日本环境保全型耕地农业系统对中国耕地保护的启示

为解决中国农业长期粗放经营问题,研究中国耕地与生态文明协同保护体系,采用文献研究法和归纳演绎法,分析东亚地区代表国家环境保全型农业下的耕地农业协同体系。研究表明,日本的耕地农业环境保护支付制度、生态补偿市场认证体系、耕地农业法律制度保障,是建立在生态补偿原则上,经过实践检验行之有效的,能够提升市场参与度及农民自主性投入的耕地生态协同保护措施。中国在推广耕地合理利用实践方面做出了不懈努力,但是在建立耕地生态协同保护的休耕制度、因地制宜建立生态补偿体系、加快推进耕地生态协同保护专项基金的设立等方面还需进一步坚持和完善。     

佳芦河流域水土保持监测及土壤侵蚀评价

以佳芦河流域分辨率为0.38 m的航摄影像和5 m的DEM等为信息源,基于ArcGIS平台,获取了流域水土保持措施、土地利用、植被覆盖度、坡度、沟壑烈度等土壤侵蚀影响因子,依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007),对各因子进行叠加分析,对水蚀、风蚀区等不同侵蚀类型的土壤侵蚀强度进行了分析评价。结果表明,截至2012年9月,佳芦河流域有水土流失面积1068.89 km 2,占流域面积的94.26%,其中轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别为118.69、206.35、126.29、75.08、542.48 km 2;强烈及以上侵蚀面积占到水土流失面积的69.59%,其中强烈和极强烈侵蚀多发生在风蚀区,而剧烈侵蚀主要发生在水蚀区的沟道中。     

辽西北沙地苹果-花生间作系统土壤养分空间分布特征及间作效应

[目的] 研究辽西北沙地农林复合系统土壤养分的空间分布及其效应，从土壤养分角度探讨果农间作系统中果树和农作物对土壤养分的相互作用关系，为该区农林复合系统的可持续经营提供科学合理的依据。[方法] 以苹果与花生间作、花生单作、苹果单作为研究对象，对0-60 cm土层深度，0-300 cm水平距离范围内土壤养分含量进行测定和分析。[结果] 沙地间作系统中土壤有机质、速效钾极缺乏，全氮、碱解氮很缺乏，全磷缺乏，有效磷含量中等；间作系统在水平方向上，苹果树和花生植株对总养分有机质、氮、磷的竞争激烈位点位于果树带区，对有效养分氮、磷、钾的竞争激烈位点位于近果树作物区；在垂直方向上，各养分总体表现出了表聚性，间作系统对有机质、有效磷的竞争主要位于深土层，对全磷、速效钾的竞争主要位于表土层，对全氮、碱解氮表现为合作效应，表土层效应更高；与苹果单作、花生单作相比较，间作系统速效钾和有效磷含量呈现负效应。[结论] 沙地苹果-花生间作系统土壤养分贫瘠，应在果树带区施用有机肥、磷肥，作物区施入钾肥，以减轻养分竞争，提高养分效应。     

镉和模拟酸雨胁迫对苦楝幼苗镉含量及叶片抗氧化系统的影响

为探讨苦楝在重金属Cd和酸雨的单一及复合胁迫下的生理响应特征,采用人工配置土壤盆栽试验,研究不同浓度Cd(0、30、60、90、120、150、180 mg·kg^-1)和3个梯度模拟酸雨(pH值5.6、4.5、3.5)单一及复合处理对苦楝幼苗生物量、Cd含量及叶片保护性酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)]活性和抗坏血酸-谷胱甘肽循环(AsA-GSH)的影响。结果表明,除低浓度Cd(≤30 mg·kg^-1)单一及其与pH值4.5酸雨复合处理对幼苗地上部、地下部生物量有促进作用外,其他处理均表现出抑制作用,其中复合处理对苦楝幼苗的抑制作用更明显,表现为叠加效应;单一Cd处理时,随着Cd浓度的增加,幼苗根、茎、叶中Cd含量逐渐升高,且根系大于茎叶,复合处理抑制了植物对Cd的积累,对叶片的抑制作用最强;Cd和酸雨单一及复合处理下叶片SOD、CAT和POD活性均有所增加,分别在60 mg·kg^-1 Cd、pH值5.6,60 mg·kg^-1 Cd、pH值4.5和90 mg·kg^-1Cd、pH值4.5时出现阈值;在AsA-GSH循环中,单一Cd处理下,AsA、GSH含量和抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性均随着Cd浓度的增加呈先上升后下降的趋势,单一酸雨处理对上述4个指标的影响不尽一致,而复合处理下上述指标在Cd浓度≤60 mg·kg^-1、pH值≥4.5时均能保持较高值,且随着胁迫程度的加深均出现了阈值。综上所述,苦楝对重金属Cd和酸雨胁迫具有一定的耐性,可在Cd浓度≤60 mg·kg^-1和pH值≥4.5的酸雨双重污染区域正常生长。本研究结果为土壤Cd污染的酸雨区域的修复植物筛选提供了理论基础和参考依据。     

