对土壤水分空间相关性的影响。比较各处理相应层次的变程,其随灌水量的增大而增大,表明喷灌区灌水多的处理水分分布更均匀。所得结论可用于提高水分利用效率和精确农业(灌水)的研究和实践。