中国农业植被净初级生产力模拟(I)——模型的建立与灵敏度分析

以业已建成的稻麦作物净初级生产力模型为基本框架,建立了一个具有普适性的中国农业植被净初级生产力模型(CropC-)。CropC-的模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。该模型包括2个主要功能模块:光合作用和呼吸作用;土壤-作物系统氮素运移。前者综合考虑了环境因子和氮素的影响,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。灵敏度分析表明,在输入参数变化±10%时,CropC-对6个主要输入参数响应的敏感性依次为温度>光合有效辐射>大气CO2浓度>土壤全氮含量>施氮量>降水。模型分析表明,气候变暖将降低作物净初级生产力。     

中国农业植被净初级生产力模拟(I)——模型的建立与灵敏度分析

以业已建成的稻麦作物净初级生产力模型为基本框架,建立了一个具有普适性的中国农业植被净初级生产力模型(CropC-)。CropC-的模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。该模型包括2个主要功能模块:光合作用和呼吸作用;土壤-作物系统氮素运移。前者综合考虑了环境因子和氮素的影响,后者包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。灵敏度分析表明,在输入参数变化±10%时,CropC-对6个主要输入参数响应的敏感性依次为温度>光合有效辐射>大气CO2浓度>土壤全氮含量>施氮量>降水。模型分析表明,气候变暖将降低作物净初级生产力。     

基于ArcSWAT模型的长乐江流域非点源氮素污染源识别和分析

本研究以我国东南沿海地区的典型农业流域——长乐江流域为对象,通过实地调查、数据收集和分析,构建模型所需的各类空间数据库和属性数据库,将流域内各种非点源污染过程的概化设置和相应管理操作与模型进行有效耦合,利用近3年的流域水质监测资料进行模型参数的率定和验证,建立了该流域氮污染过程的ArcSWAT模型,模拟估算了流域不同非点源氮的入河量,并着重分析和识别不同时段土地利用类型的关键性污染源.结果表明,长乐江流域非点源氮素污染的主要来源是氮肥施用、大气沉降和土壤氮库,对河流总氮负荷的贡献率分别为35%、32%和25%.不同时段、不同土地利用类型的关键性污染源具有明显差异.从时间分布来看,土壤氮库和大气沉降所产生的非点源氮素污染的关键时期在雨季,而氮肥污染则主要发生在作物生长季节.从土地利用分布来看,园地和人居地非点源氮素的控制性污染源分别是氮肥施用和生活排污;而水田和旱地的三大污染源(氮肥施用、大气沉降和土壤氮库)入河量相差不大,需要同时控制.因此,治理流域非点源氮素污染问题,应分时、分区、分类制定控制方案.     

小麦-玉米轮作体系农田氮素淋失特征及氮素表观平衡

连续6年采用渗漏计法研究了不同施氮处理下陕西关中小麦-玉米轮作区农田土壤90 cm深度处氮素(N)淋失特征和土壤-作物体系氮素表观平衡状况.结果表明:该地区农田氮素淋溶主要发生在降雨量较多的玉米季,且集中在8月和9月.监测期内,TN和NO-3-N年平均流失量分别为2.72~23.07 kg·hm-2和1.53~18.72 kg·hm-2,年流失率分别为0.65%~3.44%和0.82%~3.32%,且年总氮、硝态氮流失量均随年施氮量增加呈指数增加.氮素淋失形态中,NO-3-N比例较高,可占总氮淋失量的56.00%~81.00%,且随着氮肥用量的降低,其占总氮淋失量的比例也随之减小.可见,施氮量的大小在一定程度上会影响淋失液中各形态氮的比例.氮素表观平衡结果显示,随着施氮量提高,氮素在土壤中的残留和表观氮盈余均呈现指数增加趋势.长期施氮条件下,土壤-作物体系氮素表观损失率的幅度为32.60%~55.20%,土壤表观残留率为-0.17%~8.20%.多年监测结果表明,优化施氮模式下,作物不仅可以获得较高的产量和氮肥利用率,农田氮素淋失量也大幅降低,在节约肥料资源的同时减轻了潜在的环境风险.     

