精确评估地-气之间物质和能量交换对于有效管理水资源和促进农业可持续发展至关重要.为揭示黄河故道区玉米农田生态系统的能量分配特征和水热分量动态变化过程及其对气象因子的变化响应,本研究基于涡度相关系统和全要素自动气象站,对2019-2020年黄河故道区典型夏玉米农田生态系统的能量通量以及常规气象要素进行不间断观测,分析夏玉米农田各能量通量的变化特征以及与气温、降水、风速等环境因子的相关关系,并计算夏玉米生育时期的能量闭合率和能量分配比率.结果表明:研究区夏玉米净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在11:00-14:00,土壤热通量的峰值发生在14:00-15:00.在能量分配上,夏玉米农田全生育期的能量分配以潜热通量和显热通量为主,播种-出苗期能量主要被显热通量消耗,占净辐射的37.1％,其余生育周期的能量均以潜热通量消耗为主.全生育期能量闭合率较好,决定系数为0.83,其中,白天闭合率较高,晚上较低.降水对潜热通量和显热通量都有明显影响,潜热通量对降水的反应更敏感,生育后期潜热通量在降雨后与降雨前的增幅比生育前期低.在夏玉米全生育期内,太阳辐射是水热通量最主要的气象因子,其次为饱和水汽压差.温度和饱和水汽压差对潜热通量的贡献度明显高于显热通量,风速、相对湿度和太阳辐射对潜热通量的解释率低于显热通量,叶面积指数和植被覆盖度与潜热通量呈显著正相关、与显热通量呈显著负相关.本研究的定量化结果可以深化对黄河故道区夏玉米农田水热传输规律的认识,为作物高效用水提供理论依据.

土壤有机质是表征土壤质量的重要指标,白浆土作为具有典型障碍层的土壤,其低有机质含量易对作物生长发育产生不良影响,明确不同有机物料深混对白浆土表层土壤有机质再分布的影响,可为东北农田白浆土构建适宜的耕层提供理论和技术参考.本研究在黑龙江省双鸭山市白浆土上进行了为期2年的定位试验,设置5种处理:深翻35 cm(T35)、秸秆深混35 cm(T35+S)、有机肥深混35 cm(T35+M)、秸秆搭配有机肥深混35 cm(T35+S+M),以农民常规措施(浅翻15 cm,CK)为对照.结果表明:有机物料深混35 cm还田处理(T35+S、T35+M和T35+S+M)可显著提升玉米产量,其中以T35+S+M处理对玉米产量的提升效果最显著,2年平均增产2934.76 kg·hm-2.与CK相比,T35处理耕层(0～15 cm)土壤有机质含量降低8.4％,而亚耕层(15～35 cm)土壤有机质含量增加7.6％,亚耕层土壤有机质丰富度指数增加17.5％.在深翻基础上有机物料还田可显著提升全耕层(0～35 cm)土壤有机质含量,全耕层土壤有机质转化率为16.3％～31.0％.与T35处理相比,T35+S处理耕层和亚耕层土壤有机质含量无显著增加,T35+M和T35+S+M处理耕层土壤有机质含量分别显著增加4.6％和6.9％,亚耕层土壤有机质含量分别显著增加11.2％和15.4％,亚耕层土壤有机质丰富度指数分别增加2.5％和5.1％.相关性分析表明,全耕层土壤有机质含量与玉米产量呈显著正相关,贡献率达17.5％.综上,有机肥或有机肥配合秸秆深混还田是培肥白浆土的有效措施,且主要是通过提升全耕层(0～35 cm)与亚耕层(15～35 cm)土壤有机质含量实现.

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.

景观破碎化对物种的影响依赖于斑块属性,斑块属性体现了斑块的类型、面积、形状及其与周围斑块间关系.然而,在破碎化农业景观中这些斑块属性对关键物种的联合影响仍知之甚少.选取中国海南地区的典型农业破碎化景观,实测了 180 个斑块中三类关键物种,分别为害虫-橡胶材小蠹虫(Xyleborus affinis)、传粉昆虫-中华蜜蜂(Apis cerana)和天敌物种-玉米螟赤眼蜂(Trichogrammatid ostriniae Pang et Chen),刻画了各斑块属性,包括斑块类型、斑块面积、形状指数、距天然林距离、是否与橡胶接触、景观中天然林所占比例、是否有林下植物,并使用 3 种机器学习模型(神经网络、随机森林、支持向量机)拟合斑块属性与三类物种丰富度关系,解析斑块属性的相对重要性.结果表明,与支持向量机和神经网络相比,随机森林模型对三个物种的丰富度预测效果均最好,其R2在橡胶材小蠹虫、中华蜜蜂和赤眼蜂中分别达到 0.785、0.845 和 0.798;基于随机森林模型的结果表明,斑块类型对橡胶材小蠹虫和中华蜜蜂丰富度相对重要性高于其他斑块属性;斑块面积对赤眼蜂丰富度影响高于其他斑块属性,且与斑块类型存在交互作用;橡胶林中橡胶材小蠹虫与中华蜜蜂丰富度高于天然林和其他斑块类型,玉米螟赤眼蜂丰富度则在天然林与农田中最高.研究揭示了斑块属性对不同物种丰富度的相对影响,阐明了斑块类型在不同物种中的重要作用,并证实了机器学习是推导斑块属性对物种影响的有效方法.

