基于潜力衰减模型的东北-华北平原旱作区耕地生产力评价 被引量：8

1

作者 万炜 邓静 +3 位作者 王佳莹 刘忠 韩已文 郑曼迪 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期270-280,F0004,共12页

在中国耕地资源日益紧缺、粮食安全问题愈发严峻的背景下,耕地生产力研究具有重要的现实意义。该研究以东北-华北平原旱作区为研究区域,以主要粮食作物玉米的光温生产潜力空间分布数据及相关县域统计数据为基础,结合土地利用、降水、土... 在中国耕地资源日益紧缺、粮食安全问题愈发严峻的背景下,耕地生产力研究具有重要的现实意义。该研究以东北-华北平原旱作区为研究区域,以主要粮食作物玉米的光温生产潜力空间分布数据及相关县域统计数据为基础,结合土地利用、降水、土壤、社会经济等数据,运用潜力衰减模型,研究评价了东北-华北平原旱作区1995-2015年耕地生产力时空格局及其影响因素。结果表明:研究区光温-水生产力、光温-水-土生产力、光温-水-土-社会经济生产力均整体呈现东北平原旱作区高于华北平原旱作区的空间格局,且在东北平原旱作区和华北平原旱作区内部也均表现出南高北低的宏观趋势;通过分析各环境因子的订正系数发现,人为社会经济投入对当前耕地生产力的保障极为重要,特别是在耕地自然条件逐渐变差的华北平原旱作区表现的尤为显著;水分因子产量差在空间上整体呈现南低北高、东低西高的分布格局,土壤因子产量差明显呈现南高北低的空间格局,社会经济因子产量差呈现明显的北高南低空间格局,这与中国水热条件的地带性分布、东北平原地区优质的土壤条件及较高的自然禀赋等因素有关;研究区社会经济因子产量差>土壤因子产量差>水分因子产量差,且社会经济因子产量差在华北平原旱作区整体较小、土壤因子产量差在东北平原旱作区整体较小,进一步说明了社会经济投入是维系华北平原旱作区耕地生产力的最重要因素,而耕地本身的立地条件是保障东北平原旱作区耕地生产力的最主要原因。潜力衰减模型的应用对大尺度区域耕地生产力研究的方法创新方面有所裨益,评价结果可为不同农业区保持高产、稳产及耕地保育等方面提供科学参考。 展开更多

关键词 农业 土地利用 玉米 潜力衰减模型 耕地生产力 旱作区

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秸秆及其配施对黄灌区盐碱土壤团聚体结构、持水及收缩特性的影响 被引量：2