氮素在土壤-作物中迁移转化的试验研究

为研究氮素在土壤和作物体系中的运移规律。本文开展土壤箱栽试验,分析农作物玉米在关中盆地3种不同类型土壤中对氮素的吸收以及土壤中氮素的迁移转化规律。结果表明,在试验初期,3种土壤中三氮主要以NH4＋的形式存在,随着农作物生长NH4＋含量减少,同时NO2-和NO3-含量均有不同程度的累积。作物收获后,土壤和作物体系中有相当数量的氮素残留,而且土壤中氮残留相对较高,导致氮素的损失率较大,流失的N素必将会对土壤、甚至地下水产生污染,因此建议该地区针对不同的土壤类型控制氮肥施用量,合理施用氮肥。     

不同施氮水平对再生水灌溉土壤释氮节律的影响

土壤供氮能力是影响土壤氮素利用效率的一个重要指标,再生水灌溉和施氮水平均影响着土壤供氮能力,研究不同施氮水平对长期再生水灌溉土壤氮素的转化特征可为合理施肥及农产品增产增效提供理论依据.本研究选择河南新乡洪门试验站温室大棚内长期再生水灌溉和清水灌溉土壤,试验共设8个处理:A(N200)(施氮量200 mg·kg-1)、A(N160)(施氮量160 mg·kg-1)、A(N140)(施氮量140 mg·kg-1)、A(N100)(施氮量100 mg·kg-1)、A(N0)(施氮量0 mg·kg-1)、E(清水灌溉常规施氮)、CK(清水灌溉不施氮)、Re CK(再生水灌溉不施氮),采用实验室内常温培养法,分别在培养的7、14、21、28、35、42 d测定土壤铵态氮、硝态氮及全氮含量,并分析了土壤氮素矿化量和氮素矿化速率的变化,通过Freundlich线性等温吸附模型及一级动力学方程拟合了土壤吸附参数Kd和氮素矿化势N0.结果发现,培养前期土壤氮素矿化较快,释放的氮量较高,中后期变化较慢,土壤供氮平稳,同一时段不同处理间土壤累积矿化氮量存在显著差异(p0.05),表明不同外源氮肥输入对土壤氮素的矿化能力影响显著,A(N160)处理的供氮能力最强;同时,在培养前期Re CK处理的土壤氮素矿化累积量显著高于CK处理,表明再生水灌溉较清水灌溉促进了土壤氮素的矿化,显著提高了土壤氮素活性;土壤氮素的矿化速率随着培养时间的增加而逐渐降低,但降幅依次减小并趋于平稳,且不同施氮处理再生水灌溉土壤氮素矿化速率显著高于清水灌溉;不同土壤肥力水平(B0)、外源施氮A(N160)调控,土壤氮素矿化潜势可表达为N0=B0+117.5072t-0.1062.因此,外源氮肥输入显著影响了土壤氮素释放节律,再生水灌溉辅以适宜的施氮量可促进土壤氮素矿化,提高土壤氮素活性.     

基于SWAT与DNDC模型对比研究亚热带流域氮淋溶与输出过程

本研究通过对亚热带香溪河小流域的氮输出进行长期监测,并通过DNDC与SWAT模型对流域氮素流失进行对比模拟研究,以期为合理建立适合亚热带流域氮循环模型提供科学依据.结果表明:(1)影响DNDC模型模拟小流域内氮素流失的关键参数包括降水、坡度以及氮肥施用量,而影响SWAT模型模拟的关键参数包括地下水滞后系数、最大冠层截留量、基流系数和土壤蒸发补偿系数;(2)DNDC模型模拟小流域内2014年的径流量、TN和NO-3-N排放量与实测值的偏差分别为5.19%、8.10%和71.70%,SWAT模型模拟小流域内2014年的TN、NO_3~--N和NH_4~+-N的排放量与实测值的偏差分别为2.04%、14.29%和8.89%;(3)通过对SWAT与DNDC模拟结果对比分析香溪小流域氮素流失时空分布特征,进一步耦合了DNDC和SWAT模型,有助于提高亚热带流域氮素流失模拟精确度.     

汉江上游主要农作物氮肥投入特点及土壤养分负荷分析

为了解汉江上游主要农作物氮肥投入特点及土壤养分现状,加强汉江上游农业面源污染管理,指导农户科学合理施肥,保障汉江源头水质安全.以汉江上游汉中段沿河岸土壤养分分析、农户施肥调查等统计数据为基础,采用盈余法从作物种类分析种植生产体系中氮素输入输出特点及土壤氮素盈余状况.结果表明,汉江上游主要农作物平均化肥氮投入量为173.9 kg·hm-2(以N计,下同),通过有机肥投入的氮远远小于化肥氮,仅为7.2 kg·hm-2.84.0%的农田氮素样本处于盈余,总体平均盈余量为77.4 kg·hm-2,其中,盈余量超过100 kg·hm-2的样本亦占了40.8%.但养分投入不足表现为氮养分亏缺的样本也占调查样本的16.0%.不同作物比较,水稻田氮肥投入量为202.2 kg·hm-2,高于油菜地施肥量159.9 kg·hm-2.而水稻收获时籽粒和茎叶的氮带出量为197.1 kg·hm-2,高于油菜收获时的带出量103.5 kg·hm-2,因此,水稻田氮盈余量(20.72 kg·hm-2)低于油菜地(72.02 kg·hm-2).调查区土壤养分表现为氮、钾丰富,有机质、有效磷含量低于全国及南方水稻、油菜主产地水平.汉江上游主要农作物不合理的氮肥投入特点给土壤环境带来较大的氮素负荷,长期以往将给土壤环境和汉江上游水体造成很大威胁.     

