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基于微波遥感的土壤水分反演估算研究进展

土壤学报 2024年第1期61卷 16-28页

作者：郑曼迪刘忠许昭辉李剑辉孙君龄中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 农业农村部华北耕地保育重点实验室北京100193

土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带,对于农业生产、生态规划、水资源管理等具有十分重要的意义。微波遥感具有基本不受天气条件影响,具有较好探测植被覆盖下的土壤信息和土壤水分变化趋势等优势,成为目前遥感精确反演土壤水... 详细信息

土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带,对于农业生产、生态规划、水资源管理等具有十分重要的意义。微波遥感具有基本不受天气条件影响,具有较好探测植被覆盖下的土壤信息和土壤水分变化趋势等优势,成为目前遥感精确反演土壤水分的热点。本文整理了现有全球尺度的基于微波遥感的土壤水分产品;分析比较了土壤水分反演中主动微波遥感、被动微波遥感、主被动微波协同技术的原理、特点、适用范围和关键技术进展:主动微波遥感和被动微波遥感的优势分别在于高空间分辨率和高时间分辨率,高空间分辨率可以很好捕捉地表细微的空间信息特征,但囿于土壤水分与后向散射系数之间的复杂关系,特别是植被、地表粗糙度等对雷达后向散射系数的干扰,使得反演土壤水分的精度不高,因而根据现实情况选取不同散射模型以及利用多源数据协同是目前改善精度的研究热点。而高时间分辨率可以实现全球及大尺度下的土壤水分监测,但是很难满足小尺度或者小区域范围的实际研究需求,为了能使实测数据在空间上得以较好匹配,提出多种降尺度方法。结合以上两种微波遥感方式的优劣,依托更为丰富的数据源、相对成熟的观测技术来对两者进行融合以提取更多的水分信息,以提升反演精度或者获得长时间序列数据。在目前的方法中,土壤水分反演在小尺度下表现出良好的性能,但在全球尺度上会出现数据缺失、适用性不强、反演精度不高以及反演过程过于复杂等诸多问题,可以借助多种观测方式(多极化、多角度、多波段)、多时相重复观测、在原有模型上引入新的算法以及数据同化等方面着手进行改进,同时全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)中长期稳定、高时空分辨率的L波段微波信号在陆面遥感领域的快速发展也为我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)的发展提供了借鉴,展现出在土壤水分反演方面的巨大潜力。

关键词：主被动微波遥感散射方式降尺度 GNSS-R

秸秆还田和添加生物炭对热带地区稻菜轮作体系中淹水后土壤温室气体排放的影响

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环境科学 2024年第3期45卷 1692-1701页

作者：胡天怡车佳玥胡煜杰陈绮琦张冬明雷菲曾建华汤水荣伍延正孟磊海南大学热带作物学院海口570228 海南省农业科学院农业环境与土壤研究所海口571100 农业农村部海南耕地保育科学观测试验站海口571100 海南省耕地保育重点实验室海口571100

热区稻菜轮作系统瓜菜季施肥后大量硝态氮积累,导致后续的水稻季淹水后硝态氮的淋失以及大量N_(2)O排放,使氮素损失以及温室效应加剧.如何提高硝态氮利用率,减少N_(2)O排放成为了亟待解决的问题.试验共设置6个处理:添加200 mg·kg^(-1)(... 详细信息

热区稻菜轮作系统瓜菜季施肥后大量硝态氮积累,导致后续的水稻季淹水后硝态氮的淋失以及大量N_(2)O排放,使氮素损失以及温室效应加剧.如何提高硝态氮利用率,减少N_(2)O排放成为了亟待解决的问题.试验共设置6个处理:添加200 mg·kg^(-1)(以N计,下同)KNO_(3)(CK);添加200 mg·kg^(-1)KNO_(3)+2%生物炭(B);添加200 mg·kg^(-1)KNO_(3)和1%花生秸秆(P);添加200 mg·kg^(-1)KNO_(3)+2%生物炭+1%花生秸秆(P+B);添加200 mg·kg^(-1)KNO_(3)+1%水稻秸秆(R);添加200 mg·kg^(-1)KNO_(3)+2%生物炭+1%水稻秸秆(R+B),进行114 d的25℃恒温淹水培养,来探究有机物料添加对土壤淹水后温室气体排放和氮素利用的影响.结果表明,与CK相比,添加秸秆或秸秆和生物炭配施显著增加了土壤pH(P室气体增温潜势(NGWP),增施椰壳生物炭能够显著减缓秸秆对NGWP的影响(P<0.05),秸秆和生物炭配合施用降低了NGWP,其中P+B显著降低NGWP(P<0.05),R+B不显著;添加秸秆或生物炭显著增加了土壤微生物量碳(MBC)(P<0.05),P+B最高,为502.26mg·kg^(-1);秸秆和生物炭配施增加了土壤微生物量氮(MBN),P+B最高.N_(2)O排放通量与pH呈极显著负相关(P<0.01),与NH_(4)^(+)-N和NO_(3)^(-)-N呈极显著正相关(P<0.01);N_(2)O累计排放量与MBN呈极显著负相关(P<0.01);NO_(3)^(-)-N与MBN呈显著负相关(P<0.05),说明硝态氮的减少可能被微生物固持,微生物对硝态氮固持的增加也减少了N_(2)O排放.综上所述,花生秸秆和椰壳生物炭配合施用能够显著抑制N_(2)O排放,增加土壤MBC和MBN,是一种海南瓜菜季后充分利用氮肥,减少氮素损失,减缓N_(2)O排放的一种合理措施.

