水稻低碳生产研究进展

 稻田是甲烷(methane,CH4)和氧化亚氮(nitrous oxide,N2O)的重要发生源。稻田中CH4和N2O的产生、消耗以及传输过程受稻田土壤类型、水分条件、肥料种类、施肥量及方法、耕作模式和制度、水稻品种等多种因素影响。CH4和N2O具有不同的排放特性,很多研究结果表明,水稻生长期间的中期排水烤田、后期干湿交替能显著降低CH4排放量,但同时也可能促进N2O的排放,因此,如何同时减少CH4和N2O的排放量是实现稻田低碳生产的关键要素;另一方面,稻田土壤的碳固定也是使稻田系统从源转变成汇的关键技术。从水稻生产过程中CH4排放、N2O排放、稻田土壤有机碳动态、减排措施四个方面综述了近年来水稻低碳生产相关研究状况,重点总结了国内外有关影响稻田CH4和N2O排放的关键影响因素、增加稻田土壤有机质含量的主要措施以及各种减排措施的全球增温潜势评价研究,并对水稻低碳生产研究作了展望。     

不同缓控释氮肥对高羊茅草坪生长及氮素挥发的影响

 通过田间试验,研究了氮释放期为３０和６０ｄ的树脂包膜尿素（ＰＣＵ３０、ＰＣＵ６０）,硫包衣尿素（ＳＣＵ）,抑制剂型缓释尿素（ＵＩ）和普通尿素（Ｕ）对高羊茅草坪生长、氮素吸收及氮素挥发的影响。结果表明,在全年施氮量２６０ｋｇ／ｈｍ^２ 的情况下,ＰＣＵ３０、ＰＣＵ６０和ＳＣＵ 一年分春秋２次施用可以满足高羊茅草坪正常生长需要,其草屑累积量和氮素吸收量显著高于普通尿素一年４ 次施用处理;氮素气态损失方面,ＵＩ处理的氨挥发损失氮量高达４４．４２ｋｇ／ｈｍ^２,显著高于其他施氮处理,其Ｎ_２Ｏ 排放氮量为６．４６ｋｇ／ｈｍ^２,显著低于其他施氮处理;ＰＣＵ３０、ＰＣＵ６０、ＳＣＵ 处理的氨挥发量和Ｎ_２Ｏ 排放氮量分别为１７．６７,１３．５９,１８．５４ｋｇ／ｈｍ^２ 和８．１４,６．９２ ,９．９１ｋｇ／ｈｍ^２,显著低于Ｕ处 理。综合考虑各种因素,建议高羊茅草坪一年分春秋２次施用树脂包膜尿素ＰＣＵ６０较为适宜,可有效提高肥料利用率、降低氮素挥发损失,环境效益明显。     

大气干湿沉降向城市系统输入重金属元素通量特征研究——以沈阳市为例

[目的]探讨大气干湿沉降向城市系统输入重金属元素通量特征.[方法]根据沈阳市不同行政区采样点重金属元素沉降通量,分析沈阳市不同行政区重金属大气干湿沉降污染的空间分布特征.[结果]在不同的采样点,大气干湿沉降中元素的年沉降通量差异较大,但其在沈阳市不同行政区分布规律大致相同.Cd、Pb、Hg的年沉降通量在各地区的分布分别表现为：铁西区＞皇姑区＞沈河区＞和平区＞大东区＞东陵（浑南）区＞于洪区,铁西区＞沈河区＞皇姑区＞和平区＞东陵区＞于洪区＞大东区＞浑南区,铁西区＞沈河区＞皇姑区＞和平区＞大东（东陵）区＞于洪（浑南）区.大气降尘污染的空间分布与污染源地域分布具有一致性,即工业区＞商业区或交通区＞文化区＞居民区＞郊区.[结论]该研究为大气干湿沉降污染的控制与治理提供了理论参考.     