高产粮区不同施肥模式下玉米季农田氮素损失途径分析

研究不同施肥模式下土壤氮素损失的途径,有助于制定合理的施肥措施.2009年在山东桓台典型高产粮区设置了4种施肥模式：对照(CK)、 农民习惯(FP)、 优化施肥(OPT)和控释肥(CRF）,监测了土壤水氮动态和作物生长状况,采用水氮管理模型（WNMM）模拟了不同施肥模式下玉米季土壤的水分动态和氮素去向.2009年夏玉米季3个施肥处理的氮素淋失量占施肥量的比例范围为6%～18%,平均为12.7%,其中优化施肥处理的氮素淋失量最低,仅为14.5 kg·hm^-2.氨挥发量所占的比例范围为5%～34%,平均为20.7%,其中控释肥处理的氨挥发量最低,仅为7.6 kg·hm^-2.4个处理的氮素总损失量顺序为：FP处理> OPT处理>CRF处理≈CK处理.本研究表明在保证作物产量的前提下,优化施肥和施用缓控释肥均可以有效减少氮素损失,提高氮肥利用效率和保护生态环境.     

氮素影响陆地生态系统碳循环过程的模型表达方法

氮素是植物生长所必需的重要营养元素。人类活动引起的大气氮沉降增加对陆地生态系统碳循环过程具有重要影响。准确地定量表达氮素对陆地生态系统碳循环过程的影响是预测未来全球碳循环变化的关键环节。论文系统地归纳总结了国内外多个知名生物地球化学模型中氮素影响光合作用、呼吸作用、同化物分配等碳循环过程的数学表达方法,分析了不同碳循环过程中模型表达方法的不确定性及其原因。指出未来模型的发展需在加强机理研究的基础上,发展能反映氮饱和现象、能显式表达氮素与光合速率关系的光合作用过程算法,发展能显式表达氮素与植物体根、茎和叶呼吸速率关系的维持呼吸算法以及发展显式表达氮素对同化物分配过程影响的动态同化物分配方案。指出当今大部分主流模型在模拟氮素对光合作用影响时没有考虑氮饱和现象,因此利用模型预测未来陆地生态系统对氮素增加的响应时可能会高估氮沉降对光合速率的影响。研究综述可为准确评价陆地生态系统碳氮相互作用和发展碳氮耦合模型提供参考。     

外源碳氮添加对草地碳循环关键过程的影响

人类活动引起的大量的活性氮从大气沉降到生物圈.当前氮沉降对草地生态系统碳循环过程的影响机制仍然存在较大的不确定性.本文综述草地生态系统碳循环过程（植物光合作用、地上生物量、地下生物量、土壤呼吸、凋落物分解和土壤有机碳含量）对添加不同的氮源水平和不同施氮年限的响应,并分析这些过程变化的可能原因,同时,也阐述草地碳循环关键过程对外源碳输入的响应,并进一步分析了外源碳和氮输入对草地碳循环关键过程影响的微生物学作用机制.通过上述总结旨在强调说明碳源可利用性变化作为氮沉降背景下草地生态系统碳循环关键过程重要调控因素之一,开展相关研究对科学的管理我国草地资源配置和增加土壤碳汇方面理论的重要意义.     

呼伦贝尔草原采煤沉陷对土壤-植物系统的影响及评价

为研究采煤沉陷对土壤-植物系统的影响,以呼伦贝尔草原煤矿为研究对象,通过在沉陷区与对照区不同坡位〔坡顶（地表沉陷边界附近）、坡中（沉陷边缘区）、坡底（沉陷中心区）〕设置样地进行土壤性质和植物群落的调查测试,对比分析沉陷干扰下土壤水分和养分、植物物种组成以及群落结构的变化,研究土壤性质与植物群落特征之间的关系,并对沉陷区和对照区土壤-植物系统进行综合评价.结果表明:①采煤沉陷后,沉陷区土壤体积含水量（简称“土壤含水量”）较对照区下降了4.8%（P < 0.05）,坡中土壤水分损失最严重,比对照区同一坡位减少了8.4%（P < 0.05）.沉陷区0~60 cm土壤TN（全氮）、TP（全磷）、OM（有机质）和AK（速效钾）含量平均值分别比对照区下降了17.8%、28.9%、38.0%和46.5%（P < 0.05）,坡中和坡底土壤养分流失明显,TN含量在坡中比对照区相同坡位下降了29.7%（P < 0.05）,OM、AK含量在坡底减少了54.1%、64.1%（P < 0.05）.②沉陷区植物种类比对照区减少了28.6%~37.0%,原有优势种羊草（Leymus chinensis）、贝加尔针茅（Stipa Baicalensis）的重要值下降,而双齿葱（Allium bidentatum）、寸草苔（Carex duriuscula）等旱生植物种类和数量增多,植物群落发生退化,群落Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数明显低于对照区（P < 0.05）.③通过冗余分析可知,土壤性质与群落多样性指数相关性显著（P < 0.05）,其中TP、TN、OM和AK含量与多样性指数的相关系数均大于0.5（P < 0.05）,TN含量是影响群落多样性的关键因子.④利用因子分析法对土壤-植物系统进行综合评价,显示沉陷区各样地土壤-植物系统与对照区相比呈退化状态,不同坡位的退化程度表现为坡中>坡顶>坡底.研究显示,受沉陷干扰影响,土壤水分和养分发生损失,群落物种多样性下降,土壤-植物系统退化趋势明显,坡中部位（沉陷边缘区）退化最严重.      

