Long-term cultivation impact on the heavy metal behavior in a reclaimed wetland,Northeast China

Purpose

Heavy metal fractionation varies according to land uses. To understand the behavior of heavy metals in wetland soils under long-term agricultural cultivation, we examined the distribution, source, and associated environmental risk of heavy metals in different types of wetland soils.

Materials and methods

Soils were collected in cultivated lands, artificial ditches, and riparian zones from a reclaimed wetland in the Sanjiang Plain, Northeast China. They were analyzed for total concentrations and chemical fractions of Pb, Cd, Cu, Zn, Cr, and Ni, as well as pH, soil organic matter, total phosphorus, and particle size distribution.

Results and discussion

Heavy metal concentrations were significantly lower in cultivated wetland than in ditch and riparian wetlands. Riparian wetland was found to exhibit the highest metal concentrations. When compared with other two wetland types, the cultivated wetland showed much higher partitioning levels of heavy metals in the acid-soluble fraction and lower partitioning levels in the oxidizable fraction. Although Cr, Cu, and Ni in ditch and riparian wetlands were identified as the metal pollutants of primary concern, they had a low or no risk of further dispersion to other environmental components. Weathering of parent materials was the main source of Cr and Cu, Pb, Cd, and Zn originated mainly from agricultural practices, and Ni emanated from a mixture of sources.

Conclusions

Long-term agricultural cultivation can lead to significant heavy metal loss in cultivated wetland but enrich heavy metal concentrations in ditch and riparian wetlands. Periodic ditch dredging is considered an effective measure for decreasing heavy metal input into the fluvial system and thereby reducing the dispersion to the regional water environment.     

增压中冷柴油机EGR系统文丘里管的设计与试验

针对柴油机在低速、大负荷工况下引入EGR（exhaust gas recirculation）气体困难的实际情况,该文采用在中冷器后安装一个文丘里管的方法提高对EGR的引射能力。通过计算初步确定了文丘里管的喉口直径,并设计了3种不同结构尺寸的文丘里管,进行了相关试验。试验结果表明,随着发动机转速的提高,气体流量增加,文丘里管的降压作用增强;EGR阀前与文丘里管喉口的压差随着发动机转速先减小后增加,在1 100到1 600 r/min转速范围内,该压差为负值,不利于引入EGR气体;在2 200 r/min时,随着发动机负荷的增加,EGR阀前压力始终大于文丘里管前压力,即使没有文丘里管,发动机也可以顺利引入EGR,但二者压差随着负荷的增加而减小,导致高负荷时EGR率降低;文丘里管的降压作用随发动机负荷的增加而增加,EGR引射能力随负荷的变化不明显;在试验负荷范围内,文丘里管前后的压力损失始终大于5 kPa;在2 200 r/min时,3种喉口直径的文丘里管的EGR引射能力随着负荷的增加均有增强的趋势,但直径较小的文丘里管EGR阀前与喉口压差较大,容易实现较高的EGR率;但在1 600 r/min时,3种文丘里管的EGR引射能力均随着负荷的增加而减小;当扭矩超过470 N·m时,随着文丘里管喉口直径的增加,EGR阀前与文丘里管喉口压差逐渐降低,引入EGR气体的难度逐渐增加。研究结果可为增压中冷柴油机废气再循环系统文丘里管的设计和应用提供参考。     

不同土地利用方式下土壤温度与土壤水分对黑土N2O排放的影响

采用静态箱一气象色谱法,对黑土区3种不同土地利用方式（草地、裸地和农田）下土壤氧化亚氮（N：O）的排放特征及其与土壤温度和土壤水分的关系进行研究。结果显示：试验监测期间（2011年5月27日-9月30日）,不同土地利用方式下,土壤N：0累积排放量分别为草地52．08mgN·m^-2裸地64．43mgN·m^-2农田70．16mgN·m^-2,农田土壤N：O累积排放量比草地和裸地分别高出35％和9％,草地、裸地和农田的N2O平均排放通量分别为16．56、20．36、21．44μgN·m^-2·h^-1。草地和裸地中,土壤N2O排放通量与土壤温度和土壤水分（充水孔隙度,WFPS）相关性均不显著,但在农田中,土壤N20排放通量与土壤温度（5cm和10cm）和土壤水分（5cm）均呈显著正相关（P〈0．05）。另外,土壤N2O累积排放量与土壤硝态氮和矿质氮含量均呈正相关关系。研究表明,黑土草地开垦可促进土壤N2O的排放,且不同土地利用方式下土壤N2O排放的主要影响因子不同。     