基于XGBoost-ANN的城市绿地净碳交换模拟与特征响应

为分析城市绿地净生态系统碳交换(Net ecosystem exchange,NEE)对环境因子的响应,利用涡度相关法测量了2013—2016年生长季白天的NEE数据,使用XGBoost以及ANN模型对NEE进行模拟和分析,并通过决定系数(R~2)、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和一致性系数(IA) 4个指标评价模拟精度。结果表明,当输入因子为光合有效辐射(PAR)、饱和水汽压差(VPD)、空气温度(Ta)、相对湿度(RH)、土壤温度(Ts)、风速(WS)、10 cm处土壤含水率(VWC10)时,模拟效果达到最优。其训练集精度R~2为0. 712,RMSE为4. 394μmol/(m~2·s),MAE为3. 129μmol/(m~2·s),IA为0. 911;测试集精度R~2为0. 748,RMSE为4. 253μmol/(m~2·s),MAE为2. 971μmol/(m~2·s),IA为0. 920。在考虑因子间相互作用后,环境因子对NEE的重要性排序从大到小依次为PAR、VPD、Ta、RH、Ts、WS、VWC10;就单环境因子而言,对NEE的重要性由大到小依次为Ta、Ts、RH。通过计算生态系统净生产力(Net ecosystem productivity,NEP,即-NEE)对主要环境因子(PAR、VPD、Ta)的偏导数可知,生态系统光合作用表观量子效率最大值为0. 087,并且当PAR大于1 200μmol/(m~2·s)时,其不再是影响光合作用的主要因素; VPD偏导数的变化趋势表明,VPD对植物光合作用的影响以抑制性为主,当VPD过大时,偏导数趋近于0,此时植物叶片气孔闭合,抑制光合作用; Ta偏导数的变化趋势说明,随着温度的升高,光合作用速率逐渐大于呼吸作用的速率。研究表明,基于XGBoost与ANN模型能够更为精确地模拟NEE动态,在相关环境因子中,PAR、VPD、Ta是影响NEE变化的主导因子,NEE对主要影响因子的生态特征响应趋势可为理解碳循环关键过程提供参考。     

基于数值方法的农田土壤零通量面的模拟

零通量面能够反映土壤水分运动情况,定量计算土壤水分的入渗和蒸散量。采用Richards方程描述了降雨和蒸发边界条件下的一维土壤水分运移,通过土壤传递函数估算得到Van-Genuchten水分特征曲线参数,借助参数化Hydrus-1D模型计算得到一维土壤空间不同层的土壤含水量和基质势的数值解,并采用田间实测数据对数值解进行了验证,根据不同层的水势梯度和水流通量的值判断零通量面出现位置以及零通量面类型,最后分别设置5个不同的降雨和蒸发强度,模拟分析了土壤零通量面的空间位置和类型。研究结果表明:(1)采用Hydrus-1D可以准确模拟降雨和蒸发条件下的一维土壤水分运移;(2)在降雨和入渗条件下,零通量面位置随之降低;(3)蒸发强度增加时,零通量面上部土水势降低,土壤吸力增大,使其位置上升。结果证明该方法可行,能够模拟零通量面的动态变化。     

