若尔盖高原高寒草甸地表能量交换和蒸散研究

若尔盖高原高寒草甸生态系统是青藏高原能量和水分循环的重要组成部分,但该地区地面水热通量观测数据非常缺乏。本研究基于涡动相关法,于2013年11月1日−2014年10月31日,利用三维超声风温仪和红外开路二氧化碳/水汽分析仪在若尔盖高原一典型高寒草甸开展周年通量观测,以揭示其地表能量交换和蒸散特征及影响因素。结果表明：高寒草甸地表能量通量各组分呈显著的日变化和季节变化特征,净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量的年均值分别为94.5、21.0、51.8和1.2Wm−2。非生长季感热稍占优势,生长季潜热占绝对主导地位,波文比全年平均值为0.70,能量平衡闭合率年平均值为0.77。辐射是感热通量的主要气象影响因子,潜热通量则受温度、辐射和饱和水汽压差共同影响。日蒸散量变化范围为0.12～5.09mmd−1,全年平均值为1.82mmd−1。非生长季蒸散主要受土壤表面导度因子控制,生长季则由辐射主导,土壤和植被表面导度因子为次要影响因素。在季节尺度上,蒸散的变化取决于降水分布,全年降水和蒸散量分别为682.7mm和673.6mm,其中生长季分别占全年总量的84%和82%。6−7月降水匮乏抑制了蒸散,此时土壤储水成为蒸散的主要水源,从全年看,降水基本都以蒸散的方式返回大气。与青藏高原上同类观测研究相比,地表能量通量和蒸散都有相似的季节变化趋势,但观测到的年平均波文比和年蒸散量最大,气温、降水、地表植被等因素的共同作用导致这一结果。研究数据可作为地面验证资料,用于若尔盖地区陆面模式参数化方案的优化和卫星遥感反演资料的校验。     

内蒙古典型草原土壤N2、N2O、NO和CO2排放的研究——土柱培养实验

为了进一步了解内蒙古典型草原生长季内主要温室气体氧化亚氮(N2O)、一氧化氮(NO)和二氧化碳(CO2)及反硝化终产物N2的排放。采用氦环境培养-气体同步直接测定法,在不同土壤温度(5℃和20℃)和不同土壤含氧量(10%和20%)条件下,关注不同放牧处理土壤N2、N2O、NO和CO2排放。结果显示:不同放牧处理土壤N2、N2O、NO和CO2排放速率分别为0.3~2.0μgN/(h.kg)、0.02~0.4μgN/(h.kg)、0.08~0.7μgN/(h.kg)和0.01~1.9 mg C/(h.kg),N2排放为N2O的8~17倍。由于较大的空间变异性,并未观测到不同放牧处理对土壤N2、N2O、NO和CO2排放的影响。土壤温度升高和湿度增加能促进N2、N2O、NO和CO2的排放,而土壤O2含量对其排放的影响不显著。     

模拟酸雨对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影响

为研究模拟酸雨对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影响,在农田进行随机区组试验,布设4个区组,每块区组随机设置4个模拟酸雨处理,分别为去离子水A1（pH=6.7）、A2（pH=4.0）、A3（pH=3.0）、A4（pH=2.0）。采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统对不同酸雨强度的冬小麦-大豆轮作农田进行土壤呼吸速率观测,并采用气压过程分离技术（BaPS）测定不同酸雨处理的土壤CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率。试验结果表明,冬小麦田各处理间土壤呼吸速率无显著差异（P〉0.05）;大豆田高强度模拟酸雨A4处理明显抑制了土壤呼吸作用（P〈0.05）。就冬小麦-大豆轮作生长季而言,各处理土壤呼吸速率无显著差异（P〉0.05）,其平均土壤呼吸速率分别为（2.26±0.11）、（2.31±0.20）、（1.91±0.09）、（2.03±0.17）μmol·m-2·s-1。冬小麦田A1、A3、A4处理间土壤CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率均无显著性差异（P〉0.05）。高强度模拟酸雨抑制了大豆田土壤CO2产生速率;大豆田A1、A3、A4处理的硝化速率测定均值分别为（191.6±36.1）、（261.6±36.3）μg·kg-1·h-1和（255.2±45.1）μg·kg-1·h-1,这3个处理的反硝化速率均值分别为（172.8±19.8）、（216.0±45.7）μg·kg-·1h-1和（216.3±44.6）μg·kg-·1h-1。研究表明,模拟酸雨强度升高未显著影响冬小麦田土壤呼吸、硝化和反硝化作用;高强度模拟酸雨（pH=2.0）降低了大豆田土壤呼吸速率和CO2产生速率,但对土壤硝化和反硝化作用有促进作用。     

