土壤-作物系统综合管理对春玉米产量及磷、钾养分利用的长期影响

为评估土壤-作物系统综合管理(ISSM)的应用效果并为区域作物可持续高产高效提供技术支撑,基于2009−2020年开展的春玉米长期定位试验,探讨不施肥(CK)、农民习惯(FP)、高产管理(HY)和ISSM 4种管理方式对玉米产量、植株磷钾养分吸收量、利用效率及土壤磷钾养分状况的长期影响。结果显示,12年间CK处理玉米产量大幅下降,FP处理产量略有下降,而HY和ISSM处理产量呈上升趋势。ISSM处理的年均产量、磷钾养分吸收量分别较FP处理显著增加26%、24%和32%,达到了HY处理的98%、91%和85%。ISSM处理的平均磷、钾肥利用率分别较FP处理增加18.7和1.2个百分点,较HY处理增加17.4和24.8个百分点。采用ISSM方式12 a后较FP处理显著提高0~20和20~40 cm土层的全量磷、钾和速效磷、钾含量及0~20 cm土层各粒级团聚体中的速效磷、钾含量。相关性分析发现各指标间均呈正相关关系,其中产量与植株磷、钾吸收利用指标间,土壤磷、钾养分与>0.25 mm粒级团聚体磷、钾养分指标间的相关性较强。结果表明,ISSM方式可实现春玉米的长期高产稳产,增加磷钾养分吸收利用,提高土壤磷钾养分供应能力,促进土壤-作物系统可持续发展。

计及需求侧管理与碳排放的综合能源系统光-储设备优化配置方法

合理调整综合能源系统(IES)的配置结构能够有效提升其低碳经济运行水平,基于此,提出了一种计及需求侧管理与碳排放的IES光-储设备优化配置方法。基于IES典型拓扑及供能设备的工作机理,建立其冷-热-电-气能流模型;根据不同柔性负荷特点,从不同维度构建用能体验的评价指标,并提出一种考虑用户综合满意度的需求侧能量管理策略;在此基础上,为进一步提升系统的低碳性能,设计了一种计及全寿命周期碳排放的奖惩阶梯型碳交易机制;在同时考虑所提需求侧管理与碳交易机制的前提下,以设备全寿命周期内创造的总收益最大为优化目标,构建了从运行到规划层面的源-网-荷-储多环节协同的光-储设备优化配置模型及运行方案;基于某真实IES开展算例研究,结果验证了所提方法在避免设备冗余配置、减碳与提高经济运行水平方面的有效性。

太行山坡地不同管理措施植被-土壤系统耦合关系

植被和土壤的耦合协调关系可以用来衡量生态系统的一致性和协调性程度。研究以河北省临城县太行山东麓丘陵坡地为研究区,以原生灌草地、不管理的人工核桃林、人工核桃林下清除灌草、人工核桃林下清除灌草并施肥等4种不同管理措施的植被-土壤系统为研究对象,建立由4个植被因子(Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou等指数)和7个土壤因子(土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、pH、电导率、含水率等)组成的评价指标体系,采用层次分析法和熵权法确定各因子权重,以耦合协调度模型评价二者的协调程度。结果表明:(1)不同管理措施下,除植被因子Pielou指数外,其余植被和土壤因子均存在显著差异性(P<0.05)。(2)土壤有机碳与Simpson指数呈显著正相关(P<0.05),与Shannon-Wiener、Pielou、Margalef指数呈显著负相关(P<0.05),土壤全氮与Shannon-Wiener和Margalef指数呈显著负相关(P<0.05)。(3)不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调程度总体处于失调发展状态,原生灌草地为严重失调发展模式的植被-土壤同步发展型,不管理的人工核桃林和林下清除灌草并施肥均属于中度失调发展模式的土壤滞后发展型,林下清除灌草属于轻度失调发展模式的植被滞后发展型。综上,种植人工核桃林并清除林下灌草有利于提升植被-土壤系统耦合协调度,但尚未达到最佳的协调状态。

胡敏素对土壤-水稻系统砷镉迁移转化的影响效应与机制

砷(As)和镉(Cd)在稻米中积累导致人体健康风险的问题已经引起全球范围的广泛关注。水稻生长过程中不同的水分管理和有机质的添加对水稻吸收砷和镉有重要的影响,但其中的机制还未被系统阐述。因此,本文主要探究了不同水管理条件下添加腐殖质对水-土-铁膜界面砷和镉含量及形态变化的影响,结果发现淹水还原条件下胡敏素的添加能进一步促进砷的还原,增加水稻各部分对砷的积累。然而,加入胡敏素后能促进镉的固定,进一步减少水稻各部分对镉的积累。

