植物工厂导气栽培槽通风对冠层环境影响模拟

为了增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动和简化通气管道施工工艺,该研究设计了一种集栽培床和通风管路于一体的导气栽培槽(cultivation bed integrated with draft-tube,CBT)。利用流体计算软件(computational fluid dynamics,CFD)构建了CBT模型,通过模拟和实测入口速度为5.0 m/s时植物冠层内部的气流速度,得到栽培区域几何中心截面速度的模拟值与实测值分布趋势一致,计算模拟值与实测值的均方根误差为0.22 m/s,表明该模型能准确模拟气流速度。利用验证的模型模拟了不同进气速度对作物冠层内部气流分布的影响得到入口速度为6.0 m/s时,植物冠层空间适宜的气流区域体积占比最高,为56.3%,该入口速度下冠层区域的气流平均速度为0.15 m/s。根据模拟结果,选取6.0 m/s为CBT的入口速度,以成熟期生菜作为试验材料,在同一环境条件下对比CBT通风模式和传统通风模式(traditional ventilation control,TVC)下生菜冠层内部微环境,测试通风调温效果。结果表明,CBT处理的冠层内光期...     

植物修复多环芳烃污染土壤的根际效应机制研究进展

多环芳烃类有机污染物在土壤中可长期存在,进而通过食物链对人类健康产生重大潜在风险。对多环芳烃污染土壤进行植物修复是一种环境友好且经济有效的污染补救策略。进行植物根际效应机制研究对于开发可持续性多环芳烃污染土壤的植物修复技术具有重要指导意义。对近年来的相关研究工作进行了总结,结果表明:多种禾本科植物具有较强的多环芳烃污染耐受性和较好的修复效能,利用多植物混植的联合修复方式表现出优于单一植物的修复优势。低分子量有机酸类根系分泌物通过与土壤中多环芳烃污染物形成反馈回路决定植物修复体系中多环芳烃的命运。修复植物根系分泌物可塑造特定的根际微生物区系,根际微生物可通过多种机制来降解土壤环境中的多环芳烃。针对在植物修复多环芳烃污染土壤研究过程中尚存在一些问题,提出了未来植物修复根际效应机理研究中应该关注的重点和方向,旨在为优化多环芳烃污染土壤植物修复技术提供科学依据与理论参考。     

根际微生物研究进展

根际是土壤-植物生态系统物质交换的活跃界面。植物作为第一生产者同化大气CO2,将部分光合产物转运至地下,激发土壤微生物的生长和新陈代谢;土壤微生物则将有机态养分转化成无机形态,利于植物吸收利用。这个植物-微生物的互作关系维系和主宰着陆地生态系统的功能。自从100年前德国科学家LorenzHiltner提出根际概念以来,根际研究方兴未艾,研究内容不断得以丰富和发展。近年来,随着分子生物技术在土壤环境领域的应用,根际微生物研究出现快速发展的趋势。本文根据2004年在慕尼黑召开的第一届国际根际大会交流内容、结合近年来国际上报道的研究动向,对根际微生物研究方法、根际微生物生物多样性和生态功能、转基因生物的环境安全和根际微生物生物修复技术等内容作一综述。期望我国的根际微生物研究能在基础和应用领域得到快速发展。     

植物根际沉积与土壤微生物关系研究进展

【目的】活跃的根际微生物被喻为植物的第二套基因组,在植物的生长发育过程中发挥着关键作用。植物通过根际碳沉积影响根际土壤微生物群落的结构和功能;作为根际微生态系统中的物质流、能量流和信息流,根际碳沉积是连接大气、植物和土壤系统物质循环的重要纽带;因此,理解根际碳沉积在根际微生态中的作用对于提高植物抗逆性,增加作物产量,调控根际养分循环等方面具有重大的理论意义。【主要进展】本文就近年来关于根际微生物领域的研究成果,重点综述了根际微生物多样性和组学研究;根际碳沉积的组成和产生机理;根际微生物群落结构的形成机制;根际微生物在促进作物养分吸收、提高作物抗逆性等方面的生态功能;以及气候变化和长期施肥对植物-微生物互作关系的影响。在此基础上我们提出了未来可能的研究重点和发展方向:1)植物根际沉积物原位收集方法和检测技术的改进和发展;2)稳定同位素探针与分子生态学技术的结合,将植物、土壤和微生物三者有机地联系起来,综合分析根际界面中微生物的活性与功能;3)高通量测序、组学技术和生物信息学等新技术的引入势必使根际微生物学研究发生革命性的变化;4)随着全球气候变化和土壤肥力改变,例如全球变暖、CO2浓度升高和长期施用化肥,根际沉积物在植物-土壤-微生物中的分配与调节机制,以及这种环境选择压力下植物如何诱导根际促生菌发挥更大作用。希望通过平衡作物与微生物之间的相互关系来实现作物的高产高效,促进农田的可持续利用。     

