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.

基于中国生态系统研究网络(CERN)长期监测数据,选取新疆维吾尔自治区代表暖温带干旱区的绿洲农田生态系统(阿克苏站)、代表暖温带荒漠区(策勒站)以及温带荒漠区(阜康站)的绿洲农田和荒漠生态系统综合观测场、辅助观测场和农户调查点2005-2020年0-100 cm 土层的土壤有机碳(SOC)储量数据,分析新疆农田和荒漠生态系统SOC储量的影响因素.研究结果表明,2005-2020年0-100 cm 土层SOC总储量平均值为阿克苏站(5.17 kg/m2)＞阜康站(4.20 kg/m2)＞策勒站(2.96 kg/m2).0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm 土层的 SOC 分别约占 0-100 cm 土层储量的 27.3％—35.3％、23.1％—24.6％和15.8％—17.5％.在阿克苏站,施肥量最高、灌溉量最低的农户调查点SOC储量最高;而在策勒站和阜康站,农户调查点和辅助观测场的施肥和灌溉措施分别最有利于提高SOC储量.总体来看,土壤含水量、地上生物量与SOC储量呈正相关关系;年平均气温与0-40 cm 土层的SOC储量呈负相关关系.在单一生态站的生态系统尺度,年平均气温与SOC储量相关性不显著;地上生物量与策勒站和阜康站的SOC储量呈正相关关系,但是与阿克苏站0-40 cm 土层的SOC储量呈负相关关系;施纯钾量与策勒站0-60 cm 土层的SOC储量呈正相关关系,但与阜康站40-100 cm 土层的SOC储量呈负相关关系.总之,与自然状态下的荒漠和农田不施肥相比,灌溉和施肥的农田管理措施有利于增加干旱区SOC储量.不同生态站要根据自身区域特点制定合理的农田管理模式,以维持较高的SOC储量.

[目的]山栏稻的栽培方式单一,传统刀耕火种的种植手段破坏环境,水作是山栏稻栽培的新模式.研究山栏稻在大田水作环境下根际微生物的变化情况.[方法]设置正常灌溉和干旱管理的山栏稻栽培处理,分别对山栏稻根际土壤细菌群落进行 16S rRNA基因扩增序列测定,测序数据结合土壤理化性质进行综合分析.[结果]栽培方式的改变明显影响了根际细菌群落的组成.正常灌溉处理的Nitrosprota和Proteobacteria相对丰度低于干旱管理,Firmicutes的相对丰度高于干旱管理.相对丰度前 10的细菌门群落与土壤理化性质具有相关性.相关性网络分析显示,正常灌溉处理中更多的细菌群落具有相互作用,正常灌溉处理拥有更复杂的细菌网络.[结论]不同水分管理栽培方式的山栏稻根际细菌群落组成发生显著变化,Nitrospirota、Proteobacteria细菌类群可能通过促进水稻根部吸收氮素来增强山栏稻抗逆性.正常灌溉处理中更多细菌群落相互作用,增强了生态系统的稳定性.

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.

在生态系统防风固沙功能研究中,土壤湿度因子是重要参量之一.传统方法多使用气象站点观测的潜在蒸发量、降雨量和灌溉量等估算土壤湿度,在空间连续性和数据可利用性方面均具有较大局限.基于遥感技术在土壤湿度探测方面的发展,本研究选择4种土壤湿度的遥感指标(MODIS蒸散比值法、SMAP 土壤湿度比值法、可见光-短波红外干旱指数法、遥感湿度指数法)对修正风蚀方程模型(RWEQ)中的土壤湿度因子的计算过程做出改进,并利用改进后的算法分析辽西北地区2001-2021年防风固沙服务的时空变化及驱动因素.结果表明:MODIS蒸散比值法计算的土壤湿度与传统气象方法的相关性最高,二者经拟合后得到的公式可用于RWEQ模型中土壤湿度因子的计算改进.2001-2021年,辽西北地区防风固沙能力呈现北部及东部地区较强、中部及西部地区较弱的空间分布特征.经Mann-Kendall趋势检验,辽西北地区72.7％的区域防风固沙能力呈上升趋势.应用地理探测器模型进行驱动因素分析发现,防风固沙能力的变化是一个多因素相互作用的过程,受土壤类型、年均风速以及经济发展水平的影响较大,且各驱动因素之间的交互作用对防风固沙的影响高于单因素的影响.本研究结果可为RWEQ模型估算做出改进,同时为辽西北地区长时间的生态功能形成机制与驱动力分析提供技术支撑.

