农作物空间格局变化模拟模型的MATLAB实现及应用

Agent模型是研究农业土地系统复杂性与动态性的有效工具。在农作物空间格局变化模拟模型(CroPaDy,an agent-based model for simulating crop pattern dynamics)概念化设计的基础上,借助MATLAB平台开放性、矩阵运算能力强等特点,实现CroPaDy模型的数值模拟,并以黑龙江省宾县调查数据为依据,完成模型的区域实证研究。基于MATLAB的模型实现过程充分考虑了CroPaDy模型的多层次性(土地流转行为与作物选择行为)成功实现了3个子模块的动态嵌套模拟:1)Agent生成模块。基于已有的多源GIS数据、统计数据、典型调查数据、以及个体的通用规则,利用蒙特卡洛方法生成每一个个体Agent的属性信息;2)Agent分类模块。基于调查数据对受访农户进行态度聚类分析,然后借助人工神经网络方法确定所有生成的Agent所在的类型;3)Agent决策模块。利用概率方法,计算特定周期内每个Agent的决策行为。区域实证研究中,直接将空间耕地网格作为个体Agent,实现区域全覆盖(网格大小设置为114 m×114 m,约等于户均耕地面积),模拟结果表明,研究区2010年玉米、大豆、水稻、烤烟的模拟结果分别为2 6055.9、5 192.2、3 506.8、3 983.9 hm2,利用宾县统计年鉴(2010)进行验证,模型总体模拟精度达90%以上。CroPaDy模型的设计与实现科学合理,具有较强的理论性与可操作性,能够用以表达特定区域内的农作物空间格局及其动态变化过程。     

大兴安岭天然林不同林分溶解有机碳变化特征

为确定不同林分和季节变化对森林碳库影响。在内蒙古大兴安岭根河林业局境内选取具有代表性的林分,即白桦林、白桦落叶松混交林以及落叶松林为研究对象。收集并测定了树干径流、有机质层和0-30 cm土层中DOC浓度,并分析了DOC变化特征以及不同月份对DOC的影响。结果表明:不同林分中树干径流中DOC平均浓度分别为60.12,172.77,205.02 mg/L;有机质层中DOC平均浓度分别为35.32,39.64,34.45 mg/L;0-30 cm土层中DOC平均浓度分别为26.23,37.08,26.53 mg/L。结果表明:不同林分中DOC浓度表现为树干径流 > 有机质层 > 0-30 cm土层,落叶松林树干径流DOC浓度明显高于白桦林（p<0.05）,且落叶松树干比白桦树干淋溶DOC强;不同林分中有机质层和0-30 cm土层表现为白桦落叶松混交林>白桦林、落叶松林,但无明显的差异（p>0.05）,而且有机质层和土层对DOC有吸附固定作用;不同林分6-9月份树干径流中DOC浓度呈现先升高后降低的趋势,7月份达到最大,机质层和0-30 cm土层中DOC浓度6月份最高,7月、8月最低,而9月份又升高。不同林分和月份的变化,影响了天然林中DOC浓度分布。     

黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征

[目的]研究东北黑土区农地土壤温度变化特征,为冻融作用程度量化分析和冻融作用对土壤侵蚀影响提供基础数据。[方法]利用2015—2018年黑龙江省宾州河流域典型农地2 m土壤剖面11月至翌年4月土壤温度观测资料以及气温数据,分析了冻结和融化过程中土壤温度变化特征以及土壤温度对气温变化的响应,确定土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数。[结果] 11月至翌年2月的冻结期,土壤温度随土层深度的增加而增加;3—4月份土壤温度梯度发生反向改变,当土壤完全消融后,土壤温度随着土层深度的增加而递减,土壤最大冻结深度为80 cm。研究结果还表明,0—60 cm土层的土壤温度均与气温呈极显著正相关,其相关性随土壤深度增加而减小;而80 cm以下土层,土壤温度均与气温呈负相关。[结论]研究区土壤冻结和融化过程分别呈单向冻结和双向融化现象,冻融循环主要发生在农地耕层0—20 cm土层,其年最大冻融循环次数分别为12次和7次,为设计黑土冻融循环模拟试验提供了数据支持。     

