The MONICA model: Testing predictability for crop growth, soil moisture and nitrogen dynamics

A fundamentally revised version of the HERMES agro-ecosystem model, released under the name of MONICA, was calibrated and tested to predict crop growth, soil moisture and nitrogen dynamics for various experimental crop rotations across Germany, including major cereals, sugar beet and maize. The calibration procedure also included crops grown experimentally under elevated atmospheric CO₂ concentration. The calibrated MONICA simulations yielded a median normalised mean absolute error (nMAE) of 0.20 across all observed target variables (n = 42) and a median Willmott's Index of Agreement (d) of 0.91 (median modelling efficiency (ME): 0.75). Although the crop biomass, habitus and soil moisture variables were all within an acceptable range, the model often underperformed for variables related to nitrogen. Uncalibrated MONICA simulations yielded a median nMAE of 0.27 across all observed target variables (n = 85) and a median d of 0.76 (median ME: 0.30), also showing predominantly acceptable results for the crop biomass, habitus and soil moisture variables. Based on the convincing performance of the model under uncalibrated conditions, MONICA can be regarded as a suitable simulation model for use in regional applications. Furthermore, its ability to reproduce the observed crop growth results in free-air carbon enrichment experiments makes it suited to predict agro-ecosystem behaviour under expected future climate conditions.     

Quantitative analysis of microbial biomass yield in aerobic bioreactor

We have studied the integrated model of reaction rate equations with thermal energy balance in aerobic bioreactor for food waste decomposition and showed that the integrated model has the capability both of monitoring microbial activity in real time and of analyzing biodegradation kinetics and thermal-hydrodynamic properties. On the other hand, concerning microbial metabolism, it was known that balancing catabolic reactions with anabolic reactions in terms of energy and electron flow provides stoichiometric metabolic reactions and enables the estimation of microbial biomass yield (stoichiometric reaction model). We have studied a method for estimating real-time microbial biomass yield in the bioreactor during food waste decomposition by combining the integrated model with the stoichiometric reaction model. As a result, it was found that the time course of microbial biomass yield in the bioreactor during decomposition can be evaluated using the operational data of the bioreactor (weight of input food waste and bed temperature) by the combined model. The combined model can be applied to manage a food waste decomposition not only for controlling system operation to keep microbial activity stable, but also for producing value-added products such as compost on optimum condition.     

芜湖市土地资源人口承载力与可持续发展研究

作为人类赖以生存和发展物质基础的土地资源有限性与人口的增长加剧了人地间的矛盾 ,土地资源人口承载力问题日益引起社会关注。在总结芜湖市土地资源利用现状、特点和当前人口食物消费水平的基础上分析了土地现实生产能力 ,同时为预测芜湖市 2 0 0 0、2 0 0 5、2 0 10年人口数量、复种指数、耕地面积及粮食单产发展趋势而分别建立了一元线性回归模型与灰色系统 GM(1,1)模型 ,通过取其平均值以提高其精度 ;并结合温饱型、宽裕型、小康型与富裕型四种消费水平分别探讨了预测期内芜湖市土地资源人口承载力状况 ,最后从耕地总量动态平衡、提高粮食单产与质量及控制人口增长等方面提出了可持续发展对策 ,为芜湖市建立稳定、协调、持续发展的人地关系提供科学的理论依据     

环境流行病学研究中全血长期保存与RNA提取方法

RNA是在基因表达层面探究分子生物学机制的重要研究对象.由于RNA化学性质活泼、结构不稳定,并且内外源RNA酶无处不在,如何从环境流行病学研究收集到的全血样本中提取出高质量的总RNA是困扰研究人员的一大难题.本研究旨在建立一种能长期保存全血样本并从中提取出高质量总RNA的方法.通过将环境流行病学研究中采集到的少量新鲜全血立即与10倍体积的TRIzol试剂混匀后置于-80℃冰箱中,可保护RNA在长期保存过程中不发生降解.针对长期保存的全血-TRIzol混合体系,在经典的TRIzol一步法基础上,无需将全血样本分装至不含RNA酶的1.5 mL离心管,直接在较大操作空间(不含RNA酶的15 mL离心管)中进行总RNA相分离、沉淀、洗涤等操作,并在总RNA晾干前再增加离心并吸取少量残留液体操作,缩短自然晾干时间.本方法无需离心、分离血浆、裂解红细胞等繁杂的前处理步骤,极大地简化了操作步骤,减少了采样工作量,实现了对全血样本的低成本长期保存.通过增大操作空间、改进晾干操作,本方法显著提高了总RNA样本的完整性和纯度.使用本方法提取出保存一年的全血总RNA产率为(9.18±2.10)μg·mL~(-1),完整性指标RIN值和28S/18S分别为8.98±0.18和1.08±0.08,纯度指标OD_(260)/OD_(280)和OD_(260)/OD_(230)分别为2.18±0.04和1.70±0.00.保存两年的全血提取出总RNA的产率、完整性及纯度仍然可以满足下游实验要求.     