2

作者 李玮 尹广生 +3 位作者 陈冲 彭钰梅 商建英 王祥 《农业资源与环境学报》 北大核心 2025年第1期177-186,共10页

为探究秸秆及其配施有机物料对黄河南岸灌区盐碱土壤结构的影响,本研究基于玉米秸秆还田处理设置了对照(CK)、3%玉米秸秆(W1)、2%玉米秸秆配施1%牛粪(W2)、2%玉米秸秆配施1%生物炭(W3)四个有机物料组合处理,于温室大棚土壤培养后,测定... 为探究秸秆及其配施有机物料对黄河南岸灌区盐碱土壤结构的影响,本研究基于玉米秸秆还田处理设置了对照(CK)、3%玉米秸秆(W1)、2%玉米秸秆配施1%牛粪(W2)、2%玉米秸秆配施1%生物炭(W3)四个有机物料组合处理,于温室大棚土壤培养后,测定不同物料组合下盐碱土壤的团聚体特性、水分特征曲线及收缩曲线,对比分析不同物料组合对盐碱土壤持水特性及结构状况的影响。结果表明:不同物料组合均增加了土壤全氮、全碳和有机碳含量,增幅分别为9.09%~27.27%、21.10%~35.64%、25.54%~64.64%,土壤>0.25 mm团聚体数量和团聚体的水稳定性均明显提高,水稳定性团聚体含量(WR_(0.25))和几何平均直径(GMD)增幅分别达到50.00%~57.69%、64.86%~105.41%,但不同组合处理表现出显著差异性,其中W1处理提高盐碱土壤团聚体数量和稳定性效果最好,增幅分别为57.69%、105.41%。不同物料组合增强了盐碱土壤持水性,不同处理间的差异主要体现在低吸力段和中吸力段,当土壤水吸力<100 cm时,各处理体积含水率大小依次为W1>W2>W3>CK,而当100 cm<土壤水吸力<260 cm时,各处理含水率表现为W1>W3>W2>CK。不同物料组合也改变了土壤孔隙分布状况,其中W1处理和W2处理显著增加了土壤小孔隙和中等孔隙的体积占比,小孔隙体积占比较CK分别增加24.97%、20.22%,中等孔隙体积占比较CK分别增加11.43%、23.32%;而W3处理显著降低了土壤>30μm孔隙体积占比,较CK下降49.55%。通过比较分析Kim、Peng、Three-line和ModGG模型对盐碱土收缩过程的适应性发现,Peng和ModGG模型能较好地模拟离心条件下盐碱土壤的收缩曲线,拟合系数R^(2)均大于0.98,RMSE均小于0.012。基于ModGG模型分析后发现,不同有机物料组合提高了盐碱土壤收缩过程中结构收缩段的比例,增大了土壤孔隙体积;不同处理间土壤孔隙结构的力稳定性具有差异,其中W3处理的收缩率较CK降低19.11%,抗压实能力增强,W1处理和W2处理的收缩率较CK增大7.32%、9.76%,抗压实能力减弱。研究表明,土壤离心收缩过程中,结构收缩段的变化与土壤饱和含水率以及团聚体结构的水稳定性有关,而土壤体积的收缩情况与土壤>30μm孔隙体积变化有关。 展开更多

关键词 盐碱土 玉米秸秆 牛粪 生物炭 有机物料 配施 收缩特征曲线 水分特征曲线

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农作物秸秆腐解规律及其可溶性有机质特征 被引量：1

3

作者 尹英杰 商建英 《土壤学报》 北大核心 2025年第3期692-704,共13页

明确农作物秸秆的腐解规律及其释放的可溶性有机质(DOM)特性是掌握还田秸秆碳在农田土壤中环境行为的重要前提,然而目前相关研究获取的秸秆腐解信息极为有限。选取玉米、小麦、大豆和油菜等秸秆进行室内腐解,并利用光谱技术结合二维相... 明确农作物秸秆的腐解规律及其释放的可溶性有机质(DOM)特性是掌握还田秸秆碳在农田土壤中环境行为的重要前提,然而目前相关研究获取的秸秆腐解信息极为有限。选取玉米、小麦、大豆和油菜等秸秆进行室内腐解,并利用光谱技术结合二维相关光谱(2D-COS)以及平行因子分析(PARAFAC)等揭示秸秆腐解的物质变化以及DOM特征。结果表明:腐解完成时秸秆的质量损失率分别为56.8%(油菜)、51.1%(玉米)、48.5%(大豆)和44.0%(小麦);秸秆表面官能团的降解强弱依次为C=O、O-H、-CH_(2)和-COO-;可溶性有机碳含量为10.7~23.6 mg·g^(-1)秸秆,其中玉米和大豆秸秆SUVA254值和芳香百分比均高于小麦和油菜秸秆,E2/E3值则表现出相反的趋势;4种作物秸秆DOM均表现出从类蛋白质物质向类腐植酸物质和类富里酸物质转化的趋势。秸秆腐解过程以及释放的DOM含量均受作物类型影响,但秸秆及其DOM中物质的降解强弱和转化趋势表现出一致性。 展开更多

