秸秆生物质炭对稻田土壤剖面N2O和N2浓度的影响*

氧化亚氮（N2O）和氮气（N2）是淹水稻田土壤剖面反硝化过程的重要气态产物,可通过土水界面向大气排放,也可随水向下淋溶。秸秆生物质炭施入稻田后会改变土壤理化及微生物学性质,影响反硝化过程及N2O和N2产排。本研究依托2010年夏建立的连续秸秆生物质炭还田的稻麦轮作农田试验,通过埋设淋溶管收集土壤剖面溶液,采用气相色谱和膜进样质谱分别定量溶液中N2O和exN2（反硝化产生N2量）,观测了2018和2019年水稻季不同秸秆生物质炭施用量（CK：每季0 t·hm-2;1BC：每季2.25 t·hm-2;5BC：每季11.3 t·hm-2;10BC：每季22.5 t·hm-2）下0~1 m土壤剖面溶液中N2O和exN2浓度的时空变化,评估了长期施用秸秆生物质炭对稻田土壤剖面反硝化作用及其主要气态氮产物exN2随水流失的影响。结果表明,两个稻季CK处理N2O浓度以60 cm处较高,exN2浓度则随土壤深度增加呈降低趋势。秸秆生物质炭处理能降低剖面N2O和exN2浓度,以10BC处理最为明显。其中,N2O浓度降低以60 cm处较大,exN2浓度降低随土壤深度增加而加大。施用秸秆生物质炭对土壤剖面溶液无机氮（NO3-+NH4+）含量无明显影响,但5BC和10BC处理增加了可溶性有机碳（DOC）和溶解氧（DO）浓度以及氧化还原电位（Eh）。CK处理下土壤剖面溶液N2O和exN2浓度变化与DOC、硝态氮（NO3-）及DO有关;秸秆生物质炭处理下则主要受DO和Eh控制。exN2淋溶量（按1 m深度计算）CK处理下为2.3 ~5.5 kg·hm-2,相当于无机氮和有机氮（DON）淋溶量的32%~34%,5BC和10BC处理则降低为1.7 ~3.7 kg·hm-2和1.1~1.9 kg·hm-2,上述结果表明,反硝化产生N2随水淋溶量不容忽视,秸秆生物质炭还田可改善淹水稻田土壤剖面的通气状况,增加DO,提高Eh,进而有效减少深层反硝化及其主要气态产物exN2随水流失的风险。     

黄壤颗粒表面离子吸附动力学中的离子特异性效应

基于考虑离子非经典极化作用的离子吸附动力学模型,以可变电荷黄壤颗粒为代表材料,研究了锂离子(Li+)、钠离子(Na+)和铯离子(Cs+)在黄壤颗粒表面的吸附动力学特征,进一步计算了离子在土壤/水界面的扩散距离与表面电化学参数。结果表明:(1)Li+、Na+和Cs+在黄壤颗粒表面吸附仅存在一级动力学过程并存在明显的离子特异性差异,这种差异随着电解质浓度降低而增大;(2)离子非经典极化与体积效应的共同作用决定了离子在固/液界面的扩散距离,在较高浓度电解质中,Na+和Li+的离子体积和极化效应基本平衡,导致Na+和Li+离子间差异不显著,但Cs+由于强烈的非经典极化作用,扩散距离表现为:Cs+Na+≈Li+;在低浓度电解质中,离子非经典极化作用占主导,扩散距离表现为:Cs+ Na+ Li+,表明离子扩散距离在低浓度下差异大,而高浓度下差异不显著;(3)离子扩散距离的差异导致固/液界面电位的不同,Stern电位、电荷密度和电场强度均受到离子扩散距离的影响,表面电位(绝对值)在各个浓度下均表现为:Li+ Na+ Cs+,说明表面电位仅受非经典极化作用的影响。本研究将对土壤/水界面反应理论的完善提供新思路。     