为明确河南省新乡地区农田地下害虫优势种群组成、发生动态及影响因子,本研究于2015-2021年间利用虫情测报灯对该地区的金龟甲进行了监测.结果表明铜绿丽金龟Anomala corpulenta Motschulsky和暗黑鳃金龟Holotrichia parallela Motschulsky为河南新乡小麦-玉米/花生1年2熟制农田地下害虫的优势种群,且暗黑鳃金龟的年度诱虫量及其在混合种群中的占比呈逐年增加趋势.金龟甲的发生在不同年份呈现单峰或双峰,暗黑鳃金龟发生盛期表现出明显的隔日出土现象即双倍节律.相较于暗黑鳃金龟发生期的6月中旬至9月上旬,铜绿丽金龟的发生期相对较短,在6月下旬至8月下旬.同时暗黑鳃金龟高峰日也晚于铜绿丽金龟,其中高峰日最多差22 d.金龟甲的发生与环境降雨、湿度、温度相关.本研究为新乡地区乃至黄淮海农田地下害虫的危害预警和综合治理提供数据支撑.

有机残体混合分解对陆地生态系统物质循环至关重要,但关于农田生态系统中混合秸秆分解过程的研究仍较缺乏.该研究在玉米(Zea mays)单作、马铃薯(Solanum tuberosum)单作和玉米马铃薯间作小区实验中,设置了为期6个月的玉米秸秆、马铃薯秸秆和玉米马铃薯混合秸秆分解袋填埋实验,通过Biolog-Eco微平板法分析秸秆类型和分解环境对秸秆微生物碳代谢活性的影响.结果表明,马铃薯秸秆和玉米秸秆混合对分解过程产生了协同效应,混合秸秆的分解率和微生物代谢活性高于单一秸秆,增加了微生物对碳水化合物和羧酸类底物的利用.这种协同效应随时间延长而削弱.随机森林模型和结构方程模型分析表明,土壤中溶解性有机碳、硝态氮、铵态氮含量以及秸秆碳氮比是驱动秸秆分解的重要因素.总之,秸秆混合促进秸秆分解.

为探究我国半干旱区三叶草(Trifolium)活覆盖适宜种植模式,本研究采用完全随机设计,以无覆盖种植玉米(Zea mays)或大豆(Glycine max)为对照,研究三叶草活覆盖种植玉米+三叶草或大豆+三叶草对土壤水分、杂草密度和生物量、捕食性节肢动物密度、饲草及作物籽粒产量的影响.结果表明:与无覆盖种植玉米相比,三叶草活覆盖种植玉米的土壤贮水量、杂草密度和生物量分别降低6.6％～10.0％、2.6％～65.6％和26.8％～89.2％,捕食性节肢动物密度、饲草产量和玉米籽粒产量分别提高22.2％～100.0％、11.1％和5.7％;与无覆盖种植大豆相比,三叶草活覆盖种植大豆的土壤贮水量、杂草密度、生物量和大豆籽粒产量分别降低6.9％～21.9％、36.2％～65.2％、29.9％～62.4％和0.8％,捕食性节肢动物密度和饲草产量分别提高25.0％～250.0％和259.0％.三叶草活覆盖种植玉米或大豆显著降低土壤贮水量、杂草密度和生物量,显著提高田间捕食性节肢动物密度,对饲草产量和作物籽粒产量影响不显著.三叶草与大豆之间竞争高于三叶草与玉米之间竞争.三叶草活覆盖种植玉米更有益于维持农田生态系统多样性和保持作物产量,可作为我国半干旱地区可持续农业一种有效的活覆盖种植模式.