关键词 秸秆腐解 可溶性有机质 二维相关红外光谱 三维荧光光谱 平行因子分析

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胶体在多孔介质中运移的尺寸排阻效应研究现状与展望

4

作者 王常茜 沈重阳 廖人宽 《土壤学报》 北大核心 2025年第3期625-639,共15页

胶体是农田土壤中最活跃的组分之一,其巨大的比表面积和表面带电特性使其极易吸附污染物。在饱和-非饱和带水循环中,胶体可携带污染物在多孔介质中通过尺寸排阻效应进行加速扩散,严重影响地下水质。本文梳理了胶体在多孔介质中运移的尺... 胶体是农田土壤中最活跃的组分之一,其巨大的比表面积和表面带电特性使其极易吸附污染物。在饱和-非饱和带水循环中,胶体可携带污染物在多孔介质中通过尺寸排阻效应进行加速扩散,严重影响地下水质。本文梳理了胶体在多孔介质中运移的尺寸排阻机制,系统分析了影响胶体运移尺寸排阻效应的主要因素,总结了描述胶体运移尺寸排阻行为的数学模型构建方法,最后展望了高精度表征胶体运移行为的示踪方法,探讨了刻画胶体运移尺寸排阻效应的数学模型构建思路。本文对深入认识饱和-非饱和带水循环中胶体运移伴生环境效应以及指导农田地下水污染防治具有重要意义。 展开更多

关键词 纳米颗粒 胶体运移 孔隙排阻 体积排阻 运移模拟

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生物炭粒径和用量对砂姜黑土强度的影响

5

作者 石馨晔 霍静 +4 位作者 陈冲 商建英 刘桢 黄元仿 汤怀志 《农业工程学报》 北大核心 2025年第1期128-134,共7页

生物炭作为改良剂常被用来消减砂姜黑土黏重、易粘结成块、耕性差等障碍因子。先前的研究关注了生物炭用量和类型对砂姜黑土强度的改良效果,但不同粒径和用量生物炭对砂姜黑土强度的影响机理并不完全清楚。为明确不同粒径和用量生物炭... 生物炭作为改良剂常被用来消减砂姜黑土黏重、易粘结成块、耕性差等障碍因子。先前的研究关注了生物炭用量和类型对砂姜黑土强度的改良效果,但不同粒径和用量生物炭对砂姜黑土强度的影响机理并不完全清楚。为明确不同粒径和用量生物炭对砂姜黑土强度的影响。该研究选择两种典型砂姜黑土,通过室内模拟试验测定了两种粒径(1~2 mm和<0.15 mm)和3个不同用量(1%、3%和5%)生物炭处理下2种不同质地(粉质黏壤土和粉黏土)砂姜黑土的抗张强度、圆锥贯入深度和不排水抗剪切强度。结果表明:3%和5%粗颗粒生物炭(粒径1~2 mm)处理显著降低砂姜黑土的抗张强度(P<0.05),且对粉黏土抗张强度降低程度高于粉质黏壤土。细颗粒生物炭(粒径<0.15 mm)处理并没有降低砂姜黑土的抗张强度,且生物炭1%细颗粒生物炭处理的抗张强度比对照高16.0%和21.2%。生物炭处理增加了圆锥贯入深度与含水率回归方程的斜率,且对粉黏土的增加效果更显著。对于粗颗粒生物炭,3%和5%生物炭处理总体上降低了砂姜黑土圆锥贯入深度,增加了不排水抗剪切强度。对于细颗粒生物炭,生物炭施用对砂姜黑土圆锥贯入深度和不排水抗剪切强度的影响可能增加、降低或无影响。生物炭施用对砂姜黑土强度的影响与生物炭粒径和用量、土壤性质和含水率密切相关。该研究所得结果可以为生物炭对砂姜黑土结构和耕性改良提供数据支撑和理论依据。 展开更多

