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土壤水力参数,如田间持水量(FC)和永久萎蔫点(PWP),在灌溉管理、干旱风险评估和土地利用规划等方面发挥着重要作用。这些水力特性是动态的,随土壤类型、作物类型和生长季而变化。传统方法估算大尺度水力特性费时费力,而土壤传递函数(PTF)作为一种替代方法,已被用于使用易测量的土壤特性(如土壤粒级、有机碳和容重)来估计土壤水力特性。这些预测参数在很大程度上受各种内在土壤特性如土壤质地、结构、有机质、容重和孔隙度的影响。随着光谱技术的不断发展,因其快速、低成本和无损测量,许多研究者已经利用可见近红外(Vis-NIR)光谱预测了土壤特性,而使用光谱数据绘制印度土壤类型水力特性的研究非常有限。基于此,在本研究中,一组研究团队在印度卡纳塔克邦高原北部地区收集了558个土壤样本,在实验室中测量了其FC, PWP和土壤含水量,并利用ASD FieldSpec光谱仪测量土壤光谱反射率。通过支持向量机、随机森林和偏最小二乘回归三个模型预测FC和PWP。其中,2/3的数据集用于校准(368个样品),1/3的数据集用于验证(190个样品)。本研究目标为通过不同统计技术检验实验室Vis-NIR光谱数据估算水力参数的有用性。研究区域图【结果】卡纳塔克邦高原北部土壤光谱反射率分布(平均值和标准偏差)(N = 558)。FC和PWP预测模型的性能(50 次迭代)验证集FC和PWP预测值和观测值散点图(RF方法)(变性土-绿点,淋溶土-红点,弱育土-蓝点,新成土-黄点)。传统PTF方法预测验证集FC和PWP含水量的性能。【结论】验证结果表明,与PLSR模型相比,RF和SVM性能较好。与田间持水量(R2=0.66-0.69和RMSE=7.25-7.51%)相比,永久萎蔫点预测良好(R2=0.70-0.74,RMSE=5.44-5.74%)。在土纲中,Vis-NIR光谱(R2=0.34&0.42)对变性...
发布时间: 2022 - 11 - 18
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【摘要】正确理解地下水循环模式及其可更新能力对地下水资源的评估、合理开发和利用至关重要。在干旱或半干旱地区地下水补给量少且变异性高,因此难以估算。同位素研究和混合模型相结合可以直接估计含水层的可更新性。本文利用环境同位素方法研究了中国西北半干旱地区—银川盆地的潜水循环模式以及更新能力,主要研究了不同水体的同位素特征,潜水同位素年龄,水循环模式以及更新速率。结果表明,银川盆地主要有两个补给源,即局部大气降水(占13%)和黄河(占87%)。银川盆地潜水的平均滞留时间是48年,平均更新速率是3.38%/a。潜水具有较强的更新能力,更新速率与同位素年龄一致。【研究区域】位于中国西北地区的银川平原。图1 银川盆地位置图【样品收集和测量】收集了来自全球大气降水监测数据和国际原子能机构的30组降水数据,并收集了11个黄河水样品,47个潜水样品。利用LGR的液态水同位素分析仪测量所有水体的δ18O,δD和δT以分析其同位素特征。【结果:地下水补给来源的确定】根据1988到2000的降水观测,地区大气降水线(LMWL)为δD = 7.22δ18O + 5.50(图2)。降水δD和δ18O加权平均值分别为-45.59‰和-6.93‰。δ18O变异性范围为-19.97‰~3.86‰,δD变异性范围为-147.70‰~5.10‰。LMWL的斜率为7.22,略低于全球平均值8(δD = 8δ18O...
