A simulation study on CO_2 assimilation and crop growth in agroforest ecosystems in the East China Plain

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豆科作物轮作强化农田生态系统功能的研究进展

集约化农业对保障国家粮食安全至关重要,但其导致的生态环境代价与绿色可持续发展之间的矛盾日益突出。引入豆科作物到农田生态系统对于实现地力保育、作物丰产稳产和资源优化利用等多目标协同具有重要意义。本文系统总结了豆科作物轮作对作物生产和土壤功能的主要影响:1)豆科作物通过生物固氮、高质量的根际分泌物输入、秸秆还田等过程改善了土壤氮素水平,产生正向的残留效应,有利于后茬作物增产,且增产效应在低产区更显著;2)豆科作物轮作可以通过氮肥减施降低系统N_(2)O排放,但豆科的生物固氮过程有增加CO_(2)排放的风险;3)低C/N、高氮含量的豆科秸秆还田能够提高土壤微生物活性和残体积累,提高土壤固碳效率,但其固碳效应也受到较低的秸秆生物量投入限制;4)豆科作物可以提高后茬作物的水肥利用效率,同时利用前后茬作物根系深浅合理搭配,实现轮作周年水肥高效利用。因此,将豆科作物引入到轮作系统可实现氮肥减施和增产,但其产生的土壤固碳和温室气体减排效应受到作物种类、肥料投入、土壤和气候条件等多种因素的综合影响。为更好地发挥豆科作物轮作优势,应深入探究豆科促进后茬作物增产和驱动地下部生态功能提升的耦合机制,开发豆科作物轮作配套田间管理技术,并定向设计适合我国典型生态区的新型生态高效种植体系,对推动豆科作物轮作模式构建与应用及农业绿色发展具有重要理论意义和实践价值。

农业生态系统优化:基于多模型耦合的土地利用多样性与生态服务价值最大化策略

为深入探讨土地利用多样性对生态系统服务的影响,并提出一种创新的耦合模型优化策略。通过这种策略,可以最大化土地利用多样性与生态系统服务价值,从而促进农业生产、生态环境保护与人类福祉之间的和谐发展。为了实现这一目标,构建了一个综合模型,涵盖了作物生长、土地利用变动、生态系统服务评价、多目标优化4个关键模块。这个模型全面模拟并解决作物系统设计问题,考虑了农业生产、生态环境和人类福祉等多个目标和约束。通过实证分析,比较了不同土地利用配置方案的效果,以寻求最优或接近最优的选择。结果发现:优化作物情景在提升生态系统服务价值和人类福祉指数方面表现最佳。该情景不仅确保了农业生产的高效率,还在生态系统服务供给和人类福祉方面取得了显著成效。这一发现证明了多样化的土地利用配置能够带来更多的生态和社会经济效益。本研究的创新之处在于,首次将作物系统设计问题定义为多目标优化问题,并通过耦合模型进行实证分析。这一方法论为农业生态系统管理提供了新的视角和工具,有助于实现可持续发展目标。本研究结果强调了土地利用多样性在提升生态系统服务价值和人类福祉方面的重要性,为未来的土地管理政策和实践提供了科学依据。

农田管理措施对红壤稻田系统杂草种群结构的影响

以长期定位试验为依托,研究了红壤稻田系统不同轮作制度、施肥条件、地下水位状况对晚稻田间杂草种群的影响。结果表明:在不同轮作制度下,稻稻冬绿肥的稻田系统中杂草密度最大,为409.8株/m2;在不同施肥处理中,以单施化肥处理的稻田系统中杂草密度最大,为513.7株/m2;在不同水分管理条件下,低水位更有利于杂草的生长,杂草密度达到376.6株/m2。不同农田管理措施下杂草种群组成存在差异,以施肥措施对杂草种群组成影响最大。

