华北平原小麦-玉米农田生态系统服务评价

本研究于2006 年和2007 年在中国科学院栾城农业生态系统试验站田间试验基础上, 评价了华北平原小麦-玉米农田的初级产品生产、气体调节、土壤有机质累积、水调节和氮素转化等5 项生态系统服务。研究表明, 华北平原小麦-玉米农田初级产品量包括籽粒产量5.04~5.71 t·hm^-2·a^-1(小麦)和6.69~8.24t·hm^-2·a^-1(玉米), 秸秆量8.58~9.72 t·hm^-2·a^-1(小麦)和6.97~8.58 t·hm^-2·a^-1 (玉米); 农田气体调节包括释放O₂ 24.99~28.64 t·hm^-2·a^-1, 固定CO₂ 34.23~39.22 t·hm^-2·a^-1, 排放N₂O 0.72~1.13 kg·hm^-2·a^-1, 吸收CH₄ 3.39~5.70 kg·hm^-2·a^-1; 农田耕层土壤有机质累积量为1.13~2.39 t·hm^-2·a^-1; 水资源消耗量为2 890~3 830 m³·hm^-2·a^-1; 农田土壤氮素几乎都处于亏缺状态, 变化范围为-107.73~5.33 kg(N)·hm^-2·a^-1, 不施氮肥农田亏缺较多。综合评价发现, 小麦-玉米农田提供生态服务的经济价值为5.48~6.25 万元·hm^-2·a^-1, 是粮食生产价值的3 倍左右。氮肥施用对农田生态系统服务及其产生福利的影响较为复杂, 这主要是由于施加氮肥明显增加了氮素转化功能导致的经济损失, 而同时可能会增加初级产品生产、气体调节中作物固定CO₂ 和释放O₂ 功能的经济价值。尽管目前有关生态系统服务评价研究主要关注生态系统产生的正效应, 但仍有必要对农田产生的负效应做出评价, 以便客观看待农田生态系统价值, 正确认识农田生态系统对人类福利的影响。     

华北平原农田生态系统钾平衡研究

华北平原大部分田土壤发育在黄河冲积物母质上，矿物钾含量较高，在当前中低产农田中，尤其在有一定秸秆还田的条件一，施用化肥钾增产效果不显著，过多施钾会出现“奢侈性消耗”。在高产条件下，适当施钾对增产仍有一定作用，农田生态系统钾平衡研究对作物生产有重要意义。本文通过３年试验探讨了华北平原农田钾平衡和供钾能力。     

华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究

本文总结了25年来针对华北平原小麦-玉米两熟系统,农田的碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。自2001年起我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个长期定位碳循环试验:耕作试验、有机循环试验和增温试验,并完善了4种农田碳过程监测方法体系:隔离罐-碱液吸收CO_2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统碳输入-输出的平衡,并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价,指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田正在以77 g(C)·m~(-2)·a~(-1)的速度丢失碳;此外长期氮施入虽然显著增加0~100 cm土体的土壤有机碳含量,但同时会造成0~60 cm土体土壤无机碳含量显著降低。我们在对碳过程环境效应的研究中进一步指出:增温和施氮均会降低CH4汇强度,但对土壤呼吸无显著影响,这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO_2均无显著影响。进一步将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO_2产生和CH4吸收的主要发生层。     

农田生态系统服务及其价值的研究进展

农田生态系统在人类控制下已逐渐演变成了提供农产品的集约化生产系统。尽管与自然生态系统相比, 农田生态系统服务功能有所下降, 但其在提供农产品的同时还在向人类提供大量的生态服务。近年来, 生态系统服务稀缺性变得越来越突出, 农田生态系统的多功能性受到了空前的重视。本文首先明确了农田生物多样性是农田提供多种生态系统服务的基础, 然后回顾了2000年以来国内外农田生态系统服务及其价值化领域取得的主要研究进展, 包括对农田产品供给、碳汇、土壤保持和养分循环、水调节等功能的评价以及对农田生态系统服务及其价值化的综合研究。与此同时, 我们也应该注意到农业生产还对人类社会和自然环境产生了各种消极影响, 认识到权衡农田生态系统在农业生产中的各项利弊的重要性。通过对比不同农业生产模式对农田生态系统服务供给的影响, 提出未来发展多功能农业将是实现农田对人类福祉最大化的重要方向。最后, 文章指出我国发展多功能农业的主要措施是: (1)确保18亿亩耕地在空间上的存在; (2)与森林、草地、湿地、水域等其他自然生态系统在空间上合理配置; (3)在农业区域充分发展以观光休闲功能为主的休闲农业, 实现农田生态系统社会文化价值; (4)逐步实施农业生态补偿。     