发布时间: 2020 - 08 - 20
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【摘要】氢氧稳定同位素可用于追踪土壤水分的运移。尽管我们对土壤剖面渗透的水的追踪及其在径流和地下水补给中运移过程的研究已经很完善了,但土壤水的运动也包括蒸发分馏。迄今为止,土壤水的分馏因子主要是基于经验性的。与开放型水分蒸发(温度,湿度,蒸气压梯度定义的分馏)不同的是,土壤水蒸发包括土壤基质效应的分馏。我们对这些效应特征的理解仍然很差。在这里,我们使用ABB LGR的水汽同位素分析仪(IWA-45-EP)提供了一个初步结果,实验使用了4种土壤混合物,粒度从砂粒到粉粒和黏粒。结果表明土壤张力可能控制着土壤水分的同位素分馏。土壤张力与平衡分馏的关系与土壤质地无关,且得到热力学理论的充分支持。虽然结果是初步的,认为未来的工作应该关注作为土壤水和水蒸气分馏可能解释因素的土壤张力的影响。插图(a)显示了4种添加土壤混合体的水分释放曲线。在萎蔫点到吸着水范围内,2个石英砂样品的重量含水量保持在0.05 g/g。但在同一范围内,粉砂的重量含水量高达0.15 g/g。在毛细管水范围内,黏土的最高重量含水量可达0.2 g/g。土壤张力为106 hpa时,砂土样品I和II的重量含水量分别为0.01和0.005 g/g。在相同的土壤张力下,粉砂的重量含水量为0.05 g/g。重量含水量在0.05和0.005 g/g的粘质土在105 hpa以上获得了更多的数据点。(b)图表明平衡分馏因子(aP/Q)与土壤...
发布时间: 2020 - 07 - 30
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有害蓝藻(cyanoHABs)通常生长在世界各地的水生环境中,包括北美五大湖的淡水湖。营养物质丰富或过量(例如N和P)的水体可以支持蓝藻的快速生长。除此之外,水温,风,浪和水流都会影响水华的形成和垂直分布。一些蓝藻会产生有毒化合物从而危害动物和人类健康。因此对有害藻华的预先监测显得尤为重要。【摘要】利用美国航空航天局(NASA)格伦研究中心开发的高光谱成像系统于2015年至2017年在伊利湖和俄亥俄河采集高空间分辨率数据。配合密歇根理工学院实施的替代校正方法,将HSI系统采集的辐亮度数据转换为高质量的反射率数据,并使用现有算法实时监测有害藻华。替代校正方法依赖于成像光谱恒定的目标以归一化大气和仪器校准信号的高光谱数据。对伊利湖西部盆地附近的一个大型沥青停车场进行光谱特征分析,确定为一个合适的校正目标。机载HIS可以提供对水质状况的独特见解。飞机可以在云层下运行,并且可以根据需要选择和更改飞行路线,这比基于空间平台的灵活性更大。HIS能以较高的空间分辨率(~1 m)采集数据,从而可以监测小型水体,检测小块的表面浮渣,以及监测水华与感兴趣目标(例如进水口)的接近程度。借助这种新的快速周转时间,机载数据可以作为现有卫星平台的补充监测工具,针对关键区域并按需响应水华事件。2015年NASA GRC HIS停车场反射率。粗红线表示ASD FieldSpec III的原位反射率。校正前,HIS...
发布时间: 2020 - 07 - 30
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雪反照率可用于估算雪崩,美国国家航空航天局机载降雪观测台将其与激光雷达联合用于测量雪深。反照率(或“白度”)是单位时间,单位面积上各方向出射的总辐射能量与入射的总辐射能量之比,其测量范围从0(对应于吸收所有入射辐射的黑体)到1(对应于反射所有入射辐射体)。根据Wikipedia的说法“雪反照率变化很大,可以从0.9(刚落下的雪)到0.4(融化的雪)到0.2(脏雪)。南极洲平均雪反照率略高于0.8。如果积雪区域边缘变暖,雪易于融化,会降低反照率,因此积雪吸收了更多的辐射导致了更多的融雪。”在所附的文章中“The Airborne Snow Observatory: Fusion of scanning lidar, imaging spectrometer, and physically-based modeling for mapping snow water equivalent and snow albedo”特别提到了ITRES CASI在测量雪反照率上的重要性。【摘要】在世界许多山区,积雪覆盖和融化主导着区域气候和水资源。山区的融雪时间和量级主要受太阳辐射的吸收和雪水当量(SWE)的分布控制,但是即使在全球仪器设备最完善的山区,对其了解和认识仍不充分。本研究中我们描述并介绍了机载降雪观测台(ASO)的结果,它耦合了成像光谱仪,扫描激光雷达以及积雪分布模型以测定积雪光谱反照率...
