春玉米根系图像语义分割最佳分辨率和概率阈值研究

为了探究根系图像不同概率阈值和分辨率对根系形态参数的影响,以微根管法观测的春玉米(Zea mays L.)抽雄期40 cm深度根系为例,采用降分辨率方法模拟扫描仪获取不同分辨率图像,基于深度学习U-Net语义分割方法建立的iRoot⁃V02根系自动识别软件对不同分辨率根系图像的根长、表面积、体积、直径、根尖数等形态参数进行识别,采用二阶导数方法获取根系与背景的分割阈值拐点,并探讨不同概率阈值对春玉米根系形态参数的影响。结果表明,春玉米抽雄期40 cm深度总根系形态参数(根总长、根总表面积、根总体积、根平均直径、根尖数)和分级根系形态参数(根长、根表面积、根体积)随概率阈值增大呈逐渐减小的趋势,根系形态参数在概率阈值5~20之间的变化幅度较大,在概率阈值25之后趋于稳定;通过曲线拐点方法分析确定,根总长曲线拐点出现在概率阈值25或30处。随着根系图像分辨率的减小,根总长和根尖数呈减小的趋势,而根总表面积和根总体积呈先增大后减小的趋势,根平均直径呈增大的趋势。通过对春玉米抽雄期40 cm深度不同概率阈值根系总的和分级形态参数分析,确定春玉米根系图像识别适宜的概率阈值为25或30;在图像数量较少时采用图像原始分辨率300 dpi分析为宜,图像数量较多时采用215 dpi分辨率为宜。本研究可为春玉米和其他作物根系形态参数的定量研究提供参考。

2018-2020年盘锦稻田碳水通量数据集

稻田在农业土地利用和全球碳循环研究方面具有重要意义。辽河三角洲是东北水稻主产区之一,为研究稻田碳水循环提供了良好的实验平台。但辽河三角洲稻区长期碳水通量的研究还比较欠缺,迫切需要对其进行长期的数据监测及整理。本数据集为2018–2020年辽河三角洲稻田生态系统的通量观测数据,通量塔位于中国气象局东北地区生态与农业气象野外科学试验基地盘锦稻田研究站。基于中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)数据标准处理流程形成生态系统碳水通量和关键气象要素四种时间尺度数据集,包括半小时、日、月和年的数据文件。本数据集对准确评价辽河三角洲稻田生态系统碳水通量在区域和全球碳水循环中的地位和作用具有重要意义。

2018-2020年盘锦芦苇湿地碳水通量数据集

湿地拥有巨大的碳汇能力、活跃的水汽交换和热量调节能力,是稳定温室气体排放、减缓气候变化的关键生态系统。辽河三角洲湿地是亚洲最大的暖温带滨海湿地,但湿地长期碳水通量的研究还比较欠缺,影响该地区CO_(2)通量和区域碳汇模拟精度,迫切需要对其进行长期的数据监测及整理。本数据集为辽河三角洲芦苇湿地生态系统2018–2020年通量观测数据,数据采集地位于中国气象局东北地区生态与农业气象野外科学试验基地盘锦芦苇湿地研究站。基于中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)数据处理体系形成了标准化的生态系统碳水通量和关键气象要素数据集,数据集包括半小时、日、月和年4种尺度的数据文件。本数据集对准确评价辽河三角洲芦苇湿地生态系统碳水通量在区域和全球碳水循环中的地位和作用具有重要意义。

下辽河平原稻田非生长季碳排放观测研究

应用静态箱 /气相色谱法对下辽河平原稻田非生长季碳排放动态变化规律进行了测定。结果表明 ,非生长季 (10月至翌年 4月 )稻田CH4、CO2 和N2 O排放总体上随气温变化而发生变化。在冻融期 (3月中下旬 )CO2 和N2 O有明显的排放。非生长季节的稻田是大气CO2 和N2 O的源 ,作为大气CH4的源或汇的作用不明显。