复合菌剂对玉米秸秆的降解及土壤生态特性的影响

还田玉米秸秆降解过程中施加含有植物内生真菌的复合菌剂,在盆栽条件下研究了该菌剂对还田秸秆的降解作用,对土壤生态以及后季作物小麦生长的影响。结果表明:添加复合菌剂能够促进玉米秸秆的降解,在前30 d时效果最显著,尤其是木质素的降解,两种复合菌剂处理组木质素降解率分别比市购秸秆腐熟剂高117.36%和242.70%;施用菌剂会显著增加小麦生长早期土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶的活性,增加小麦生长早期土壤微生物数量;改善土壤理化性质,提高小麦成熟后土壤中的全氮、全钾、碱解氮和速效钾的含量;显著改善小麦生长状况,小麦返青拔节期叶片叶绿素含量显著增加,收获小麦单株生物量和单株产量也有所增加。     

The effects of straw return on potassium fertilization rate and time in the rice–wheat rotation

In order to investigate the effects of straw return on potassium (K) fertilizer application rate and time in the rice–wheat rotation, field experiments were conducted at three sites. The results showed that when the K rate was decreased to 70% of the recommended K dosage, crop yields showed no significant decrease. With K fertilization only at rice phase, crop yields showed no marked difference compared with that provided K fertilizer both at wheat and rice seasons. Though the NH₄OAc-extracted K and HNO₃-extracted K differed slightly among the treatments, the soil apparent K balance was negative without K fertilization. With crop straw fully incorporated, the recommended K dosage could be at least reduced by 30% at the experimental sites and the K fertilizer could be applied only at rice phase. A further hypothesis can be made that the best K rate was the amount of K took away by crop grain. In the long run, straw return combined with K fertilization would be an effective method to maintain soil K fertility and productivity.     

Soil nitrogen balance and nitrogen utilization of winter wheat affected by straw management and nitrogen application in the Yangtze river basin of China

Straw incorporation is a useful management practice in sustainable agricultural systems to improve soil fertility and to reduce air pollution from straw burning. A three-year field experiment was conducted under two rice straw managements and four nitrogen (N) application rates in Rugao, China during 2010–2013, to examine whether straw management practices integrated with fertilizer N applications affect crop yield, N balance and N use efficiency in the wheat season of rice-wheat cropping systems. The results showed that straw incorporation had positive effects on plant N uptake and grain yield. This may be attributed to the greater soil water content and lower amount of seasonal rainfall. However, straw incorporation resulted in lower soil inorganic N and more N surplus at the early growth stage. Grain yield had a significant relation with wheat N uptake from sowing to jointing and from jointing to anthesis with straw incorporation. Therefore, our results suggest that in adjusting the ratio of basal and topdressing N fertilizer, it is important for the supply of optimum N to the crop and to maintain grain production with straw incorporation.     

炭肥比和膨润土粘结剂对炭基肥颗粒理化及缓释特性的影响

为探究炭肥比和膨润土粘结剂对生物炭基肥理化及缓释特性的影响,以生物炭为基底,分别制备了炭肥比1:4,膨润土粘结剂质量分数为20%、15%、10%、5%和粘结剂质量分数10%,炭肥比为1:6、1:5、1:4、1:3的柱状尿素和氯化钾生物炭基肥颗粒,分析了生物炭基肥颗粒的理化及缓释特性。结果表明,在炭肥比为1:4条件下,膨润土粘结剂质量分数越高,生物炭基肥微观结构越紧密,力学和缓释特性越好,质量分数为20%时,氯化钾和尿素生物炭基肥平均抗压强度分别为286.78和281.27 N,前3天养分淋出率分别为45.53%和36.87%。在膨润土粘结剂质量分数为10%条件下,炭肥比越高,生物炭基肥缓释性能越好,炭肥比为1:3时,氯化钾和尿素生物炭基肥前3天养分淋出率分别为42.06%和40.32%。同时,氯化钾生物炭基肥表面孔隙先增后减,炭肥比为1:6和1:3的平均抗压强度分别为271.25和282.42 N。尿素生物炭基肥内部结构中孔隙变多,炭肥比为1:6时,平均抗压强度为最大值267.84 N。综合考虑,满足中等肥料浓度要求时,膨润土粘结剂质量分数为20%、炭肥比为1:4或膨润土粘结剂质量分数为10%、炭肥比为1:3的生物炭基肥成型配方较优。     