为评估传统农田与苜蓿草地两种生态系统在资源投入和环境效应方面的差异,基于 2019-2022 年中国北方山东省、陕西省、山西省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、黑龙江省、河北省共 14 个县区的农牧户调研数据,应用生命周期评价(Life cycle assessment,LCA)方法,对中国北方传统农田和苜蓿草地生态系统全生命周期的能源消耗、土地利用、水资源消耗、全球变暖、环境酸化、富营养化这六类资源消耗和环境影响进行核算.将LCA方法应用于两类作物生产的环境影响分析,探究该方法在农业环境研究领域的有效性以及传统农田和苜蓿草地生态系统资源投入和环境效应的差异特征.结果表明:(1)传统农田和苜蓿草地生态系统环境综合影响指数分别为 0.1569 和 0.1269,苜蓿草地生态系统的综合环境效应比传统农田生态系统低 19.09%,对环境友好程度相对较高.(2)在整个区域范围内,传统农田的环境影响高于苜蓿草地的环境影响,且传统农田的环境影响效益差异显著,而苜蓿草地的环境影响整体波动较小.其中,在资源消耗方面,与传统农田生态系统相比,苜蓿草地生态系统的能源消耗减少了31.21%,所需土地面积减少了43.61%,水资源消耗减少了63.43%;在环境影响方面,与传统农田生态系统相比,苜蓿草地生态系统的气候变暖潜值降低了 43.09%,环境酸化潜值降低了 50.27%,富营养化潜值降低了 46.78%.(3)中国北方地区传统农田和苜蓿草地生态系统在资源利用和环境代价在空间尺度上差异较明显,呈现出西部高于东部的特征.(4)影响两种生态系统的主要环境影响类型均为环境酸化和富营养化,与大量的化肥生产、施用和灌溉电力消耗密不可分,因而实施配方施肥、合理灌溉、秸秆还田是降低我国北方地区传统农田和苜蓿草地生态系统生命周期内生态环境负面影响的关键.

微囊藻毒素(microcystins,MCs)是最受关注的一种蓝藻毒素,其可对肝脏产生伤害,具有急性肝毒性作用,长期摄入可引发肝癌.除水体和水产品外,MCs还可通过其污染的灌溉水富集在农作物中,增加人群的食用风险.本文系统概述了微囊藻毒素在不同农作物中的富集情况及其对农作物的毒性作用,同时评价了农作物可食用部分残留的MCs对人类健康的潜在危害.

为探明不同地下水埋深条件下地下水补给状况及大豆生长动态变化,于2021和2022年利用地下水位自动控制系统开展了4个地下水埋深处理(1 m,D1;2m,D2;3 m,D3;4 m,D4)的栽培试验,探讨地下水补给量、灌溉用水量、植株生长动态和产量与地下水埋深的关系,并采用Logistic模型对株高、叶面积指数和干物质积累等生长动态进行模拟分析.结果表明:与D1处理相比,D2、D3、D4处理地下水补给量在2年中分别降低81.1％、96.8％、97.5％和80.7％、96.7％、97.3％;D1处理大豆仅在播种时灌溉1次,其后整个生育期依靠地下水补给就可以满足生长发育的水分需求,其灌溉用水量在2年中分别较D2、D3、D4处理减少91.7％、93.0％、94.2％和90.9％、92.9％、94.0％.4个处理中,D1处理株高、叶面积指数和干物质积累进入快速生长期和达到最大生长速率的时间最短,最大增长速率最大,成熟期茎干物质分配比例最大,并促进了植株花后同化物的转运,其花后同化物对籽粒的贡献率在2年中分别较D2、D3、D4处理提高15.5％、16.2％、32.6％和45.5％、48.7％、63.3％,最终大豆株高、叶面积指数和干物质积累量均最大,D4处理次之,D3处理处于最低水平.大豆产量和单株荚数、单株粒数、百粒重均随地下水埋深的增加先减小后增大,具体表现为D1＞D4＞D2＞D3;大豆产量与地下水补给量呈极显著正相关,与株高、叶面积指数和干物质积累量均呈不同程度的正相关.综上,D1处理地下水补给充足,提高了大豆株高和叶面积指数,增大了全生育期干物质积累量,并协调生育后期植株各部分干物质的分配和转运,产量最高;当地下水埋深较大时(D4),地下水补给不济,若有充足的水分供给,大豆的生长发育和产量也能达到较高水平.