盘锦湿地芦苇群落土壤呼吸作用动态及其影响因子分析

采用LI-6400-09土壤呼吸室对盘锦湿地芦苇群落土壤呼吸作用,于2004年7月—2005年12月进行连续野外观测。结果表明:非淹水状态下,湿地芦苇群落土壤呼吸作用具有明显的日变化和季节变化特征;淹水状态下,湿地芦苇群落土壤呼吸作用接近于0。2005年潮汐造成的洪水减少了2/3的土壤呼吸作用。2004年和2005年芦苇群落土壤呼吸作用最大值都出现于洪水退去后。影响湿地芦苇群落土壤呼吸作用空间异质性的主导因子是生物因子,而在同一时间影响湿地芦苇群落土壤呼吸作用的主导因子是温度和水分。

生物因子对盘锦湿地芦苇生态系统土壤呼吸影响的研究

[目的]为优化湿地管理提供依据。[方法]在盘锦芦苇湿地随机选取3个样点,通过测定分析土壤呼吸作用、土壤含水量、土壤温度和生物因子揭示了生物因子对湿地土壤呼吸作用的影响。[结果]在湿地芦苇生态系统的生长季,4～9月生物因子变化较大,在4、5、6和9月土壤温度是土壤呼吸作用的主要控制因子,在7和8月土壤湿度是土壤呼吸作用的主要限制因子。仅5、6月的生物量增加与土壤呼吸作用增加呈正相关。在较短的时间段和一定区域内,生物因子是土壤呼吸作用空间变异性的主要控制因子。在湿地芦苇生态系统中,凋落物数量与土壤呼吸作用呈显著正相关。湿地芦苇生态系统0～30 cm的地下生物量与土壤呼吸作用呈显著正相关。[结论]芦苇生态系统土壤呼吸作用的空间动态主要受地表生物量和地下生物量的影响,生物因子对其日动态和季节动态影响不显著。

芦苇湿地土壤有机碳和全氮含量的垂直分布特征

利用元素分析仪,测定了芦苇湿地不同层次土壤有机碳和全N的变化.结果表明,土壤有机碳、全N及C/N随土壤深度的增加呈下降趋势.对不同月份(7、8、9和10月)而言,有机碳、全N及C/N比累积峰位于不同的土层中.土壤温度、水分及芦苇生长状况是引起分异的重要因子.7、8和10月份芦苇湿地不同层次土壤有机碳与全N呈显著相关(R2=0.73、0.73、0.71),而9月份芦苇湿地不同层次土壤有机碳与全N之间的相关性相对较差(R2=0.41).土壤C/N与土壤有机碳、全N均呈负相关,但C/N与全N的相关性强于土壤有机碳,说明C/N的大小主要决定于全N含量.

农田土壤碳氮及其与气象因子的关系

为揭示土壤碳氮受外界环境因子的影响,基于辽宁省51个农业气象站的代表性,分析了土壤有机碳和全氮的剖面分布及其与气象因子、地理因子的关系。结果表明,土壤表层（0~20 cm）有机碳和全氮含量总体高于土壤下层（20~40 cm）;不同土层土壤有机碳和全氮受年降水量、年平均气温的影响程度不同。土壤表层有机碳和全氮受年降水量、年平均气温的显著或极显著影响（P〈0.05,P〈0.01）;土壤下层有机碳和全氮均与年平均气温呈显著负相关（P〈0.01）,而与年降水量不成显著相关。经度与土壤表层有机碳和土壤下层全氮呈显著正相关（P〈0.05）,而纬度和海拔不影响土壤有机碳和全氮。不同土层有机碳、全氮与气象因子的回归方程为农田生态系统的碳收支评估及养分循环提供基础资料。