关键词：生物炭秸秆氧化亚氮(N_(2)O) 土壤微生物量碳氮硝态氮

DNDC模型耦合遥感技术的保护性耕作下土壤有机碳模拟

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农业工程学报 2024年第9期40卷 108-118页

作者：刘泓君许昭辉周永馨孙君龄万炜刘忠中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 华北耕地保育农业农村部重点实验室北京100193 南昌大学资源与环境学院鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室南昌330031

不同耕作措施会改变土壤有机碳储量,影响农田生态系统的碳收支。揭示自实行保护性耕作以来农田土壤有机碳的响应规律,对增加土壤碳库具有重要意义。该研究基于遥感反演技术耦合DNDC(denitrification-decomposition)模型,从县域和栅格尺... 详细信息

不同耕作措施会改变土壤有机碳储量,影响农田生态系统的碳收支。揭示自实行保护性耕作以来农田土壤有机碳的响应规律,对增加土壤碳库具有重要意义。该研究基于遥感反演技术耦合DNDC(denitrification-decomposition)模型,从县域和栅格尺度,精细刻画保护性耕作下2000-2020年吉林省土壤有机碳密度(soil organic carbon density,SOCD)的空间分布格局,并模拟不同秸秆还田情景下SOCD增长潜力。结果表明:1)20 a间土壤有机碳储量由6.08×10^(8)t增加到1.22×10^(9)t,增量主要与耕地面积扩大相关。县域尺度SOCD在4.46~98.09 t/hm^(2),栅格尺度SOCD在3.34~139.2 t/hm^(2),呈现中高北低的格局。2)保护性耕作对表层土的影响更大,0~10 cm土层的SOCD增长率最高达4.4%,>10~20 cm土层增长率最高为0.09%。3)吉林西南及中部具有巨大的SOCD增长潜力,达0.24~0.57 t/hm^(2)。研究结果可为保护性耕作政策制定提供科学参考。

关键词：秸秆遥感碳 DNDC模型情景模拟有机碳密度吉林省

秸秆及其配施对黄灌区盐碱土壤团聚体结构、持水及收缩特性的影响

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农业资源与环境学报 2024年

作者：李玮尹广生陈冲彭钰梅商建英王祥农业农村部华北耕地保育重点实验室中国农业大学土地科学与技术学院

为探究秸秆及其配施有机物料对黄河南岸灌区盐碱土壤结构的影响，基于玉米秸秆还田处理设置了对照(CK)、3%玉米秸秆(W1)、2%玉米秸秆配施1%牛粪(W2)、2%玉米秸秆配施1%生物炭(W3)四个有机物料组合处理，于温室大棚土壤培养后，测定不同... 详细信息