基于能值分析方法的高产粮区农田生态系统持续性分析

区域粮食高产农田生态系统是否可持续成为关系中国粮食安全的热点问题,该文运用能值分析和农户问卷调查相结合的方法,以山东省桓台县为例,分析了1996年和2006年华北高产粮区农田生态系统能值的投入产出总量、结构和可持续发展综合指标的变化。结果表明,1996年至2006年10年间,每公顷总能值投入增长了26.50%,而每公顷能值产出仅增长了5.71%;从能值结构看,桓台县农田生态系统有机能的利用大幅减少,对自然资源和不可更新工业辅助能的依赖性加强;从可持续发展综合指标看,系统环境所承受的压力增大,净能值产出率下降,系统可持续发展能力减弱。     

华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应研究

华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验站建站以来有关农田氮素过程方面的研究成果进行了梳理,从相关长期定位试验介绍、氮素转化研究方法的创新集成、氮素过程通量与转化机制研究、氮素综合管理与调控等方面入手,全面汇总了有关华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应的研究进展。自建站以来先后建立了8组与氮素有关的长期定位试验,基于此开展了土壤培肥与高产高效、养分循环再利用、农田生态过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈效应等方面的试验研究。研究过程中不断对研究方法进行完善与创新,建立了N_2高背景浓度下原位土壤反硝化研究的方法体系,为土壤反硝化室内机理与原位无扰动反硝化脱氮总量及产物构成规律研究提供了新的方法;量化了乙炔抑制法测定反硝化的系统误差,为克服乙炔抑制法的误差提供了新的技术途径;建立了深层土壤剖面气体监测的技术体系,使N_2O的研究由单纯的农田排放通量测定扩展到深层土体N_2O的产生机制、扩散与还原过程研究,为定量深层土壤产生的N_2O对表层排放的贡献提供了技术支撑。通过对农田氮素转化机制、过程通量及其环境效应的综合研究,分析了该区域农田生态系统氮素平衡状况,定量评价了农田氮素不同损失途径的相对重要性,提出了阻控氮损失、提高肥料利用率的合理调控途径。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

农田生态系统服务功能评价方法对比研究：以江苏省为例

农田生态系统为人类提供农产品的同时还提供了生态系统服务功能。准确评价农田生态系统的服务功能对农田可持续生产具有重要的影响。本文以江苏省农田为研究对象,构建农田生态系统服务功能评价指标体系,利用1991-2020年统计数据和气象数据,基于层次分析法和当量因子法定量比较评估江苏省旱地和水田生态系统服务功能指标权重,以探究不同评价方法对生态系统服务功能重要性评估的差异性。结果表明：层次分析法中准则层B水田和旱地生态系统服务功能权重排序依次为供给服务、调节和维护服务和文化服务;水田和旱地中指标层C的食物生产、气体调节、原料生产权重较高。当量因子法中准则层B水田权重排序为调节和维护服务、供给服务和文化服务;旱地权重排序为调节和维护服务、供给服务和文化服务;指标层C中水田水文调节、食物生产、气体调节权重较高,旱地食物生产、气体调节、原料生产权重较高。两种方法计算的生态系统服务功能权重存在差异,一定程度上层次分析法对专家经验依赖性较高,当量因子法则无法排除生态系统服务价值基础当量数值的影响。选择不同评价方法综合分析农田生态系统服务功能,可以克服单一方法评价偏差。     