重庆岩溶地质高背景区土壤-农作物系统重金属累积特征及影响因素

为了揭示重庆岩溶地质高背景区土壤-农作物系统中重金属的迁移累积特征,选择在重庆市南部典型岩溶区,系统地采集大宗农作物(水稻、玉米和红薯)及其耕层土壤84组,分析测定农作物及耕层土壤中重金属砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、锌(Zn)含量及理化性质,采用地统计、生物富集因子及皮尔逊相关系数分析等方法,开展重金属元素在重庆岩溶地质高背景地区土壤−农作物系统中累积特征及影响因素。结果表明,研究区水稻田、玉米地和红薯地耕层土壤重金属平均含量均高于重庆市和全国表层土壤背景值,呈现不同程度的积累,其中Cd元素富集现象较为突出。依据GB 15618-2018和GB 2762-2017,耕层土壤种Cd超标率达41.59%,水稻、玉米和红薯中Cd超标率分别为5.89%、6.25%和5.56%,显示出岩溶地质高背景区虽然土壤中重金属含量总量高,但生物有效性较低。相关分析显示,土壤-农作物系统Cd等重金属含量主要受土壤pH、土壤质地和土壤中铁锰氧化物影响。

基于Meta分析的沼液施用对作物-土壤系统效应的研究

定量分析沼液施用对作物产量和土壤肥力及重金属累积的综合效应,旨在明确等氮沼液对作物产量、土壤肥力参数和重金属累积的影响,为优化沼液施用综合管理措施,发挥沼液施用积极效果提供数据参考。运用Meta分析方法将中英文数据库中已发表有关等氮沼液(BS)和全施化肥(CF)处理对作物和土壤肥力影响文献进行检索筛选,共选出有效文献62篇,获得可进行分析的试验数据591组。研究结果表明:与全化肥处理相比施用沼液作物增产7.62%但差异不显著(p=0.07);土壤容重降低6%、总孔隙度增加14%、较大团聚体含量增加10%~20%,差异显著(p<0.05);土壤有机质、总氮、速效磷、阳离子交换量和电导率增幅6%~20%并导致盐分累积加剧(p<0.05);土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性及微生物碳氮含量、香农指数和辛普森指数增幅6%~21%(p<0.001);土壤Cu、Zn和As含量比全化肥(CF)处理显著增加10%~18%。沼液施用对作物增产和土壤肥力提升显著正效应,需要考虑沼液施用年限、土壤类型、作物种类,严格控制施用量降低盐分和重金属累积风险,实现沼液安全高效利用。

基于需求侧用户响应分析的电-气-热综合能源系统低碳经济调度

在低碳经济的背景下,为充分发挥供需双侧的互动潜力,提出一种考虑综合需求响应(IDR)和碳交易的电-气-热综合能源系统(EGH-IES)双层低碳经济调度模型。首先,提出考虑多能负荷自身特性、耦合特性和反弹效应的IDR模型和用户权衡经济效益、响应方式和用能偏好的综合效益模型。基于此,建立上层模型为引入奖惩阶梯型碳交易机制的EGHIES低碳经济调度,下层模型为IDR策略的双层优化调度模型。然后,通过Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件、对偶定理和线性化方法将双层模型转换为混合整数线性规划问题进行求解。最后,算例分析表明,综合考虑碳交易和多元负荷特性能促进供需双侧的联合优化,充分发挥EGH-IES的经济低碳性。