广州市农作物系统与大气的CO_2交换

在广泛收集资料和实验分析的基础上,研究了广州市各种农作物系统与大气CO2交换。分析了各种农作物系统净生产力吸收CO2的能力和碳汇功能大小。结果表明:2005年广州市8种农作物系统作物净生产力吸收CO24 032 366t.a-1,其土壤CO2排放3981753t.a-1,吸收大于排放,对大气CO2而言,整个农作物系统是一个弱的碳汇;水稻、甘蔗、木薯和果用瓜4种连作或高杆作物系统每年作物净生产力吸收CO2量大于土壤CO2的排放量,系统具有较大的碳汇功能,花生、大豆、花卉和蔬菜4种矮杆作物系统每年作物净生产力吸收CO2量小于土壤CO2的排放量,系统起着碳源作用;果实或经济产量生长在地上部分的作物其单位面积吸收CO2能力比果实(块根)生长在地下的作物大;除花生在生育期间生物量吸收CO2量少于同期土壤排放以外,其余7种作物在生育期间生物量吸收CO2的量大于同期土壤排放,大多数农作物在生育期间具有碳汇功能,在撂荒期才体现碳源作用。

鄱阳湖地区长期施肥双季稻田生态系统净碳汇效应及收益评估

以江西省红壤所长期施肥红壤水稻土双季稻农田生态系统为研究对象,利用不同施肥处理作物产量及土壤有机质含量等测定数据结合调查获得的生态系统物质和管理投入资料,估算了不同施肥处理(不施肥(CK)、单施氮肥(N)、单施磷肥(P)、单施钾肥(K)、氮磷肥配施(NP)、氮钾肥配施(NK)、氮磷钾配施(NPK)、两倍氮磷钾配施(2NPK)、有机肥与氮磷钾肥配施(NPKM))双季稻生态系统的碳汇效应和经济效益。结果表明,有机肥和化肥配施(NPKM)既提高了系统的作物固碳量又显著增加了土壤的固碳量,使得其净碳汇效应最大,为8.78tC·hm-2·a-1;两倍氮磷钾配施(2NPK)系统的净碳汇效应为8.11tC·hm-2·a-1,二者均高于氮磷钾配施(NPK)处理的7.03tC·hm-2·a-1,不施肥及单施一种或两种无机肥配施系统的净碳汇效应均明显减弱,其中不施肥处理(CK)最小为4.52tC·hm-2·a-1,单施N肥比单施P、K肥在提高系统净碳汇效应上作用明显。配施有机肥(NPKM)稻田的作物产量和经济效益也高于无机肥配施处理(NPK和2NPK),不施肥、单施一种或两种无机肥配施稻田的作物产量和经济效益明显偏低。因此,稻田施用一定量的无机肥是提高稻田生态系统碳汇效应和经济效益的保证,而配施有机肥可以明显提高稻田生态系统的碳汇效应和经济效益。

土壤-作物-动物生态体系中微量元素含量

With “soil crop animal” food chain as a clue, the samples of different type of soils, main crops and animal-poultry products were collected in red soil agro-area in Northern Hunan and their contents of main trace elements(Cu,Fe,Zn,Mn,Co and Se) were determined in present study. The results showed that the content order from high to low of each element in four kinds of soil was Fe > Mn > Zn > Cu > Co > Se. The contents of Cu and Zn were significantly related (p>0.01), while the contents of the other elements were not related. The contents of the same element in different crops were different. For example, the content order of Cu in different crops was soybean > peanut > green bean > rape seed > rice > maize. A common characteristics is that the contents of any trace element were higher in crops which grew on the soil with higher contents of the elements. The contents of each element in the same animal product were also different. For example, the contents of Zn and Fe were higher and the contents of Mn and Cu were lower in pork. The content order of Fe and Cu in different animal products was liver of pig> liver of chicken>pork >chicken meat >beef>goat meat>egg.

鄱阳湖地区长期施肥双季稻稻田生态系统净碳汇效应变化特征

以江西省红壤所长期施肥红壤水稻土双季稻农田生态系统为研究对象,利用不同施肥年限作物的产量及土壤有机质含量等测定数据,结合调查获得的生态系统物质和管理投入资料,估算了不同施肥处理双季稻生态系统的碳汇效应和经济效益,并比较了不同施肥年限农田生态系统碳汇效应的变化特征。结果表明:有机肥与无机肥配施处理的净碳汇效应最强为-8.78 tC.hm-2.a-1,不施肥处理的净碳汇效应最弱为-4.86 tC.hm-2.a-1,加倍施加化肥虽提高了系统的净碳汇效应,但是作用不显著;不同施肥年限,相同施肥条件农田的作物固碳量和净碳汇效应没有显著性差异,但是土壤固碳量变化显著,施加有机肥可以维持和提高土壤的固碳能力平均达到0.41 tC.hm-.2a-1,在追求更高作物固碳量同时,提高和维持土壤的固碳能力也是提高农田碳汇效应的有效途径。有机肥与无机肥配施处理的平均经济效益为17 568 CNY.hm-.2a-1,也高于其他施肥处理。因此,适当施加有机肥不仅可以大幅提高农田生态系统的碳汇效应,还可以显著提高农业生产的经济效益,是实现低碳、高值农业的最有效措施之一。