怀来县农田生态系统服务价值分类评估

农田生态系统可以为人类提供各种农产品及多种间接生态服务功能。以河北省怀来县为例,借助GIS工具,从微地貌形态、土壤状况和土地利用类型3个方面选取相应指标,将怀来县农田生态系统分为3个生态类及6个生态亚类,并且从生产服务、调节服务、文化服务和支持服务4个方面选取7个指标构建评估模型,分别对6种农田生态亚类进行生态系统服务价值测算和分析。结果显示,怀来县农田生态系统服务总价值为225 311.90万元,4种农田生态系统服务价值大小为生产服务文化服务调节服务支持服务;不同农田生态亚类的价值差异明显,其中Ⅱ—Ⅱ总价值最高,Ⅰ—Ⅰ最低;根据不同农田生态亚类价值功能组成比例,将6种农田生态亚类分为生产服务主导型和文化服务主导型两种类型,为怀来县未来因地制宜地发展区域农业、保护生态环境提供了参考。     

玛纳斯河流域农田生态系统服务功能价值评估

农田生态系统可为人类提供各种产品及多种间接生态系统服务功能.本文运用环境经济学,借助GIS技术,对玛纳斯河流域农田生态系统1976年和2005年两个时段的产品提供、气候调节、土壤保持、碳固定、02释放以及营养物质保持等6项生态系统服务功能价值进行了物质量及价值量的估算和分析.结果表明.农田生态系统服务功能总价值从1976年的352 219.4×104元上升到2005年的767 061.5×104元,29年间上升117%.根据两个时段农田生态系统服务功能价值的分析,农田生态系统的产品提供功能受人类技术和管理的影响较大,具有较高的提升潜力,其价值占总生态系统服务功能价值的比例从1976年的7%上升到2005年的39%;而间接生态系统服务功能体现了农田生态系统的自然属性,为人类提供了巨大的调节、支持服务功能,从1976年至2005年,其生态系统服务功能价值上升43%.玛纳斯河流域农田生态系统服务功能研究表明,农田生态系统具有多种生态系统服务功能,应该重视对农田生态系统各项生态系统服务功能价值的评估,从而达到干旱区流域社会、经济、自然生态系统的和谐发展.     

华北平原灌溉用水强度与地下水承载力适应性状况

针对华北平原农灌区地下水严重超采问题,基于近30a以来降水、水资源和农林灌溉状况的变化过程和现状,应用地学模数理念、均衡理论和MapGIS技术,建立了适应性状况评价指标体系与方法,以0.49km2精度识别了华北平原农林灌溉用水强度与当地地下水可采资源量之间适应性状况。研究结果表明,华北平原中部的大部分地区农林灌溉用水强度处于"严重不适应"状态,河北平原大部分地下水超采区农林灌溉用水强处于"极严重不适应"状态,其中小麦等夏粮作物灌溉用水强度占50%以上,蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水强度所占比率呈显著增加趋势,应避免非理性持续大幅增加。     

华北平原典型干旱年土壤水分及灌溉特征遥感分析

华北平原作为我国的粮食主产区,土壤水分是制约作物生长的主要限制因子.本文首次运用土壤水分指数数据,对华北平原土壤水分以及灌溉特征进行空间分析,旨在为区域尺度农田旱情以及农作物产量的实时监测与预报提供相关参考.研究基于1993-2002年华北平原逐旬降雨数据和主动微波遥感反演的土壤水分指数数据,应用地统计分析方法,分析典型干旱年(1999年)该区表层土壤水分时空变异特征,并提取和分析小麦生长期内的灌溉信息;通过对逐句的降水和土壤水分数据的空间叠置分析,提取区域内的灌溉信息.结果表明:1999年降水量比多年(1993-2002年)平均量少约140mm;1999年土壤水分变化与降水变化整体保持一致,低于多年平均水平,春季和夏季,土壤水分减少尤为明显,土壤干旱非常普遍;小麦生长期内,大部分地区均存在不同程度的灌溉,其中中部地区灌溉次数最少,占研究区面积的65％左右的南部和北部地区灌溉次数多为2～3旬次.采用降水量和遥感水分监测数据,可以分析土壤水分变化的原因,提取灌溉的范围和时间特征,并可为旱情遥感监测提供科学参考.     