1980-2010年中国和印度农田化肥氮源氧化亚氮排放的比较

采用排放因子方法估算了1980—2010年中国和印度小麦、玉米和水稻农田化肥氮源 N2O 直接排放量,并进一步分析了两国农田 N2O 排放的时间变化和空间差异。结果表明：中国1980—2010年小麦、玉米、水稻田的单位面积 N2O 直接排放量平均值分别为1.75、1.60、0.42 kg N2O-N·hm-2·a-1,分别为印度的1.3、2.4、2.0倍。中国小麦、玉米农田单位面积 N2O 排放量较高的地区主要集中在东南和南部,西部和北部排放较低,而印度小麦、玉米农田单位面积排放量高的区域则集中在东部及西南沿海。三十年间,中印两国三种作物 N2O 直接排放量平均值分别为98.6、47.8 Gg N2O-N。中国小麦和玉米田 N2O 排放量占三种作物排放总量的近90%,而印度农田 N2O 排放则主要来自小麦田,约占70%。两国三种作物 N2O 直接排放量随时间呈显著增加趋势,增加速率均表现为小麦田﹥玉米田﹥水稻田。中国三种作物 N2O 排放总量的年均增加速率为3.7%,低于印度的10.4%。虽然中国三种作物单位面积 N2O直接排放量和排放总量高于印度,但排放强度（单位产量的 N2O-N 排放量）及其增加速率均低于印度。     

氧气浓度对小麦-玉米轮作农田土壤剖面N2和N2O产生的影响

反硝化过程是集约化农田土壤剖面硝态氮(NO₃^--N)去除的重要途径。但对土壤剖面反硝化氮气(N₂)产生速率的准确定量很难,尤其不同深度的土壤氧气(O₂)浓度状况如何影响土壤N₂的产生仍不清楚。本研究依托集约化管理的冬小麦-夏玉米轮作田间长期定位试验(始于2006年),采集传统施肥处理0~2.5m剖面的原状土柱,并基于在玉米生长季田间原位观测的不同深度土壤O₂浓度和温度状况,设置不同O₂浓度水平(15.0%、12.0%、2.5%和0)和培养温度(26℃和20℃),采用氦培养-直接测定N₂法测定 3个不同深度(0~0.2、0.5~0.7m 和 2.0~2.2m)土壤N₂O和N₂产生速率。结果显示:无论是有氧还是无氧条件,土壤剖面N₂和N₂O 的产生均表现为表层高于深层;有氧条件下(2.5%~15.0% O₂)土壤N₂产生速率(以N计)为 5.3~7.1 μg·h^-1·kg^-1 (0.2m)和 0.5~2.3 μg·h^-1·kg^-1 (0.5m和2.0m),显著低于无氧下速率的93.0%~93.7%。同样地,有氧条件下N₂O产生速率(以N计)为1.1 μg·h^-1·kg^-1 (0.2m)和<0.2 μg·h^-1·kg^-1 (0.5m 和 2.0m),显著低于无氧条件下速率的 84.0%~99.1%。原位观测的土壤 O₂浓度>2.5%(0.2m和0.5m)和>14.0%(2m),表明在无氧条件下的观测会高估土壤真实条件下的N₂和N₂O产生速率。无氧显著增加深层土壤的N₂O/(N₂O+N₂)值,这可能是由于深层土壤的碳更加缺乏,不利于N₂O被进一步还原。基于有氧条件下观测的N₂和N₂O产生速率,估算得到玉米生长季(按120 d计)剖面0~2.0m土体的反硝化(N₂+N₂O)损失量可达219 kg·hm^-2,表明土壤对其剖面累积的NO₃^--N具有很强的脱氮能力,从而极大地减少了包气带累积NO₃^--N进一步向地下水迁移的风险。     