发布时间: 2020 - 07 - 30
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【基本原理】硝酸盐水溶液(NO3−)的氮氧稳定同位素组成(δ15N,δ18O,δ17O)以及亚硝酸盐(NO2−)的δ15N值是土壤、雨水、地表水、地下水以及海水养分来源和动态变化的重要示踪剂。硝酸盐同位素还用于评估水生生态系统循环N的能力以及通过地下细菌反硝化等过程修复被硝酸盐污染的含水层。用叠氮化镉还原法将NO3−或NO2−转为N2O,用N2O激光光谱法进行N和O同位素分析。将激光顶空同位素分析法与同位素比质谱法进行比较。激光法可直接测量17O异常,有助于追踪大气N来源。基于此,在所附的文章中“N and O isotope (δ15Nα,δ15Nβ,δ18O,δ17O) analyses of dissolved NO3− and NO2− by the Cd‐azide reduction method and N2O laser spectrometry”,国际原子能机构(IAEA)同位素水文学实验室主任Leonard I. Wassenaar及其团队利用N2O同位素分析仪(N2OIA‐23e‐EP Model 914‐0060;Los Gatos Research,Mountain View,CA,USA)开展了相关实验。【方法】用叠氮化镉法和顶空N2O激光光谱法将其转化为N2O,在N/O稳定同位素标准物(IAEA,USGS)上测量δ15N,δ18O,δ17O。15N示踪...
发布时间: 2020 - 07 - 30
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北极苔原位于北半球,是多风无树的平原。因其温度低,生长季短,在冬季土壤下层(向下25-90 cm)被永久冻结(“多年冻土层”),阻碍了树木的生长。在夏季,多年冻土层融化仅足够用于植物的生长和繁殖,由于下层土壤冻结,水分无法下沉并形成湖泊和沼泽。苔原冻土地区占世界土壤结合碳的很大一部分(是当今大气中碳的1.5倍),湖泊和湿地中植被腐烂会产生CH4。过去几十年,人们认为北极苔原是碳汇,因为它可以通过光合作用捕获大气中大量的CO2,而如今受气候变化的影响,它已经成为重要的碳源,将温室气体释放到大气中。因此,对环境科学家而言,理解该生态系统中季节,植被,气候因子对CH4排放的影响至关重要。大量研究表明,由于多年冻土层的季节性融化,在北极地区夏季CH4从大量不稳定有机质中排放。然而,很少有研究去理解秋季,冬季和春季(代表了北极地区一年中的70-80%)的CH4排放现象。以往的几个研究表明秋季甲烷通量高,而春冬季节无甲烷通量。在所附的文章中“ Cold season emissions dominate the Arctic tundra methane budget”,一组国际跨学科的科学家们报道了全年CH4排放,包括从沿着阿拉斯加北坡300公里纬度样带上的5个阿拉斯加北极苔原涡度协方差(EC)站点测得的通量数据,旨在理解CH4通量的季节性变化。此项目中,EC塔上安装了开路分析仪和闭路LGR...
发布时间: 2020 - 07 - 30
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摘要:了解再生物种的水分利用特征对于理解土壤与植物之间的相互作用机制以及指导水资源受限生态系统中的生态恢复策略具有深远的意义。尽管植树造林是改善退化生态系统功能和服务的重要途径,但对不同人工林类型中优势种的水分利用特征的了解甚少。作者调查了黄土高原三种代表性人工林(三种落叶树种刺槐、山杏和臭椿组成的混合人工林,纯刺槐人工林,纯山杏人工林)的植物水分利用特征。作者测量了每种人工林中优势种叶片的δ13C以及木质部和土壤(400 cm)水分的δ2H和δ18O。结果表明,混合人工林中三个主要树种在水源贡献比例上表现出显著的差异(P<0.05),表明植物具有水源隔离作用。与纯山杏人工林相比,混合人工林中的山杏利用更大比例的浅层土壤水,相应地减少了对深层土壤水的消耗。然而,在不同人工林中,刺槐水分吸收比例未表现出显著差异。混合人工林中植物叶片的δ13C显著高于纯人工林的。不同人工林中,刺槐叶片的δ13C与SWC呈正相关关系,而山杏中未观察到这种关系。结果表明人工林类型会影响植物水分利用特征,具有对人工林类型的物种特异性响应,以及种间竞争和种内竞争之间不同的水源竞争效应。研究区域该研究是在陕西省羊圈沟流域进行的(36°42′45″ N,109°31′45″)。该流域是黄土高原中部的黄土丘陵沟壑区。样品采集作者于2016年植物生长季节5-9月采集了植物叶片样品用于δ13C的测定...
