作物水分胁迫指数(CWSI)模型中的下限温度指水分充足时的冠层温度(Tc)或冠气温差(dT),对模型量化植被水分状况精度有较大影响.目前,基于数据驱动方法直接估算下限温度已在大田作物中取得成功,但尚未见其在森林生态系统中的适用性报道.本研究以太行山南麓栓皮栎人工林为研究对象,连续同步观测Tc和气象数据,评估使用多元线性回归模型和BP神经网络模型估算下限温度的可行性,以及CWSI指示人工林水分状况的精度.结果表明:在不具备灌溉条件的森林生态系统中,将以土壤含水量、风速、净辐射、饱和水汽压差、气温作为输入参数的多元线性回归模型与BP神经网络模型中的土壤水分条件设为饱和,即可获得下限温度;将下限温度与理论公式确定的上限温度结合,对实测Tc或dT进行归一化获得CW-SI,可实现对栓皮栎人工林水分状况的无损、快速、自动诊断.其中,基于BP神经网络模型确定的水分充足条件下的dT作为下限温度,并与上限温度结合获得CWSI,最适合精准量化人工林水分状况,与实测水分状况之间的决定系数、均方根误差和一致性指数分别为0.81、0.08和0.90.本研究结果可为森林生态系统水分状况的高效、精准监测提供参考方法.

目的 探讨淄博市土壤Cd、Pb的污染状况并进行健康风险评估.方法 于2022年6-8月,在淄博市临淄区、沂源县、张店区采集土壤和蔬菜样品进行Cd、Pb含量的检测.使用内梅罗污染指数(PN)和土壤-农作物综合质量影响指数(IICQ)对土壤Cd、Pb的污染状况进行评价.采用USEPA推荐的暴露风险评估模型对土壤Cd、Pb的健康风险进行评估.结果 淄博市土壤中 Cd、Pb 含量均值分别为(0.14±0.08)、(26.34±14.23)mg/kg,范围分别为 0.02～0.49、0.56～95.55 mg/kg.各区县土壤Cd和Pb平均含量均依次为张店区＞沂源县＞临淄区.淄博市土壤Cd的PN值为1.21.张店区土壤Cd的PN值为1.24.淄博市IICQ值为3.72,临淄区土 IICQ值为1.50,沂源县IICQ值为2.52,张店区IICQ值为7.15.土壤中Cd、Pb对成人和儿童的非致癌风险和致癌风险皆未超过可接受风险水平.Cd、Pb对儿童的健康风险高于成人.经口摄入是造成健康暴露风险的主要途径.结论 淄博市土壤质量为中度污染并且土壤Cd为轻度污染.淄博市土壤中的Cd、Pb不会对人体造成健康风险.

农作物生产过程既是碳源,也是碳汇.研究作物生产过程中碳吸收、碳排放特征对区域农业碳减排具有重要意义.以陕北区域为例,采用高分辨率遥感数据,结合GEE遥感云平台和随机森林算法,获取了作物种植分布信息,并建立碳吸收排放测算模型,分析了陕北地区 2021 年农田作物的碳源/汇效应、碳足迹及其空间分布格局.结果表明:①陕北种植的粮食作物主要为玉米、稻谷、薯类、豆类,经济作物主要为蔬菜、苹果、枣树,这七类作物集中分布在延安南部河谷区域和榆林西北部区域.②除枣类外,陕北地区其余作物的碳吸收量均高于碳排放量,以碳汇功能为主,其中,玉米和苹果分别对该地区碳吸收、碳排放的贡献率最高,碳吸收、排放量分别达到了 189.74×104 t 和 11.41×104 t,苹果、薯类和枣类碳足迹较高,分别达到了 9.92×104 hm2、8.77×104 hm2和 21.65×104 hm2,其余作物碳足迹处于 0.26-1.49×104 hm2之间.③从空间上看,研究区单位面积农田碳吸收量呈现西北高、南部低的分布格局,而碳排放量、碳足迹分布正好相反,南部高、西北低.④研究区可通过培育高产品种、优化施肥量、控制农膜农药用量、调整作物种植结构等措施,提高作物固碳效应,促进农业生产碳减排.