植物生长环境与根系分泌物的关系

植物所处环境条件会影响植物根系分泌物的数量和组成,同时,植物根系分泌物也会影响根际环境条件。本文综述了植物种类(品种、生长发育阶段)和光温水、养分胁迫、重金属胁迫、微生物活动等环境条件对植物根系分泌物的影响;植物根系分泌物对根际微区土壤结构性、pH、CEC、养分活化和微生物区系等方面的影响,并提出了今后植物根系分泌物与环境条件研究中在研究方法、不同环境条件等方面值得关注的问题。     

新风过滤和排风除臭装置条件下楼房猪舍夏季环境监测

楼房猪场可节约占地面积,楼房猪舍常增设新风过滤装置和排风除臭墙用以改善舍内环境和减少废气排放。为了解此类楼房猪舍夏季环境控制情况,选择北京郊区某楼房猪舍的三个楼层作为监测对象,底层（1层）、中间层（3层）和顶层（5层）新风过滤装置洁净度分别为优、差和良,中间层和顶层风机开启6台,底层风机开启5台,通过监测猪舍的温度、湿度和二氧化碳浓度（质量分数）、风机处静压差等环境参数,分析楼房猪舍不同楼层通风量、温度、温度分布均匀度及环境舒适度。结果显示,底层、中间层和顶层风机处静压差分别为69.7、110.1和98.7 Pa;高静压差导致猪舍实际通风量和风机能效比降低,猪舍实际通风量中间层（205 313 m3/h）和顶层（233 611 m3/h）显著低于底层（247 903 m3/h）（P<0.05）,风机能效比中间层（15.3 m3/(h·W)）和顶层（17.4 m3/(h·W)）显著低于底层（22.5 m3/(h·W)）（P<0.05）;底层舍内温度（24.2 ℃）显著低于中间层（24.6 ℃）和顶层（24.7 ℃）（P<0.05）,舍内不同位置同期最大温差（0.4 ℃）显著低于中间层（1.1 ℃）和顶层（0.6 ℃）（P<0.05）,综合温湿度和风速计算母猪等效温度指数（Equivalent Temperature Index for Sows,ETIS）,底层最小,中间层最大。该研究可为楼房猪舍提高通风效率、优化楼房猪舍夏季环境控制方案提供理论依据。     

污染区千金子和酢浆草根际土壤中PAHs结合态残留的梯度分布

采集某污染区千金子(Euphorbia lathyris L.)和酢浆草(Oxalis corniculata L.)的离根表0~3、3~6、6~9 mm的根际土壤,分析了多环芳烃(PAHs)结合态残留中母体化合物(Parent compound of bound residue,PCBR)在根际土壤中的含量及梯度分布规律。供试土壤类型为黄棕壤。结果表明,在非根际和根际土壤中均可检出10种PAHs的PCBR,非根际土壤中PCBR总含量为3.31 mg kg-1,高于根际土壤(1.07~1.82mg kg-1)。根际土壤中PAHs的PCBR含量随离根表距离(0~9 mm)的增加而增大。可用根际效应(R)来衡量根际土壤中PAHs的PCBR含量与非根际土壤相比减少的比例;R值随离根表距离(0~9 mm)的增加而变小。3个连续根际区中,PAHs总PCBR的R值为45.15%~67.66%,其中2环PAH的R值最大(61.18%~93.50%),4环和5环PAHs的R值最小(2.39%~6.31%),低环PAHs的PCBR在根际土壤中更易转化。PAHs的PCBR在千金子根际土壤中R值大于酢浆草,表明前者有更利于PAHs结合态残留转化的根际环境。PAHs结合态残留的根际梯度分布与根系分泌物的梯度分布关系密切,而PAHs种类、植物根际环境对PAHs结合态残留的分布影响显著。     

