Water‐Yield Reduction After Afforestation and Related Processes in the Semiarid Liupan Mountains,Northwest China1

Abstract: The increase of coverage of forest/vegetation is imperative to improve the environment in dry‐land areas of China, especially for protecting soil against serious erosion and sandstorms. However, inherent severe water shortages, drought stresses, and increasing water use competition greatly restrict the reforestation. Notably, the water‐yield reduction after afforestation generates intense debate about the correct approach to afforestation and forest management in dry‐land areas. However, most studies on water‐yield reduction of forests have been at catchment scales, and there are few studies of the response of total evapotranspiration (ET) and its partitioning to vegetation structure change. This motivates us to learn the linkage between hydrological processes and vegetation structure in slope ecosystems. Therefore, an ecohydrological study was carried out by measuring the individual items of water balance on sloping plots covered by different vegetation types in the semiarid Liupan Mountains of northwest China. The ratio of precipitation consumed as ET was about 60% for grassland, 93% for shrubs, and >95% for forestland. Thus, the water yield was very low, site‐specific, and sensitive to vegetation change. Conversion of grassland to forest decreased the annual water yield from slope by 50‐100 mm. In certain periods, the plantations at lower slopes even consumed the runon from upper slopes. Reducing the density of forests and shrubs by thinning was not an efficient approach to minimize water use. Leaf area index was a better indicator than plant density to relate ET to vegetation structure and to evaluate the soil water carrying capacity for vegetation (i.e., the maximum amount of vegetation that can be supported by the available soil water for an extended time). Selecting proper vegetation types and plant species, based on site soil water condition, may be more effective than the forest density regulation to minimize water‐yield reduction by vegetation coverage increase and notably by reforestation. Finally, the focuses in future research to improve the forest‐water relations in dry‐land areas are recommended as follows: vegetation growth dynamics driven by environment especially water conditions, coupling of ecological and hydrological processes, further development of distributed ecohydrological models, quantitative relation of eco‐water quota of ecosystems with vegetation structures, multi‐scaled evaluation of soil water carrying capacity for vegetation, and the development of widely applicable decision support tools.     

基于双剪屈服条件的输油管道腐蚀剩余强度可靠性研究

提出基于双剪屈服塑性极限条件的管道可靠性爆破压力可靠度模型,在基于剩余强度可靠性理论基础上,着重分析随机参数,即腐蚀深度、腐蚀长度和运行压力的分布情况,通过经典可靠性计算方法、JC法将非正态分布转化成标准正态分布,从而建立起基于双剪屈服条件的管道腐蚀可靠性计算模型。通过提取现场实验数据进行验算,其结果表明:双剪屈服强度理论算得的爆破压力更接近实验结果,该方法降低API579的保守性,大大提高了可靠性的计算精度。     

我国近地层臭氧污染对水稻和冬小麦产量的影响概述

地表监测数据表明,我国近地层O3污染日趋严重,已对水稻和冬小麦的生长造成严重威胁。为评估O3污染对我国农业生产的风险,综合已有剂量反应实验结果,对我国南北五个地区(北京、定兴、江都、嘉兴、东莞)水稻和冬小麦的O3敏感性进行了比较分析。研究发现:(1)随着实验地区和实验品种的变化,两种作物的O3敏感性存在明显差异,其中,水稻对O3的敏感程度由北到南逐渐增加;(2)两种作物的产量均随O3剂量的增加而降低,且冬小麦的减产程度高于水稻;(3)基于FACE实验得到的作物O3敏感性高于基于OTC实验的研究结果。利用上述研究得到的O3剂量反应方程和O3浓度预测数据,对未来我国水稻和冬小麦的产量损失进行了评估。预计到2020年,我国五个主要作物产地水稻和冬小麦的产量损失范围分别为3.2~28.8%和7.8~36.9%。上述结果表明,O3污染已对我国主要粮食作物的生长造成巨大威胁,且作物品种间存在明显的O3抗性差异,有必要采取有效措施缓解O3浓度的上升,同时,需要利用更科学的实验方法进行O3抗性品种的选育,这对降低O3的农业风险具有重要意义。     