作物生长和氮含量对土壤-作物系统CO_2排放的影响

为探讨作物生物学特征对土壤 作物系统CO2 排放的影响 ,本研究基于逐步收割法和静态暗箱 气相色谱技术 ,以冬小麦和水稻作物为研究对象 ,采用盆栽和大田试验的方法 ,在作物生长的主要生育期原位测定了土壤 作物系统CO2 排放速率 ,同时测定了作物生物量和氮含量 .研究结果表明 :①土壤 作物系统CO2 排放在生长季内呈现动态变化 ,土壤 水稻系统CO2 排放高于土壤 冬小麦系统 .②作物暗呼吸速率与生物量呈显著线性相关 .③作物暗呼吸系数 (Rd)的季节变化可以用植株氮含量来描述 .冬小麦Rd 与N含量的关系可用线性方程Rd=0 0 12 4N - 0 0 0 76 (R2 =0 9879,p <0 0 0 1)表示 ;水稻Rd 与N含量的关系可用二次方程Rd=0 0 0 85N2 - 0 0 0 4 9N(R2 =0 9776 ,p <0 0 0 1)表示 .④作物根系的参与极大地促进了土壤呼吸 .冬小麦生长季土壤表观呼吸CO2 平均值为 2 4 7 2mg·(m2 ·h) -1,高于未种作物土壤 1 78倍 ,水稻生长季为 2 15 3mg·(m2 ·h) -1CO2 ,高于未种作物土壤的 3 38倍 .冬小麦根系呼吸系数大于水稻 ,其根际呼吸对土壤表观呼吸的贡献高于水稻 .

基于GIS的区域土壤养分管理与作物推荐施肥信息系统研究

利用数据库系统与地理信息系统集成开发技术,开发研制区域土壤养分管理及作物推荐施肥信息系统。

土壤-作物系统中农药残留生物降解去除研究

采用水稻小区及大田试验方法,研究了将人工分离筛选培养的农药降解菌(DLL-1)应用于水稻作物的田间试验。试验结果表明,将降解菌喷施应用于土壤和作物系统,能加速和强化作物表面残留农药的降解作用,最终能减少土壤和农产品中农药残留量。

作物-家畜综合生产系统

作物与家畜是农业系统的核心组分,相互作用推动农业系统不断进化。作物-家畜综合生产系统中,作物生产与家畜生产之间构成较为完整和通畅的物流与能流网络,它经历了6个演化阶段:原始的食物收集系统(OHF)→原始的作物-家畜综合系统(OICL)→粗放的专门化生产系统(ES,ESC和ESL)→粗放的作物-家畜综合系统(EICL)→集约化的专门生产系统(IS,ISC和ISL)→集约化的作物-家畜综合系统(IICL),经过2次专门化和3次整合,表现为螺旋式上升的趋势。主要综合系统类型包括传统的作物-家畜综合生产系统(C-ICL)、作物/天然草地-家畜综合生产系统(ICL-R)、草田轮作-家畜综合生产系统(ICL-CF)、栽培草地-家畜综合生产系统(ICL-SP)、农林牧复合系统(ICL-W)和作物-家畜/基塘综合生产系统(ICL-P),相互之间沿着一定的环境梯度演替。集约化系统主要存在于发达国家和地区,粗放型在发展中国家和落后地区较为普遍,两者在系统结构、作物与家畜的互作模式、外部投入与生产力水平、生产目的等方面明显不同。作物-家畜互作对农业系统中土壤、植物、微生物、家畜、营养物质循环、能量平衡和经济效益有显著作用。国内外对作物-家畜综合生产系统的内涵、发展阶段、结构与功能的研究有诸多异同,但是尚存在研究对象不全面,尺度单一,方法不可靠,主要针对的是作物系统,及能流分析与物流分析脱节等问题。

沈阳市城乡结合部土壤-作物系统铅含量水平及其影响因素分析

以沈阳市城乡结合部为研究区域,分析测定了土壤、蔬菜和粮食作物中铅的含量水平,并探讨了土壤有机质、pH值、全磷对铅在土壤-作物系统迁移的影响。结果表明,沈阳市城乡结合部耕作层土壤铅含量平均值为107.35m g·kg-1,是背景值的3.25～15.08倍,土壤铅含量均超过国家土壤质量标准的一级标准(G B15618-1995);蔬菜类可食部分铅含量的超标率是100%(G B14935-94、G B2707-2763-3),其中叶菜类叶子含铅量要远远小于其根系含铅量,根菜类叶子含铅量要大于根含铅量;粮食作物中水稻可食部分没有发现超标现象,而玉米籽粒超标率达7.1%。土壤有机质、pH值及全磷是影响作物铅含量及不同作物不同器官铅分配的重要因素,相关分析结果表明,蔬菜类的叶铅和根铅含量与土壤有机质含量呈显著的正相关关系,与土壤pH值和土壤全磷呈负相关关系,水稻籽实铅与土壤全磷呈正相关关系,尚未发现玉米籽实铅含量与土壤有机质、pH值及全磷具有统计学上的相关性。土壤有机质、pH值及全磷3种因素协同作用是导致不同作物机体铅吸收与分配的不均一性的根本原因。