农田边界植草带是农田系统各斑块间生物物种迁移和群落演替、物质和能量交换的主要区域,对维持农业生物多样性及提高农田生产力具有重要意义.基于作物-害虫-天敌互作有机整体对植草带宽度的响应,选取不同宽度植草带(2 m、4 m、6 m)及其比邻农田并以对应宽度作物边界作为对照,采用地表陷阱法对蜘蛛和步甲进行取样调查,探究植草带宽度对蜘蛛和步甲种群结构、迁移扩散规律以及对农田害虫控制潜力的影响.结果表明:植草带内蜘蛛和步甲个体数均显著高于对照条带,4 m、6 m植草带的蜘蛛和步甲多度显著高于 2m植草带,且物种丰富度和多度显著高于其对照条带.此外,不同宽度植草带蜘蛛和步甲群落存在较高的异质性,蜘蛛和步甲群落结构差异显著;在 4m和 6m植草带及其比邻玉米田内,蜘蛛和步甲多度在植草带和植草带与比邻玉米田交界处显著高于农田内部,且随距离的增加,蜘蛛物种多度呈显著降低趋势,植草带宽度和距离共同决定蜘蛛和步甲的空间分布;Monte Carlo检验结果表明,植草带宽度、植被Margalef指数对农田中蜘蛛和步甲群落结构的影响均达到显著水平,蜘蛛主要优势科和步甲主要优势种主要分布在 6m植草带比邻玉米田内;4 m、6 m植草带比邻的玉米田中蜘蛛和步甲对玉米害虫的益害比显著高于 2m植草带比邻的玉米田,且 4m、6m植草带显著增加了玉米籽粒的百粒重及比邻农田的玉米总产量.本研究对植草带涵养捕食性天敌预防害虫发生的最适宽度进行探索,综合考虑植草带耕地占用、天敌涵养和生物控害潜力等因素,确定 4m宽度植草带是具有推广价值的农田边界模式.

农田温室气体减排已成为农业绿色发展的重要内容,驱动温室气体氧化亚氮(N2O)产生的氨氧化微生物受到了研究者们的广泛关注.为探究轮作模式对土壤氨氧化微生物群落的影响,基于田间定位试验,研究了夏红小豆-冬小麦、夏绿豆-冬小麦、夏花生-冬小麦、夏大豆-冬小麦和夏玉米-冬小麦5种轮作模式中冬小麦根际和非根际土壤氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落组成和多样性变化特征.结果表明:与夏玉米-冬小麦模式相比,豆禾轮作模式增加了根际土中有机碳和硝态氮含量,以及非根际土中全氮和铵态氮含量.豆禾轮作模式降低了非根际土壤中AOA群落的ACE指数和Chao1指数,并显著降低根际土中AOB群落的ACE指数和Chao1指数(P＜0.05).豆禾轮作显著增加AOA群落中泉古菌门(Crenarchaeota)和AOB群落中变形菌门(Proteobacteria)某些类群的相对丰度(P＜0.05).根际土中豆禾轮作模式与麦玉模式的AOA群落结构发生明显分离,而非根际土中豆禾轮作模式与麦玉模式的AOB群落发生分离(P＜0.05).研究结果表明:豆禾轮作种植改变了 AOA和AOB的群落结构和多样性,土壤pH值和速效氮含量是驱动AOA和AOB群落结构变化的重要因子,且根际与非根际土壤中氨氧化微生物存在生态位分离.

明确旱地绿肥腐解规律和养分释放动态特征,可为绿肥资源在我国西北旱作农业区的合理利用提供科学依据.采用田间原位埋袋法研究了三叶草(Trifolium alexandrinum)、野豌豆(Vicia sepium)、黑麦草(Lolium perenne)和燕麦(Avena sativa)4种绿肥在玉米种植系统中的残余腐解动态,观测了绿肥残余腐解养分释放过程及其对土壤有机碳、全氮与春玉米产量的影响.结果表明:绿肥腐解及其碳氮释放过程均表现为前期(0～14d)快,第21～42天分解速率中等,42 d以后较慢;腐解至42 d时,4种绿肥残余累计腐解率均达到55％以上,碳释放率达到59.79％～74.75％,氮释放率达到60.79％～76.61％;绿肥腐解至第130天时,各处理的累计腐解率均达到60％以上,且豆科绿肥累计腐解率显著高于禾本科绿肥(P＜0.05);与无绿肥添加的对照相比,绿肥还田显著提高了土壤有机碳和全氮含量,并导致玉米增产2.21％～7.06％,其中豆科绿肥增产幅度大于禾本科绿肥.综上,豆科绿肥还田能有效改善土壤质量,是一种更适合西北地区可持续农业的管理措施.