Integrating soil carbon cycling with that of nitrogen and phosphorus in the watershed model SWAT: Theory and model testing

In this paper we describe and test a sub-model that integrates the cycling of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) in the Soil Water Assessment Tool (SWAT) watershed model. The core of the sub-model is a multi-layer, one-pool soil organic carbon (S_C) algorithm, in which the decomposition rate of S_C and input rate to S_C (through decomposition and humification of residues) depend on the current size of S_C. The organic N and P fluxes are coupled to that of C and depend on the available mineral N and P, and the C:N and N:P ratios of the decomposing pools. Tillage explicitly affects the soil organic matter turnover rate through tool-specific coefficients. Unlike most models, the turnover of soil organic matter does not follow first order kinetics. Each soil layer has a specific maximum capacity to accumulate C or C saturation (S_x) that depends on texture and controls the turnover rate. It is shown in an analytical solution that S_x is a parameter with major influence in the model C dynamics. Testing with a 65-yr data set from the dryland wheat growing region in Oregon shows that the model adequately simulates the S_C dynamics in the topsoil (top 0.3 m) for three different treatments. Three key model parameters, the optimal decomposition and humification rates and a factor controlling the effect of soil moisture and temperature on the decomposition rate, showed low uncertainty as determined by generalized likelihood uncertainty estimation. Nonetheless, the parameter set that provided accurate simulations in the topsoil tended to overestimate S_C in the subsoil, suggesting that a mechanism that expresses at depth might not be represented in the current sub-model structure. The explicit integration of C, N, and P fluxes allows for a more cohesive simulation of nutrient cycling in the SWAT model. The sub-model has to be tested in forestland and rangeland in addition to agricultural land, and in diverse soils with extreme properties such high or low pH, an organic horizon, or volcanic soils.     

济宁南部区域耕作层土壤有机碳密度及储量研究

济宁市南部区域是著名的国家商品粮、优质大蒜、优质稻米和有机蔬菜生产基地,由于土壤有机碳作为农田生态系统中土壤肥力的重要组成成分之一,在土壤改良、作物质量和产量提高等方面都有十分重要的作用,因此,对济宁南部区域耕作层土壤有机碳密度及储量的研究具有十分重要的意义。本文以济宁南部煤田地区作为典型区域,以耕作层土壤(0~20cm)为研究对象,采集了79件耕作层土壤样品,利用元素分析仪测定了土壤样品中有机碳含量。经统计分析发现,各类型土壤有机碳密度介于1.92~4.83kg/m2之间,有机碳密度的加权平均值为4.03kg/m2,高于中国表层土壤有机碳密度的平均值2.97kg/m2;通过壤质类型分类而估算的有机碳总储量为4.57×109 kg,通过土壤利用方式分类而估算的有机碳总储量为4.53×109 kg,二者基本吻合;济宁南部区域耕作层土壤有机碳富集程度受人类活动影响较大,耕作层土壤中氮含量与有机碳的线性相关系数为0.924 9;另外,有机碳富集程度与秸秆返田规模也有着一定的关联。研究结果不仅为研究区今后开展耕作层土壤环境质量评价提供依据,也为区域生态平衡研究奠定了基础。     

论泥炭纤维素碳同位素组成作为东亚季风强度变化代用指标的可行性:吉林3个临近发育的泥炭地泥炭剖面的横向比对

降雨量通常与东亚季风强度成正比,而植物纤维素碳同位素组成又与降雨量成反比,因此泥炭纤维素碳同位素比值通常作为东亚季风强度变化的代用指标。由于季风影响的广泛性和区域性,临近发育的泥炭地植物纤维素碳同位素序列应该高度相关。为了验证这种假设,我们系统比较了吉林3处泥炭地3个泥炭剖面苔草纤维素2000年来的碳同位素序列。14 C时标控制的3个序列不呈现有意义的相关关系。不同时段,如过去500年、1000年、1500年和2000年来序列的长期趋势也不相关,序列中包含的周期完全不同。这些事实说明3处剖面苔草纤维素碳同位素比值记录的是当地性的而不是区域性的气候或环境信号,将泥炭纤维素碳同位素比值作为东亚季风强度变化的代用指标的合理性值得怀疑。     

天然氧化纤维素的吸附性能

重金属污染已成为最严重的环境问题之一。纤维素是一种可生物降解的天然高分子,含量极其丰富。将纤维素经TEMPO/NaBr/NaClO体系进行氧化改性,得到了一种新型吸附材料——天然纤维素氧化物。研究了其对废水中Cu2+和Fe3+的去除效果,并探究吸附剂投加量、pH、温度、初始浓度和吸附时间对去除效率的影响。结果表明,室温条件下,在Cu2+浓度为100 mg/L和pH为5~6的溶液中,加入0.175 g吸附材料,吸附时间为60 min,可以得到99%的吸附效率;而Fe3+的溶液需要调节到pH值为4~5,添加的吸附材料是0.15 g,吸附效率也是99%以上。动力学研究还表明,该材料对Cu2+和Fe3+的吸附过程与Freundlich型及Langmuir型吸附等温模型都能较好地拟合。该新型吸附材料在废水处理行业将会有广阔的应用前景。     

车载激光雷达对北京地区边界层污染监测研究

介绍了自行研制的车载差分激光雷达AML-2探测原理及技术参数,于2006-08、2006-09在不同天气因素条件下对北京西南郊榆垡地区大气边界层污染物O3、NO2、SO2进行了实时监测,对比分析了3种污染物浓度垂直分布及日变化特征.结果表明,无外来污染输送时,3种污染物在阴雨天气总体浓度较小,O3和NO2浓度随高度升高而减小,SO2浓度垂直分布少见此特征,但在近地面0.6 km左右有较强SO2污染层.南部气流输送对北京地区大气环境影响明显,2006-08-23～2006-08-25这次强污染气流输送高度约1～1.5 km,3种污染物浓度垂直分布及日变化特征受到干扰,北京榆垡地区边界层O3、NO2、SO2总体浓度明显上升.     

