Field mesocosms for assessing biotic processes in soils: How to avoid side effects

Field mesocosms can overcome the simplicity and deficiencies of laboratory based experimental designs. This study deals with a number of possible side effects of a mesocosm technique that involves deep-freezing of soil monoliths to eliminate soil fauna, wrapping in nets of various mesh-size to control faunal immigration and replanting in the field. We used Berlese-Tullgren sets in the field to directly inoculate mesocosms with microarthropods. After 6 months of exposure, the number of collembolans equalled control level whereas immigration and inoculation of oribatids accounted for only 30% of the control. The number of ciliates, their distribution into feeding groups, and the numbers of nematodes, tardigrades and rotifers were not significantly affected by the elimination of mesofauna. We also did not detect significant treatment specific effects on microclimatic conditions within the litter layer of the mesocosms. Furthermore, we compared the monolith approach with a technique using sieved soil as a time-saving alternative. Water capacity and infiltration rate of mesocosms made of sieved soil did not differ from mesocosms made of monoliths, but NH₄⁺ losses were significantly higher in sieved soil when defaunated by deep-freezing. We conclude that the investigated mesocosm technique has little side effects and recommend the use of monoliths in mesocosm studies.

Résumé

La mise en œuvre de mésocosmes au champ peut être une alternative pour pallier la simplicité et aux imperfections des expérimentations en laboratoire. Cette étude aborde les différents effets secondaires potentiellement générés par une approche en mésocosmes, impliquant successivement i) une défaunation des monolithes de sol par congélation intense, ii) leur enrobage au moyen d'une toile de vide de mailles dans le but de contrôler l'immigration de la faune, iii) leur replacement au champ. À l'aide d'appareils de Berlèse-Tullgren utilisés sur place, les mésocosmes ont été ensuite directement inoculés avec les micro-arthropodes extraits. Après 6 mois d'incubation, l'abondance des collemboles est similaire à celle observée initialement dans le sol témoin alors que l'abondance des oribates, par immigration et inoculation, atteint seulement 30% de l'abondance observée dans le sol témoin. L'élimination de la mésofaune n'a pas affecté le nombre de ciliés et leur distribution dans les différents groupes trophiques, ni le nombre de nématodes, de tardigrades et de rotifères. De même, nous n'avons pas mis en évidence de manière significative d'effets secondaires, spécifiques au prétraitement des monolithes sur les conditions microclimatiques régnant au sein de la couche de litière dans les mésocosmes. L'approche en monolithes de sol est aussi comparée avec une approche par tamisage du sol, en tant que technique alternative permettant un gain de temps. La capacité de rétention en eau et le taux d'infiltration mesurés dans les mésocosmes constitués de sol tamisé et ceux constitués de monolithes de sol ne différent pas, mais les pertes en NH₄⁺ sont significativement plus élevées dans les mésocosmes faits de sol tamisé, après l'étape de défaunation par forte congélation. Nous concluons que la technique mésocosme proposée ici présente peu d'effets secondaires et nous recommandons l'utilisation de monolithes de sol pour des études en mésocosmes.     

基于分布式测量的农业小气候智能观测系统设计

在农业小气候观测中,不仅有观测位置的要求,还有观测层次的要求。目前的农业小气候观测系统大部分采用集中控制系统,现场线缆安装工程量大、成本高、维护检修困难;在根据现场观测需求增加新的监测气象要素时往往需要修改软硬件设计;而且过多的线缆、过大的体积影响农事活动。本文设计了一种分布式农业小气候智能观测系统,体积小,安装维护方便;组网方式灵活,可任意扩展观测位置或层次。文章从该系统的设计背景、设计方法、设计方案与原理等方面进行了叙述。     

Impact of increasing shade levels on the dry-matter yield and botanical composition of multispecies forage stands

Botanical diversity has been linked to increased biomass production of grasslands, but these relationships have not been explored as extensively in silvopasture systems where shade impacts on forage mass are variable due to the unique structure and environment of each system. The objective of this study was to evaluate the impact of multiple artificial shade levels on the DM yield and botanical composition of three cool-season forage mixtures near Blackstone, Virginia, USA. Mixtures were as follows: simple = tall fescue [Schedonorus arundinaceus (Schreb.) Dumort., nom. cons.] and white clover (Trifulium repens L.); intermediate = simple + orchardgrass (Dactylis glomerate L.) and red clover (Trifolium pretense L.); and complex = intermediate + Kentucky bluegrass (Poa pratensis L.), birdsfoot trefoil (Lotus corniculatus L.) and alfalfa (Medicago sativa L.). Slatted structures created conditions of 30%, 50% and 70% shade relative to a full sun control. Forages were harvested mechanically (no grazers present). Annual yield (DM kg/ha) did not differ among mixtures. As compared to full sun, annual yield was no different at 30% shade, but was reduced by 22 and 36% at 50 and 70% shade respectively. In contrast to other species in the mixtures, orchardgrass increased in proportion when grown beneath all shade levels and is recommended for silvopasture use. Orchardgrass is not particularly well-adapted to the transition zone between the northern temperate and southern subtropical United States; therefore, these results indicate that silvopastures may be an effective way to integrate marginally adapted, shade-tolerant cool-season forages into transition zone grazing systems.     