泡桐、杨树叶水浸液对作物种子萌发的化感作用

为了研究农林复合生态系统中树种对农作物种子萌发的影响,以泡桐和杨树为对象,采用振荡溶解的方法提取泡桐和杨树叶浸出液,通过测定种子萌发率,研究树叶水提取物对小麦、玉米、大豆种子萌发的化感作用。结果表明:(1)杨树和泡桐叶水提取物质量浓度达到50mg/mL对大豆的发芽率、发芽速率有明显抑制作用;杨树叶水提取物质量浓度达到10mg/mL和泡桐叶水提取物质量浓度高于20mg/mL对小麦、玉米有显著的抑制作用。(2)杨树叶水浸液对3种作物种子萌发的化感作用(RI=15.147)大于泡桐叶(RI=13.973)。(3)杨树和泡桐叶水浸液对3种作物种子的化感抑制作用强度依次为小麦>玉米>大豆,而且随着杨树和泡桐叶水浸液质量浓度的上升其化感抑制作用越来越强,作物种子的发芽率也越来越低。

不同灌溉方式冬小麦农田生态系统碳平衡研究

全球气候变暖趋势明显,陆地生态系统碳循环的研究成为目前的研究热点,而农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,由于农田生态系统是受人类强烈调节与控制的复合系统,其碳循环受各类农作措施的影响极大。新疆地处干旱区,水分条件是农田碳循环的最重要限制因子。为此,分析不同灌溉方式对冬小麦(Triticum aestivuml)农田生态系统碳平衡的影响,从而提出有利于新疆冬小麦生产的固碳减排的灌溉方式。试验于2012—2013年在伊宁县科技示范园冬小麦试验田进行,选择伊农18冬小麦品种为供试材料,确定滴灌和漫灌为两个试验主因子并设置小区。试验自冬小麦返青开始至完全成熟结束,期间平均每7天采1次样,其中用典型样株法采集小麦植株,分根、茎、叶等不同器官单独烘干测定植株固碳量;用静态钠石灰吸收法测定冬小麦土壤呼吸;收集整理已发表国内外文献中的各类碳排放参数确定本研究中所需参数;采用王小彬的碳平衡计算方法分析不同灌溉方式农田生态系统碳平衡,据此对滴灌和漫灌两种灌溉方式的冬麦农田作物生物量固碳、土壤碳排放量和作物生产过程中物质投入的间接碳排放量,以及两种灌溉方式下冬麦农田生态系统净碳值进行分析。试验结果表明:滴灌条件下冬麦农田生态系统小麦的固碳量、土壤碳排放总量分别比漫灌小麦的高出15.38%和11.43%,冬小麦穗是差异形成的主要原因;而农业生产资料排碳总量比漫灌少排3.88%;但无论是滴灌还是漫灌,耗电碳排放量均占农业生产资料碳排放总量的59%以上,是农业生产资料碳排放的第一大来源。两种灌溉方式下冬小麦田生态系统的净碳值均呈现出固碳并存在显著差异(p<0.01),且滴灌冬麦农田生态系统净碳值比漫灌高25.39%。因此,新疆冬小麦生产中采用滴灌方式更有利于农田生态系统的固碳,并且改变灌溉电能生产方式将会进一步减少农田生态系统的碳排放。