为探究秸秆及其配施有机物料对黄河南岸灌区盐碱土壤结构的影响，基于玉米秸秆还田处理设置了对照(CK)、3%玉米秸秆(W1)、2%玉米秸秆配施1%牛粪(W2)、2%玉米秸秆配施1%生物炭(W3)四个有机物料组合处理，于温室大棚土壤培养后，测定不同物料组合下盐碱土壤的团聚体特性、水分特征曲线及收缩曲线，对比分析不同物料组合对盐碱土壤持水特性及结构状况的影响。结果表明：不同物料组合均增加了土壤全氮、全碳和有机碳含量，增幅范围分别为9.09%～27.27%、21.39%～35.64%、25.54%～64.64%，土壤>0.25 mm团聚体数量和团聚体的水稳定性均明显提高，水稳定性团聚体含量(WR0.25)和几何平均直径(GMD)增幅范围分别达到50.00%～57.69%、64.86%～105.41%，但不同组合处理表现出显著差异性，其中3%秸秆提高盐碱土壤团聚体数量和稳定性效果最好，增幅分别为57.69%、105.41%。同时，不同物料组合增强了盐碱土壤持水性，不同处理间的差异主要体现在低吸力段和中吸力段，当土壤水吸力W2>W3>CK，而当100 cmW3>W2>CK。不同物料组合也改变了土壤孔隙分布状况，其中3%秸秆和2%秸秆配施1%牛粪显著增加了土壤小孔隙和中等孔隙的体积占比，小孔隙体积占比较CK分别增加24.97%、20.22%，中等孔隙体积占比较CK分别增加11.43%、23.32%；而2%秸秆配施1%生物炭显著降低了土壤>30 μm孔隙体积占比，较CK下降49.55%。此外，通过比较分析Kim、Peng、Three-line和ModGG模型对盐碱土收缩过程的适应性发现，Peng和ModGG模型能较好地模拟离心条件下盐碱土壤的收缩曲线，拟合系数R2均大于0.98，RMSE均小于0.012。基于ModGG模型分析后发现，不同有机物料组合提高了盐碱土壤收缩过程中结构收缩段的比例，增大了土壤孔隙体积；不同处理间土壤结构的力稳定性具有差异，其中2%秸秆配施1%生物炭的收缩率较CK降低19.11%，抗压实能力增强，而3%秸秆和2%秸秆配施1%牛粪的收缩率较CK增大7.32%、9.76%，抗压实能力减弱。研究表明，土壤离心收缩过程中，结构收缩段的变化与土壤饱和含水率以及团聚体结构的水稳定性有关，而土壤体积的收缩情况与土壤>30 μm孔隙体积变化有关。

关键词：盐碱土玉米秸秆牛粪生物炭有机物料配施收缩特征曲线水分特征曲线

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农作物秸秆腐解规律及其可溶性有机质特征

土壤学报 2024年

作者：尹英杰商建英中国农业大学土地科学与技术学院农业农村部华北耕地保育重点实验室

明确农作物秸秆的腐解规律及其释放的可溶性有机质（DOM）特性是掌握还田秸秆碳在农田土壤中环境行为的重要前提，然而目前相关研究获取的秸秆腐解信息极为有限。选取玉米、小麦、大豆和油菜等秸秆进行室内腐解，并利用光谱技术结合二... 详细信息

明确农作物秸秆的腐解规律及其释放的可溶性有机质（DOM）特性是掌握还田秸秆碳在农田土壤中环境行为的重要前提，然而目前相关研究获取的秸秆腐解信息极为有限。选取玉米、小麦、大豆和油菜等秸秆进行室内腐解，并利用光谱技术结合二维相关光谱（2D-COS）以及平行因子分析（PARAFAC）等揭示秸秆腐解的物质变化以及DOM特征。结果表明：腐解完成时秸秆的质量损失率分别为56.8%（油菜）、51.1%（玉米）、48.5%（大豆）和44.0%（小麦）；秸秆表面官能团的降解强弱依次为C=O、O-H、-CH2和-COO-；可溶性有机碳含量为10.7～23.6 mg·g-1秸秆，其中玉米和大豆秸秆SUVA254值和芳香百分比均高于小麦和油菜秸秆，E2/E3值则表现出相反的趋势；4种作物秸秆DOM均表现出从类蛋白质物质向类腐植酸物质和类富里酸物质转化的趋势。秸秆腐解过程以及释放的DOM含量均受作物类型影响，但秸秆及其DOM中物质的降解强弱和转化趋势表现出一致性。

关键词：秸秆腐解可溶性有机质二维相关红外光谱三维荧光光谱平行因子分析

东北黑土区侵蚀农田土壤质量指数构建及其空间分异

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农业工程学报 2024年第15期40卷 54-64页

作者：彭珏龙凌郭忠录王军光蔡崇法华中农业大学水土保持研究中心农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070

侵蚀的空间异质性会改变土壤性质,导致土壤质量在空间分布上的差异。为明确中国东北侵蚀农田黑土土壤性质在不同空间位置上的分布规律,该研究基于纬度变化,从寒温带到中温带跨区选择了4个丘陵区(从北到南依次为九三、克山、海伦、宾县)... 详细信息