江南地区大棚草莓产量预报模型研究

研究旨在建立以浙江慈溪为代表的江南地区气候相似区域无加温大棚草莓产量预报模型。根据冬春季大棚草莓主要生育期和果实生长发育生理特性,以2011—2021年浙江省设施农业气象试验站（慈溪）大棚草莓产量统计数据、产量形成期大棚内各小气候要素气象资料为研究基础,采用多项式预报法,构建基于有效积温和辐热积等小气候关键因子与产量的多元回归模型,从而建立江南地区大棚草莓产量预报模型。所建产量预报模型平均精度达95.3%,最低精度在90%以上,有较好精度,可提供较为准确的大棚草莓年产量预报信息,可为江南地区大棚草莓及其他气候相似区大棚果蔬作物生产过程中的产量预报提供参考。     

秒尺度温室番茄作物-环境互作模型构建与验证

为了解决现有温室模型时间尺度不统一的问题,该研究建立了一个时间尺度统一的温室番茄作物-环境互作模型,描述作物与环境之间的相互作用,提高模型的精准性。首先,将番茄作物生长模型拆分成SUPPLY、PARTITION、GROWTH3个子模块,针对3个模块在由天数量级时间尺度到秒数量级时间尺度变换时存在的问题,通过模型替换、结构改造、参数辨识等方法对时间尺度进行了转换,并利用EFAST敏感性分析算法将模型中的不确定参数分为敏感参数和不敏感参数两类。然后,在秒时间尺度番茄作物生长模型的基础上,考虑番茄作物对温室环境的实时反馈,结合小气候模型形成包含未知参数的"通用"的互作模型结构。最后,利用贝叶斯优化方法及番茄生产温室的实际数据,分别对互作模型中生长模型和小气候模型的未知参数进行参数辨识,确定互作模型全部结构与参数,得到可用的互作模型。利用该研究得到的秒时间尺度生长模型对2015—2018年上海崇明A8温室番茄产量进行模拟,其与真实产量值间的均方根误差在7.34～18.85 g/m~2之间,平均相对误差在5.8%～18%之间,均小于TOMGRO模型与Integrated模型,可以更好地预测产量变化。含作物反馈的小气候环境模型经参数辨识后,模拟番茄作物3个不同生长时期(幼苗期、开花坐果期、结果期)的环境因子(温室内温度、湿度、CO_2浓度)变化的平均相对误差均在3%～6%之间,且相较于未考虑作物反馈的一般小气候模型有更好的模拟效果。互作模型的建立将作物与温室小气候环境统一成一个模型,可以为温室环境控制提供模型基础。     

Can the ecosystem mimic hypotheses be applied to farms in African savannahs?

The first ecosystem mimic hypothesis suggests clear advantages if man-made land use systems do not deviate greatly in their resource use patterns from natural ecosystems typical of a given climatic zone. The second hypothesis claims that additional advantages will accrue if agroecosystems also maintain a substantial part of the diversity of natural systems. We test these hypotheses for the savannah zone of sub-Saharan Africa, with its low soil fertility and variable rainfall. Where annual food crops replace the natural grass understorey of savannah systems, water use will decrease and stream and groundwater flow change, unless tree density increases relative to the natural situation. Increasing tree density, however, will decrease crop yields, unless the trees meet specific criteria. Food crop production in the parkland systems may benefit from lower temperatures under tree canopies, but water use by trees providing this shade will prevent crops from benefiting. In old parkland trees that farmers have traditionally retained when opening fields for crops, water use per unit shade is less than in most fast growing trees introduced for agroforestry trials. Strong competition between plants adapted to years with different rainfall patterns may stabilise total system productivity -- but this will be appreciated by a farmer only if the components are of comparable value. The best precondition for farmers to maintain diversity in their agroecosystem hinges on the availability of a broad basket of choices, without clear winners or 'best bets'. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

不同农林复合系统小气候日变化特征研究

通过对江淮丘陵山区不同农林复合模式小气候观测,结果表明：不同模式的小气候因子的日变化有一定的差异,并具有相似的变化规律,初步认为,一年生五角枫（Acer mono Maxim）和马褂木（Liriodendron Chinese）与花生复合模式具有相对良好稳定的水、光、气、热生态小环境。     

