基于RUSLE的蔗区小流域土壤侵蚀特征研究

[目的] 探讨广西壮族自治区典型赤红壤集约化蔗区小流域的土壤侵蚀状况,以及土壤侵蚀强度与不同坡度、土地利用类型的关系,为广西集约化蔗区小流域防治土壤侵蚀提供科学参考。[方法] 在GIS空间分析技术支持下,利用修正的通用土壤流失方程（revised universal soil loss equation,RUSLE）对其进行定量估算。[结果] ①那辣小流域坡度在0°~35°之间,坡耕地（甘蔗）、林地（桉树）分别占土地利用总面积的82.85%,10.99%,道路和沟渠共占6.16%。2020年流域平均土壤侵蚀速率为22.97 t/（hm²·a）,属轻度侵蚀水平,是水利部规定的南方红壤丘陵区土壤允许流失量5 t/（hm²·a）的4.6倍;②流域土壤侵蚀主要发生在5°~25°的坡度范围内,是预防和治理水土流失的重点区域;③不同土地利用类型中,平均侵蚀速率最大的是林地（桉树）,为53.59 t/（hm²·a）,分别是坡耕地（甘蔗）、道路、沟渠的2.84,2.12,27.91倍。[结论] 应用RUSLE模型通过借助软件输入相关参数和处理数据,即可估算出蔗区土壤侵蚀及不同坡度、土地利用类型的土壤侵蚀强度分布特征,应合理规划并利用管理好流域的坡耕地（甘蔗）、林地（桉树）、道路等土地利用类型,采取具有针对性的、有效的水土保持措施。     

时空尺度对灰色系统理论预测秸秆折标煤量的影响研究

能源供给潜力的准确预测对秸秆生物质资源开发具有重要意义,数据的时空尺度对预测精度有重要的影响。在不同的时间尺度（7、10、12和15a）下研究了灰色系统理论Grey Model（1,1）模型及其拓展形式对全国、京津冀、河北三个空间尺度上秸秆折标煤量的预测精度,确定各空间尺度上的最优模型和数据时间尺度,分析影响可收集秸秆折标煤量的主要因素,并得到2021-2030年的预测结果。结果表明,灰色Verhulst模型的预测效果整体最好,10a时间尺度下的预测精度要明显高于7a、12a和15a,全国地区的预测精度为99.69%和99.72%,高于京津冀和河北省地区的预测精度;全国主要农作物和粮食农作物可收集秸秆折标煤量主要受到播种面积和单位面积产量双因素的影响,而京津冀和河北地区的主要农作物和粮食农作物可收集秸秆折标煤量则主要受单位面积产量的影响;2021-2030年的预测结果表明,全国主要农作物和主要粮食作物的可收集秸秆折标煤量基本稳定,而京津冀和河北地区的秸秆可收集折标煤量呈增加趋势,且主要粮食农作物的秸秆折标煤量的增速高于主要农作物秸秆折标煤量的增速。研究结果反映了京津冀协同发展对京津冀地区尤其是河北现代化农业格局发展和秸秆生物质资源量的影响,得到了不同空间尺度上影响秸秆折标煤量的关键因子,对灰色系统理论预测秸秆生物质资源潜力、推动能源格局转变有理论意义。     

改进WHCNS模型模拟耕作方式对作物生长和水分利用效率的影响

耕作改变了土壤物理特性,进而影响了作物生长和水分利用,定量研究不同耕作方式下的农田土壤水分动态与作物生长过程是制定合理耕作制度的基础。该研究在土壤水热碳氮模拟模型（Soil Water Heat Carbon Nitrogen Simulator,WHCNS）的基础上耦合了EPIC模型的土壤耕作模块,构建了适用于不同耕作方式的土壤水热碳氮过程模拟模型。利用华北平原南部河南商丘试验站2015-2017年实测的不同耕作方式下（深耕、免耕和轮耕）的土体储水量、叶面积指数、地上部干物质质量和产量数据对改进后的WHCNS模型进行了校验和模拟效果评价,并模拟分析了不同耕作方式对冬小麦和夏玉米农田蒸散量、作物产量和水分利用效率的影响。结果表明,所有处理的土体储水量、叶面积指数和地上部干物质质量模拟值与实测值的相对均方根误差均小于30%,一致性指数均大于等于0.90,纳什系数均大于等于0.58,决定系数均大于等于0.90,作物产量模拟值与实测值的决定系数达到0.99。两季冬小麦,与深耕和免耕相比,轮耕的蒸散量分别降低了8.8%～10.8%和13.8%～21.0%,水分利用效率分别提高了6.7%～9.4%和15.7%～24.9%。两季夏玉米,与深耕和轮耕相比,免耕的蒸散量分别降低了12.5%～12.9%和20.7%～22.2%,水分利用效率分别提高了13.4%～15.2%和29.1%～31.3%。耕作方式对产量的影响并不明显。总体而言,改进后的WHCNS模型可以较好地模拟华北平原不同耕作方式下土壤水分与作物生长的动态过程。     