枣粮间作养分利用与表观损失空间差异性

基于枣粮间作复合生态系统内部异质性,通过在系统内不同位置采样,分析了枣粮间作系统内间作作物产量、氮磷营养元素利用与表观损失方面的空间差异性,并对枣粮间作、枣树单作和农田3种生态系统进行了比较。结果表明:(1)枣粮间作系统内间作作物产量随着距枣树种植行距离的缩小而迅速降低,表现出明显的空间差异性。虽然与农田生态系统比较,间作小麦、玉米均表现减产,经济产量分别降低11.4%、39.9%,但整个枣粮间作系统提高了土地利用程度;(2)枣粮间作系统间作作物吸收氮磷量也呈现明显空间差异性,且与间作作物生物量有极显著相关性。3种生态系统相比,吸氮量为枣粮间作>枣树单作>农田;吸磷量为农田>枣粮间作>枣树单作;(3)枣粮间作系统内氮磷表观损失量有明显的空间差异性,距枣树种植行0.25m处表观损失量显著高于其它位置表观损失量,在距枣树种植行6.5m到2m范围内,随着与枣树种植行的接近,氮磷表观损失量有所降低。3种生态系统相比,氮、磷表观损失量均为枣树单作>农田>枣粮间作。

玉米农田蒸散过程及其对气候变化的响应模拟

应用基于生理生态学过程的EALCO模型,对玉米农田生态系统的蒸散(ET)过程进行了模拟,在模型检验基础上,使用该模型模拟了玉米农田生态系统ET过程对未来气候变化的响应。结果表明,EALCO模型中能量与水过程的动态耦合机制使模型能够较好地模拟农田蒸散过程,基于涡度相关法的观测值与模型模拟值在小时、日尺度上均吻合较好,模型可以解释67%的日蒸散的变化特征。对土壤蒸发与冠层蒸腾的分别模拟显示,生长季土壤蒸发约占ET的36%。温度的升高会引起ET与冠层蒸腾的增加,同时土壤蒸发减少;ET对降水减少的响应较为敏感,主要表现在土壤蒸发的下降。大气CO2浓度升高对冠层蒸腾影响显著,该情景下冠层蒸腾下降幅度最大。研究所假设的2100年气候情景下,该农田生态系统生长季蒸散将减少,然而相对于降水的减少而言,蒸散的减少量较小,即水分支出项相对增加,因此,发生土壤水分匮乏的可能性加大,这可能会加剧该地区的暖干化趋势,给作物产量及生态环境带来威胁。

枣粮间作生态系统土壤氮空间分布特性

基于枣粮间作复合生态系统内部异质性,通过在不同位置采样测定,探讨了枣粮间作系统内土壤氮素空间分布特性。结果表明:(1)枣粮间作生态系统中,在小麦收获期和玉米收获期两个时期,土壤全氮和硝态氮含量均存在明显的垂直和水平两个方向空间变异性。而土壤铵态氮含量极低且没有明显的空间变异;(2)与全氮相比,枣粮间作系统中硝态氮空间变异性更强,且随着时间变化其空间分布特性有明显变化;(3)氮素施用量对土壤全氮和硝态氮空间变异有正向作用,而植株对氮的吸收利用可以降低土壤氮素分布空间差异程度。各因子对土壤全氮空间变异影响强弱顺序为氮吸收量>氮素施用量>土壤含水量;对土壤硝态氮空间变异影响强弱顺序为氮素施用量>土壤全氮含量>氮素吸收量>土壤含水量。

豫东平原杨-农复合系统凋落物的数量、组成及其动态

农林复合系统的凋落物既是维持植被系统和土壤系统养分循环的关键,也是维持农林复合系统结构和功能的重要因子。通过对豫东平原农区4年生、9年生和12年生3个不同林龄杨-农复合系统杨树凋落物的数量、组成及季节动态的研究来为深入研究农林复合系统对大气中CO2的调节作用以及碳循环机理提供参考数据。结果表明,4a杨-农复合系统年凋落物总量为11.18.thm-2;9a杨-农间作复合系统年凋落物总量为12.86 t.hm-2;12a杨-农复合系统年凋落物总量为13.75 t.hm-2。3个不同林龄的杨-农复合系统凋落物总量月变化模式较为相似,均在8月和11月份出现峰值,而以11月份数量最大。其季节变化模式则为秋季>冬季>夏季>春季。