关键词 生物炭粒径 生物炭用量 抗张强度 圆锥贯入深度 不排水抗剪切强度

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复合载体材料有利于芽孢杆菌存活和解钾功能的发挥

6

作者 李彩斌 王爽 +5 位作者 张谦 符林平 班国军 李贵桐 林启美 赵小蓉 《中国土壤与肥料》 北大核心 2025年第6期204-212,共9页

功能菌肥接种载体的选择直接影响功能微生物的存活和功能的发挥。以市场广泛选用的草炭作为对照载体,将生物炭、秸秆粉和菌糠按不同质量配比混合制备复合载体材料,通过负载前期筛选的4株具备解钾能力的芽孢杆菌,探究不同载体材料对芽孢... 功能菌肥接种载体的选择直接影响功能微生物的存活和功能的发挥。以市场广泛选用的草炭作为对照载体,将生物炭、秸秆粉和菌糠按不同质量配比混合制备复合载体材料,通过负载前期筛选的4株具备解钾能力的芽孢杆菌,探究不同载体材料对芽孢杆菌存活率、存活时间和解钾活性的影响。结果表明,在菌剂整个储存阶段,2种复合载体[秸秆粉∶菌糠∶生物炭(3∶1∶1)和秸秆粉∶菌糠(2∶1)]中的活菌数量均高于2种单一载体(生物炭和草炭)。整体来看,微生物对载体材料的适应阶段使得所有菌剂载体中的活菌数在菌剂储存的初期(0~35 d)都明显降低,随后各菌株通过利用载体中的养分物质生长繁殖使得活菌数有所增加,但载体材料有限的养分储量导致菌剂储存后期(75~180 d)活菌数有所下降,最后保持稳定。各菌株在不同载体上的活菌数随着储存时间的延长呈现“下降-上升-下降”的趋势。其中,以秸秆粉∶菌糠(2∶1)配比和秸秆粉∶菌糠∶生物炭(3∶1∶1)配比制备的复合载体材料在为期180 d的储存阶段的活菌数均维持在10^(8)cfu/g以上,符合我国生物有机肥行业技术标准。在菌剂储存的180 d内,各菌株在复合载体秸秆粉∶菌糠∶生物炭(3∶1∶1)上的活性总体高于其他3种载体。受到被接种菌株物种差异的影响,4株芽孢杆菌的解钾活性随载体储存时间的延长变化趋势不同,但每株芽孢杆菌在4种不同载体上的活性变化基本一致。在菌剂储存时间内,菌株的活菌数和活性在很大程度上受到载体材料性质的影响,主要表现为中性或偏弱碱性、有机碳含量较高和持水性更强的秸秆粉∶菌糠(2∶1)配比和秸秆粉∶菌糠∶生物炭(3∶1∶1)配比复合载体更适宜芽孢杆菌的存活和解钾功能的发挥。该研究提供了新的解钾菌菌剂载体制备思路,为今后高效生物钾肥的开发和应用提供理论指导。 展开更多

关键词 芽孢杆菌 菌剂载体 解钾活性 活菌数

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黄土高原生物结皮覆盖对土壤线虫垂直分布格局的影响 被引量：2

7

作者 张颖 肖波 +1 位作者 王彦峰 曹尤淞 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第19期8447-8458,共12页