植被-大气相互作用中的气孔导度及其尺度转换

气孔导度是衡量植物和大气间水分、能量及CO2平衡和循环的重要指标,探讨气孔导度在叶片、冠层及区域尺度间的尺度转换及累积效应,对更好地认识植被与大气间的水热运移过程,合理评价植被在陆面过程中的地位和作用具有重要意义。本文着重从叶片尺度气孔导度模拟、气孔导度在冠层尺度的累积表现、冠层到区域尺度转换研究及气孔导度累积效应在陆面过程模型中的作用等4个层次总结了近期国内外研究状况,指出其中存在的异质性等问题,并就今后应加强多尺度间的同步观测提出了展望。

湿地芦苇植株氮素分布动态特征分析

湿地植物组织器官氮素变化是湿地氮循环的一个重要环节。对盘锦湿地芦苇(Phragmites australis)植株整个生长季地上和地下不同器官的含氮量进行分析,结果表明:芦苇不同器官(叶片、茎秆、根须、根茎)的含氮量差异显著,总体表现为叶片>茎秆>根须>根茎,地上器官的含氮量大于地下器官,且各器官含氮量的高值出现在生育前期。生长期叶片含氮量与累积叶面积指数呈负相关关系,而成熟期叶片含氮量与叶面积指数呈负相关关系;根茎含氮量随土壤深度的增加而增加;根系含氮量与生物量呈线性关系。整个生长季芦苇群落氮库随生长进程逐渐增大,2005年芦苇地上冠层和地下30cm以上的氮储量分别为25.76和24.04g·m–2。

芦苇湿地大气负氧离子变化特征及影响分析

利用盘锦芦苇湿地1 a的逐小时大气负氧离子浓度及同期的气象资料,分析盘锦芦苇湿地大气负氧离子的变化特征及气象条件对负氧离子的影响。结果表明,大气负氧离子年平均值为1 932个/cm^3。不同季节大气负氧离子日变化趋势一致,呈单峰型。春季、夏季、秋季和冬季大气负氧离子日变化最大值分别出现在14∶00、15∶00、14∶00和12∶00;大气负氧离子逐日的年变化呈单峰趋势,其中8月份达到最大值。大气负氧离子与气温和相对湿度均呈显著正相关(P<0.01),相关系数分别为0.80和0.56。进一步分析发现大气负氧离子与气温呈指数函数关系,与相对湿度呈二次曲线函数关系。

东北玉米根系生物量模型的构建

开展根系生物量的观测和研究,建立通用性的根系生物量模型对于开展生态系统生物量的监测和评估具有重要意义。为得到根系生物量的实时信息, 2016年9月末利用挖土法和根系扫描系统,获取玉米根系的生物量及生态指标,分析了玉米根系生物量的垂直分布特征并建立了根系生物量与根系生态指标之间的模拟方程。结果表明:玉米根系生物量主要集中于0～30 cm,占玉米根系垂直分布量的94.44%。利用普通最小二乘法建立根系生物量模型均存在异方差问题,增加根长作为自变量建立的根系生物量模型显著提高了模拟精度,决定系数(R2)达0.91以上。采用对数转换消除方程的异方差及比较不同的模拟方程后发现,玉米根系生物量与根径和根长的组合变量(D2H)建立的指数函数是模拟玉米根系生物量的最优方程,决定系数(R2)最高,为0.90,平均绝对误差(MAE)、估计值的标准误差(SEE)、平均预估误差(MPE)均最小,满足了模拟方程的精度要求。对该方程进一步验证发现,模拟值和实测值之间的相关系数为0.92,说明此模型能较好地模拟根系生物量。利用根系生物量模型结合微根管法,可解决根系生物量实时观测难的问题。