施用生物炭对农田生态系统影响的研究进展

从施用生物炭对土壤理化性状、土壤生物、土壤碳截留、作物产量、温室气体排放的影响等方面,总结分析了施用生物炭对农田生态系统的影响。结果表明,施用生物炭能够改善土壤理化特性和微生物生境,提高养分利用率,但对作物的增产效应具有一定的不确定性。生物炭的稳定性对增加农田土壤碳截留有重要作用,其降解过程目前尚不清楚。添加生物炭影响土壤有机质分解即激发效应,但激发效应的方向和幅度的变异较大。在影响温室气体排放方面,施用生物炭能有效减少N2O排放,但对CO2和CH4的减排效应具有较大的不确定性,生物炭的性质、施用量、土壤类型和肥力状况等因素是导致这些不确定性的主要原因,今后应综合考虑以上因素开展长期定位试验,客观评价生物炭对农田生态系统功能的影响和作用。

农作物授粉生态系统服务评估——以丽江老君山地区为例

为科学评估野生传粉昆虫对农作物授粉生态系统服务能力以及空间格局,基于不同土地利用/覆被类型上各种野生传粉蜂的蜜粉源植物和其巢穴资源的可得性,并结合其传粉的飞行行为及对其传粉有一定依赖性的作物,以ArcGIS9.2为平台构建了针对每个农作物像元的生态系统传粉授粉服务能力评估模型。并在云南丽江老君山地区,以当地野生东方蜜蜂(Apiscerana Fabricius)为例进行了模型的应用。结果表明:当地野生东方蜜蜂在森林的平均生境质量指数最高,达到2.24×10-2;而在栽培植被最低,为0.37×10-2。由于研究区西部农作物区分布零散,周边天然林可提供丰富的蜜粉源和栖息地;而东部农作区集中连片,作物相单一,传粉有较大的空间障碍,且周边多为次生林,研究区农田范围内授粉服务能力空间分布呈现"西高东低"格局。

北京地区不同农田类型及种植模式的生态系统服务价值评估

城郊农田生态系统是城市生态环境的重要保障之一。本文在借鉴前人方法的基础上,结合田间试验与农户调查,选择北京城郊农田生态系统的产品价值、调节大气、净化空气、消纳废弃物、净化污水、土壤保育、蓄水功能、景观功能、生物多样性等价值作为指标进行测算。结果表明:2005年北京郊区农田生态系统服务总价值为1757350万元/a。影响各类型农田及种植模式的生态系统服务价值的因素主要是生物量大小、生育期长短以及覆盖度等。

农果复合系统营养物质的盈亏平衡特征

采用盈亏平衡分析方法,对黄土高原南部3个村农果复合型生态农业的营养物质平衡进行了研究.结果表明,施肥是农果复合生态系统营养物质的主要输入途径.输入的营养物质中,化石能所占比重较大,而有机肥投入相对不足.农果复合生态系统内用于循环的N、P、K仍远低于营养物质N、P、K的输出量.3村营养物质的产投比虽有差异,但总体水平仍很低.

Bt作物系统害虫发生演替研究进展

自1996年以来的20年间,全球商业化种植Bt作物的国家增加到了25个。目前,种植应用的Bt作物主要是Bt棉花和Bt玉米,年种植面积约0.8亿hm2。Bt作物的大面积种植可能会带来害虫发生演替问题,国内外学术界对此高度关注。本文围绕这一核心问题,介绍了国内和国际的研究进展,同时对今后的研究进行了展望。以期为Bt棉花和Bt玉米的持续利用,以及其他Bt作物的推广应用提供经验与借鉴,进一步提升Bt作物在农作物害虫综合治理中的作用和地位。

基于MODIS的杭州湾南岸农业生态系统NDVI季节变化特征研究

NDVI是表征植物生长动态的重要指标,不同植物具有不同的NDVI变化曲线。植物生长过程中NDVI值逐渐增大,在生育期的某一阶段达到最大值后又逐渐减小。MODIS-NDVI数据因具有较高的时间分辨率,可用于农业生态系统NDVI变化研究。该文运用野外调查资料和2002年MODIS-NDVI16d合成的23个时序的遥感数据,对杭州湾南岸农业生态系统不同种植制度的NDVI变化特征进行分析。结果表明,不同种植制度的NDVI曲线有其特定的变化规律,NDVI特征模型可用于农业生态系统种植制度分析,并为遥感估产提供基础数据。