线虫在土壤食物网中占多个营养级,是土壤生态过程的重要指示生物,对维持生态系统结构与功能具有重要作用。生物结皮作为“荒漠工程师”对干旱生态系统的生物多样性具有积极影响,但其对土壤线虫群落的影响与机制尚不明确。分别采集藓结... 线虫在土壤食物网中占多个营养级,是土壤生态过程的重要指示生物,对维持生态系统结构与功能具有重要作用。生物结皮作为“荒漠工程师”对干旱生态系统的生物多样性具有积极影响,但其对土壤线虫群落的影响与机制尚不明确。分别采集藓结皮和藻结皮覆盖下不同深度(0—14 cm,每2 cm一层)的土壤以及无结皮土壤,采用Baermann湿漏斗法提取土壤线虫并鉴定计数,对比分析了生物结皮类型和土层深度对土壤线虫属的丰富度、丰度和多样性的影响及其途径。结果表明:(1)无结皮土壤中线虫以头叶属(Cephalobus)、细齿属(Leptonchus)和微矛属(Microdorylaimus)为优势属,而生物结皮覆盖土壤中线虫以无咽属(Alaimus)、细齿属(Leptonchus)、鹿角纯属(Cervidellus)和微矛属(Microdorylaimus)为优势属;(2)与无结皮相比,藻结皮使土壤线虫的属的丰富度、丰度和Shannon指数分别提高了35.2%、89.2%和4.5%,而藓结皮分别提高了44.4%、83.0%和24.8%;(3)两类生物结皮覆盖土壤剖面中线虫丰度均呈单峰分布,其中6—8 cm土层丰度最高,是深土层的3.2—11.7倍;而Shannon指数随土壤深度的增加而增加,表土层是深土层的1.5—1.7倍;(4)土壤温度、速效磷和有机质含量是影响线虫属的丰富度的主要因素,有机质、NH+4-N和NO-3-N含量是影响线虫丰度的主要因素,而土壤温度、含水量和速效磷含量是影响线虫多样性的主要因素。生物结皮可通过提升土壤含水率和养分含量、降低土壤温度等途径显著提升土壤线虫的丰度和多样性,并通过影响土壤理化性质的垂直分布继而间接调控土壤线虫群落的垂直分布格局,这对于理解生物结皮维持和提升干旱生态系统的生物多样性与生态系统多功能性具有重要帮助。 展开更多

关键词 藓结皮 藻结皮 土壤动物 生物多样性 生态系统多功能性 干旱生态系统

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基于微波遥感的土壤水分反演估算研究进展 被引量：7

8

作者 郑曼迪 刘忠 +2 位作者 许昭辉 李剑辉 孙君龄 《土壤学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期16-28,共13页

土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带,对于农业生产、生态规划、水资源管理等具有十分重要的意义。微波遥感具有基本不受天气条件影响,具有较好探测植被覆盖下的土壤信息和土壤水分变化趋势等优势,成为目前遥感精确反演土壤水... 土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带,对于农业生产、生态规划、水资源管理等具有十分重要的意义。微波遥感具有基本不受天气条件影响,具有较好探测植被覆盖下的土壤信息和土壤水分变化趋势等优势,成为目前遥感精确反演土壤水分的热点。本文整理了现有全球尺度的基于微波遥感的土壤水分产品;分析比较了土壤水分反演中主动微波遥感、被动微波遥感、主被动微波协同技术的原理、特点、适用范围和关键技术进展:主动微波遥感和被动微波遥感的优势分别在于高空间分辨率和高时间分辨率,高空间分辨率可以很好捕捉地表细微的空间信息特征,但囿于土壤水分与后向散射系数之间的复杂关系,特别是植被、地表粗糙度等对雷达后向散射系数的干扰,使得反演土壤水分的精度不高,因而根据现实情况选取不同散射模型以及利用多源数据协同是目前改善精度的研究热点。而高时间分辨率可以实现全球及大尺度下的土壤水分监测,但是很难满足小尺度或者小区域范围的实际研究需求,为了能使实测数据在空间上得以较好匹配,提出多种降尺度方法。结合以上两种微波遥感方式的优劣,依托更为丰富的数据源、相对成熟的观测技术来对两者进行融合以提取更多的水分信息,以提升反演精度或者获得长时间序列数据。在目前的方法中,土壤水分反演在小尺度下表现出良好的性能,但在全球尺度上会出现数据缺失、适用性不强、反演精度不高以及反演过程过于复杂等诸多问题,可以借助多种观测方式(多极化、多角度、多波段)、多时相重复观测、在原有模型上引入新的算法以及数据同化等方面着手进行改进,同时全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)中长期稳定、高时空分辨率的L波段微波信号在陆面遥感领域的快速发展也为我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)的发展提供了借鉴,展现出在土壤水分反演方面的巨大潜力。 展开更多