辽河三角洲稻区近地层CH_4浓度与通量特征

为准确获取辽河三角洲水稻湿地CH4浓度与通量特征,分析水稻生长发育对CH4浓度与通量的影响,进一步估算稻田CH4排放量,基于采用涡度协方差法(Eddy Covariance Method,EC)获取的2013年4─10月辽河三角洲稻区近地层CH4监测资料,结合水稻生育期,分析了稻田CH4浓度与通量的时间变化规律。结果表明:水稻(Oryza sativa Linn)生长季内,近地层CH4的平均浓度是0.242 mmol·m-3,期间出现3个峰值,分别与泡田期、拔节-抽穗期和成熟期3个生育期相对应;CH4浓度较高时期,其日变化活跃,表现为日间浓度较低夜间浓度较高,日较差大,在其它浓度较低时期,日变化不大。CH4的月排放量在5月最大,为0.700 mol·m-2。CH4通量在水稻生长季内日平均为0.080μmol·m-2·s-1,通量峰值出现规律与浓度一致,其中泡田-移栽期较高,最高值出现在5月11日,为0.707μmol·m-2·s-1,返青期-分蘖期基本无CH4排放,拔节期-抽穗排放量再次升高,之后逐渐降低,在CH4通量较高时期,通量的日变化随气温升高而升高,温度达最大值之后逐渐降低。浓度与通量的日变化呈负相关关系。

1988—2007年辽宁主要农业气象灾害分析

应用灰色关联分析方法,对1988—2007年辽宁主要农业气象灾害(旱灾、洪涝灾害、风雹灾和霜冻灾害)受灾面积与粮食总产量的关联度进行动态分析。结果表明:对于受灾除了干旱灾害呈上升趋势外,其他灾害均呈下降趋势;对于成灾,洪涝灾害和风雹灾害呈下降趋势,其他灾害呈上升趋势。旱灾对辽宁农业粮食生产造成的影响程度最大,其次是洪涝灾害、霜冻灾害和风雹灾害。

森林凋落物组分的气象影响分析

凋落物是连接植被与土壤的＂纽带＂,直接影响森林生态系统的物质循环和能量流动。基于1977年以来森林的凋落量及气象资料,分析中国天然林和人工林凋落量不同组分的气象影响状况。结果表明,无论是天然林还是人工林,叶、枝和花果凋落量之间达到显著或极显著相关（P〈0.05,P〈0.01）。天然林凋落量各组分与气象因子的相关系数明显高于人工林。天然林叶、枝和花果凋落量与年平均最低气温相关性较高,相关系数分别为0.51、0.45、0.58（P〈0.01）;树皮凋落量与年平均风速呈显著负相关,相关系数为-0.76（P〈0.05）。气温明显影响着人工林叶、枝、花果凋落物的凋落,相关系数在0.26-0.37之间（P〈0.05,P〈0.01）。通径分析发现,年平均气温、年平均最低气温和年平均最高气温是影响叶、枝和花果凋落量的主要气象因素。森林类型来源不同,凋落物不同组分受气温的影响存在差异。

盘锦芦苇湿地土壤微生物特征分析

基于盘锦湿地生态系统野外观测站芦苇群落生长季6-9月的定位观测资料，分析了芦苇湿地土壤微生物季节动态及其与环境因子的关系。结果表明：盘锦芦苇湿地的土壤细菌、放线菌、真菌以及微生物的总数在生长季节呈现出先减少、后增加的变化趋势。湿地的土壤细菌、放线菌以及微生物的总数在8月达到最小，而真菌数量在7月达到最小。湿地土壤中，细菌数量最大，其次是放线菌，最少的是真菌。对细菌、放线菌、真菌以及微生物总数与环境因子的相关分析表明，细菌、放线菌与微生物总数主要受水分影响，而真菌则受水分与气温的协同作用影响。