中国土壤模式-作物系统重金属生物富集模型建立

针对土壤模式建立土壤和作物重金属含量关系模型,旨在消除土壤属性对作物重金属吸收量的影响。当作物类型或品种确定后,作物重金属吸收量只与土壤重金属含量有关。提出了农田作物重金属生物富集的"土壤重金属含量-作物特性-土壤属性"关系理论,定义了土壤模式、土壤模式-作物系统重金属生物富集模型、土壤模式-作物系统重金属生物富集模型图谱等概念,确定了土壤模式的划分方法和使用方法,在此基础上以最近30年来中文期刊发表的土壤镉含量与水稻和小麦镉含量关系作为案例验证了以上方法。结果表明:水稻和小麦同一部位镉吸收量随土壤镉含量增加而增加,水稻和小麦吸收镉能力顺序为根>茎>叶>籽粒,水稻和小麦籽粒镉吸收量在同一范围内。

土壤管理方式对果-草人工生态系统土壤性质影响

采用单因素随机区组设计,研究川中丘陵地区退耕还林后不同土壤管理方式对土壤理化性质、土壤微生物数量和土壤酶活性的影响。结果表明:刈割覆盖处理土壤蓄涵水分、保温和降温效果优于其他处理,畜粪还园处理土壤密度最小;土壤养分值以畜粪还园处理最好;土壤微生物数量、酶活性均表现出差异性,以畜粪还园处理最好;土壤微生物数量、酶活性与土壤养分含量之间存在相关关系,可以作为评价土壤肥力的指标。不同土壤管理方式的生态效益以刈割覆盖和畜粪还园处理最好。

我国北方土壤-作物系统内钾素循环特征及秸秆还田与施钾肥的影响

在我国北方 13个省 (市、自治区 )的 2 5个点上 ,进行了 5年的钾肥定位试验。结果表明 ,我国北方土壤全钾含量地区性差异不大 ,而土壤缓效钾和土壤速效钾含量 ,西北地区土壤远高于东北和华北地区土壤 ,华北地区土壤的土壤缓效钾含量又远高于东北地区土壤 ,而土壤速效钾含量却低于东北地区土壤。在主要种植制下的代表性土壤上 ,东北、西北和华北地区不同种植制度下的作物吸钾量也存在明显差异。西北地区的作物吸钾量一般较高 ,华北地区一年两熟制的作物年吸钾量远大于东北地区的一年一熟制。秸秆还田和施钾肥对作物吸钾量有提高作用。在不施钾肥的情况下 ,土壤钾库长期处在被作物耗用的状态下 ,土壤速效钾含量逐渐下降 ,土壤缓效钾含量也有下降的趋势。施钾肥和秸秆还田配施钾肥 。

不同施肥模式对作物-土壤系统养分收支的影响

以1组20年长期定位试验为基础,针对不同施肥模式下作物-土壤系统养分收支状况进行研究。本试验共8个处理,分别由化肥氮(N)、磷(P)、钾(K)和循环有机肥(M)组合而成。结果表明,养分循环再利用有利于作物产量的提高,对大豆和玉米籽实平均增产率分别为22.9%和16.4%;但随化肥的均衡施用,有机肥增产作用明显降低。仅施用循环有机肥可缓解土壤养分收支赤字,但无法实现作物高产和土壤养分收支平衡;施用氮肥加剧土壤磷收支赤字,同时施用氮、磷肥加剧土壤钾赤字。本研究中同时施用氮、磷、钾肥和循环肥模式可满足作物高产的养分需求,同时能够平衡土壤养分收支,是较为理想的施肥模式。

