Determination of critical nitrogen dilution curve based on leaf area index for winter wheat in the Guanzhong Plain,Northwest China

Excessive use of nitrogen(N) fertilizers in agricultural systems increases the cost of production and risk of environmental pollution. Therefore, determination of optimum N requirements for plant growth is necessary. Previous studies mostly established critical N dilution curves based on aboveground dry matter(DM) or leaf dry matter(LDM) and stem dry matter(SDM), to diagnose the N nutrition status of the whole plant. As these methods are time consuming, we investigated the more rapidly determined leaf area index(LAI) method to establish the critical nitrogen(N_c) dilution curve, and the curve was used to diagnose plant N status for winter wheat in Guanzhong Plain in Northwest China. Field experiments were conducted using four N fertilization levels(0, 105, 210 and 315 kg ha-1) applied to six wheat cultivars in the 2013–2014 and 2014–2015 growing seasons. LAI, DM, plant N concentration(PNC) and grain yield were determined. Data points from four cultivars were used for establishing the N_c curve and data points from the remaining two cultivars were used for validating the curve. The N_c dilution curve was validated for N-limiting and non-N-limiting growth conditions and there was good agreement between estimated and observed values. The N nutrition index(NNI) ranged from 0.41 to 1.25 and the accumulated plant N deficit(N_(and)) ranged from 60.38 to –17.92 kg ha~(-1) during the growing season. The relative grain yield was significantly affected by NNI and was adequately described with a parabolic function. The N_c curve based on LAI can be adopted as an alternative and more rapid approach to diagnose plant N status to support N fertilization decisions during the vegetative growth of winter wheat in Guanzhong Plain in Northwest China.     

黄河未来输沙量态势及其适用性对策

[目的] 探索黄河输沙预测的新思路，预估黄河未来输沙态势与输沙量水平，为黄河流域生态治理规划提供参考。[方法] 结合黄河流域水土保持生态修复现状，采用单累积曲线法、滑动平均及频率分析方法，分析1950—2019年黄河主要来沙区间的实测输沙量变化特征及其未来态势。[结果] 1950—2019年黄河输沙量呈现阶梯式减少。1950—2019年黄河中游各站累积实测输沙量随时间的变化可用“左半抛物线”表征。黄河输沙量自1997年以来已进入相对稳定态势，目前已达企稳状态；黄河潼关站未来年输沙量在90%频率下为1.00×10⁸ t左右，在10%频率下为5.00×10⁸ t左右，未来多年平均输沙量为1.40×10⁸ t。[结论] 为了维持黄河输沙量低稳状态，提升水土保持措施质量与标准，补齐“后水土保持”短板，构建完善的水沙关系调控体系，维持黄河下游河道冲淤平衡，是黄河流域生态保护与高质量发展的保障。     

宁南山区经济林降雨集流机理试验研究

[目的]探究宁夏回族自治区固原市原州区彭堡镇红梅杏经济林降雨集流渗灌系统的雨水收集能力,明确当地红梅杏经济林降雨分配特征,为降雨集流的定量研究和该地区集雨农业的发展提供科学依据。[方法]以当地红梅杏为研究对象,采用对比观测的方法,以天然降雨和人工模拟降雨相结合的方式,对红梅杏降雨集流过程进行观测与模拟。[结果] 2019年7—9月在彭堡红梅杏基地观测到的总计19场降雨数据,天然降雨中5 mm以下的降雨次数占到天然降雨总次数的83.3%,天然降雨与人工模拟降雨的相似系数为0.91,总体的集流率为61.29%,渗灌系统截留率为27.12%,林冠截留率为11.95%。[结论]试验地小降雨频率大,两种降雨方式具有较高相似性,降雨集流渗灌系统集流效率高,渗灌系统的集流量与降雨量成线性关系(R~2=0.995 5),集流率与降雨量成对数关系(R~2=0.693 9)。     

基于USLE模型的长株潭城市群生态绿心区水土流失研究

[目的]研究2018年长株潭(长沙市—株州市—湘潭市)城市群生态绿心区最佳植被覆盖和水土流失状况,为区域综合治理提供理论依据。[方法]运用GIS和RS技术,以长株潭区域降雨、土壤、地形、土地利用等数据为基础,采用归一化植被指数(NDVI)模型和USLE国际通用土壤流失方程为优选模型。[结果]长株潭绿心区总面积为52 287 hm~2,整体植被状况较好,高覆盖度(75%～100%)面积最大,占绿心区总面积一半以上,为26 598.40 hm~2;中低覆盖度(30%～40%)面积最小,占区域总面积的8.61%,为4 501.91 hm~2。长株潭城市群生态绿心区总侵蚀(不含微度)面积为3 654.24 hm~2,占总面积的6.99%。湘潭市侵蚀比重最高,为8.51%,长沙市次之,为6.67%,株洲市侵蚀总比例最小,为5.68%。工程建设用地在禁止开发区、限制开发区和控制建设区的侵蚀面积分别为963.92,310.74,735.11 hm~2。[结论]受人为因素、城市建设、产业分布等影响,长株潭城市群生态绿心区覆盖度空间呈现西部低,中东部高的格局,工程建设是造成绿心区土壤侵蚀的主要原因。     