区域农业水分供应脆弱性分析及定量损失评估

采用积分湿度指数方法,建立了区域农业水分供应脆弱性分析模型,并以山东省为案例进行了应用研究,结果表明:无论春、夏、秋季还是年平均的积分湿度指数值,均呈从东南到西北递减的趋势,说明自然降水对农业需水的满足程度沿该方向递减。对山东省而言,农业用水的满足程度在季节上也存在较大的差异,夏季降水在农业满足程度方面最高、秋季次之、春季最差。由于气候因子的年变异较大,积分湿度指数的年变异亦大;根据作物产量的形成为一动态过程,作物整个生育期内的每一个生长阶段都对其最终产量有一定的贡献,利用积分回归模式对作物全生育期中每一旬降水因子与产量的定量关系进行模拟分析,得到了主要农作物全生育期内每旬降水对最终产量的贡献系数。根据每旬降水对产量的贡献系数和作物受旱指标,建立了作物旱灾损失评估模型。     

冬小麦中轻度水分胁迫的增产节水效应研究

利用大型水分试验场的防雨棚遮挡自然降水,采用人工定量补水进行冬小麦土壤含水量占田间持水量40%～50%、45%～50%、50%～55%、50%～60%、55%～60%、60%～70%持续时间分别为5、10、15天水分胁迫处理的控制试验。试验结果表明:50%～70%的中轻度水分胁迫处理,冬小麦具有显著的增产节水效果;2年平均,增产6.3%～7.4%,节水28.2%～34.1%。中轻度水分胁迫下,冬小麦增产节水作用机制的实现,主要是通过水分胁迫效应诱发增强:①冬小麦根系的找水功能;②产量构成因子的优化;③复水后光合速率的提高。冬小麦水分胁迫效应的最佳利用时间为返青-拔节期,此时进行水分胁迫效应利用最有利于冬小麦稳产增产。     

不同灌水条件下冬小麦的产量、水分利用与氮素利用特点

了解不同灌水量(次数)处理条件下华北平原地区冬小麦的产量形成、氮素利用与水分利用的特点.在大田相同的施肥量与施肥方式、播前浇底墒水750m3.hm-2条件下,设置春季不灌水、春季灌2水(拔节+开花)和春季灌4水(起身+孕穗+开花+灌浆)3个水分处理(每次灌水定额750 m3.hm-2),分析了不同灌水量(次数)对植株氮素吸收利用、产量、土壤水分动态及利用效率的影响.冬小麦生育期内总耗水量和开花后耗水量均表现为随灌水次数(量)增加而增大的趋势,但耗土壤水量却随灌水增加而显著减少.春季灌水处理的经济产量均显著高于春季不灌水处理,但春灌2水和春灌4水之间无显著差异.水分利用效率(WUE)在春不灌水和春灌2水间无显著差异.但它们均显著高于春季灌4水处理.植株总吸氮量均随着灌水次数(灌水量)的增加而呈现出上升的趋势,春灌2水和灌4水处理的总吸氮量无显著差异,但它们均显著大于不灌水处理.氮素生理效率和氮素收获指数随灌水量(次数)增加略有下降,不同灌水处理之间并无显著差异.春灌2水处理相对春季不灌水处理显著提高了经济产量和植株总吸氮量,水分利用效率并没有明显下降;与春灌4水处理相比,经济产量和植株总吸氮量没有明显降低.但水分利用效率和水分边际效益显著提高.冬小麦节水栽培(春灌2水)有利于节水、氮素高效利用和高产的实现.     

东北商品粮基地粮食生产的区域分异

论文以商品粮基地县为研究单元,运用数理统计和GIS空间分析结合的方法,揭示东北商品粮基地县粮食总产的区域差异。研究结果表明:①粮食总产低于平均水平的商品粮基地县占多数,高于平均水平的基地数量仅占36.36%,但粮食产量占全部基地县粮食总产量的64.74%;②粮食生产基本上形成了以玉米、大豆、水稻为主的生产能力格局,粮食总产的区域差异小于分品种粮食作物内部的区域差异;③从省域尺度看,粮食总产高于平均水平的基地县84.6%分布在黑龙江和吉林两省,粮食生产布局的区域化、专业化趋势明显,大宗粮食作物进一步向产粮大县集中;④从区域尺度看,粮食总产的空间格局高低交错,集中在以松嫩平原中部黑土区、辽河平原和三江平原为重心的平原地区,有由中部平原地区向周边递减的趋势。回归分析表明,播种面积的区域差异是导致商品粮基地县粮食总产区域分异的主要原因,农业现代化水平对其具有重要影响。应加强商品粮基地建设,加大中低产田的改造力度,走以提高粮食单产来提高粮食综合生产能力的内涵式发展道路。     