基于土地生态要素分区的坝上生态用地生态服务价值分析

坝上地区是京津冀地区的重要生态屏障,也是京津冀的重要水源涵养地和生物多样性保护重要基地,对保障京津冀地区的生态安全和水资源供给有着不可替代的作用。本研究运用软件ARCGIS 10.2,将坝上地区的土壤类型与地貌类型两大主要土地生态要素进行叠加,划分典型类型区,并结合现行的土地利用分类系统和生态系统服务功能,构建生态用地分类体系,在此基础上,以粮食单产进行区位修订,采用当量因子法估算2015年坝上各类型分区内生态用地的生态系统服务价值,以期为坝上地区的生态用地格局规划与区域生态保护管理政策制定提供理论依据。结果表明:1)河北省坝上地区粮食单产大体趋势是自中部向两翼方向逐渐递增,高产区主要是东南部的褐土侵蚀剥蚀低山类型区和褐土侵蚀剥蚀中山类型区,产量高达5 000 kg×hm~(-2)以上;低产区则是主要位于西南的张北县栗钙土玄武岩台地类型区和尚义县粗骨土侵蚀剥蚀中山类型区,产量不足2 500 kg×hm~(-2)。2)河北省坝上生态用地类型以草地和林地为主,两者面积之和占总面积的73.95%。沼泽土侵蚀剥蚀中山类型区、沼泽土冲积风积高原类型区、灰色森林土侵蚀剥蚀中山类型区以及灰色森林土冲积风积高原类型区的生态用地面积占其类型区总面积的95%以上,而盐土湖积高原类型区的生态用地所占比例最小,仅占39.74%。3)2015年坝上生态服务总价值高达634.77亿元,其中坝上地区东部的棕壤侵蚀剥蚀中山类型区生态服务价值最大,主要由林地提供;位于西北部的盐土湖积高原类型区生态服务价值最小,基本为草地所提供。本研究表明,不同的土壤类型和地貌类型均影响着土地生产能力的大小,从而影响着该地区的生态系统服务价值大小。     

基于里程信息融合的株间锄草刀定位数据优化方法

为提高株间锄草刀定位精度、降低机器视觉受外界因素的影响,该文提出里程信息融合机器视觉的方法对锄刀定位数据进行优化。通过分析定位数据校正和视觉滞后补偿的原理,设计了模糊逻辑校正器,通过模糊规则将模糊校正系统简化为单输入单输出形式,采用Mamdani模糊推理方法获得视觉数据可信度决策表,将可信度作为加权值生成校正锄刀定位数据,并提出采用实时里程信息作为视觉滞后补偿量的方法,给出补偿公式。田间刀苗距优化静态试验表明,视觉刀苗距误差为9.88 mm,优化后刀苗距误差为6.06 mm;动态试验表明,视觉数据出错率为4.8%～6.6%,刀苗距变化曲线显示,优化方法可有效过滤视觉坏点或不稳定的数据点,将视觉滞后纳入衡量标准,不同车速下动态优化后刀苗距平均误差为5.30～7.08 mm,较优化前降低了25%左右。研究结果表明,锄草刀定位数据优化方法可有效提高机器视觉静态和动态获取刀苗距的精度。该研究为提高株间锄草技术的锄刀定位精度提供了参考。     

基于Meta-analysis的中国马铃薯地膜覆盖产量效应分析

为了定量综合分析中国近30 a地膜覆盖对马铃薯的增产效果,该研究综合已发表的田间试验研究数据,应用Meta-analysis方法定量分析使用地膜后马铃薯产量的增产率或减产率,并探讨其时空分异特征及其影响因素。通过文献检索,共获得84篇有关地膜覆盖马铃薯生产试验文献。经严格筛选,共从42篇文献中获得52组数据,分布于中国14个省(市、区),涵盖西北、西南和东南3个主要区域。主体数据经Meta分析表明:地膜覆盖在西北地区增产效应最显著,相对增产率为35.6%;其次是东南和西南地区,相对增产率分别为20%和12%;从全国时间序列看,1990年以后地膜相对增产率较高,但2010年后地膜增产效果有降低趋势;白色地膜与黑色地膜、垄作和平作对地膜增产效应影响不显著;在年均降水量500 mm和年均温10℃的区域地膜增产效应最明显,地膜相对增产率分别为40.5%和37.6%。进一步分析表明,2010年后地膜覆盖效果在年均降水量500 mm且年均温10℃的地区和年均降水量500 mm且年均温10℃的地区均呈现降低趋势,说明全球气候变暖可能对地膜增产产生负面影响,或随着使用年限增加地膜开始表现出对产量的负面效应。该研究可为地膜覆盖技术应用提供参考。     