Integrated rice management simultaneously improves rice yield and nitrogen use efficiency in various paddy fields

The hilly area of Southwest China is a typical rice production area which is limited by seasonal droughts and low temperature in the early rice growth period. A field experiment was conducted on three typical paddy fields (low-lying paddy field, medium-elevation paddy field, and upland paddy field) in this region. Nitrogen (N) treatment (180 kg N ha^-1 year^-1) was compared to a control treatment (0 kg N ha^-1 year^-1) to evaluate the effects of integrated rice management (IRM) on rice growth, grain yield, and N utilization. Integrated rice management integrated raised beds containing plastic mulch, furrow irrigation, and triangular transplanting. In comparison to traditional rice management (TRM), IRM promoted rice tiller development, with 7-13 more tillers per cluster at the maximum tillering stage and 1-6 more tillers per cluster at the end of tillering stage. Integrated rice management significantly increased the rice aboveground biomass by 34.4%-109.0% in different growth periods and the aboveground N uptake by 25.3%-159.0%. Number of productive tillers significantly increased by 33.0%, resulting in a 33.0% increase in grain yield and 8.0% improvement of N use efficiency (NUE). Grain yields were significantly increased in all three paddy fields assessed, with IRM being the most important factor for grain yield and productive tiller development. Effects of paddy field type and N level on N uptake by aboveground plants were reflected in the rice reproductive growth period, with the effects of IRM more striking due to the dry climate conditions. In conclusion, IRM simultaneously improved rice yield and NUE, presenting a valuable rice management technique in the paddy fields assessed.     

基于迁移学习的棉花叶部病虫害图像识别

针对传统图像识别方法准确率低、手工提取特征等问题,该研究以棉花叶部病虫害图像为研究对象,利用迁移学习算法并辅以数据增强技术,实现棉花叶部病虫害图像准确分类。首先改进AlexNet模型,利用PlantVillage大数据集训练取得预训练模型,在预训练模型上使用棉花病虫害数据微调参数,得到平均测试准确率为93.50%;然后使用数据增强技术扩充原始数据集,在预训练模型上再训练,得到最终平均测试准确率为97.16%。相同试验条件下,该研究方法较支持向量机(Support Vector Machine,SVM)和BP(Back Propagation,BP)神经网络以及深度卷积模型(VGG-19和GoogLeNet Inception v2)分类效果更好。试验结果表明,通过迁移学习能把从源领域(PlantVillage数据集)学习到的知识迁移到目标领域(棉花病虫害数据集),数据增强技术能有效缓解过拟合。该研究为农作物病虫害识别技术的发展提供了参考。     

冀北坝上地区3种人工灌木林地防风蚀效果的比较

选取冀北坝上地区防风固沙林为研究对象,通过观测风速、地表粗糙度、临界起沙风速、输沙量、风沙流结构等指标,对比分析3种人工灌木林地(沙棘林地、柠条林地、沙柳林地)防风蚀效果。结果表明:人工植被能够增加地表粗糙度,改变近地表风场和风沙流结构,降低风速,减少输沙量,有效防治土壤风蚀。不同人工灌木林地防风蚀效果存在较大差异。从主要观测指标来看,粗糙度和临界起沙风速为柠条林地>沙棘林地>沙柳林地;输沙量为柠条林地<沙棘林地<沙柳林地;防风效应为沙棘林地>沙柳林地>柠条林地;固沙效应为柠条林地>沙棘林地>沙柳林地。冀北坝上地区应充分发挥林木防风固沙、保持水土的特性,采用生物治沙技术与措施,合理配置人工植被开展生态建设,防治土壤风蚀,改善生态环境。     