不同有机肥与化肥配施对作物产量及农田氮肥气态损失的影响

【目的】探讨本地区主要类型有机肥与化肥配施对作物产量及农田氮肥气态损失的影响,为不同类型有机肥的科学施用提供理论依据。【方法】2014年10月—2015年9月在山东省中国农业科学院禹城试验基地进行了冬小麦–夏玉米田间小区试验,供试小麦品种为‘济麦22’,玉米品种为‘郑单958’。在常规施氮量 (N 225 kg/季) 基础上,设化肥 (CF)、鸡粪 (CHM)、猪粪 (PM) 和牛粪 (CM) 单施以及化肥分别与3种有机肥配施处理 (化肥氮分别占25%、50%、75%),13个处理;加倍施氮量下,有机肥和化肥单施 (DCF、DCHM、CPM、DCM) 4个处理;1个不施肥处理 (CK),共计18个处理。测定了小麦和玉米产量、N₂O排放通量和NH₃挥发通量。【结果】常规施氮量 (N 225 kg/hm2) 下,单施鸡粪或猪粪的小麦、玉米产量与化肥相当,单施牛粪比化肥处理减产。分别与CF、CHM、PM、CM相比,DCF、DCHM、DPM处理无增产效果,DCM处理玉米表现为增产。猪粪和鸡粪与化肥各配施比例处理的小麦、玉米产量间无显著差异,且均与单施化肥处理相当;牛粪与化肥配施处理的小麦产量随化肥配施比例的提高而提高,玉米产量各配施比例处理间无显著差异。CF处理周年NH₃挥发量为39.63 kg/hm2,是单施有机肥处理的37～53倍;单施化肥处理的NH₃排放系数接近9%左右,单施有机肥处理的NH₃排放系数只有0.2%左右。有机肥与化肥配施的处理周年NH₃挥发总量随化肥配施比例增加而明显增加,当化肥配施比例达到75%时,周年NH₃挥发总量与单施化肥处理相当。CF处理的周年N₂O排放总量为2.85 kg/hm2,高于单施有机肥处理,三种有机肥N₂O周年排放量由大到小依次为猪粪 (2.51 kg/hm2)>鸡粪 (1.91 kg/hm2)>牛粪 (1.85 kg/hm2) 处理;加倍施用化肥和有机肥的N₂O排放量平均为常规施氮量的1.5倍以上。有机肥与化肥配施的处理周年N₂O排放总量随化肥配施比例增加而明显增加,当化肥配施比例达到50%时,周年N₂O排放总量达到或超过了单施化肥处理。CF处理N₂O排放系数为0.4%左右,有机肥处理N₂O排放系数为0.3%左右。有机肥处理的NH₃挥发和N₂O排放主要发生在小麦季,化肥处理主要发生在玉米季。加倍施肥均会明显增加NH₃挥发总量和N₂O排放总量,但不影响二者的排放系数。【结论】不同粪肥与化肥配施对作物产量、田间N₂O排放和NH₃挥发的影响有明显差异。推荐施肥量下,鸡粪或猪粪不配施或配施少量化肥 (< 50%) ,牛粪配施75%左右的化肥可实现与化肥相当的作物产量,同时减少农田氮肥气态损失。     

农田-防护林-荒漠复合系统土壤水盐运移规律及耦合模型建立

为探讨节水灌溉条件下干旱内陆区不同景观单元土壤水盐动态规律及水盐通量变化特征,以新疆三工河流域绿洲-荒漠过渡带典型景观格局农田-防护林-荒漠为研究对象,利用2018年4月—9月连续定位观测数据资料,分析各景观单元作物生育期(4月1日—6月28日)和非生育期(6月29日—9月15日)土壤水盐动态规律及其变异性、土壤水盐通量变化特征及影响因素,构建农田-防护林-荒漠复合系统BP神经网络土壤水盐耦合模型,并对所建模型参数敏感性及应用可行性进行探讨。结果表明,各景观单元作物生育期和非生育期土壤含水率、电导率均具有较明显的垂直分层、水平递变和季节波动特征;按变异性可划分为3个典型土层:活跃层(0～40 cm)、次活跃层(40～140 cm)和相对稳定层(140cm);距防护林越近,农田土壤含水率和电导率分别呈降低和升高趋势,荒漠均呈升高趋势;单次降水和灌溉事件后各景观单元各典型土层土壤含水率和电导率随时间分别均呈负指数函数和三次函数变化趋势。土壤控制体(单位面积深140 cm土柱)内,生育期农田和防护林均为向下水分通量,非生育期均为向上水分通量,荒漠两时期均为向下水分通量;农田和防护林土壤贮水量与土壤积盐量随地下水位下降、蒸散发量增大均呈递减趋势;荒漠土壤水盐通量对各因素及其交互效应响应较微弱;生育期最后1次充分灌溉的淋洗作用可使该系统土壤积盐量趋于平衡状态。拓扑结构为32-36-6的BP神经网络土壤水盐耦合模型具有较高的模拟精度;灌溉和地下水位是影响该系统土壤水盐动态的关键因素。研究结果可为节水灌溉条件下绿洲-荒漠共生系统寻求生产和生态之间的平衡机制提供理论依据。     