黄土高塬沟壑区综合治理试验示范成果评述与高质量发展研究展望——以陕西省长武县王东沟小流域30 a多治理实践为例

[目的]研究黄土高塬沟壑区典型小流域综合治理的成效以及生态文明建设时期面临的问题,旨在为该区域高质量发展提供理论支持和实践经验。[方法]以陕西省长武县王东沟小流域综合治理试验示范研究实践为例,基于1986年以来的监测和研究资料,总结分析了该流域30 a多来不同时段在生态环境、土地生产力和农民经济收入等方面的变化。[结果]王东沟小流域综合治理过程存在明显的阶段性。①综合治理阶段(1986—1995)。以提高土地生产力为突破口,重点提高粮食产量和人均经济收入。同时从塬面到沟道综合整治水土流失,合理开发利用土地。②生态保护阶段(1996—2005)。更新与升级粮果管理措施,保护和改善生态环境,进一步稳定和提高了土地生产力。③高质量发展试验示范研究阶段(2006—2019)。以王东沟小流域为试点,从发展绿色高效技术的角度进行研究和示范,探索适合小流域内涵式高质量绿色发展的技术体系,为黄土高塬沟壑区的高质量发展奠定基础。[结论]为实现黄土高塬沟壑区的高质量发展,必须在生态文明理念指引下,重点研究流域生态管理和技术创新体制和机制建设,在总体控制水土流失基础上,保障人居环境的生态性,社会经济系统发展的可持续性以及流域生态系统结构和功能的和谐与完整性。     

生物炭对水稻-再生稻体系吸收土壤中Cd和Pb的影响

以矿区周边Cd—Pb复合污染的农田土壤为供试材料,设置0,2.5%和5%(w/w)3个生物炭添加处理,通过盆栽试验探讨生物炭对再生稻吸收土壤中Cd和Pb的影响。结果表明,生物炭施加提高土壤pH和有机质含量,使Cd和Pb从移动性较强的弱酸提取态转化为较稳定的可还原态,且土壤CaCl2提取的有效态Cd和Pb含量分别降低33.23%~53.23%和66.52%~91.45%。同时,生物炭抑制Cd在头季和再生季水稻叶到糙米中的迁移,降低Pb从茎到叶和糙米的迁移,从而减少Cd和Pb在糙米中的累积;在5%生物炭处理下,再生季糙米Cd含量为0.15mg/kg,低于食品安全国家标准限量值(0.2mg/kg);Pb含量比对照处理降低68.18%。此外,再生季糙米中Cd和Pb含量低于头季稻糙米中相应的含量。因此,生物炭可以抑制Cd和Pb在再生稻体内的累积,降低糙米的重金属污染风险。     

137Cs和210Pbex双核素示踪"三北"防护林区退耕前后坡地土壤侵蚀变化

为查明"三北"防护林建设前后农耕地和退耕地土壤保持效益变化，利用137Cs和210Pbex双核素示踪技术，选择了防护林建设较为成功的张家口坝上地区（风力侵蚀区）作为典型区，研究了农耕地以及退耕地土壤137Cs和210Pbex的剖面变化规律及其示踪的土壤侵蚀变化。结果表明：1）由于耕作的混匀作用，农耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex均呈均匀态分布；退耕地土壤剖面中137Cs和210Pbex则表现为表层（0～5cm）浓度最高、下层（5～25cm）浓度均相对较低且分布相对均匀的形态，这表明退耕后坡地土壤137Cs和210Pbex剖面形态均会发生一定变化，退耕驱动土壤137Cs和210Pbex剖面变化导致运用土壤核素估算侵蚀模型在该区域难以适用；2）基于土壤137Cs和210Pbex剖面变化规律，利用210Pbex质量平衡方程，提出了退耕地土壤210Pbex土壤侵蚀估算模型；3）利用137Cs比例模型估算退耕地土壤侵蚀速率为27.94±11.92 (t/hm2·a)，农耕地侵蚀速率为29.11±14.42 (t/hm2·a)，而利用修正后的210Pbex转换模型估算得到"三北"防护林区退耕地造林前平均侵蚀速率为82.16±14.36 (t/hm2·a)，造林后平均侵蚀速率为-41.28±33.91 (t/hm2·a)；农耕地造林前平均侵蚀速率为68.55±22.11 (t/hm2·a)，造林后平均侵蚀速率-8.52±47.32 (t/hm2·a)。这表明137Cs示踪技术主要表征了1963年以来该区坡地土壤侵蚀和沉积的平均结果，而210Pbex示踪技术则可以较好地示踪防护林建成前后的土壤侵蚀变化。此外，研究结果也表明，相比于"三北"防护林建成之前，建成之后该区农耕地和退耕地的土壤侵蚀速率均呈显著下降趋势，且均由前期的风沙侵蚀转变成了风沙沉积。