华北平原地下水资源承载力模糊综合评价

华北平原地下水资源承载力评价对保障水资源-生态环境-社会经济协调可持续发展具有极其重要的意义。采用模糊综合评价方法对华北平原市级地下水资源承载力进行分析,并结合灰色关联理论进一步探讨地下水资源承载力的影响因素。结果表明,华北平原地区各城市地下水资源承载力平均得分为0.38,其中尚具一定开发潜力的仅占19.0%,已接近开发潜力和地下水资源已严重超采且已出现地质环境问题的分别占38.1%和42.9%,总体承载力很小。经计算,地下水资源开采量与人口、第一产业产值、第三产业产值、GDP、工业产值的灰色关联度依次为:0.71,0.63,0.59,0.58和0.56,故影响华北平原地下水承载力最主要的因素为人口的剧增,农业灌溉用水的增加以及社会经济高速发展等社会因素。     

华北平原高产粮区不同水氮管理下农田氮素的淋失特征

为了降低集约化种植制度下华北平原农田硝酸盐的淋失,该研究选择华北平原高产粮区,开展了为期2 a （2006－2008年）的田间试验,试验设计了2个灌溉处理（常规灌溉处理和基于土壤水分实时监控的优化灌溉处理）和2个施氮处理（传统施氮处理和优化施氮处理）,利用张力计结合土壤溶液提取器对土体2 m处的水分和硝酸盐通量进行了监测和计算。研究结果显示,在相同施氮条件下,优化灌溉能够有效降低农田水分的渗漏量,渗漏量仅为传统灌溉渗漏量的50%左右。优化施氮能够有效降低2.1 m土体硝态氮含量,在相同灌溉条件下2.1 m土体硝态氮的残留量都在传统施氮的60%以下,而灌溉方式对硝态氮累积的影响不大。优化水氮管理相比传统水氮管理氮素的淋失量下降了60%,淋失率也下降了50%左右,粮食产量略有提高。     

基于植被遥感信息的作物蒸散量估算模型--以华北平原冬小麦为例

本文基于作物系数法并结合植被遥感信息(MODIS/NDVI),提出一种能反映作物空间分布和土壤供水差异信息的作物蒸散量估算模型。利用该模型得到2000—2013年华北平原冬小麦的蒸散量,模拟结果与遥感蒸散产品吻合度较高(R2=0.952,RMSE=1.3×107 m3),并分析了冬小麦蒸散量和灌溉耗水量的时空变化。结果表明:1华北平原冬小麦蒸散量呈南高北低的格局。基于250 m空间分辨率上来看,山东省、河南省的黄河灌区以及太行山前平原的冬小麦蒸散量可达400 mm以上,中部平原区冬小麦蒸散量350 mm,滨海一带蒸散量200 mm。2冬小麦灌溉耗水量与其蒸散量格局相一致。在太行山前平原、河南省和山东省的引黄灌区,灌溉耗水量可达250 mm以上;河北平原北部由于冬小麦种植比例较低,灌溉耗水量100 mm。3近14年河北平原北部冬小麦播种面积下降明显,区域灌溉耗水量减少,地下水位下降趋势得到明显缓解。本文提出的作物蒸散量估算模型能够较好地用于确定较大区域作物蒸散耗水量,并可应用于区域作物灌溉量的评估与管理中。     

不同时间尺度下华北平原干湿气候时空变化及成因分析

利用华北平原62个气象站点1961-2014年逐日地面观测资料以及同期降水量资料,基于Penman-Monteith方法计算的参考作物蒸散量(ET_0)研究近54a研究区干湿气候时空变化特征,并利用敏感性和贡献率法分析气候变化背景下主要气象因子对ET_0的影响,对干湿气候变化的成因进行探讨。结果表明:华北平原在3个时间段(时段1:1961-1980;时段2:1981-2000;时段3:2001-2014)半干旱区和半湿润区的分界线呈东扩和南移,半干旱区面积不断扩大,湿润区面积变化不明显;研究区1961-2014年ET_0呈显著下降趋势,空间差异大,河南和山东部分地区由于ET_0下降趋势大于降水量减少趋势,气候变湿润;鲁东、天津、河北东部地区降水量减少且ET_0增加,干旱化趋势明显。就月尺度而言,降水量在7月和8月减少幅度最大,夏季ET_0减少幅度较大,5月和6月气候呈变湿趋势。ET_0对相对湿度的变化最敏感,各月导致ET_0变化的主要贡献因子不一,11月-翌年1月风速起主导作用,2月温度为主导因子,6-9月日照时数为主导因子,其它月份为相对湿度、风速等综合作用的结果。