关键词 主被动微波遥感 散射方式 降尺度 GNSS-R

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气候变化条件下海河平原作物灌溉策略优化模拟 被引量：4

9

作者 谭丽丽 冯璞玉 +2 位作者 刘德立 乔学瑾 李保国 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第16期84-93,共10页

定量化评估未来气候变化条件下农田水分利用和作物产量变化,并探究适应气候变化的灌溉策略对水资源紧缺粮食主产区的农业可持续发展具有重要意义。该研究应用改进的SWAT(soil and water assessment tool)模型与CMIP6(coupled model inte... 定量化评估未来气候变化条件下农田水分利用和作物产量变化,并探究适应气候变化的灌溉策略对水资源紧缺粮食主产区的农业可持续发展具有重要意义。该研究应用改进的SWAT(soil and water assessment tool)模型与CMIP6(coupled model intercomparison project phase 6)的大气环流模式(general circulation model, GCM)相结合的方法,在3种共享社会经济路径(SSP1-2.6, SSP2-4.5和SSP5-8.5)下评估了未来时期(2041-2070年)海河平原实际蒸散量、灌溉量、地下水净使用量(net groundwater use, NGU)和作物产量的变化情况,探究了未来气候情景中适宜的作物灌溉策略。结果表明:1)与历史时期(1971-2000年)相比,未来时期区域年实际蒸散量增加5.5%、年灌溉量和年地下水净使用量分别减少5.9%和25.8%。在SSP5-8.5情景下,年实际蒸散量的增幅最低,年灌溉量和年地下水净使用量的减幅最高。2)相较于历史时期,未来时期冬小麦和夏玉米产量分别增加14.3%和6.5%,其中夏玉米产量增幅随温室气体排放情景的增强而降低。3)在未来气候情景中,雨养夏玉米结合冬小麦拔节期进行灌溉(灌水定额为25 mm,根据自动灌溉系统确定灌水频率)或可最大限度地实现该区地下水资源恢复。从确保粮食安全的视角,推荐雨养夏玉米与冬小麦在拔节期和灌浆期灌溉相结合。研究结果可为区域农业水资源合理规划、可持续的粮食生产政策的制定提供参考。 展开更多

关键词 气候变化 地下水 灌溉 SWAT模型 CMIP6 作物产量 海河平原

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基于DRAINMOD-S和-NⅡ模型的黄河三角洲盐碱地玉米施氮策略 被引量：2

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作者 罗颖琪 许艳奇 +4 位作者 陈书涵 牛牧 左强 石建初 吴训 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第19期93-104,共12页