氮肥运筹对稻田CH4和N2O排放的影响

开展了连续2 a（2019～2020年）的田间试验,通过设置不施肥（CK）、农户习惯施肥（CF）、二次追肥（TT）和有机肥替代20%化肥（OF）这4个处理,用静态箱-气相色谱法研究施肥对稻田CH₄和N₂O排放的影响,并综合水稻产量和综合温室效应（GWP）对单位水稻产量温室气体排放强度（GHGI）进行分析,探讨长江中下游典型水稻种植区增产减排的施肥方式.结果表明：（1）与CK相比,两年间各施肥处理均降低了CH₄排放,降幅为14.6%～25.1%;增加了N₂O排放,增幅为610%～1 836%;（2）与CF相比,TT和OF处理均呈现增加CH₄排放和降低N₂O排放的趋势,TT和OF处理两年CH₄累积排放量年均值的增幅分别为1.8%（P>0.05）和14.0%（P<0.05）; TT和OF处理两年N₂O累积排放量年均值的降幅分别为63.3%（P<0.05）和49.2%（P<0.05）;（3）与CK...     

冬小麦田O3气孔与非气孔沉降及风险评估

为了深入了解农田生态系统的O_3干沉降过程,并基于O_3通量(尤其是气孔O_3累积通量)指标进行风险评估,利用涡度相关系统对冬小麦田的O_3干沉降过程进行了连续动态观测,初步分析O_3浓度和总O_3通量的变化过程,着重探析气孔O_3沉降和非气孔O_3沉降的变化特征及其与主要气象因子的关系,并基于剂量指标(AOT40)和通量指标(DF_s06)分别推算出冬小麦的产量损失率.结果表明,观测期间(自2016年3月16日至5月30日)日平均O_3浓度(cO_3)为32.9 n L·L-1;白天(08:00~18:00)和夜间平均总O_3通量(F_(O3))分别为-7.6 nmol·(m~2·s)~(-1)和-3.1 nmol·(m~2·s)~(-1),日均F_(O3)为-5.1nmol·(m~2·s)~(-1).逐日平均气孔O_3通量(F_s)的变化范围为0~-5.1 nmol·(m~2·s)~(-1),日均F_s为-1.43 nmol·(m~2·s)~(-1).逐日平均非气孔O_3通量(F_(ns))的变化范围为-1.43~-10.31 nmol·(m~2·s)~(-1),日均F_(ns)为-3.66 nmol·(m~2·s)~(-1).较强的太阳辐射(SR)、较高的温度(T)和适度湿润的条件有利于冬小麦气孔沉降;较强的SR、适度的T和湿润条件是有利于冬小麦非气孔沉降.在整个观测期间,总O_3累积吸收通量(DF_(O3))、气孔O_3累积吸收通量(DF_s)和非气孔O_3累积吸收通量(DF_(ns))分别为31.58、9.99和21.59 mmol·m~(-2),总DF_s和总DF_(ns)分别占总DF_(O3)的32%和68%.通过剂量指标AOT40和通量指标DF_s06响应方程计算出的冬小麦产量损失率分别为11.58%~20.37%和20%~23.56%.     

温度对干化污泥水蒸气气化产气特性的影响

采用固定床气化装置,在水蒸气流量为0.32 kg/h条件下进行了污泥水蒸气气化实验。研究了温度对污泥气化气体产率、氢气产率、气体成分与低位热值、气体能源转化率的影响。结果表明:随着反应温度从700℃上升到1 000℃;气体产率从0.39 m3/kg升至0.61 m3/kg;氢气产率从0.18 m3/kg升至0.34 m3/kg;气体能源转化率从54%升至88%;产气的低位热值从10 688.1 kJ/m3提高至11 168.9 kJ/m3。同时产气中H2和CO含量随着温度的升高而增加,CH4、CO2和CnHm含量随温度的升高而减少。因此,为了获得更多的可燃气体,建议在污泥水蒸气气化工艺中,气化温度必须大于800℃。