水资源是基础性自然资源和战略资源,科学量化水资源供给服务的供需关系、识别供需矛盾的突出区域是进行流域水资源管理的重要前提.以大清河流域为例,利用InVEST模型,建立了水资源供给服务空间流动量化方法,预测了用水效率提升、节水灌溉两种节水政策情景对水资源供给服务供需关系的影响.结果表明:(1)流域水资源供给服务和水资源需求量均呈现出上游低、下游高的空间分布格局,农业用水为流域主要用水类型,2010-2015年,流域水资源供给服务增长0.97％,水资源需求量出现了 9.6％的下降;(2)2010-2015年,流域整体水资源供给服务的供需比由0.78提升至0.88,服务的空间流动使得上游盈余的水量缓解了中下游的用水压力,但中下游水资源需求大于供给的问题仍普遍存在;(3)提升用水效率、推行节水灌溉这两种节水政策均能够有效改善大清河流域的水资源供需关系,分别可将流域水资源供需比提升至0.97和0.96,基本达到供需平衡.研究可为北方资源型缺水流域水资源供需匹配度的提高、节水政策潜力的评估提供借鉴.

控释肥作为一种能够提高肥料利用率、保障作物产量和节约劳动力的新型肥料已经在作物生产中得到广泛应用,而控释肥对土壤N2O排放影响结果的差异使其成为当前科学评估控释肥施用环境效应的焦点问题之一.因此,旨在探讨不同种类控释肥及氮素水平施用对华北平原冬小麦/夏玉米轮作系统土壤N2O排放的影响,为科学评价控释肥施用的环境效应及其推广应用提供科学依据.本研究监测采用静态暗箱-气相色谱法对不同控释肥施用下土壤N2O排放、环境因素以及产量进行了周年监测,探讨了不同处理(对照处理(CK)、控释肥处理1(CRF1)、优化控释肥处理1(80％ CRF1)、优化控释肥处理2(80％ CRF2)和控释肥处理3(CRF3+尿素))下土壤N2O排放特征及土壤温湿度对其的影响.结果表明:控释肥施用下冬小麦/夏玉米轮作系统中土壤N2O排放峰高值主要出现在基肥施用并伴随灌溉(或降雨)后,一般持续时间约为7-10 d,小麦返青期灌溉以及玉米后期降雨会引起微弱的N2O排放峰.不同处理土壤N2O排放通量变化范围为-235.61-2625.01 μg N2O m-2h-1,平均排放通量为23.88-51.39 μg N2Om-2 h-1,与CRFI相比,80％ CRF1和80％CRF2处理能够减小施肥期的N2O排放峰值,但不改变轮作周期土壤N2O排放季节变化规律.CK处理和CRF3+尿素处理土壤N2O排放通量与5 cm深度土壤温度之间表现出显著的正相关性(r2=0.38,P＜0.01;r2 =0.30,P＜0.05);CRF1处理和80％CRF1处理在冬小麦生长季及整个轮作周期内与土壤孔隙含水率(WFPS)表现为显著的正相关关系(冬小麦生长季分别为r2=0.50,P＜0.01;r2=0.39,P＜0.05;整个轮作周期分别为r2=0.39,P＜0.05;r2=0.43,P＜0.05).80％CRF2处理N2O年排放总量最高,为(2.89±0.24) kg N/hm2.相同控释肥种类条件下,80％CRF1处理比CRF1处理减少了14.23％,但并未达到显著水平;相同施氮量水平下,CRF1处理与(CRF3+尿素)处理之间N2O年排放总量差异不显著,而80％CRF1处理比80％CRF2处理N2O年排放总量减少16.16％,并达到显著水平(P＜0.05).本研究不同处理之间N2O直接排放系数在0.29％-0.42％之间,均明显低于IPCC 1.0％的默认值.各控释肥处理产量与当地农民常规施肥量条件下产量没有显著性差异.因此在华北地区冬小麦/夏玉米轮作系统中应用控释肥技术可以在保证产量的前提下有效减少土壤N2O排放,并且仍存在一定的减排空间.