气相转化-化学发光法测定土壤中的亚硝态氮

试验探究了将亚硝态氮(NO_2~-)还原转化为一氧化氮(NO)气体与化学发光法检测NO相结合的方法(气相转化-化学发光法,简称NC法)对土壤NO_2~-含量测定的适用性。在室温条件下,采用浓度为50%的冰醋酸提供酸性条件,以抗坏血酸为还原剂,将NO_2~-还原为NO气体,生成的NO被高纯氮气载入化学发光法氮氧化物分析仪的NO检测通道,实时记录NO信号值并积分信号峰面积,通过已知NO_2~-浓度系列的标准曲线,确定样品中的NO_2~-浓度。结果显示:NO信号值的峰面积与样品的NO_2~-浓度显著正相关(P0.01),线性检测范围为2~500μg·L~(-1)(以纯N计,下同),检出限为2μg·L~(-1),对土壤NO_2~-浓度的检出限为10μg·kg-1(以水土比为5∶1计),优于比色法的检出限15μg·kg-1;重复测定10次50μg·L~(-1)标准溶液的峰面积变异系数为1.2%,精度为1.2μg·L~(-1)(95%置信区间),对应的土壤NO_2~-浓度检测精度为6μg·kg-1,优于比色法的检测精度11μg·kg-1;检测已知浓度NO_2~-的回收率为90%~97%。与比色法相比,NC法测定酸性土壤NO_2~-浓度的准确度相当,精度更优,但该方法测定碱性土壤NO_2~-浓度的结果偏高,可能是碱性土壤中大量的Ca~(2+)、SO_4~(2-)和CO_3~(2-)对测定有干扰,而且NC法测定NO_2~-浓度的分析时间较比色法长,单个样品需8~15 min。     

河北典型农田大气重金属干沉降通量及来源解析

重金属是影响农田土壤环境质量和农产品品质的主要污染物,大气沉降是农田重金属的来源之一。长期以来,由于观测资料缺乏,对于我国农业区大气重金属的沉降量和来源认识一直不清楚。本研究基于河北典型农田连续1年的外场观测,测试分析了大气气溶胶9个粒径段中25种金属元素的含量,结合干沉降阻抗模型估算了这些金属的干沉降量,并利用PMF模型对其来源进行了解析。结果表明,该区域25种金属元素在细粒子（D_P ≤ 2.1 μm,D_P为空气动力学直径,下同）、粗粒子（2.1<D_P ≤ 9 μm）和巨粒子（D_P>9 μm）中的质量浓度存在较大差异。重金属（如：Zn、Cd和Pb等）主要富集在细粒子,而地壳源的金属（如：Al、Fe和Th等）主要富集在粗粒子。大多数金属元素的浓度呈现冬春季高于夏秋季的变化特征。Cr是细粒子和粗粒子中质量浓度最高的重金属,其次为As、Zn、Pb、V和Sb。重金属中,Cr的大气干沉降量最高,达350.7 mg·m^-2·a^-1,其次是As、Sb和V,分别为153.4 mg·m^-2·a^-1、103.1 mg·m^-2·a^-1和102.3 mg·m^-2·a^-1。研究区域大气中金属元素的主要来源为道路扬尘、工业、矿尘、燃煤和机动车排放。巨粒子中的金属主要来自矿尘源（62.0%）,细粒子中的金属主要来自燃煤、机动车和工业源（67.7%）。颗粒物的粒径越小,人为排放源的贡献越大,重金属的污染风险（富集因子）也越高。农田重金属污染防治需要充分考虑大气沉降的输入及来源的变化。     

