盐分对“棉花—土壤”系统水盐变化的影响及监测研究

摘要

盐渍化是影响土地生产力的重要障碍因子，严重制约了粮食生产和农业可持续发展。棉花是盐碱地种植的先锋作物，随着耕地面积的减少，棉花种植逐渐向盐碱地集中，大力提高盐碱地棉花产量已经成为棉花生产的主攻方向。因此研究土壤盐分对棉花水、盐的影响及其监测研究是当今农业发展的重要研究课题之一。本研究以耐盐品种中棉所44和盐敏感性品种苏棉12号为研究对象，基于2008-2009年在南京农业大学牌楼试验站进行的土壤盐分盆栽试验，综合运用红外测温技术、光谱辐射技术和电磁波谱技术，构建了不同土壤盐分下棉花水分胁迫指数模型，建立了基于光谱反射特征的棉花含水量、含盐量和土壤电导率监测模型。同时，研究不同电磁测量频率下土壤盐分对土壤介电特性的影响，确定土壤水、盐含量测量时与土壤离子电导相关的合理测量频率段，建立土壤介电常数对土壤水、盐含量的反演模型，为盐渍化土壤条件下棉花水、盐状况的实时监测和精确诊断提供有效技术支撑。
　　 主要研究结果如下:
　　 1.盐分条件下棉花水分胁迫指数模型的构建及相关生理特性的变化
　　 随盐分水平的升高，棉花功能叶的蒸腾速率、含水量和净光合速率呈明显的下降趋势，以1.25 dS m-1盐分处理作为充分灌水(即无水分胁迫)建立了棉花水分胁迫指数模型下基线方程，以此构建了不同土壤盐分下棉花水分胁迫指数模型。综合分析棉花水分胁迫指数与叶片含水量和净光合速率的关系，认为水分胁迫指数模型可以很好的反映棉花的受胁迫程度。
　　 2.基于高光谱参数的盐土棉田棉花功能叶含水量监测模型研究
　　 棉花功能叶含水量的敏感波段主要位于近红外和中红外波段，基于上述敏感波段，构建了最佳的(ratio spectral indices) RSI和(Normalized difference spectrumindex)NDSI，以此建立了棉花功能叶含盐量的线性函数、幂函数和指数函数监测方程，比较发现，以1650/2220nm ratio，NDSI1(R1222，R2264)、NDSI2(R1347，R2307)、RSI1(R2264，R1321)和RSI2(R2307，R1347)为自变量构建的RWC和EWT线性回归方程的决定系数最大，标准误较小。利用2009年试验数据对所建立的模型进行检验发现:以NDSI2(R1347，R2307)和RSI2(R2307，R1347)为自变量构建的EWT监测模型的决定系数均较大，根均方差较小，拟合度均优于RWC监测模型，因此，以NDSI2(R1347，R2307)和RSI2(R2307，R1347)为自变量构建的EWT监测模型可以用来实时监测盐碱条件下棉花功能叶的水分状况。
　　 3.基于高光谱参数的盐土棉田棉花功能叶含盐量监测模型研究
　　 随土壤盐分水平的升高，棉花功能叶Na+，Cl-和SO42-含量逐渐上升，而K+和Ca2+呈相反的趋势。基于敏感波段，构建了最佳的RVI和NDSI，以此建立了棉花功能叶含盐量的线性函数、幂函数和指数函数监测方程，比较而言，以RSI(R2306，R1347)、RSI(R2276，R1343)、RSI(R2306，R1350)为自变量构建的K+，Na+，Ca2+线性回归方程、以RSI(R2202，R1361)、RSI(R2317，R1154)为自变量构建的Mg2+，SO42-幂函数方程、以RSI(R2264，R1335)为自变量构建的Cl-指数函数方程、以NDSI(R1340，R2306)、NDSI(R1346，R2276)、NDSI(R1380，R2307)、NDSI(R1200，R2211)、NDSI(R1154，R2317)为自变量构建的K+，Na+，Ca2+，Mg2+，SO42-线性回归方程和以NDSI(R1300，R2250)为自变量构建的Cl-幂函数方程的决定系数最大，标准误较小。利用2009年试验数据对所建立的模型进行检验发现:以RSI(R2306，R1347)、RSI(R2276，R1343)、RSI(R2306，R1350)为自变量构建的K+，Na+，Ca2+线性方程的监测模型、以RSI(R2202，R1361)、RSI(R2317，R1154)为自变量构建的Mg2+，S042-幂函数方程的监测模型和以RSI(R2264，R1335)为自变量构建的Cl-指数方程的监测模型的决定系数均大于0.69，根均方差较小，拟合度均优于以NDSI为自变量构建的的监测模型，因此，以RSI为自变量的监测模型可以用来实时监测盐碱条件下棉花功能叶的盐分状况。
　　 4.基于棉花功能叶高光谱参数的土壤电导率监测模拟
　　 棉花功能叶光谱反射率在近红外和中红外区域均随土壤盐分水平的升高而升高;以敏感波段1350 nm和2307 nm构建的归一化光谱指数NDSI(R1350，R2307)与土壤电导率的决定系数最高，基于此构建了基于NDSI(R1350，R2307)的棉田土壤EC监测模型:EC=-42.899 NDSI(R1350，R2307)+27.338;在光谱微分参数中，以TM影像的第5个波段(TM5-SWIR)与棉田土壤EC的决定系数最高，构建了基于TM5-SWIR的棉田土壤EC监测模型:EC=0.0574TM5-SWIR2-2.5928TM5-SWIR+30.021。模型检验的结果表明:分别以NDSI(R1350，R2307)和TM5-SWIR为自变量的监测模型的预测精度均较高，分别为0.887和0.8136，根均方差均较小，分别为1.09和1.29 ds·m-1，表明利用棉花功能叶NDSI(R1350，R2307)和TM5-SWIR这两个高光谱参数均能较好地监测棉田土壤电导率。
　　 5.基于土壤介电常数的盐土棉田土壤含水量、含盐量变化的反演研究
　　 随土壤盐分水平的升高，土壤中可溶性Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-含量上升，随生育期的推迟，同一盐分水平下土壤中可溶性Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-含量呈下降趋势，综合分析土壤介电常数虚部与土壤体电导率、土壤体电导率与土壤溶液电导率、土壤溶液电导率与土壤的离子浓度的一系列关系，最终建立了土壤介电常数的虚部模型。进一步利用2009年试验数据对土壤含水量、含盐量进行反演发现，Dobson的实部模型的R2较高(0.7428)、根均方差(RMSE)较小(1.16％)，可以很好的反演土壤的含水量状况。在对含盐量进行反演时，频率较低(f＜3Ghz)时，土壤Sc、Cl-、Ca2+的R2较高，分别为0.9417，0.6852，0.7965，RMSE较小分别为0.13g.kg-1，0.34 g.kg-1，0.09 g.kg-1;频率较高(f≥3Ghz)时，土壤Sc、Cl-、Ca2+、Na+的反演结果可以看出，Sc的检测结果最好，Na+次之，而Cl-、Ca2+的检验结果较差，其R2及RMSE分别为0.8655，0.8408，0.8117，0.8217及0.25g.kg-1，0.15g.kg-1，0.02g.kg-1，0.21 g.kg-1。总体上，模型检验结果较好，表明模型可以很好的对土壤水分、盐离子状况进行反演。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1 土壤盐分对作物水、盐含量的影响与作物水盐状况的监测