Tween 80和鼠李糖脂对稻草酶解的影响

采用纤维素酶促水解的方法,以稻草为底物,探讨了添加化学表面活性剂Tween 80和生物表面活性剂鼠李糖脂对酶解过程的糖产率、酶稳定性、纤维素转化率的作用以及对酶动力学特征和酶在纤维素上吸附的影响.结果表明,不同浓度的Tween 80和鼠李糖脂对稻草酶解有不同程度的促进,添加0.016%和0.048%Tween 80使糖产率分别提高18.07%和11.98%,而添加0.01%和0.03%鼠李糖脂使糖产率分别增加了23.01%和22.16%,相比较鼠李糖脂的效果更好.表面活性剂能有效增强酶的稳定性,添加高浓度表面活性剂的酶稳定性优于添加低浓度表面活性剂,添加浓度为0.048%的Tween 80得到最高相对CMCA(羧甲基纤维素酶活)108.06%和最高相对FPA(滤纸酶活)80.26%.表面活性剂能提高酶解反应的纤维素转化率,而且添加鼠李糖脂的转化率明显高于Tween 80.表面活性剂不仅能够提高最大反应速度并使米氏常数变大,而且显著地降低了纤维素酶在纤维素上的吸附.     

气溶胶辐射效应对气象和环境影响的观测与模拟研究

选取2015年和2019年不同代表年份,结合外场观测和数值模拟,分析了天津地区不同季节不同天气(晴天、多云、霾)下,气溶胶辐射效应对整层大气透过率和地表入射太阳辐射的影响,以及这种影响在不同年份的差异.借助WRF-Chem模式模拟分析了重污染期间气溶胶辐射效应对垂直方向上气象要素廓线、边界层结构以及PM_2.5浓度的反馈机制.结果表明:霾污染可导致大气透过率明显下降,春、秋、冬不同季节,霾污染导致中午大气透过率分别下降0.09,0.11和0.09.全年平均霾污染可导致大气透过率降低约15.5%.云量的增多也可导致大气透过率明显下降,多云天气下大气透过率相比晴天减小约22.4%.霾和云对大气透过率的影响还与太阳高度角有关,当太阳高度角>60°时,霾污染导致大气透过率下降8.6%.随污染等级提高,气溶胶对太阳辐射的衰减作用也越强,天津地区空气质量分别为Ⅰ～Ⅰ级时,中午地表入射短波辐射呈稳定下降趋势,依次为484,446,439,342,328和253W/m².重污染期间,气溶胶辐射效应导致大气低层(250m以下)降温(0.8℃)增湿(3.8%...     

固液界面纳米气层研究进展

纳米气层是一种存在于固液界面上的准二维纳米结构的气态聚集体,科学家历经10多年的研究,其至今仍存在许多未解之谜。基于现有的研究成果,对纳米气层研究的主要问题及重要进展进行梳理与概述,主要介绍了纳米气层的基本性质,论述了纳米气层与纳米气泡的结构关系以及共存系统的动态平衡过程,归纳了该领域最新前沿研究所关注的重要科学谜题与主要挑战,如纳米气层的气相真实性、稳定性、结构有序性及气层的高效制备等问题,并提出了一些解决思路。在展现纳米气层过往研究历程的同时,也展望了未来纳米气层技术在一些重要界面反应中的可能应用。

     

一种改进的边界层参数化模式

在能量平衡方法的基础上提出一套利用常规气象资料求取边界层参数的改进方案。利用中国科学院大气物理研究所铁塔观测资料,与廓线法进行对比分析,表明这种方案具有输入要求少,输出信息量大,结果合理的优点。此外,对此方案中的4个可变参数作了敏感性试验,结果表明湿度变化参数α的敏感性较强,在使用时应当合理选择其数值。该方案可以满足新一代空气质量模式对边界层参数化的需求。同时,由于仅需常规气象资料就能求取所有的边界层参数,因此特别适合于空气质量模式的法规应用。     

7B04铝合金和30CrMnSiA钢短期腐蚀的电化学行为研究

目的研究7B04铝合金和30CrMnSiA合金钢试样的电化学性能。方法采用电化学实验、扫描电子显微镜(SEM)、腐蚀坑深度测试分别对7B04铝合金和30CrMnSiA合金钢试样在是否经过天然海水浸泡的情况下进行测试分析,得到微观腐蚀形貌和腐蚀坑深度以及试样表面不带锈和带锈时的电化学性能。结果随着Na Cl浓度增大,7B04铝合金和30CrMnSiA钢的自腐蚀电流变大,两者之间存在明显的电位差,接触后会发生电偶腐蚀。电偶电流与阴阳极面积比和Na Cl浓度有关,阴阳极面积比增大或Na Cl浓度升高均会导致电偶效应增强。经过海水短期浸泡后,7B04铝合金表面的锈层不仅没有起到抑制腐蚀的作用,反而使自腐蚀加重,但电偶效应确实有所减弱。结论沿海设备在使用过程中应竭力避免铝合金在锈层下工作。