中隔墩长度对斜式轴伸泵装置出水流道水力特性的影响

为研究大型低扬程泵站斜式出水流道水力特性,采用数值模拟方法对某斜20°轴伸泵装置三维湍流流场进行了数值计算,发现斜式出水流道内存在严重的偏流问题,基于4种计算方案的数值模拟结果分析了偏流的成因,在研究了中隔墩长度对斜式出水流道流态和水头损失影响的基础上提出了解决偏流的措施,并得到模型试验的验证。研究结果表明:顺水流方向看,中隔墩长度为14 m时的斜式出水流道内的主流明显偏于左侧,在流道右侧下部存在较大范围的旋涡区;导叶体出口具有较大周向速度分量的水流呈螺旋状进入"S"形弯曲的斜式出水流道,两者相互作用导致斜式出水流道产生偏流;随着中隔墩长度的增加,斜式出水流道左右孔的偏流系数逐渐减小、流道水头损失呈先减小再增大趋势,当中隔墩加长至23.35m时出水流道左右两侧的出流流量达到基本相等;采用长中隔墩斜式出水流道的泵装置模型试验最优工况点效率达到80.56%,泵装置模型试验结果与数值模拟结果一致,取得了预期的纠偏效果,得到有关工程设计院的认可,并应用于工程实际。     

基于机器视觉的育肥猪分群系统设计与试验

为控制育肥猪出栏时的体质量差异,该研究开发了一套基于机器视觉技术的育肥猪分群系统,该系统通过机器视觉技术和卷积神经网络模型代替传统地磅对猪只体质量进行估测,可有效避免粪污对设备精度的影响及腐蚀;以前一天全部猪只体质量数据从小到大排列的第30%个数据作为当日的分群基准质量,将大于等于基准质量的视为长势较快的猪只,小于基准质量的视为长势较慢的猪只,每次采食按照猪只长势快慢分为2群进行饲喂;该系统依托于LabVIEW软件开发平台和物联网系统构建,平均每头猪只通过系统时间为6.2 s。为验证该系统的实际应用效果开展了为期30 d的现场试验,将饲喂于装有分群系统猪栏中的120头长白育肥猪作为试验组,由分群系统按猪只长势快慢分群饲喂;将饲喂于传统猪栏中的120头长白育肥猪作为对照组,按照传统人工调栏的方式进行饲喂。试验开始时试验组和对照组猪只平均体质量分别为32.21、31.76 kg,标准差分为别2.61和2.49 kg;结束时试验组和对照组猪只平均体质量分别为57.68、57.41 kg,标准差分为别5.26和5.51 kg,总料肉比分别为2.31和2.34,期间试验组猪只体质量的标准差小于对照组,但是2组猪只平均体质量、标准差、总料肉比均不存在显著差异,表明采用该系统对猪只进行分群饲喂控制猪只体质量差异效果等同于人工调栏,同时可以节省人力成本,缓解农业劳动力短缺的压力。该研究也可为母猪饲喂站、种猪测定站等智能化养猪设备的研发提供参考。     

华北平原不同种植制度对粮食作物氮素利用和土壤氮库的影响

冬小麦-夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物的主要种植制度，存在氮肥利用率低、土壤氮素过量累积问题。为探索华北平原氮素高效利用的适宜种植制度，采用15N示踪技术，基于3 a田间定位试验，对一年两熟冬小麦-夏玉米的常规水氮和优化水氮、两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米与冬小麦-夏大豆-春玉米及一年一熟春玉米3种种植制度的作物产量、15N利用率、氮素去向和土壤氮库表观平衡进行研究。结果表明，两年三熟的冬小麦-夏玉米-春玉米产量为32 248.52 kg/hm2，分别比一年两熟和一年一熟提高22.16%和52.88%；15N利用率为33.36%，比一年一熟提高26.12%。3种植制度的氮肥去向最高为土壤残留，其次为作物吸收和损失，两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米的作物吸氮量最高为151.82 kg/hm2，土壤氮库表观盈余量为21.22 kg/hm2，显著低于其他种植制度。综合分析，冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟在稳产高产和提高氮素利用率上具有可持续的潜力，是华北平原未来较为理想的种植制度。     