温度对东北平原水稻田甲烷排放的影响

水稻(Oryza sativa)田是农业环境中甲烷(CH4)排放的重要来源。在东北水稻主产区三江平原和辽河平原开展典型水稻田CH4排放监测、分析CH4排放与温度之间的关系,对制定合理的减排措施来降低水稻田温室气体CH4排放具有的一定参考意义。该研究将两地2017-2018年水稻田CH4的高频通量、温度、水稻生育期数据相结合,研究CH4的排放过程、不同时间尺度的排放特性及其在不同生育阶段对温度变化响应的敏感性。结果表明,2017年三江平原和辽河平原CH4的年排放量分别是26.77 g·m^−2和16.17 g·m^−2。两地2018年CH4的排放量均比2017年明显增加,年际变化差异显著。三江平原6月和7月排放量最大,分蘖期是CH4排放高峰,最大排放速率为0.127μmol·m^−2·s^−1,非生长季基本无CH4排放。辽河平原拔节抽穗期和成熟期是CH4排放高峰,7月CH4月排放量最高,拔节—抽穗期的排放速率增加至0.102μmol·m^−2·s^−1,然后逐渐减少,生长季末出现第三个峰值,在非生长季存在CH4排放弱日变化。2018年与2017年的气温持平,但5—9月土壤温度比2017年略有升高。三江平原生长季夜间CH4排放与土壤温度符合指数相关关系,孕穗到排水前CH4排放对温度变化最敏感(温度敏感性系数Q10=11.336),辽河平原只有泡田到返青期CH4排放与土壤温度符合指数相关关系(温度敏感性系数Q10=2.846)。三江平原和辽河平原典型水稻田的灌溉制度、淹水条件、种植方式基本相同,而辽河平原水稻田CH4排放比三江平原水稻田低。土壤温度变化对三江平原水稻田CH4排放速率的影响比辽河平原强。

盘锦湿地芦苇群落生物量动态特征研究

基于2005年4～9月盘锦湿地芦苇生态系统的观测资料，分析了盘锦湿地优势植物芦苇的群落学特性。结果表明：地上生物量峰值出现在7月，4～7月茎重与叶重呈显著的正相关；地下生物量存在明显的季节和垂直变化，其中0～30cm的芦苇须根最大值出现在7月，根茎最大值出现在6月，30～40cm深度为生物量变化在垂直剖面的分界线；根冠比以7月为最低。分层营养物质在30cm以下积累。

大兴安岭林区火灾特征及影响因子

对1970—2006年大兴安岭林区森林火灾过火次数与过火面积及其影响因子进行分析。结果表明:春季是大兴安岭林区火灾易发季节,4—6月易引发较大等级的森林火灾;雷击是引起该地区森林火灾的主要原因,雷击火灾多集中在春季和夏季,6月为雷击火多发月;年尺度上,降水量与过火次数呈显著相关,气温与过火面积呈显著相关;月尺度上,气温与过火次数呈显著相关,风速、相对湿度与过火面积呈显著相关;日尺度上,过火次数与最高气温呈显著相关,过火面积与相对湿度呈显著相关;但复相关系数较小,表明对森林火灾的预测不能仅仅选取气象因子,更要考虑火源及可燃物的影响。

盘锦芦苇湿地土壤微生物初步研究

基于盘锦湿地生态系统野外观测站芦苇群落生长季的定位观测资料,分析了芦苇湿地土壤微生物不同层次上的比率变化。结果表明:在0—10,10—20 cm和20—30 cm的3个层次上及微生物总数中土壤的细菌所占比率最大,而且在3个层次上的比率自上至下逐渐增大;其次是放线菌,且在3个层次上的比率逐渐减少;最少的是真菌,在3个层次上相差不大接近为零,在整个微生物中所占比率为最少的。这是由于盘锦芦苇湿地的土壤偏盐碱性,有利于细菌和放线菌繁殖,抑制了真菌的繁殖;而且季节性积水导致通气状况不良也抑制了真菌的生存。在盘锦芦苇湿地土壤微生物垂直梯度的比率中,细菌垂直梯度变化比较明显,基本上是下面2个层次所占比率比表层大一些;放线菌垂直梯度变化明显,一般表层比率最大,下面2层比率较小;真菌垂直梯度上所占的比率没有明显变化,接近为零。