参考作物蒸散(Reference crop evapotranspiration,ET0)是生态水文过程中的关键因子,研究ET0在干旱绿洲区的演变,不仅有助于理解气候变化背景下的绿洲水文过程响应,亦对绿洲水土资源高效配置和生态系统稳定性维持有指导意义.以宁夏沿黄绿洲为例,基于 1960-2019 年的气象资料和Penman-Monteith模型计算ET0,利用Mann-kendall突变检验、相对敏感系数和Morlet小波分析等方法,对宁夏沿黄绿洲近60a的ET0演变特征及其归因进行研究.结果表明:(1)宁夏沿黄绿洲ET0年内呈单峰形态,ET0在5-7月间较高,累积ET0占年总ET0的43.6%;近60a的ET0年均值为1226.38 mm,并以1.66 mm/a(P＜0.01)幅度上升,但年际波动特征明显,其中在 1988 年突变之前,ET0无显著变化趋势,而突变之后则以每 10a左右的周期显著增加或降低.(2)年ET0主要以 20-40 a和 50-60 a周期振荡,且有多重时间尺度的复杂嵌套现象,不同季节的周期振荡差异较大,夏、秋季振荡幅度较强,其周期接近于年ET0规律,而冬、春季振荡幅度较弱.(3)虽然ET0与 6 种气象因子均存在显著相关性,但ET0对不同气象因子的敏感性存在差异,其中对最高温度和相对湿度的敏感性较高,敏感系数分别为 11.58%和 8.40%.(4)宁夏沿黄绿洲ET0与区域气候变化特征有较强的耦合性,区域气候的持续升温和相对湿度持续降低、以及由此引发的饱和水汽压亏缺持续增强是推动ET0上升的重要原因,而气候由湿润向干旱的突变和平均风速的异常波动是诱发ET0突变的原因.

群落物种多度分布(species abundance distribution,SAD)是描述自然界生物群落中各物种间个体数量关系的定量方法,也是群落物种多样性的一项主要研究内容.目前,已提出了40余种SAD理论模型,但该如何解读群落物种多样性,学界内却很难达成一致.研究表明,各类生物群落通常由极少的优势种和大量的稀有种组成.先前有研究运用SAD分形模型对近两万个群落样本的统计分析发现,自然群落SAD最容易观测到的分布特征是1∶1/2∶1/3……,并据此提出了SAD的一般性分布关系.虽然后续研究对该项研究进行过验证,但对一般性分布关系和分形模型的探讨尚不够充分,特别是对其内在机制的解读,还要依靠更多学者提供想法,找出问题,逐步完善,并最终形成共识.本文选取大西洋深海双壳类群落和全球农作物授粉昆虫群落为例,基于拟合优度R2和分形参数p的统计分析(包括平均值、中值和频数分布),对分形模型和一般性分布关系两方面内容进行了更为详细的检验和研究.结果表明:(1)分形模型对两类群落均有较好的拟合效果,平均近70％样本(具体分别为85.5％和67.8％)的R2＞0.8;(2)两组群落最常见的SAD都是1∶1/2∶1/3……,这说明一般性分布关系可以得到包括深海贝类与授粉昆虫在内的多种生物群落的支持,具有较强的普遍性意义.本研究拟通过分形模型和一般性分布关系的验证,为学界提供值得思考和讨论的学术议题(如一般性分布关系的内在机制可能是什么),为开拓群落物种多样性研究的新领域找到较为新颖的切入点.

植被吸收光合有效辐射(Absorbed Photosynthetically Active Radiation,APAR)是植被进行光合作用中实际吸收的太阳辐射量,是植被净第一性生产力的重要指标,也是生态系统的功能模型、作物生长模型、净初级生产力模型、气候模型等的重要参数.因此高空间分辨率和精确性的植被吸收光合有效辐射对于高精度的区域生产力及光能利用率的研究具有重要意义.对CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型进行了改进,利用 30 m×30 m的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据直接计算太阳辐射,从而将其作为CASA模型的输入参数.结合多源遥感数据、气象数据,研究 2015-2020 年江汉平原APAR的时空分布及其影响因素.顾及江汉平原的土地利用分布特点,着重分析了江汉平原农田APAR的时空特性,研究结果较好的反映了江汉平原APAR分布.实验结果表明:(1)2015-2020 年APAR年总值在 3.42×1013 MJ—3.73×1013 MJ之间,总体空间分布与植被类型的分布情况相符;(2)农田月均APAR值在 4 月、7 月高于其他月份,表现出"双峰"的特征;(3)在空间分布上,水田APAR表现出明显的纬度地带性,而旱地APAR正好相反,这可能源于种植结构重心转移;(4)通过借助地理探测器,着重考虑与植被生长相关的 12 个因子(包括≧10≧积温、年总日照时数、年均气温、年总降雨量、农田种植结构、年散射辐射、农田施肥、土壤类型、土壤质地(砂土、粉砂土、黏土))进行分析,结果表明这 12 个因素对APAR空间变异性都具有很明显的影响.对CASA的改进方法可以适用于大范围高空间精度的计算.