基于离散元法的牛肉咀嚼破碎模型构建

为了实现准确、便捷、客观地牛肉嫩度分级检测。该文利用离散单元法构建牛肉块在口腔中咀嚼破碎模型,并进行仿真模拟。研究中选取50头牛的眼肉作为试验样品,30头牛用于构建模型,20头牛用于验证仿真模型的准确性。试验牛样品在75~80℃的恒温水浴中加热至样品内部温度达到70℃时取出,冷却至室温(20℃)。利用质构仪测得牛肉样品的剪切模量、法向刚度等参数,同时测得密度、碰撞恢复系数、摩擦系数等构建离散元模型需要的相关参数。利用测得的参数构建牛肉咀嚼破碎的离散元仿真模型。将咀嚼破碎的牛肉微颗粒作为离散单元模拟仿真中的最小单位,利用Hertz-Mindlin with bonding模型中的颗粒体积力将牛肉块替换为微颗粒黏结的颗粒簇。在咀嚼作用下,当任意2个微颗粒之间的法向应力和切向应力超过最大极限值时,颗粒簇就开始破碎,仿真牛肉的咀嚼破碎过程。研究中利用离散元模拟仿真4个咀嚼周期并记录力和牛肉颗粒的变化。采用感官评定法和剪切力测定分别验证仿真的准确性,准确率都达到90%。研究表明,利用离散元模拟仿真能有效地实现牛肉嫩度等级的预测评定,为牛肉嫩度品质检测提供新方法。     

心土培肥犁改良瘠薄土壤的效果

研究根据心土培肥的改土技术要求研制出心土培肥犁,并分别在瘠薄黑土和碳酸盐草甸黑钙土上开展大面积机械改土试验,明确自主研发的心土培肥犁改土后对土壤理化性质影响及对作物产量的效果,为其广泛应用到低产土壤改良提供机械及技术支持。试验设深松、心土培肥和常规对照耕作,采用大田对比方法。研究结果表明:心土培肥和深松在不同类型土壤上对土壤理、化性质,对作物产量及产量性状影响后效不完全一致;心土培肥降低土壤抗剪强度后效明显,碳酸盐草甸黑钙土10~30 cm土层土壤抗剪强度比对照降低6.65~12.16 k Pa,黑土比对照降低8.20~11.31 k Pa,碳酸盐草甸黑钙土改土后效果明显,黑土改土后效长,心土培肥改土效果优于深松;土壤容质量和硬度趋势同上;心土培肥提高土壤透气系数为2.78~14.28倍,饱和导水率为2.38~11.62倍;深松和心土培肥可提高下层土水分消耗比例,30~60 cm土层耗水量为心土培肥区深松区对照区,心土培肥耗水量比照高10%;心土培肥处理可提高土壤磷含量和供磷强度,20~30 cm和30~40 cm土层土壤供磷强度比对照分别提高4.19~5.17倍和4.96~17倍,碳酸盐草甸黑钙土高于黑土;心土培肥可提高玉米产量,碳酸盐草甸黑钙土上心土培肥增产幅度为6.82%~18.01%,黑土增产幅度为6.45%~11.18%,平均增产效果碳酸盐草甸黑钙土薄层黑土,但黑土持续增产效果好。     

实测高光谱和HSI影像的区域土壤含水量遥感监测研究

基于典型研究区植被冠层实测高光谱数据和HSI高光谱影像数据,通过相关分析选择与不同深度土壤含水量响应敏感波段,建立两者的土壤含水量反演模型,并用实测高光谱土壤含水量反演模型校正HSI影像土壤含水量反演的模型。结果表明:土壤含水量响应敏感波段区域为450~650 nm和850~920 nm;两种土壤含水量反演模型对土壤深度为0~10 cm的土壤含水量估算效果最好,其中实测冠层高光谱土壤含水量反演模型精度高于HSI影像土壤含水量反演模型,判定系数(R~2)分别为0.659和0.557;经过校正的HSI影像土壤含水量反演模型精度有了较大的提高,判定系数(R~2)从0.557提升到0.719,均方根误差(RMSE)为0.043 5,较好地提高了区域尺度条件下土壤含水量监测精度,因此运用该方法进行土壤含水量遥感监测是可行的,为进一步提高区域尺度下土壤含水量定量遥感监测提供参考借鉴。     

Nitrogen Fractions and Release in the Sediments from the Shallow Lakes in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River Area, China