玉米是黄河三角洲(简称黄三角)滨海盐碱区主要粮食作物之一,氮肥合理施用对于促进该地区玉米产量提升、养分资源高效利用以及生态环境改善至关重要。为了明确该地区玉米的适宜施氮量和施氮制度,该研究基于2 a(2019—2020年)玉米栽培田... 玉米是黄河三角洲(简称黄三角)滨海盐碱区主要粮食作物之一,氮肥合理施用对于促进该地区玉米产量提升、养分资源高效利用以及生态环境改善至关重要。为了明确该地区玉米的适宜施氮量和施氮制度,该研究基于2 a(2019—2020年)玉米栽培田间滴灌施肥试验,校验和评估DRAINMOD-S和DRAINMOD-NⅡ模型在该地区的适用性和可靠性,从而确定田间排水沟/管间距和建立玉米适宜施氮量估算模型与施氮制度。结果表明:1)DRAINMOD-S和-NⅡ模型可较准确地模拟黄三角滨海盐碱农田地下水埋深、土壤含盐量和硝态氮含量分布的动态变化,其模拟值与实测值之间的决定系数R2均大于0.80,标准化均方根误差(normalized root mean squared error,NRMSE)均低于25%;2)通过分析排水间距与土壤渍水和盐分胁迫减产效应间的关系,推荐该地区排水间距可设为17 m;3)在兼顾作物氮素需求(即吸氮量满足玉米自身需求)、土壤持续供氮能力(收获后土壤无机氮储量与播种时大抵相近)及养分淋失风险可控(氮淋失量尽量小)等目标的前提下,基于数值模拟确定了不同气候和初始土壤无机氮含量条件下的玉米适宜施氮量,并建立了其与主要环境变量如降雨量、降雨强度和初始土壤无机氮含量之间的定量关系(R^(2)=0.70,P<0.01);4)评估了典型枯水年、平水年、丰水年施肥1~3次下不同施肥时期组合的影响,表明不同水文年里都可选择在玉米拔节期-抽雄期(或拔节期-抽雄期-灌浆期)追施氮肥2(3)次。研究结果可为黄河三角洲滨海盐碱农田玉米氮素管理提供参考。 展开更多

关键词 农田排水 DRAINMOD-S模型 DRAINMOD-NⅡ模型 氮素管理 数值模拟 黄河三角洲

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利用X射线CT技术研究根系三维构型的进展 被引量：2

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作者 刘玲玲 房焕 +4 位作者 魏晓庆 刘玉婷 高伟达 李保国 周虎 《植物营养与肥料学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期375-384,共10页

【目的】X射线CT扫描具有非破坏性、高分辨率等特点,近年来被广泛应用于研究植物根系三维构型。本文介绍了X射线CT技术研究植物根系的原理和方法,并重点阐述了CT图像提取和定量根系的方法。【主要进展】X射线CT可以穿透土体进而获取土... 【目的】X射线CT扫描具有非破坏性、高分辨率等特点,近年来被广泛应用于研究植物根系三维构型。本文介绍了X射线CT技术研究植物根系的原理和方法,并重点阐述了CT图像提取和定量根系的方法。【主要进展】X射线CT可以穿透土体进而获取土体三维结构,并能通过图像分析准确定量土体内部的细节特征(如根系、孔隙等)。目前根系结构研究中应用的CT主要有医用CT、工业显微CT、同步辐射CT等,分别用于研究不同大小和分辨率要求的样品。应用CT扫描根系样品时,样品的制备和扫描参数的选择非常重要,样品的尺寸、容器的材质、扫描功率和扫描时长等因素都会影响CT图像质量。CT图像中提取根系的方法包括全局阈值法、区域生长法、根系追踪法、深度学习法等,结合图像预处理和后处理能更完整地提取根系。利用ImageJ、Rootrak、RooTh等软件,可以定量根系形态学参数(体积、根长、直径等),还可以分析根系三维分布特征(根系生长角度、根系生长深度等)。【展望】从CT图像中提取根系的算法在实际应用中仍存在很多问题,开发提取根系的先进算法,准确获取根系三维构型并将其定量表征,仍将是CT技术用于根系研究的重要方向。由于CT设备性能的特点,扫描样品尺寸和图像分辨率的矛盾仍然是关键问题,X射线CT硬件设备的创新和发展对其在根系研究中更加广泛和有效的应用具有重要意义。 展开更多

关键词 根系三维构型 X射线CT 图像分割 根系定量化

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黄土丘陵区人工移植生物结皮集雨面的集雨效率及其抗侵蚀破损能力

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作者 陈钧儒 江子昊 +1 位作者 肖波 窦韦强 《水土保持学报》 CSCD 北大核心 2024年第3期29-36,共8页