全基因组选择(GS)育种是根据训练群体全基因组上的分子标记基因型和表型之间的关联构建遗传模型,进而对基因型已知的待选群体进行育种值估计或表型预测,以实现对育种群体高效和精确的选择.相比于常用的分子标记辅助选择育种,GS育种无需进行标记显著性测验,特别适用于微效多基因控制的数量性状,可以缩短育种周期,降低育种成本,现已成为动、植物育种领域的一项前沿技术.然而,对受环境影响较大的作物产量等数量性状而言,仍面临着基因组预测准确性难以提升的瓶颈问题.本文首先分析了影响作物GS功效的主要因素,继而从非加性效应模型、群体构建方案、多性状与多环境预测、多组学预测和育种芯片技术现状等方面阐述了GS技术在作物育种中的研究进展,并指出研究所面临的问题和发展前景,为推动作物GS育种技术的进一步深入研究提供策略和思路.

了解根系吸水模式对缺水地区发展高效的灌溉管理措施至关重要.大多数估算根系吸水的模型或传统方法都需要对根系形态有详细的了解,而这很难在原位条件下获得.本研究借助Insentek水分监测仪来估算地下滴灌条件下冬小麦-夏玉米的根系吸水特征.试验于2018-2019年在防雨棚下测坑内进行,地下滴灌灌溉量分别为作物蒸发蒸散量(ETc)的0.4、0.8、1.0和1.2倍,记为0.4ETc、0.8ETc、1.0ETc和1.2ETc,并设置地面灌溉处理为对照(CK).结果表明:土壤上层(20～50cm)和下层(60～100 cm)根系对水分的吸收存在互补效应;除0.4ETc外,灌溉后,下层土壤根系吸水速率降低;在各灌溉周期的后期,当上层根系吸水速率降低时,下层根系吸水速率表现为增强趋势;与CK处理相比,1.0ETc处理的根系吸水速率波动幅度较小,其冬小麦和夏玉米产量分别增加7.4％和15.3％;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理主要降低了冬小麦灌浆前期和夏玉米灌浆后期的测定间隔累计根系吸水量,最终,0.8ETc处理冬小麦的产量增加12.7％,而夏玉米产量没有显著降低;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理的水分利用效率显著增加.综上,地下滴灌适度亏缺灌溉(0.8ETc)能增强深层土壤根系吸水能力,提高冬小麦的产量及冬小麦-夏玉米水分利用效率,是一种有效的高产节水灌溉策略.

实时、准确获取叶绿素含量信息对及时了解农作物受害程度、指导农业生产和估测产量等具有重要意义.为探索受渍冬小麦各层叶片叶绿素相对含量(SPAD)的最优估测模型,本研究设置排灌可控的冬小麦渍害胁迫梯度微区试验,分析了15个常用高光谱特征指数与SPAD的相关关系,并对基于多元线性回归、支持向量机、BP神经网络、决策树和随机森林模型的受渍冬小麦各层叶片SPAD的估算结果进行了对比分析.结果表明:短期渍水(≤3d)对冬小麦分层叶片的SPAD值影响不明显,当渍水时间大于9 d时,SPAD值随着渍水时间的增加降低较为明显,在生长后期为0;15个高光谱特征指数与SPAD均达到极显著相关水平(P＜0.05),其中Ctr2、Dy、NDVI和SIPI 4个指数与SPAD的相关性最好,其相关系数的绝对值分别达到0.880、0.868、0.868和0.833;与基于L1、L2和L3层叶片SPAD相比,基于平均SPAD的高光谱估算结果最好,其R2达到0.719;与其他4个估算模型相比,随机森林模型可较好地估算各层叶片的SPAD值,其R2、RMSE、RE分别为0.824,4.359和2.96％.可见,利用高光谱信息进行受渍冬小麦SPAD估算时可采用平均SPAD值,且基于随机森林模型的估算结果较好.

全球气候变化和人口激增背景下,灌溉和施肥成为保证粮食产量的重要途径,同时也深刻改变着陆地生态系统水循环、能量流动和物质循环过程.在陆面过程模型(LSM)中耦合灌溉和施肥方案对清晰把握陆-气相互作用、保障全球粮食安全有重要意义.本文分别回顾了灌溉和施肥(氮肥)在LSM参数化过程中的3个关键参量(方式、用量和时间)的表达方法,指出了当前受到灌溉和施肥关键参量高时空分辨率数据匮乏的影响,LSM中的灌溉和施肥方案与实际农业生产方式有所偏离,难以充分反映灌溉和施肥对粮食产量、生态环境和局部气候的影响.最后,提出了 LSM中灌溉和施肥方案的未来优化方向:1)考虑作物间的水分需求差异,对灌溉阈值进行差异化设置,正确评估不同作物的水资源消耗总量和强度;2)充分利用施肥灌溉的地面观测记录和日益丰富的区域格网数据,发展更加贴合实际农业操作的参数化方案,准确揭示灌溉和施肥的经济、生态和气候等效应;3)综合作物类型、物候阶段、土壤基础肥力等因素,发展施肥诊断方案作为模型的补充方案,提升模型在氮肥数据匮乏地区的应用性和模拟准确性.