苗期玉米、大豆在土壤-植物系统N2O排放中的贡献

为区分植物在土壤-植物系统N₂O排放中的贡献,用封闭式箱法对在温室内砂培和土培的玉米、大豆幼苗及砂、土、砂-植物系统、土壤-植物系统的N2O排放进行了测定,同时对植物N₂O排放与植物叶片中的硝酸还原酶(NR)活性及NO₃^--N、NO₂^--N含量的关系进行了分析.结果表明:在53d的观测期内,玉米、大豆幼苗本身均可排放N₂O,且在土壤(砂)-植物系统的N₂O排放中占有很大份额(79.18%～100%);植物N₂O的排放与植物叶片的硝酸还原酶活性和NO₃^--N、NO₂^--N的含量显著正相关(R²≥0.97,n=6).     

小流域农业面源氮污染时空特征及与土壤呼吸硝化关系分析

土壤呼吸与硝化特性是控制土壤生态系统中氮素转化和面源氮流失的关键因子,也是土壤氮循环的重要组成部分.选取位于巢湖北部的柘皋河流域作为案例研究区,应用BaPS技术测定林地和农田土壤呼吸、硝化和反硝化特性,运用SWAT模型分析农业面源氮污染输出的时空特征,并初步探讨土壤呼吸和硝化特性与农业面源氮污染的相互作用关系.结果表明,由于土地利用和施肥量的变化,1996~2012年间的年均和月均面源氮污染负荷明显大于1980~1995年间的模拟结果,不同月份的面源氮污染输出负荷均存在显著性差异,月均氮负荷受降雨量影响密切.1996~2012年流域面源总氮流失平均负荷为10.40 kg·hm-2,明显大于1980~1995年的8.10 kg·hm-2,方差分析表明两个时期面源总氮流失负荷的空间分布存在一定的差异.林地的呼吸速率远大于农田的呼吸速率.农田较高的总硝化速率和反硝化速率导致土壤氮库中的氮素减少,从而在一定程度上使得面源氮污染的输出负荷减小.农田土壤的总硝化速率大于反硝化速率,导致农田硝态氮的面源污染流失量增加,而有机氮的流失量有所减少.因此,土壤呼吸与硝化特性的研究有利于从土壤生物学角度深入分析土壤氮循环,对农业面源氮污染的防治具有重要的理论和现实意义.     

西藏高原土壤－植物系统元素分布特征研究

讨论了西藏高原３６种元素的植物含量水平及其在土壤－植物系统的分布特征、影响因素．利用吸收系数和统计分析的方法，定量描述了植物对土壤不同元素的吸收、富集能力．研究结果表明，在西藏高原的土壤－植物系统中，亲硫元素和碱金属、碱土金属元素的生物地球化学行为较亲铁元素活跃，植物元素的类型划分和元素的地球化学行为密切相关．     

西藏高原土壤-植物系统元素分布特征研究

讨论了西藏高原３６种元素的植物含量水平及其在土壤－植物系统的分而特征、影响因素、利用吸收系数和统计分析的方法，定量描述了植物对土壤不同元素的吸收、富集能力，研究结果表明，在西藏高原的土壤－植物系统中，亲硫元素和碱金属、碱土金属元素的生物地球化学行为较亲铁元素活跃，植物元素的类型划分和元素的地球化学行为密切相关。     

地表UV-B辐射增强对土壤-冬小麦系统N2O排放的影响机理研究

为了解UV-B增强条件下农田N₂O响应规律,采用室外盆栽实验,研究了地表UV-B辐射增强20%对土壤-冬小麦系统N₂O排放的影响及其影响机理.结果表明,在小麦返青期,UV-B辐射增强处理对该系统N₂O的排放影响不显著;在小麦的拔节期,UV-B辐射增强处理显著降低了土壤-小麦系统N₂O的排放,并减少了该系统的呼吸速率.UV-B辐射增强对N₂O的影响机理主要表现在对小麦植株N代谢过程的影响,如显著增加