水冷式苗床根际降温效果及其对番茄幼苗生长的影响

作为水分和养分吸收运输的主要器官,根系及其代谢直接影响着植株的生长与发育,相对于地上部温度植株对地温更为敏感。根际高温是影响夏季蔬菜集约化育苗主要障碍因子之一,适宜、稳定的根际温度是幼苗根系生长和培育壮苗的重要保证。为了降低夏季集约化育苗时幼苗的根际高温环境,设计了一种低能耗的根际降温方式,该研究利用地下水作为降温媒介,采用梯形排管作为冷却管道,设计了一套水冷式苗床用于集约化育苗根际局部降温。试验结果表明,在番茄育苗期间,水冷式苗床番茄幼苗根际积温、日均温和平均最高温分别比对照苗床降低了154.1、4.5和6.5℃。水冷式苗床平均一天中番茄幼苗根际温度高于25℃历时比对照苗床减少了7.6 h,高于28℃历时比对照苗床减少了7.2 h。水冷式苗床番茄幼苗叶片的蒸腾速率比对照提高了36.3%,提高了叶-气温差。水冷式苗床番茄幼苗根系活力和光合作用显著高于对照苗床,壮苗指数比对照苗床提高了34.9%。因此,水冷式降温苗床能够较好的降低根际温度,缓解夏季高温对番茄幼苗生长的胁迫。     

追日式草莓立体栽培架改善光温环境提高草莓产量

为解决草莓多层立体栽培中同一栽培架上位层对下位层的遮光问题,将固定式A字型栽培架在添加转动和控制部件后,使其以"追日"的方式运动,实现栽培架行向与太阳光照射方向平行,最大限度地利用直射光。试验测试并比较了3层追日式与固定式栽培架上草莓冠层光环境、根际以及冠层温度环境、草莓产量。结果表明:冬季3个月内(2015年11月8日立冬至2016年2月4日立春),追日式栽培架上、中、下层与固定式相应位置光合有效光量子流密度(photosynthetic photon flux density,PPFD)日累积量平均值相比,东侧分别高28.0%、79.3%、38.6%,西侧分别高30.1%、41.0%、18.2%。追日式栽培架西侧上、中、下层根际达到根系最适生长温度15~20℃的时间分别比固定式相应位置长60、40、120 min;相应地,前者冠层温度2016年1月19日晴天低于5℃的时间分别比后者短130、170、230 min。追日式栽培架东侧和西侧上、中、下草莓单株产量分别高于固定式栽培架相应位置,在试验时间内追日式栽培架的总产量比固定式栽培架高214.8 kg/667 m2。因此,追日式栽培系统可有效地改善冠层光温环境,提高作物产量和效益。     

植物根际微生物调控根系构型研究

植物根系构型即根系在其生长介质中的生长与分布,包括根系长度、根系分支和根系生物量等,能够将植物固定在土壤中并有效吸收水分和矿质养分,直接影响植物的生长和发育。根系构型受多种因素的影响,包括土壤水分、养分和根际微生物,传统方式主要依靠化学肥料增加土壤养分进而改善根系生长,但是化学肥料会对环境造成危害,根际微生物作为植物的“第二基因组”,能够改善初生根、侧根和根毛的发育,促进植物的生长和根际养分吸收,近年来基因组学−代谢组学、基因组学−转录组学等多组学关联技术的应用揭示了微生物的促生机制,为微生物菌剂的开发提供了新思路。基于该领域的研究现状,本文阐述了根际微生物（AMF、PGPR、根瘤菌）对根构型的调控机制包括激素调控、固氮、溶磷、释放挥发性有机化合物四个方面,并描述它们通过这四种机制增加植物根系长度、根系分支,促进根毛发育的调控效应,基于上述结论,植物根际微生物可以有效改善根系生长,但实际应用效果还有待研究,量化不同机制的相对贡献率以及提高微生物菌剂在实际应用中的稳定性是后续研究的重点。     

A model to simulate response of plant stomata to environmental conditions

In order to simulate plant transpiration under different field climatic conditions we have developed and verified a semi-empirical model for predicting the stomatal response to solar global radiation, leaf temperature, vapour pressure difference between the leaf and ambient air, ambient air CO₂ concentration and soil water potential. The transpiration and the stomatal relative conductance of a Nicotania Tabaccum var “samsun” plant leaves were measured in a laboratory apparatus and compared to those predicted by the model: good agreement was obtained between them for the different investigated cases. The model was incorporated in a numerical greenhouse microclimate model and its effects on the canopy microclimate are discussed here.     