东柳沟沉积泥沙粒径空间分布与特征

选取东柳沟流域作为研究区域,通过分析主河道中泥沙颗粒的粒径特征,研究流域沉积物的分布规律及其粒径变化过程。应用激光粒度仪对研究区内的河道沉积土样进行测定,使用秩和检验对泥沙颗粒特征进行分析,得到流域沉积泥沙粒径分布及变化规律。结果表明,根据中值粒径和河道比降的变化,将东柳沟流域分为丘陵区、沙丘区和农田区3个区域。流域沉积泥沙的中值粒径从上游丘陵区到下游农田区逐渐呈减少的趋势。3个分区的沉积泥沙级配特征有显著不同,丘陵区的沉积泥沙主要由粗沙构成,极粗沙和中粗沙约占57%。而沙丘区和农田区以细沙为主,且越往下游细沙含量越大,其中沙丘区沉积物中细沙及更细的颗粒所占比例约为64%,农田区沉积物中细沙及更细的颗粒所占比例约为84%。据此表明,东柳沟的侵蚀过程在空间上表现为水力侵蚀和风力侵蚀作用的交替叠加,其中沉积泥沙中值粒径变化最剧烈的地方是风蚀和水蚀交错最为频繁的区域。     

不同生长时期丝栗栲林下土壤有机碳含量及矿化特征

[目的]分析土壤活性碳含量变化以及土壤有机碳的矿化特征,为今后深入了解掌握丝栗栲林下土壤有机碳的分解转化过程及其固碳潜力提供理论依据。[方法]基于野外取样调查以及室内分析得出的有机碳数据,利用双指数模型法,在Origin 8.6软件支持下拟合出活性碳含量以及有机碳矿化过程及强度的时空变化特征。[结果]土壤有机碳含量和活性碳含量均呈现明显的表层富集现象以及4月较低,8月最高,之后逐月降低的时间变化特点。土壤有机碳矿化强度虽然表现出与土壤有机碳和活性碳含量相同的垂直剖面特征和时间变化趋势,但其时间变化特征与土壤活性碳含量变化更为一致,只有0—20cm表层土壤表现出显著性变化。[结论]土壤有机碳矿化强度与微生物、温度和活性碳含量均达到极显著相关水平,但其时间变化特征与土壤活性碳含量变化更为一致,二者的关系更密切。     