2013~2019年臭氧污染导致的江苏稻麦产量损失评估

基于2013~2019年江苏省115个监测站点的逐时臭氧观测数据和97个县级行政区的农作物年产量,利用AOT40的暴露响应关系,结合空间分析等方法,评估了臭氧污染导致的冬小麦和水稻两种农作物的产量损失.结果表明,2013~2019年,冬小麦和水稻的AOT40分别为（2.76~17.05）×10^-6h和（0.15~31.69）×10^-6,分别在2018年和2016年达到峰值.苏南地区水稻生长期的AOT40高值分布较多,苏北地区近3年两种农作物生长期的AOT40都有明显增势.2013~2019年,冬小麦年相对产量损失为17.7%~31.0%,年绝对产量损失达（1.94~3.75）×10⁶t.年产量损失最高的地级市是盐城和徐州,损失最低的是南京和无锡.2013~2019年,水稻年相对产量损失为8.6%~15.6%,绝对产量损失为（3.03~6.04）×10⁶t.年产量损失最高的地级市是盐城和淮安,损失最低的是无锡和常州.江苏省每年由于臭氧污染导致的农作物产量损失约相当于5000多万人一年的粮食消费量,臭氧污染对粮食生产安全造成了较为严重的威胁,应当采取有效的政策和措施控制臭氧污染,保证粮食生产稳定.     

粮食产量预测理论、方法与应用Ⅱ.粮食生产潜力短期预测理论、模型及其应用

粮食生产潜力短期预测结果可以检验粮食中长期生产潜力预测的准确性和为国家提供制定粮食生产战略的科学依据。粮食生产潜力短期预测理论即“趋势-波动理论”,它建立在粮食或作物“现状生产潜力”概念和“天-人-地概念模型”基础上,预测模型为最佳移动步长条件下的多年单产移动平均趋势模型,实际预测时采用系统预测方法。11个研究案例预测的平均误差为0.77％,最大误差为2.99％,预测精度高。本研究初步结论是：粮食生产潜力短期预测理论和模型是科学和实用的。     

粮食产量预测理论、方法与应用Ⅴ.粮食潜力实现率及其评价方法

为说明粮食潜力与估产的关系,定义了“粮食潜力实现率”的概念,它是与粮食潜力预测值相比,当年实际达到或能够达到的百分比,它将潜力值和当年估产值或实际产量结合在一起,可用来评价潜力实际达到的程度,并可反映气候年型。应用结果表明：2010年各省单产和总产潜力平均实现率围绕100％波动,说明科技进步对增产仍然起到支撑作用,而1999-2008年各省单产和总产潜力平均实现率低于100％,说明科技进步对增产作用在减小。因此,粮食潜力实现率可以用来评价粮食增产趋势和科技进步的贡献,其方法实用、误差小。     

秸秆产生利用现状调查与禁烧面临难点分析——以江苏省某乡镇为例

以江苏省某乡镇为对象,开展了农作物秸秆产生量、秸秆利用状况、农民处理秸秆方式的调查研究。结果表明,秸秆收集利用量占秸秆产生总量的比例不足25％,50％以上农户产生的秸秆得不到有效利用;农业从业者综合素质相对较低、技术普及不到位、作物收种时间重叠、效益驱动不足、秸秆利用机制不健全是秸秆禁烧和利用面临的主要问题。针对主要问题,从科技支撑、有效组织、政策引导、农机农艺、宣传培训等方面提出了合理的建议。     

基于GIS的黄淮海平原旱情监测研究

基于ＧＩＳ技术,提出了用集遥感图像、图形、数据为一体的作物缺水指数模型监测黄淮海平原旱灾的方法。实时监测结果表明：该方法速度快、精度高,从点到面各种形式的黄淮海平原旱情分布结果均与实际吻合,基本上达到了实时监测旱情的目的。