基于Sentinel-2A的棉花种植面积提取及产量预测

及时、准确预测棉花产量在棉田经营管理、农业决策制定等方面具有重要的价值和意义。为了提高棉花产量预测精度并确定估产的最佳生育时期,该研究利用谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）获取2020年Sentinel-2A的3个时间段影像,采用随机森林（Radom Forest, RF）、支持向量机（Support Vector Machine, SVM）、决策树（Classification and Regression Tree, CART）进行棉花种植区域提取,利用顺序向前选择（Sequential Forward Selection, SFS）和偏最小二乘算法（Partial Least Squares Regression, PLSR）确定棉花产量预测最佳生育时期,最终形成莫索湾垦区棉花产量预测分布图。结果表明,1）RF分类效果最佳,农田与非农田分类总体精度为0.94,Kappa 系数为0.89;棉田与非棉田分类总体精度为0.92,Kappa 系数为0.83。2）红边波段（B6）在3个生育时期中与产量相关性较好,相关系数随着生育时期的递进而增加,分别为0.37、0.47、0.53。3）基于PLSR构建的产量预测模型中,铃期预测效果最佳（决定系数R2=0.62,均方根误差RMSE=625.5 kg/hm2,相对误差RE=8.87%）,优于吐絮期（R2=0.51,RMSE=789.45 kg/hm2,RE=11.06%）和花期（R2=0.48,RMSE=686.4 kg/hm2,RE=9.86%）,铃期为棉花产量预测的最佳生育时期。该研究利用GEE和Sentinel-2A影像数据,为新疆莫索湾垦区棉花种植面积提取及产量预测提供一种新的思路,可为合理水肥配置、精准种植、农作物生长过程监测提供数据支撑。     

温室水循环太阳能利用系统高效节能控制策略

针对目前温室水循环太阳能利用系统无法在合理时间集热的问题,开发模面装置,基于其表面综合温度提出高效节能控制策略。理论分析表明,日间表面综合温度反映集热器表面可集太阳余热,利用该温度与蓄热水池内水温之间的差值可较准确地判断集热时机;夜间表面综合温度接近于室内气温,利用该温度进行放热控制的方式实质上就是利用室内气温的方式。通过现场试验,测试提出的控制策略下实现的中空板水循环太阳能利用系统的集放热效果,并与现有的基于设定时间点或室内气温的控制方式的能力进行对比。试验结果表明中空板系统在提出的集热控制策略下获得的晴天的集热量（404.1 MJ）与多云天和阴天的集热量（分别为225.9和62.7 MJ）差异显著。而设定时间点控制集热,导致少集热（1.4 h）、无效运行（1.7 h）等问题。基于室内气温方式浪费集热时机：集热初期,太阳辐射较强,系统本可集热（31.8 MJ）,且集热量远大于能耗,集热COP（Coefficient of Performance）达20.2,但因气温低,并不运行;集热末期,还出现短期无效运行（多云天为0.7 h;阴天为2.4 h）。该研究提出的集热控制策略能以更低能耗实现更高集热量;放热控制方式也具有一定优势。     

微生物菌剂对厨余垃圾堆肥温室气体减排的影响

为对厨余垃圾堆肥过程中的温室气体进行减排,在60 L强制通风静态堆肥装置中进行为期35 d的厨余垃圾和园林废弃物的联合好氧堆肥试验。在堆肥原料中分别添加复合微生物菌剂VT1000（VT）、枯草芽孢杆菌（BS）和地衣芽孢杆菌（BL）三种菌剂,并以不加菌剂的堆肥处理（CK）作为对照,监测堆肥过程中的CH4和N2O排放,以研究不同微生物菌剂对于厨余垃圾堆肥温室气体排放的影响。结果表明：微生物菌剂的添加会加快堆体升温和促进腐熟,同时能够实现不同程度的温室气体减排。堆肥过程中N2O的排放量在总温室气体二氧化碳排放当量中占比远高于甲烷,达到总排放当量的76.83%～88.57%,排放高峰期分别出现在堆肥初期和腐熟期。甲烷的排放高峰期出现在堆肥降温期,累计排放量达到温室气体总排放当量的1.65%～2.40%。各处理的总温室气体排放当量分别为95.84 kg·t-1（CK）、52.31 kg·t-1（VT）、42.03 kg·t-1（BS）和62.49 kg·t-1（BL）。与CK处理相比,BS处理的总温室气体的减排效果最好,减排率为56.15%,BL处理的减排率最低,为34.80%,VT处理减排率为45.42%。相较于CH4,菌剂对N2O的减排效果更好,可达35.32%～61.86%。结合堆肥过程的温度及各腐熟度指标,该研究选取的微生物菌剂能够在保证堆肥效率和产品质量的前提下有效减少温室气体排放。     