1．1 土壤盐分对作物水分和盐分含量的影响

1．2 盐分条件下作物水、盐状况的监测

2 盐渍化土壤中土壤水、盐的变化及监测研究

2．1 盐渍化土壤中水分、盐分含量的变化

2．2 土壤水分监测

2．3 土壤盐分监测

3 本研究的目的和意义

参考文献

第二章 研究思路与方法

1 研究思路与技术路线

1．1 研究思路

1．2 技术路线

2 材料与方法

2．1 试验设计

2．2 数据获取方法

2．3 理论基础

2．4 数据分析与利用

参考文献

第三章 盐分胁迫条件下棉花水分胁迫指数模型的构建及相关生理特性的变化

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定内容与方法

1．3 统计分析方法

1．4 作物水分胁迫指数(CWSI)计算公式

2 结果与分析

2．1 棉花水分胁迫指数经验模型的建立

2．2 棉花水分胁迫指数与棉花含水量及净光合速率之间的关系

3 讨论

4 结论

参考文献

第四章 盐分胁迫下棉花功能叶含水量的高光谱监测模型研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定内容与方法

1．3 植被指数

1．4 归一化光谱指数和比值植被指数的建立

1．5 数据分析

2 结果与分析

2．1 土壤盐分对棉花功能叶含水量的影响

2．2．土壤盐分对棉花功能叶光谱反射率的影响

2．3 高光谱参数与棉花功能叶含水量之间的定量关系

2．4．监测棉花功能叶含水量状况的最佳比值光谱指数及定量模型

2．5 监测棉花功能叶含水量状况的最佳归一化光谱指数及定量模型

2．6 模型检测

3 讨论与结论

参考文献

第五章 盐分胁迫下棉花功能叶含盐量的高光谱参数监测模型研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定内容与方法

1．3 数据分析与利用

2 结果与分析

2．1 土壤盐分对棉花功能叶含盐量的影响

2．2 土壤盐分对棉花功能叶光谱反射率的影响

2．3 棉花功能叶光谱反射率与叶片含盐量的相关性分析

2．4 盐土棉田棉花功能叶含盐量监测模型的构建与检验

3 讨论与结论

参考文献

第六章 基于棉花功能叶高光谱参数的土壤电导率监测模型研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 建模及检验方法

2 结果与分析

2．1 盐分对土壤电导率的影响

2．2 土壤盐分对棉花功能叶光谱反射率的影响

2．3 棉花功能叶光谱反射率与土壤电导率的相关性分析

2．4 土壤电导率监测模型

2．5 模型检验

3 讨论

参考文献

第七章 基于土壤介电常数的盐土棉田土壤含水量、含盐量变化的反演研究

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定项目与方法

1．3 建模及检验方法

2 结果与分析

2．1 盐分对土壤含盐量的影响

2．2 基于土壤介电常数的盐土棉田土壤含水量和含盐量监测适宜波段的确定

2．3 土壤介电常数虚部模型构建

2．4 土壤含盐量的反演

2．5 土壤含水量的反演

3 讨论与结论

参考文献

第八章 讨论与结论

1 讨论

1．1 土壤盐分对棉花水分含量的影响及棉花含水量监测模型研究

1．2 基于高光谱参数的盐土棉田棉花功能叶含盐量监测模型研究

1．3 基于棉花高光谱参数的棉田土壤电导率监测模型研究

1．4 基于土壤介电常数的盐土棉田土壤含水量、含盐量变化的反演研究

2 结论

3 本研究的创新之处

4 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表、已录用和已投稿文章

致谢