春季不同类型城市滨水绿地的微气候与人体舒适度研究

采取实地监测法研究城市滨水绿地的郁闭度以及平均树高对微气候和人体舒适度的影响。在2019年春季（4月）,对宝鸡市渭河公园和渭河生态园的9种滨水绿地和1个空地对照进行微气候指标监测,包括温度、相对湿度和风速,人体舒适度采用温湿指数来评价。结果表明,在观测期间各样地的温度先增长后下降,在12:00-14:00期间出现最大值;风速则出现多个峰值。具有中郁闭度配置的滨水绿地的温度值和风速值较高,其中具有高平均树高的滨水绿地的平均温度最高,为14.7℃;具有中平均树高的滨水绿地的平均风速最高,为2.8 m·s^-1;相对湿度先降低后增长,其中具有中郁闭度高平均树高配置的滨水绿地的平均相对湿度最高,为61.6%。各样地的人体舒适度均在上午时段出现明显的增长,随后趋于平稳。显著性分析发现具有中郁闭度及中、高平均树高的滨水绿地产生的降温、增湿以及防风的作用显著优于其他配置的滨水绿地,其中具有中郁闭度、高平均树高的滨水绿地的降温、增湿以及削减风速的作用最显著,效率分别为12.19%、39.58%、20.40%,全天的人体舒适度评级为“冷”。综上,具有中郁闭度、高平均树高的滨水绿地可以更高效地改善微环境,更适宜春季居民的日常游憩。     

云冷杉林风倒区坑丘微立地微气候因子时空变化及其与土温的关系

为了揭示云冷杉林生长季坑丘微立地上微气候因子的时空变化以及PPFD、RH、SWC与不同深度T_S的相关性。2013年7—9月在小兴安岭谷地云冷杉林风倒区1.50 hm²的固定样地内,测定所有35对坑丘微立地(丘顶、丘面、坑底、坑壁)的光量子通量密度(PPFD)、空气相对湿度(RH)、地表土壤温度(T_S0)、5 cm和10 cm深度的土壤温度(T_S5和T_S10),以及07.6 cm、012 cm和020 cm土壤含水量(SWC₁、SWC₂和SWC₃)等微气候因子,并将完整立地(未受掘根干扰的完整林地)设为对照样地。比较5个不同微立地微气候因子的月变化以及PPFD、RH以及SWC对土壤温度(T_S)的影响。结果表明:7—9月,坑丘微立地(丘顶、丘面、坑底、坑壁)的月均PPFD和T_S0均为7月>8月>9月,月均RH以及T_S5和T_S10均为8月>7月>9月,月均SWC均为8最大;7—8月不同微立地月均PPFD大小顺序均为丘顶>丘面>坑底>完整立地,9月却为丘顶>丘面>完整立地>坑底>坑壁;7—9月,各微立地T_S0大小顺序均为丘顶>丘面>完整立地>坑壁>坑底,而5 cm和10 cm均为丘顶>丘面>坑壁>完整立地>坑底;月均RH和月均SWC均为坑底>坑壁>完整立地>丘面>丘顶;7月丘顶的PPFD最大,为736.11 μmol·m^-2·s^-1,完整立地最小,为25.46 μmol·m^-2·s^-1,丘顶T_S最高,为26.29℃,坑底T_S最低,为5.13℃;浅层SWC大于较深层的,最大SWC出现在8月的坑底,为51.58%。相同微立地(丘顶、坑底、完整立地)PPFD与浅层T_S的相关性大于较深层的土壤,T_S0与PPFD呈正相关,与RH呈负相关。     

珠海淇澳岛红树林的温湿效应与人体舒适度

以广东省淇澳岛红树林林内和林外无林地作为研究对象,评估红树林温湿小气候环境对人体的舒适度.每天从8:00-18:00,每隔10 min 1次,同时测定红树林内和林外无林地的温度和相对湿度,每月连续测定3d,持续测定1 a.对两站点的气候因子的日变化和年变化进行对比和分析.结果表明:在测定的时间段内,红树林林内的气温一直低于林外无林地,相对湿度则高于林外无林地,红树林日降温幅度在0.6-2.4℃,平均降温1.3℃,平均降温率3.92％;日增湿幅度4.0％-20.7％,平均增湿8.0％,平均增湿率12.0％;两地气温、相对湿度的日最大差值出现在14:00左右,年最大差值出现在8月份,通过对温湿度指数的计算,红树林小气候对人体舒适度有一定的调节作用.