黄河三角洲农田土壤-作物系统重金属污染风险评估

重金属严重影响着农业用地土壤环境质量以及农产品安全,已引起国内外广泛关注.本研究以我国重要的粮食产区黄河三角洲典型农田为对象,评估了农田土壤-作物系统中重金属的污染风险.研究结果表明,黄河三角洲农田土壤中重金属Cr、Cu和Pb的质量分数具有显著性差异(P<0.05),Cr的质量分数(47.20mg·kg^(-1))最高,Cu(26.00mg·kg^(-1))次之,而Pb(13.90mg·kg^(-1))最低,各重金属分布存在中等的空间异质性.根据单因子污染指数和内梅罗综合污染指数,黄河三角洲农田土壤总体上处于清洁水平,重金属污染风险较低,但不同作物区具有显著性差异(P<0.05).小麦田和水稻田土壤Cr、Cu的质量分数显著高于藕池和玉米田,小麦田和水稻田土壤Pb的质量分数与藕池差异不显著,但显著高于玉米田.3种重金属元素在各主要农作物的地上部分均呈现一定程度的富集,且Cu的富集程度最高,Pb的富集程度最低;不同作物对重金属元素的富集程度不同,对Cr的富集程度由高到低呈现为玉米、藕叶、水稻、小麦,对Cu的富集程度由高到低呈现为玉米、水稻、藕叶、小麦,而对Pb的富集程度由高到低呈现为水稻、玉米、小麦、藕叶.

湖南洞庭湖地区土壤-作物系统铅含量及其影响因素

以湖南洞庭湖地区为研究区域,探讨了土壤有机质、pH值、P、N对Pb在土壤-作物系统中迁移的影响,研究了Pb、Cd复合污染对水稻Pb、Cd富集的作用。相关分析结果表明:随土壤有机质含量的增加,离子交换态Pb含量减少,但通过转化可以被植物吸收利用的有机质的结合态Pb含量增加,进而增加了水稻对土壤Pb的吸收量;土壤为中性偏碱性时,土壤中Pb的活性和水稻Pb的富集能力均较酸性土壤中有所降低;在土壤中增施氮肥和磷肥可降低土壤中离子交换态Pb的含量,减少水稻对Pb的吸收。因此,土壤有机质、pH值、P、N是影响水稻Pb含量及土壤Pb活性的重要因素。Pb-Cd复合污染研究结果表明:土壤中同时存在Pb、Cd时,Pb元素的存在促进了水稻对Cd元素的吸收,而Cd却抑制了水稻对Pb的吸收。

农用地土壤-作物系统对畜禽粪便养分消纳能力的评价

从土壤对养分消纳能力和作物养分需求角度出发,利用空间分析和地统计学方法,以北京市大兴区为例,进行了以地块为单元的农用地土壤-作物系统对畜禽粪便养分消纳能力评价。结果表明,大兴区农用地土壤-作物系统对畜禽粪便养分消纳能力整体一般,81.65%的农用地处于中下水平。除了因为大兴区的土壤保肥吸收能力整体不强外,还与大兴区的种植结构与种植面积有关,特别是高肥力的耕地与设施农业用地占地比例较小。

基于双作物系数法估算晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散量

冬小麦-夏玉米轮作系统是晋南地区常用的种植模式,为评估双作物系数法在冬小麦-夏玉米轮作系统应用的可靠性,掌握轮作系统耗水规律,通过双作物系数法模拟2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散量,以水量平衡计算结果为标准对其模拟结果进行评价,并区分植株蒸腾(T)和土壤蒸发(E)。该结果表明:在冬小麦-夏玉米轮作系统中,冬小麦初期、发育期、中期和后期的平均基础作物系数(Kcb)为0.2、0.59、0.98和0.15,夏玉米的为0.14、0.69、1.24和0.56;冬小麦的平均土壤蒸发系数(Ke)为1.24、0.63、0.07、0.42,夏玉米的为0.78、0.45、0.06、0.46。冬小麦全生育期内ETc为264.18~526.22 mm,夏玉米的为261.76~519.67 mm;发育期为耗水高峰期,冬小麦、夏玉米发育期蒸散量占各自生育期总蒸散量的比例分别为31.2%~51.3%和34.3%~58.2%;随着灌水次数的减少,冬小麦、夏玉米总蒸散量及植株蒸腾量均逐渐降低,土壤蒸发量也在灌水最少时达到最低,全生育期E/ETc,冬小麦为27.3%~46.4%,夏玉米为29.3%~44.2%。在冬小麦和夏玉米生长初期,80%以上的土壤水分以蒸发形式消耗,在中期时土壤蒸发占比最低,冬小麦为6.1%~13.4%、夏玉米为4%~7.6%。冬小麦、夏玉米各自蒸散模拟值(ETc-FAO)与实测值(ETc)呈现出较好相关性,R2为0.8~0.86,RMSE为0.5~0.6 mm/d,MAE为0.4~0.49mm/d,可见双作物系数法模拟晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统ETc具有较高精度,可为精确掌握冬小麦-夏玉米轮作系统耗水规律,进而制定合理的灌溉计划提供理论依据。