滤减UV-B辐射强度对植烟环境小气候要素的影响

以烤烟（Nicotiana tabacum L.）品种‘K326’为试验材料,采用盆栽方法,以覆盖3种不同厚度透明薄膜滤减UV-B辐射的处理方式进行试验。在成熟初期,于试验设定时间点分别测定50cm和150cm高度处烤烟环境小气候要素,应用多元统计岭回归分析方法分析了滤减自然条件下25%（T1）、50%（T2）和65%（T3）的UV-B辐射强度对各要素的影响。结果表明：叶片周围空气温度（Ta）、光合有效辐射（PAR）和饱和水汽压亏缺（VPD）的日变化曲线总体呈上升趋势,而二氧化碳浓度（Ca）、相对湿度（RH）则呈下降趋势。岭回归分析表明,滤减UV-B辐射对植烟环境小气候要素作用显著,具体表现在T1、T2、T3处理对Ca和RH总体上均具有抑制作用,滤减50%的UV-B辐射对叶片周围Ca的抑制作用最大;滤减UV-B辐射对Ta有明显的促进作用,滤减50%的UV-B辐射对Ta促进作用最强;相对于自然条件而言,滤减65%的UV-B辐射更有利于烟叶对辐射能的吸收和利用;T1处理对VPD具有明显的促进作用,T2处理在不同高度上对VPD作用方向不一致,T3处理的抑制效应则表现不明显,即在不同处理的UV-B辐射强度水平下,植烟环境小气候要素对UV-B辐射的响应存在一定的差异。     

基于CFD的植物工厂冠层微环境管道通风效果模拟

为增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动,该研究设计了一种冠层微环境管道通风装置,利用计算流体力学软件（Computational Fluid Dynamics,CFD）构建三维栽培模型。在模型中,将植物冠层区域考虑为多孔介质,多孔介质的黏滞阻力系数为25,惯性阻力系数为1.3;LED灯管设置为热源模型,热源模型散热量为297 525 kW/m3。利用模型模拟并实测入口速度为8 m/s时植物冠层表面和上部空间气流速度,发现空气流域的平均误差为16%,模拟值与实测值吻合较好。利用验证的模型模拟不同入口速度下植物冠层的气流分布,结果表明：进气速度设置为8 m/s,该速度下植物冠层内部适宜速度区域体积占比为67.58%,冠层表面适宜速度区域面积占比为55.23%,冠层内部气流平均速度为0.14 m/s。研究表明植物工厂冠层微环境管道通风模式能有效增加冠层气流扰动。     

规模化猪场妊娠母猪舍改进湿帘降温系统的环境特性

为研究湿帘与地道结合的改进湿帘降温系统对妊娠母猪舍的环境特性，该研究采取现场测试的方法，选取河南地区某规模化母猪场妊娠舍为试验猪舍，对该猪舍夏季和冬季舍内热环境和空气质量环境进行测试和分析，结果表明：1）改进湿帘降温系统夏季对新风的平均降温功率增加了?84.4 kW，提高了25%的降温效果；冬季对新风的平均加热功率增加了121.6 kW且舍内无需供暖，87%以上的节能效果发生在地下风道前半程。2）试验猪舍舍内温湿度、风速分布均匀，且舍内温度波动低于3.7 ℃；综合猪舍母猪体感有效温度和呼吸频率等应激程度指标，母猪冬季处于舒适状态，夏季有轻度热应激状态现象。3）夏季和冬季舍内氨气（NH3）、二氧化碳（CO2）、和粉尘（PM2.5和PM10）的质量浓度分布均匀，且均小于国家标准规定的妊娠舍空气污染物浓度极限水平。综上所述，改进湿帘降温系统不仅降低妊娠母猪舍热环境调控的能耗并维持舍内空气质量环境良好，对建立环境友好型规模化母猪场具有积极意义。     