发布时间: 2020 - 05 - 29
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摘要:采矿后地区受到大规模和严重的干扰,会对周围生态系统产生重要的影响。原本的生态系统被破坏,而植树造林可以恢复这些生态系统。但其成功和速度取决于所挖出弃土基质的特性。热红外遥感为弃土基质的标测和分类带来了优势,从而确定了其特性。弃土基质库包含光谱发射率(Designs and Prototypes Model 102便携式FTIR光谱仪)和化学性质,可以促进遥感活动。该研究提供了从捷克共和国褐煤开采场提取的弃土基质发射率的光谱库。通过干燥和筛分将提取的样品均质化。每个样品的光谱发射率通过光谱平滑算法来确定,该算法适用于傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪测得的数据。同时测量了每个样品的化学参数(pH、电导率、Na、K、Al、Fe、灼烧损失和多酚含量)和毒性。本文中光谱基因库以地理坐标的形式提供了获取位置的有价值的信息,呈现的数据本质上是唯一的,可以在长波红外电磁频波中为许多遥感活动提供服务。1总结露天采矿过程中,煤层上方大量的基质被清除并重新堆放,覆盖了广阔的区域,这些从几百米深处挖出的材料被称为弃土基质。其物理和化学特性会发生变化,异质性很大程度上受地质及采矿和堆放方法的影响,由于这个原因,基质与最近的土壤有很大的不同。它们有极端的pH值,高浓度的重金属、多酚(即煤分解产物)和盐含量。这些性质会影响采矿后地区植被发展的成功和速度。因此,在土地...
发布时间: 2020 - 05 - 28
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植被冠层的光合特性是基于地球系统模型进程的重要参数,可用于理解全球碳循环。然而这些地球系统模型缺乏光合特性连续的时空信息,导致了很大的不确定性,无法解释碳的源和汇以及大气层与陆地生物圈的交换。此外,光合速率的准确表征对于重设光合作用途径以提高作物产量至关重要。选择新品种需要在给定环境中将基因型与表型联系起来,但尚未以高通量方式实现,这成为植物育种的主要瓶颈之一。为此,作为全球粮食安全问题解决方案的一部分,迫切需要光合特性高通量表征技术的进步,这对于深刻理解全球环境变化至关重要。基于此,作者研究了安装在移动平台上的高光谱成像相机是否能解决这些问题,重点研究三种主要方法-基于偏最小二乘法回归(PLSR)的反射光谱,光谱指数以及数值模型反演,以从11个烟草品种冠层高光谱反射率估算光合特性。结果表明,基于PLSR建立的反射光谱和光谱指数模型预测Vcmax和Jmax的R2为~0.8,高于数值反演的预测结果(R2为~0.6)。与反射光谱的PLSR相比,光谱指数的PLSR预测Vcmax(R2 = 0.84 ± 0.02, RMSE = 33.8 ± 2.2 μmol m−2 s−1)的结果更好,预测Jmax(R2 = 0.80 ± 0.03, RMSE = 22.6 ± 1.6 μmol m−2 s−1)的结果相似。...
发布时间: 2020 - 05 - 28
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摘要:本研究旨在理解不同缺水胁迫下10个水稻基本型的表现。记录了不同胁迫水平下植物的相对含水量(RWC)以及在350-2500 nm范围内的高光谱数据。通过光谱指数,多元技术和神经网络技术确定最佳波段,并建立预测模型。建立了新的水敏感光谱指数,并就RWC评估了现有的水带光谱指数。这些基于指数的模型可以有效地预测RWC,R2值为0.73至0.94。在350-2500 nm范围内的所有可能组合中,使用比率光谱指数(RSI)和归一化光谱指数(NDSI)绘制等高线,并量化与RWC的相关性以确定最佳指数。光谱反射率数据(ASD Field Spec3 spectroradiometer测量)还用于建立偏最小二乘回归(PLSR),然后进行多元线性回归(MLR)和人工神经网络(ANN),支持向量机回归(SVR)和随机森林(RF)模型来计算植物RWC。在这些多元模型中,PLSR-MLR被认为是预测RWC的最佳模型,校正和验证的R2分别为0.98和0.97,预测的均方根误差(RMSEP)为5.06。结果表明,PLSR是鉴定作物缺水胁迫的可靠技术。尽管PLSR是可靠的技术,但如果将PLSR提取的最佳波段馈入MLR,则结果会得到显着改善。使用所有光谱反射带建立了ANN模型。建立的模型未取得令人满意的结果。因此,使用PLSR选择的最佳波段作为独立x变量开发了模型,发现PLSR-ANN模型比单独的ANN模型...
发布时间: 2020 - 05 - 25
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