东祁连山高寒草甸土壤酶活性及其化学计量特征对海拔和坡向的响应

研究高寒草甸微尺度海拔和坡向下土壤酶活性及其化学计量特征的变化对于探讨草地生态系统养分循环过程具有重要的生态学意义。以东祁连山高寒草甸为研究对象,分析了7个海拔（2 800,3 000,3 200,3 400,3 600,3 800,4 000 m）和2个坡向（阴坡、阳坡）高寒草甸的土壤酶活性、化学计量特征变化规律及其与土壤理化因子之间的关系。结果表明：海拔和坡向的交互效应对土壤亮氨酸氨基肽酶（LAP）、β-葡萄糖苷酶（BG）、多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（POD）酶活性、lnBG/ln （NAG+LAP）、lnBG/lnAP和ln （NAG+LAP）/lnAP有显著影响;LAP、AP、BG、POD、lnBG/ln （NAG+LAP）、lnBG/ln （NAG+LAP）随海拔的升高呈先升高后降低,β—1,4—乙酰基氨基葡萄糖苷酶（NAG）和PPO随海拔升高而降低;同一海拔,阳坡土壤AP、BG、POD、PPO酶活性低于阴坡,阳坡土壤NAG酶活性高于阴坡,海拔3 800 m以下阳坡LAP酶活性低于阴坡,除海拔3 000 m和4 000 m外的其他海拔阳坡的土壤lnBG/ln （NAG+LAP）高于阴坡,海拔3 000~3 400 m的土壤lnBG/lnAP和海拔3 000~3 600 m的土壤ln （NAG+LAP）/lnAP在阳坡低于阴坡。相关分析发现,土壤酶活性及其化学计量特征不同程度受土壤C、N、P资源及土壤水分条件等的调控,土壤含水量和有机碳是影响土壤酶活性的主要因子。综上,土壤酶活性及其化学计量特征在微尺度海拔和坡向上具有差异性,且受土壤C、N、P资源及土壤水分条件的综合影响,以土壤含水量和有机碳尤为突出。     

炭基肥添加对蜜柚果园酸性土壤pH和交换性能的影响

为研究炭基肥添加对蜜柚果园酸性土壤pH和交换性能的影响,设不添加肥料空白(CK)、只添加尿素(N)、水稻秸秆炭基肥(rice straw biochar-based fertilizer,BR)和竹屑炭基肥(bamboo biochar-based fertilizer,BB)各4个用量梯度(2.5,5,10,20 g/kg)且配施尿素处理,开展60天室内培养试验。结果表明:随着培养进行,BR和BB处理土壤pH均先升高后降低,交换性酸和交换性盐基离子含量呈上升趋势。培养60天时,随着BR和BB施用量增加,对提升土壤pH、CEC及盐基饱和度,降低交换性酸、交换性铝等效果越明显,且BR效果优于BB。与N处理相比,BR和BB使土壤pH分别提升0.24~3.43和0.21~3.40个单位,交换性酸分别降低45.55%~97.25%和34.01%~96.70%,[JP]交换性铝分别降低46.95%~99.75%和38.99%~99.00%,CEC分别提升7.02%~170.74%和6.52%~134.90%,盐基饱和度分别增加29.40%~51.61%和32.08%~53.90%。施用炭基肥可以提高蜜柚果园酸性土壤pH,减少土壤交换性酸,大幅度降低交换性铝含量,同时提升土壤CEC和盐基饱和度。蜜柚果园土壤酸化治理炭基肥适宜用量为2.5~5.0 g/kg,水稻秸秆炭基肥效果优于竹屑炭基肥。研究结果为蜜柚果园酸化土壤治理提供科学依据。     

不同有机物料对黄土高原治沟造地土壤水分运移的影响

为了改善黄土高原治沟造地土壤结构较差的问题,采用一维定水头土柱模拟试验,探讨了不同有机物料(生物有机肥、粉碎秸秆、50%粉碎秸秆+50%生物有机肥、尿素、对照)对治沟造地土壤湿润锋推移、累积入渗量、入渗速率和土壤水分蒸发特征的影响,并采用Green-Ampt模型、Philip模型和Kostiakov模型拟合分析土壤水分入渗规律。结果表明:(1)粉碎秸秆与有机肥均降低了土壤水分移动速率,增强了土壤持水能力;粉碎秸秆同时降低了土壤稳定入渗速率,与对照相比减小了17.65%;(2)湿润锋推进深度与累积入渗量呈良好的线性关系;通过对3种入渗模型拟合发现,Philip模型和Kostiakov模型的拟合效果较好,符合黄土高原治沟造地土壤入渗率和时间的动态关系;(3)土壤水分蒸发过程中,添加粉碎秸秆具有阻截和蓄积土壤水分,提高土壤含水量的积极作用。     

Comparative Metabolomics Analysis Reveals the Taste Variations among Three Selected Wampee Cultivars

Plant Foods for Human Nutrition - Sugars and acids of wampee predominantly influence consumer taste preference and its commercial value. The molecular basis of taste variations is currently unknown...