基于均流板原理的通风墙型植物工厂循环送风系统设计与模拟

植物工厂是当前可控农业环境的最高形式之一,但植物工厂内温度、气流空间分布不均,不同栽培架之间存在一定温差、气流速度差。为解决气流植物工厂内局部环境因子差异大的问题,该研究对植物工厂进风口设置进行改进,在侧进上出气流循环模式下,借鉴均流板原理设计了一款全网孔通风墙型植物工厂,并通过计算流体力学软件(computational fluid dynamics, CFD)进行模拟,分析该类型工厂下温度、气流速度、CO₂浓度、相对湿度、适宜风速占比、空气龄、指定流线速度变化情况,以评价全网孔通风墙对植物工厂内局部环境差异的改进效果。该设计平均空气龄为7.5 s,是无全网孔通风墙条件下的1/9,空气更新效率有效提升。研究表明全网孔通风墙型植物工厂能有效提升植物工厂内环境因子分布均匀性。     

Effects of panicles on infrared thermometer measurements of canopy temperature in wheat

A study was conducted in Phoenix, AZ on stressed and unstressed field plots of Anza wheat (Triticum aestivum L.) on an Avondale loam soil (a fine, loamy, mixed calcareous hyperthermic Anthropic Torrifluvent) to determine effects of panicles on the apparent canopy temperature and their consequent impact on the estimation of crop stress. The panicles were removed from a 1.5 × 4-m sample of each plot by extracting the peduncle from the upper sheath. For each treatment canopy radiative temperature measurements were made from vertical and oblique angles (30° from the horizontal), using an 8° field-of-view (FOV) infrared thermometer, at half-hour intervals from sunrise to sunset on 20, 22, and 30 April. Complementary measurements included leaf water potential and leaf diffusive resistance.Apparent canopy temperatures obtained from the oblique view of the canopy with panicles and under well-watered conditions were 2°C warmer than those of the unstressed canopy without panicles. In the stressed plot the canopy with panicles was 1°C cooler than that without panicles, but this effect was only noticed around 1200 MST. The temperature difference between viewing angles was apparently caused by different percentages of panicle area viewed by the radiometer. In the vertical view panicles contributed to 3% of the total viewed area while at the 30° oblique view panicles comprised 40% of the area. Since energy balance calculations of a non-transpiring cylinder with dimensions similar to a typical wheat panicle showed its temperature would remain very close to that of the surrounding air, canopy temperatures were adjusted for the proportion of panicles viewed assuming they were in equilibrium with air temperature. Results showed the corrected canopy temperatures of the canopy with panicles were the same as those measured in the canopy without panicles. Such a correction is necessary to avoid an overestimate of the stress level and an underestimate of differences between treatments. Crops with non-transpiring and/or well-ventilated morphological structures above the foliage will require this correction if radiative canopy temperatures are to be used in irrigation management programs or stress detection studies.     

Effects of root-zone temperature and N,P, and K supplies on nutrient uptake of cucumber (Cucumis sativus L.) seedlings in hydroponics

The nutrient uptake and allocation of cucumber (Cucumis sativus L.) seedlings at different root-zone temperatures (RZT) and different concentrations of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) nutrients were examined. Plants were grown in a nutrient solution for 30?d at two root-zone temperatures (a diurnally ?uctuating ambient 10°C-RZT and a constant 20°C-RZT) with the aerial parts of the plants maintained at ambient temperature (10°C–30°C). Based on a Hoagland nutrient solution, seven N, P, and K nutrient concentrations were supplied to the plants at each RZT. Results showed that total plant and shoot dry weights under each nutrient treatment were significantly lower at low root-zone temperature (10°C-RZT) than at elevated root-zone temperature (20°C-RZT). But higher root dry weights were obtained at 10°C-RZT than those at 20°C-RZT. Total plant dry weights at both 10°C-RZT and 20°C-RZT were increased with increased solution N concentration, but showed different responses under P and K treatments. All estimated nutrient concentrations (N, P, and K) and uptake by the plant were obviously influenced by RZT. Low root temperature (10°C-RZT) caused a remarkable reduction in total N, P, and K uptake of shoots in all nutrient treatments, and more nutrients were accumulated in roots at 10°C-RZT than those at 20°C-RZT. N, P, and K uptakes and distribution ratios in shoots were both improved at elevated root-zone temperature (20°C-RZT). N supplies were favorable to P and K uptake at both 10°C-RZT and 20°C-RZT, with no significantly positive correlation between N and P, or N and K uptake. In conclusion, higher RZT was more beneficial to increase of plant biomass and mineral nutrient absorption than was increase of nutrient concentration. Among the three element nutrients, increasing N nutrient concentration in solution promoted better tolerance to low RZT in cucumber seedlings than increasing P and K. In addition, appropriately decreased P concentration favors plant growth.     