Different nitrogen (N) fractions from 14 sediments from the shallow lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River area before and after N release experiments were investigated, and the content of different N fractions, and contribution of different N fractions to the N released from sediments were also studied. Ion-exchangeable form (IEF–N), carbonate form (CF–N), iron-manganese oxide form (IMOF–N) and organic matter-sulfide form (OSF–N) accounted for 2.72～17.67%, 0.47～4.43%, 1.18～3.49% and 31.05 to 71.61% to total N, respectively. The N released was higher than 50% from IEF–N, approximately 35% from OSF–N, 6 and 8% from CF–N and IMOF–N on the average. Approximately 27.32～70.02% of IEF–N, 10.37～32.11% of CF–N, 11.37～33.43% IMOF–N and 2.02～8.19% OSF–N were released. For the sediments that were slightly polluted, IEF–N was the main N fraction that may be released and its contribution to total N released was more than 63.07%, for the sediments that TN was higher than 3,540.27 mg·kg^?1, OSF–N would become the main N fraction that can be released and its contribution to total N released was more than 45%.     

灌排调控的稻田排水中氮素浓度变化规律

基于农田排水氮素浓度及湿地进出口断面总氮（TN）、氨态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）浓度的监测,研究了灌溉排水措施以及沟塘湿地对农田排水中氮素浓度变化的影响。结果表明,控制灌溉的水稻全生育期稻田排水中TN、NH4+-N和NO3--N浓度分别较常规灌溉处理低12.08%、20.33%和13.51%;控制排水处理下稻田排水中TN、NH4+-N和NO3--N浓度分别较常规排水处理低2.21%、7.08%和20.92%;湿地出口水体中TN、NH4+-N和NO3--N浓度分别比入口降低了16.8%、14.4%和50.9%,湿地水体中TN、NH4+-N、NO3--N浓度随时间近似服从指数函数衰减趋势。控制灌溉、控制排水及沟渠塘湿地系统的调控措施对农田排水中氮素的净化效果比较显著。     

万州区农村居民点空间布局特征与调控

以重庆市万州区为例,借助Arc GIS、Geo Da、Fragtats软件,运用探索性空间数据分析、空间韵律测度及多维特征组合方法,分析研究区农村居民点空间分布、规模和形态,探索居民点布局类型及优化路径。结果表明:(1)在空间分布上,呈"西密东稀"的分布格局;(2)在规模结构上,农村居民点间呈正的空间自相关性,但相关程度较低,西部存在多个低值集簇区,东部多随机分布;(3)离城镇、河流、交通近的区域居民点分布多,形状指标也较大;(4)通过多维度特征组合方法,将万州区农村居民点划分为18种布局形式,以中等规模-形态规整-优势区位、大规模-形态规整-优势区位为主,并从发展模式、基础建设、生态涵养等方面提出相应的优化调控路径。     

小盐芥 TsPIP1;1 与 TsTIP1;1 基因增强转基因水稻耐盐性

【目的】为更好地了解植物水通道蛋白盐胁迫下的调节作用,对小盐芥质膜内在蛋白TsPIP1;1及液泡膜内在蛋白TsTIP1;1在转基因水稻中的盐胁迫生理响应机制进行探究,旨在为水通道蛋白在耐盐作物分子改良育种中的应用提供理论支撑。【方法】以野生型 (WT) 与 T3 代转 TsPIP1;1 及 TsTIP1;1 基因水稻为材料,进行了水培试验,并设置了 0、100、200 mmol/L NaCl 处理。处理一周后,分别测定水稻的光合参数、株高、生物量、相对含水量、失水率及钾、钠含量。【结果】在盐胁迫处理下,与野生型相比,转基因水稻的生物量和含水量明显增加,渗透势和失水率显著降低。转 TsPIP1;1 及 TsTIP1;1 基因水稻根部及地上部的 Na+ 含量都显著降低,K+ 在转基因株系中的累积显著高于野生型,降低了体内 Na+/K+ 比,并且能够保持更强的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率及水分利用效率。在 200 mmol/L NaCl 处理下,与野生型相比,TsTIP-5、TsTIP-7 及 TsPIP-19 的株高分别高出 8.2%、11.6%、4.9%;单株干重分别高出 17.9%、23.9%、16.9%;地上部 Na+/K+ 比分别降低 24.3%、24.4%、24.8%;根部 Na+/K+ 比分别降低 29.6%、27.5%、32.4%;渗透势分别显著降低了 18.3%、19.4%、30.3%;相对含水量分别增加了 5.8%、5.5%、5.4%;净光合速率分别增加了50.4%、 78.5%、56.2%。【结论】TsPIP1;1 及 TsTIP1;1 增强了转基因水稻的光合呼吸作用,通过降低植物体内 Na+/K+ 比,参与植物细胞的渗透调节,提高了细胞持水能力,促进转基因水稻的生长发育,增强了水稻的耐盐性。