发酵床垫料翻耙结合网床养殖改善鸭舍空气质量与鸭生产性能

为解决规模化肉鸭生产中粪污影响鸭健康和污染环境的问题,研发了一种发酵床结合网床架养新技术及其配套的可移动式网床下发酵床垫料翻耙系统,并研究了该模式在控制舍内气载微生物数量和提高鸭生产性能中的优势。结果显示:1)可移动式发酵床垫料翻耙系统实现不同发酵床体共用一台翻耙机。2)与发酵床平养相比,鸭26日龄之前未翻耙垫料时,发酵床网养舍内需氧菌总数(1.531×105 CFU/m3)和大肠杆菌数量(1.298×104 CFU/m3)显著升高(P0.05);鸭27~34日龄时每4 d翻耙垫料,发酵床网养舍内需氧菌总数(2.304×105 CFU/m3)和金黄色葡萄球菌数量(1.353×105 CFU/m3)显著降低(P0.05);鸭35~39日龄时每天翻耙垫料,发酵床网养舍内需氧菌总数(1.255×105 CFU/m3)和"沙门+志贺"氏菌数量(14.13 CFU/m3)显著降低(P0.05)。3)在发酵床平养舍内,与每4 d翻耙1次垫料相比,每天翻耙1次垫料舍内需氧菌总数(2.688×105 CFU/m3)、大肠杆菌(2.038×104 CFU/m3)、金黄色葡萄球菌(8.90×104 CFU/m3)和"沙门+志贺"氏菌(47.11 CFU/m3)数量显著(P0.05)降低,而在发酵床网养舍内,每天翻耙1次垫料舍内需氧菌总数(1.255×105 CFU/m3)和"沙门+志贺"氏菌(14.13 CFU/m3)数量显著降低(P0.05)。4)与发酵床平养相比,发酵床网养增加鸭体质量(P0.05),降低死亡率和上市淘汰率(P0.05)。结果表明研发的肉鸭养殖新模式能更好地减少舍内空气中病原菌浓度,改善鸭舍内空气环境,提高鸭生产性能。该研究为发酵床结合网床架养新模式在规模企业中推广应用提供技术支持。     

长期秸秆还田对潮土土壤各形态磷的影响

基于黄淮海低平原区潮土上33年长期肥料定位试验,采用蒋柏藩―顾益初的石灰性土壤无机磷分级方法,研究冬小麦―夏玉米轮作中长期不同氮磷用量下秸秆还田对土壤全磷、有效磷(Olsen-P)及各形态无机磷的影响。结果表明:黄淮海低平原区潮土上冬小麦―夏玉米轮作中P2O5用量0~240 kg hm~(-2),随磷肥用量的增加,土壤全磷、Olsen-P、无机磷总量及无机磷中Ca2-P、Ca8-P、Al-P和Fe-P均显著增加,O-P和Ca10-P无显著变化;当土壤输入磷量低于作物输出磷量时,无论秸秆还田与否,土壤全磷、无机磷总量、Olsen-P和无机磷中除Ca8-P外的其他各形态磷均无显著变化;当土壤输入磷量高于作物输出磷量时,随秸秆用量的增加土壤全磷、Olsen-P和无机磷中的Ca2-P、Ca8-P、Al-P均显著增加,其中以Olsen-P增幅最大,无机磷中以Ca2-P增幅最大,其次为Ca8-P,再次为Al-P;土壤磷素盈余和亏缺量与土壤中各磷形态含量均呈显著正相关关系。     

大跨度主动蓄能型温室温湿环境监测及节能保温性能评价

针对日光温室土地利用率低,单体小不能进行立体栽培果树种植,不利于机械化操作等问题。该文提出一种大跨度主动蓄能型温室,该温室南北走向,双屋面拱形钢骨架结构,并采用主动蓄放热系统进行能量的蓄积与释放。该试验以传统砖墙日光温室作为对照,对大跨度主动蓄能型温室室内外温湿度以及主动蓄放热系统的能量收支进行分析,并对比2种温室的建造成本,综合分析了试验温室保温节能效果及经济效益。结果表明:大跨度主动蓄能型温室土地利用率高达87.4%。温室夜间平均气温高于10℃,无极端低温,晴天夜间平均气温比对照温室高1.5~3.1℃,比室外高13.9~19.3℃;阴天夜间平均气温比对照温室高1.2~2.8℃,比室外高12.5~18.9℃。夜间室内相对湿度平均比对照温室低7%~10%。主动蓄放热系统性能系数COP(coefficient of performance)为3.4~4.2,平均每天能耗0.013 k Wh/m2,与传统燃煤锅炉加温系统相比,平均节能率为47%。大跨度主动蓄能型温室建造成本每平米307.2元,比传统砖墙日光温室低144.5元。大跨度主动蓄能型温室是一种土地利用率高,单体大,保温性能良好,能进行冬季果菜生产的新型温室类型,且投入少,综合其经济环境效益,值得推广应用。