Responses of canopy and soil climate in a six year free-air CO2 enrichment study with spring crops

Besides increased growth, plants cultivated under elevated carbon dioxide (CO₂) show reduced transpiration and improved water use efficiency due to decreased stomatal conductances. While growth profits from the longer availability of soil water under CO₂ enrichment, increased canopy temperature may counteract these positive effects. Here we report on time series of soil temperatures and moistures from six years in which spring crops were cultivated in free-air CO₂ enrichment (Mini-FACE) experiments. Besides air and soil climate, temperature and relative humidity were determined in wheat canopies. Measurements rested on five replicates per treatment, representing a control (CON), an ambient air (AMB) and a FACE treatment. While the CON and AMB plots did not receive additional CO₂, concentrations were moderately elevated by 150 μl l^?1 in the FACE plots. Plant growth differed among years due to the different climate and duration of individual experiments. Total biomass production was increased in the FACE treatments but significant effects were found only in one out of six years. In most of the years, soil temperatures tended to be reduced and soil moistures remained higher under elevated CO₂. Because the observed differences recurred during the growing season, we conclude that CO₂ enrichment was responsible for changes of the soil microclimate. At the same time vapour pressure deficit in the canopy significantly differed between the treatments for some days. While canopy heating due to CO₂ enrichment occurred in the early growing season these effects disappeared later suggesting that the stronger increase in leaf area index in the FACE treatments mitigated heating effects over time. The results support the supposed effects of CO₂ enrichment on the canopy climate and indicate a ‘microclimatic paradox’ with higher soil water availability due to the reduced transpiration and stronger canopy heating in FACE plots at least early in the season.     

基于蜣螂算法优化BP的冬夏生菜根区温度预测模型

为解决生菜应用营养液膜技术（nutrient film technique,NFT）在冬夏季根区温度控制的问题,该研究基于机器学习方法,结合温室内外历史环境数据,构建BP神经网络根区温度预测模型。为提高模型精度,采用蜣螂算法（dung beetle optimizer, DBO）优化BP神经网络模型的输入权重和阈值,构建了冬夏两个季节的基于DBO-BP神经网络的栽培槽内根区温度预测模型,并与GA-BP、BP神经网络模型进行对比。结果表明,根区温度预测值与真实值变化趋势较为一致,DBO-BP模型温度预测最大误差为2.21 ℃,决定系数为0.943,而GA-BP与BP模型决定系数分别为0.928、0.892;DBO-BP模型评价指标的均方根误差、平均绝对误差分别为0.707、0.549 ℃,均小于其他模型评价指标;由此可知DBO-BP神经网络可满足在NFT栽培中根区温度预测精度的需求,能够为生菜栽培根区快速控温提供有效方法。     

不同灌溉方式对巨型塑料大棚环境因子的影响

为探讨灌溉方式对巨型塑料大棚环境因子的影响,采用膜下滴灌、膜下沟灌、裸露沟灌3种处理,研究了不同灌溉方式对棚内空气相对湿度、结露时间、土壤水分、棚内气温以及地温的综合效应。测试结果表明：与裸露沟灌相比,膜下沟灌、膜下滴灌均可降低棚内的相对湿度,其中膜下滴灌的降湿效果优于膜下沟灌;不同时刻、不同天气下的降湿效果不同,表现为白天的降湿效果优于夜晚,晴天的降湿效果好于阴天;膜下滴灌与膜下沟灌可以降低棚内的结露时间,提升棚内的气温与10cm地温,增加土壤含水量。