不同有机肥对采煤塌陷区土壤氮素矿化动态特征研究

为揭示不同有机肥对煤矿复垦土壤氮素矿化特性的影响,以山西省孝义市水峪煤矿采煤塌陷复垦土壤为研究对象,采用室内好气培养法,研究在40%含水量和30℃培养条件下,施用3种有机肥(鸡粪、猪粪、牛粪)后在0~161天的氮素矿化动态特征,以明确不同有机肥对该矿区复垦土壤氮素矿化特征,从而预估不同有机肥的供氮特性,为合理施用有机肥进行低产农田的培肥改造提供科学依据。结果表明:(1)各处理0~14天铵态氮含量均随培养时间的延长迅速下降,与培养时间呈极显著负相关关系(P<0.01),14~161天土壤铵态氮含量维持在较低水平,培养结束时,各处理铵态氮含量均低于1.31mg/kg。(2)各处理土壤硝态氮含量、累积量及矿质氮累积量变化均呈近似的“S”形曲线递增,表现为0~56天缓慢增加,56~84天迅速增加,84天至培养结束(161天)其含量基本不变。培养结束时不同处理间硝态氮含量、累积量及矿质氮累积量整体上均表现为鸡粪>猪粪>牛粪>空白,且鸡粪较猪粪和牛粪处理间存在显著差异,猪粪和牛粪较空白处理间存在显著差异(P<0.05)。(3)不同施肥处理出现氮素净矿化的时间点不同,其中鸡粪处理在第14天时最早出现净矿化现象,而猪粪和牛粪在培养28天后才出现明显的氮素净矿化。(4)不同施肥处理在培养的不同阶段硝态氮和矿质氮累积速率不同,但整体趋势一致,表现为培养0~84天各处理土壤累积矿化波动较大,56~84天达到峰值,培养84~161天各处理矿化速率平稳下降。总体来看,有机肥的施入能有效促进煤矿复垦土壤氮素矿化,从而提高土壤氮素有效性。其中,施鸡粪较猪粪和牛粪对提高矿区复垦土壤有效氮效果更好。4种处理的氮素矿化效果总体表现为鸡粪>猪粪>牛粪>空白。     

昕水河流域径流变化及其对气候和人类活动的响应

开展流域尺度气候变化和人类活动对径流的影响研究是科学制定流域综合管理规划,并实现流域可持续管理的基础。以黄土高原丘陵沟壑区的典型流域——昕水河流域为研究对象,结合流域多年(1958—2015年)气象水文数据,采用M-K趋势检验法分析年降水、年潜在蒸发散和年径流量的变化趋势,运用双累积曲线法分析年径流量序列的突变年份,并根据生态水文分析法与水量平衡原理定量解析流域尺度气候变化和人类活动对年径流的影响。结果表明:1958-2015年,流域年径流量变化呈显著下降趋势(Z=-5.84,p<0.0001),而降水(Z=-0.72,p=0.31)和潜在蒸散发(Z=-0.5,p=0.88)变化趋势不显著。双累积曲线法表明径流量突变点为1974年和2000年,其中,1975—2000年间影响径流减少的主要因素是气候变化,气候变化导致径流量减少的贡献率为73.14%,土地利用方式仅为26.86%;而2001—2015年土地利用变化是影响径流减少的主要原因,其贡献率高达103.81%,可见土地利用变化已成为昕水河流域径流量变化的主要驱动因素。在今后的流域治理中,需合理制定土地利用方案,实现昕水河流域水土资源协调发展。     

林地开垦对黄土区坡面土壤养分空间分布的影响

研究黄土高原侵蚀环境下林地开垦后坡面土壤养分空间分布状况,确立林地开垦后侵蚀驱动的坡地土壤养分空间变异特征。以黄土高原丘陵区子午岭林地和开垦28年的侵蚀坡面为研究对象,分析土壤主要性质和养分含量的变化情况,运用经典统计学和地统计法分析坡面土壤基本性质和养分空间分布规律。林地开垦后坡面土壤pH增加了0.24个单位,有机质、全氮、全磷和铵态氮、硝态氮、速效磷和速效钾分别降低了13.77,1.14,0.10 g/kg和6.05,1.63,4.99,58.44 mg/kg。林地的土壤有机质、全氮和全磷的变异系数大于开垦地,而pH和各速效养分的变异系数小于开垦地。开垦后中坡位和下坡位养分含量减少幅度较大,上坡位减少幅度较小。林地和开垦地的土壤各指标都呈中等或强烈的空间自相关。林地开垦增强了有机质、全氮、全磷、铵态氮、速效磷和速效钾的空间异质性,但减小了pH的空间异质性,地形等结构性因子主导了土壤养分空间异质性的形成。林地开垦后,pH、有机质、全氮和全磷变程增大,铵态氮、硝态氮和速效钾变程减小,速效磷在2个坡面上的变化趋势不一致。研究结果表明林地开垦极大地减少了坡面土壤养分含量,但减少幅度与坡位和坡面形态有关。同时,开垦增大了坡面土壤有机质、全氮和全磷的空间依赖性,减小了速效养分的空间依赖性。