侵蚀的空间异质性会改变土壤性质,导致土壤质量在空间分布上的差异。为明确中国东北侵蚀农田黑土土壤性质在不同空间位置上的分布规律,该研究基于纬度变化,从寒温带到中温带跨区选择了4个丘陵区(从北到南依次为九三、克山、海伦、宾县)的农田黑土坡面作为试验对象,划分了坡面位置(坡顶、坡上、坡中、坡下和坡底)和土壤深度(0~20 cm和>20~40 cm),分析了不同空间位置对侵蚀农田黑土土壤物理、化学和生物特征对不同空间位置的响应规律,并基于最小数据集(minimum data set,TDS)构建土壤质量指数(soil quality index,SQI-TDS),对侵蚀农田黑土土壤质量进行综合比较。研究表明,4个丘陵区黑土土壤性质在不同区域、坡位和土壤深度下的存在明显的空间变异(P<0.05)。全氮和有机碳含量随纬度升高而增加,且随坡位降低而逐渐减小,在坡底处增加。平均重量直径在九三最高,克山次之,海伦和宾县较小。土壤细颗粒在坡底沉积促进了新的团聚体形成,以致团聚体稳定性在坡面位置上表现为随坡位的降低呈先减小后增加的“V”型变化。SQI-MDS均值从北至南整体呈降低趋势,其中宾县的土壤质量指数最低,较其他3个地区显著降低22.66%~26.52%。在不同坡位上,SQI-MDS表现为以坡底、坡顶、坡上、坡中和坡下次序降低。该研究量化了东北侵蚀农田黑土土壤综合质量,结果可为侵蚀农田黑土修复和可持续发展提供科学依据。

关键词：土壤侵蚀农田黑土质量最小数据集

松嫩平原黑土区土壤有机质含量时空变化及其影响因素

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农业资源与环境学报 2024年

作者：秦诗涵孙继光常坤徐英德汪景宽营口市农业农村综合发展服务中心沈阳农业大学土地与环境学院/农业农村部东北耕地保育重点实验室

明晰农田土壤有机质的时空变化格局对保障农业绿色可持续发展具有重大意义。以松嫩平原黑土区为研究对象，运用ArcGIS 10.8和GS+9.0软件进行数据分析，以期探讨第二次全国土壤普查以来松嫩平原黑土区耕地土壤有机质时空变化特征及其影... 详细信息

明晰农田土壤有机质的时空变化格局对保障农业绿色可持续发展具有重大意义。以松嫩平原黑土区为研究对象，运用ArcGIS 10.8和GS+9.0软件进行数据分析，以期探讨第二次全国土壤普查以来松嫩平原黑土区耕地土壤有机质时空变化特征及其影响因素。结果表明：2015年松嫩平原黑土区耕地土壤有机质平均含量为31.7 g·kg-1，其中Ⅲ级(20～30 g·kg-1)水平占比最大；松嫩平原黑土区各市土壤有机质含量较20世纪80年代均有不同程度下降，其中哈尔滨市和大庆市降幅最大；松嫩平原不同土壤类型的土壤有机质均有不同程度下降，其中沼泽土、暗棕壤和白浆土的土壤有机质含量下降最多，分别下降了12.76 g·kg-1、10.58 g·kg-1和6.70 g·kg-1。松嫩平原黑土区耕地土壤有机质含量具有强烈的空间自相关性，最优拟合模型为球形模型，呈现东北高、西南低的空间分布特征；有效积温、海拔、经纬度、年降水量、土地利用类型等是影响松嫩平原黑土区土壤有机质时空变异的主要因素，共同解释松嫩平原黑土区耕地土壤有机质含量57%变化量。综上，近35年来松嫩平原黑土区耕地有机质含量呈下降趋势且呈现出东北部高、西南部低的空间分布格局，土壤有机质含量受气候、地形和人为因素的共同影响，其中有效积温对有机质含量变化的贡献率最大(为28.4%)。

关键词：松嫩平原有机质时空变化地理信息系统

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长期施氮对土壤氨化细菌和氮矿化作用的影响

土壤学报 2024年

作者：刘灵芝郭冰清王丰孟奥梁敏杰安婷婷汪景宽沈阳农业大学土地与环境学院土肥资源高效利用国家工程实验室/农业农村部东北耕地保育重点实验室

氨化作用是微生物将有机氮转化为无机氮的过程，可提升土壤氮素供应状况，不同肥料长期施用情景下土壤有机氮发生显著变化，但其氨化过程尚不清楚。据此，依托沈阳农业大学29年长期定位施肥试验，针对4个不同的施肥处理，包括不施肥（C... 详细信息