近二十年中国冬小麦收获指数时空格局

【目的】揭示近20年中国冬小麦收获指数的总体状况、时空格局和主要影响因子。【方法】利用冬小麦农业气象观测站观测资料,采用统计分析方法,计算中国冬小麦收获指数和相关统计参数;分析冬小麦主产省中时间序列完整(1982—2005年)站点收获指数的年际变化趋势,以及收获指数与产量构成因子、秸秆产量的相关关系。【结果】近20年来,中国冬小麦收获指数总体平均值为0.409(±0.069,n=1522);20世纪80年代为0.378(±0.061,n=428),90年代为0.408(±0.070,n=657),当前为0.440(±0.062,n=437);冬小麦主产省河南、河北和山东的收获指数平均值分别为0.408、0.417和0.410。1982—2005年间,上述冬小麦主产省收获指数在时间序列上显著增加,其中以河南(0.066/10a)最高,山东(0.044/10a)次之,河北(0.032/10a)最小。偏相关分析表明,收获指数与有效穗数、穗粒数和千粒重均呈极显著正相关,收获指数与秸秆产量的偏相关系数最大,与千粒重的相关系数最小,与有效穗数和穗粒数的相关系数介于两者中间,但具有区域差异。【结论】中国冬小麦收获指数表现出明显的时空变化特征。中国冬小麦收获指数增加的主要原因在于秸秆绝对产量的下降,千粒重增加对收获指数的贡献最小,有效穗数和穗粒数对收获指数的贡献介于前两者之间,其贡献率大小有区域差异性。     

模拟酸雨对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影响

为研究模拟酸雨对冬小麦-大豆轮作农田土壤呼吸、硝化和反硝化作用的影响,在农田进行随机区组试验,布设4个区组,每块区组随机设置4个模拟酸雨处理,分别为去离子水A1(pH=6.7)、A2(pH=4.0)、A3(pH=3.0)、A4(pH=2.0).采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统对不同酸雨强度的冬小麦-大豆轮作农田进行土壤呼吸速率观测,并采用气压过程分离技术( BaPS)测定不同酸雨处理的土壤CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率.试验结果表明,冬小麦田各处理间土壤呼吸速率无显著差异(P＞0.05);大豆田高强度模拟酸雨A4处理明显抑制了土壤呼吸作用(P＜0.05).就冬小麦-大豆轮作生长季而言,各处理土壤呼吸速率无显著差异(P＞0.05),其平均土壤呼吸速率分别为(2.26±0.11)、(2.31±0.20)、(1.91±0.09)、( 2.03±0.17) μmol·m-2·s-1.冬小麦田A1、A3、A4处理间土壤CO2产生速率、硝化速率和反硝化速率均无显著性差异(P＞0.05).高强度模拟酸雨抑制了大豆田土壤CO2产生速率;大豆田A1、A3、A4处理的硝化速率测定均值分别为(191.6±36.1)、(261.6±36.3)μg·kg-1·h-1和(255.2±45.1)μg·kg-1·h-1,这3个处理的反硝化速率均值分别为(172.8±19.8)、(216.0±45.7)μg·kg-1·h-1和(216.3±44.6)μg·kg-1·h-1.研究表明,模拟酸雨强度升高未显著影响冬小麦田土壤呼吸、硝化和反硝化作用;高强度模拟酸雨(pH=2.0)降低了大豆田土壤呼吸速率和CO2产生速率,但对土壤硝化和反硝化作用有促进作用.     

东北黑土中CO_2和CH_4的排放量

采用田间实验方法,研究了东北黑土中CO2和CH4的排放规律.田间测定结果表明,在东北黑土中有较大的CO2排放量,而且不同作物系统间的排放量有显著差异(P<0.05).玉米在整个生长期土壤CO2排放总量为5 258.1～6025.3kg@hm-2,大豆整个生长期排放总量为6 513.1～7 484.7kg@hm-2,土壤是大气中CO2的主要源之一.作物-土壤系统中CO2排放通量与气温有显著的正相关关系(P<0.05),与土壤水分之间无明显的相关性.CO2主要排放期出现在温度较高的6-8月份,温度是该地区CO2排放的主要限制因子.土壤-旱作系统中也产生CH4排放,不同作物系统中的排放量有显著差异(P<0.05),玉米地和大豆地中CH4的排放总量分别为1.13～2.14 kg@hm-2和0.62～0.71kg@hm-2,总排放量不大,农田旱作系统可能不是甲烷的主要源.CH4的排放通量与温度和水分无明显的相关性.