开路与闭路涡度相关系统对森林生态系统甲烷通量观测的比较

作为涡度相关技术观测的两种主要技术手段,开路（OPEC）和闭路（CPEC）两种涡度相关系统在观测森林生态系统CH4通量过程中存在较大的不确定性,本研究利用OPEC和CPEC两种涡度相关系统,对黄河小浪底人工混交林CH4通量进行连续观测,选取生长旺季2016年7月24日-8月5日连续14d数据,对比两种观测系统的功率谱和协谱,估算闭路涡度相关系统的延迟时间,并分析其在连续晴天和连续雨天的通量观测结果。结果表明：CPEC系统的功率谱和协谱在所有频率上与OPEC系统基本一致,在惯性副区功率谱符合-5/3相似规律,协谱符合-4/3相似规律;以OPEC系统为“准”标准,CPEC系统观测CH4通量的延迟时间合适流速范围内的5个不同流速（40、37.5、35.5、33.5、31.5L·min-1）分别为4.6、7.7、5.3、10.8和14.3s,平均延迟时间为8～9s;与OPEC观测系统测定的CH4通量相比,CPEC系统观测结果晴天偏低12%;雨天高出32%。OPEC观测系统适用于晴天CH4通量观测。经校正,消除延迟影响后的CPEC观测系统可用于测定雨天CH4通量,以弥补OPEC观测系统缺测的值。两种系统并行观测、相互弥补,可望获得更完整、更高质量的CH4通量数据。     

冬小麦农田二氧化碳通量及其影响因素分析

以冬小麦农田为研究对象,利用涡度相关通量测量系统,测定了CO2通量及其影响因素。结果表明:冬小麦CO2通量存在明显的日、季变化,各生育时期CO2通量日变化均呈倒"U"型,CO2通量瞬时最高值和累积值在灌浆前期达到最大,抽穗期次之,返青期最低。潜热通量、显热通量、净辐射、光合有效辐射均与CO2通量呈极显著正相关。潜热通量与CO2通量的相关系数在0.920～0.955之间,苗期、拔节期和抽穗期相关性较高,灌浆期较低;显热通量与CO2通量的相关系数在0.801～0.953之间,拔节期相关性最高,苗期次之,抽穗期和灌浆期较低;净辐射与CO2通量的相关系数在0.879～0.967之间,苗期、拔节期和抽穗期较高,灌浆期较低;光合有效辐射与CO2通量的相关系数在0.910～0.953之间,冬小麦生育前期和后期光合有效辐射对CO2通量的影响小于生育中期。灌溉在一定程度上可以提高CO2通量。     

不同农业措施下冬小麦田N2O排放通量的特征

利用静态自动箱连续观测系统对冬小麦农田翻耕（对照）、秸秆覆盖、免耕、秸秆深施和有机肥5种农业措施条件下N2O排放通量进行了监测。结果表明,各处理中N2O高排放通量均在12：00—17：00,低排放通量在0：00—3：00;冬小麦孕穗期N2O排放通量与气温和土壤5cm处温度显著相关;拔节期的水肥同期会导致15～20d的N2O排放高峰。不同农业措施N2O排放量大小顺序是有机肥〉免耕〉秸秆覆盖、秸秆深施和对照,差异极显著,而秸秆覆盖、秸秆深施和对照三种措施之间N2O排放量差异不明显。研究结果对估算不同农业措施下冬小麦田N。O的排放量有一定的参考价值。