东北棕壤长期不同施肥处理轮作大豆氮素吸收和土壤硝态氮特征

【目的】在玉米–玉米–大豆轮作体系下,基于棕壤肥料长期定位试验,研究不同施肥处理对东北地区大豆生物量、产量、各部位吸氮量及收获期土壤0―100 cm硝态氮累积的影响,为该地区合理施肥提供理论依据和科学指导。【方法】棕壤肥料长期定位田间试验始于1979年,包括不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷钾肥配施(NPK)、低量厩肥(M1)及其与化肥配施(M1N和M1NPK)、高量厩肥(M2)及其与化肥配施(M2N和M2NPK)9个处理。厩肥为猪厩肥,1992年后大豆季不施猪厩肥,仅在玉米季相关处理中施用。39年后,调查分析了大豆生物量、产量、氮素吸收利用及大豆收获期0―100 cm土壤硝态氮累积特征。【结果】高量、低量厩肥配施化肥处理大豆生物量、产量、总吸氮量及各部位吸氮量均显著高于单施氮肥和不施肥处理,其中,M1NPK处理大豆生物量、产量和总吸氮量最高,分别为9107、2979和314.2 k g/h m^2,较其他处理分别提高了6.1%~133.6%、23.9%~232.5%和11.7%~359.4%。施肥提高了大豆氮收获指数,但氮素生理效率降低。NPK和M1NPK处理的氮素收获指数最高,均为63.5%,而氮素生理效率较CK分别降低了30.6%和28.1%。大豆收获期各处理土壤硝态氮累积量随土层深度的增加而降低。与播前相比,大豆收获期单施氮肥处理的0―100 cm土层硝态氮积累量显著增加,NPK处理变化不显著,M1、M1N和M1NPK处理显著降低。低量厩肥配施化肥处理收获期0―100 cm土壤硝态氮积累量远低于高量厩肥配施化肥处理,较播前平均降低了79.2%。所有处理中,土壤硝态氮积累量以M1NPK处理最低,比其他处理平均降低了58.2%。【结论】在东北棕壤地区玉米–玉米–大豆轮作体系下,玉米季低量厩肥(13.5 t/hm^2)与氮磷钾化肥配合施用时,大豆季仅施氮磷钾化肥既可提高大豆生物量、产量,促进氮素吸收,同时还可降低大豆收获期土壤硝态氮累积量,降低环境风险,是该轮作体系较为合理的施肥方式。     

植物根系对土壤团聚体形成作用机制研究回顾

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,土壤水力侵蚀的微观描述即为土壤团聚体的破裂过程。研究表明:植物根系可以改变土壤的力学以及水文特征,促进土壤团聚体的形成和稳定。因此,对近20年国内外的相关研究成果进行较为系统的回顾,从根系对土壤团聚体的物理、生物、电化学作用3个研究视角,分析了植物根系对土壤团聚体形成的作用机制,提出了现有研究中存在的问题及研究趋势,这对深入认识植物根系对土壤团聚体的影响及其作用机制、发展根-土相互作用的土壤侵蚀过程模型具有重要的意义。     

System for quasi‐continuous simultaneous measurement of oxygen diffusion rate and redox potential in soil

Oxygen diffusion rate (ODR) and redox potential (E_H) are quantitative indices representing oxygen availability and redox status in soils, which is valuable information for better understanding causes and effects of soil aeration. Because these indices are spatially and temporally highly variable, continuous measurements and adequate numbers of repetitions are essential for accurate in situ monitoring. Here, we present a new, fully automated recording system for in situ measurements where ODR and E_H are measured at the same platinum electrode. The conflict between electrode polarization for ODR and the resulting biased E_H readings is solved by reducing the polarization time and introducing a recovery interval between two consecutive measurement cycles. The shorter polarization time ensures accurate E_H readings. It also results in moderately overestimated ODR readings, but this can be corrected before data analysis. The recovery interval restricts temporal resolution of the E_H‐ODR data pairs to 8 h. We illustrate the use of the system with measurements in a field experiment in Zürich, Switzerland. ODR curves at different depths ran roughly parallel to the corresponding curves of O₂ concentration in soil air but ODR was much more sensitive to precipitation. Low ODR was a necessary but not a sufficient condition for declining E_H. E_H ran parallel to O₂ concentration in soil air rather than to ODR. The fully automated system allows for time series of replicate measurements in multifactorial field studies with reasonable labor requirements. It may be particularly suitable for studies examining the effects of soil tillage, compaction, and irrigation, where structure‐related soil properties such as porosity, gas permeability, and soil aeration play a dominant role.