氨化作用是微生物将有机氮转化为无机氮的过程，可提升土壤氮素供应状况，不同肥料长期施用情景下土壤有机氮发生显著变化，但其氨化过程尚不清楚。据此，依托沈阳农业大学29年长期定位施肥试验，针对4个不同的施肥处理，包括不施肥（CK）、施用化肥（HCF）、施用减量化肥（LCF）和化肥减量配施有机肥（CMF）,3个土壤深度（0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm）和3个采样时期（播种前、玉米抽雄期和收获后），采用实时荧光定量PCR(qPCR)方法，研究长期不同施肥处理后玉米生长期不同土层中土壤氨化基因gdh丰度、活性和氮矿化变化规律，揭示施肥、季节、土壤深度及其相互作用对氨化细菌和土壤净氮矿化速率的影响。结果表明：1）相比于土层和施肥处理，采样时期对gdh基因丰度和活性的影响最显著；三个采样时期中，玉米抽雄期土壤gdh基因活性和净氮矿化速率显著高于播种前和收获后（P <0.05）;2）与不施肥（CK）相比，长期施加化肥（LCF和HCF）显著增加抽雄期土壤氮矿化速率（P <0.05）,CMF则表现出稳定或增加收获后土壤氮矿化速率；3）氨化细菌丰度、活性与土壤净氮矿化速率呈极显著正相关，铵硝比是影响氨化细菌的重要因子（P <0.01）。综上，施氮与作物吸收改变了土壤铵硝比，引起土壤氨化细菌丰度与活性差异，导致土壤氮矿化速率发生变化。LCF和HCF有利于增加播种前和抽雄期表层土壤氮矿化速率，CMF则有助于稳定收获后土壤氨化细菌活性，促进土壤有机氮的氨化过程。

关键词：减氮施肥氨化作用净氮矿化速率功能基因铵硝比玉米

紫云英与化肥减施对土壤颗粒中黏粒矿物组成与转化的影响

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土壤 2024年第3期56卷 567-575页

作者：黄雷成莉娟陈雨露耿明建聂军鲁艳红廖育林黄丽华中农业大学农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室武汉430070 湖南省土壤肥料研究所农业农村部湖南耕地保育科学观测实验站长沙410125

为了探讨紫云英与不同比例化肥减施下,土壤纳米颗粒中黏粒矿物的组成与转化,以湖南省南县长期紫云英还田(MV)与100%、80%、60%和40%(F100、F80、F60和F40)4个比例化肥配施的长期定位试验为对象,将土壤分为4个粒级(>2000、2000~450、450~... 详细信息

为了探讨紫云英与不同比例化肥减施下,土壤纳米颗粒中黏粒矿物的组成与转化,以湖南省南县长期紫云英还田(MV)与100%、80%、60%和40%(F100、F80、F60和F40)4个比例化肥配施的长期定位试验为对象,将土壤分为4个粒级(>2000、2000~450、450~100、100~25 nm)的颗粒,研究黏粒矿物在不同粒级颗粒中的分布特征和转化规律。结果表明,①土壤颗粒由>2000 nm减小至100~25 nm,2000~450和450~100 nm颗粒中伊利石的相对含量降低8%~11%,100~25 nm颗粒中1.4 nm过渡矿物和蛭石极少甚至消失,游离铁和非晶质氧化铁的含量增加,在100~25 nm颗粒中最高。②紫云英与化肥减施下,化肥配施量80%前后矿物的转化出现明显差异。化肥从100%降至80%,高岭石的相对含量增加,增幅为14.1%~51.2%,而伊利石的相对含量降低,降幅为3.6%~11.7%;继续降低化肥配施量,高岭石的相对含量却降低,降幅为13.7%~28.8%,而伊利石的相对含量增加,增幅为2.6%~18.5%。③紫云英还田下随着化肥配施量的降低,游离铁的含量无明显变化规律,而非晶质铁的含量在所有粒径中均先显著提高后降低,在MV+F80处理100~25 nm颗粒中达到最高为9.45 g/kg。综上,紫云英配施减量化肥与土壤颗粒中高岭石、伊利石和非晶质铁转化有明显关系,以化肥减施20%处理影响效果最显著。

关键词：紫云英化肥减施纳米颗粒黏粒矿物