[目的]为探讨黄土丘陵区不同类型人工生物结皮集雨面的集雨效果及抗侵蚀破损能力。[方法]以人工移植培养的藻类和藓类生物结皮为研究对象,以裸土为对照,分别对其进行野外模拟降雨和抗侵蚀试验(坡面冲刷、土壤静水崩解和单雨滴溅蚀试验)... [目的]为探讨黄土丘陵区不同类型人工生物结皮集雨面的集雨效果及抗侵蚀破损能力。[方法]以人工移植培养的藻类和藓类生物结皮为研究对象,以裸土为对照,分别对其进行野外模拟降雨和抗侵蚀试验(坡面冲刷、土壤静水崩解和单雨滴溅蚀试验),分析不同类型集雨面的集雨效率与土壤抗冲系数、土壤崩解速率和溅蚀量等抗侵蚀能力指标的差异。[结果](1)生物结皮集雨面显著提高集雨效率。当雨强为100 mm/h时,相较于裸土,生物结皮集雨面的集雨效率显著提高33.3%(F=300.12,p<0.001)。(2)生物结皮显著降低产沙量并提高抗冲系数。与裸土相比,藻结皮和藓结皮的产沙量分别减少178.8%和364.6%,藓结皮和藻结皮的最大抗冲系数分别是裸土的4.6,2.8倍。(3)生物结皮显著降低土壤崩解速率和最大崩解率,且不同生物结皮类型差异显著。与裸土(6.46 g/min)相比,藻结皮和藓结皮的土壤崩解速率分别降低35.0%和60.2%;生物结皮平均最大崩解率较裸土降低23.8%。(4)生物结皮显著提高临界击穿雨滴动能并降低土壤溅蚀量。藓结皮和藻结皮的临界击穿雨滴动能分别是裸土(0.5 J)的3.9,21.9倍。同时,生物结皮较裸土(0.156 g)的单雨滴溅蚀量平均减少75.3%。[结论]人工移植培养的生物结皮集雨面显著提高集雨效率和表层土壤的抗侵蚀能力,对旱区集雨措施的可持续利用和水土保持方面具有重要意义。 展开更多

关键词 生物土壤结皮 集雨造林 水土保持 生态恢复 土壤侵蚀

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9种介电类水分传感器对风沙土含水率的测定精度及校准模型比较

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作者 曹尤淞 肖波 《西北农林科技大学学报（自然科学版）》 CSCD 北大核心 2024年第3期123-135,145,共14页

【目的】比较不同水分传感器对风沙土含水率的测定精度,并建立校准模型,为旱区农业水土资源的高效利用提供理论依据。【方法】以METER、Acclima和Truebners三大制造商生产的9种介电类水分传感器为对象,以典型风沙土为供试土壤,通过室内... 【目的】比较不同水分传感器对风沙土含水率的测定精度,并建立校准模型,为旱区农业水土资源的高效利用提供理论依据。【方法】以METER、Acclima和Truebners三大制造商生产的9种介电类水分传感器为对象,以典型风沙土为供试土壤,通过室内校准试验比较各种传感器对土壤含水率的测定精度,评估其在风沙土上的适用范围、准确度、精密度及其影响因素,并构建不同传感器测定风沙土含水率的校准模型,比较不同校准模型的精度。【结果】(1)默认模型下,与其他传感器相比,MAS-1和EC-5的测定精度较高,其均方根误差(RMSE)分别为0.020和0.027,平均偏差误差(MBE)分别为0.016和0.024,斜率(k值)分别为0.9433和0.9403,决定系数(R^(2))分别为0.926和0.938。(2)土壤含水率范围影响传感器的测定精度。各传感器在低含水率下的RMSE平均值比中、高含水率分别减小了40.9%和42.6%,MBE平均值减小了61.8%和59.9%,而R2平均值提高了0.7%和11.3%。其中,低含水率时EC-5和TDR-315H的精度较高,而中、高含水率下MAS-1的精度均较高。对于含水率相同的土壤,各传感器的测定结果差异较大,且含水率越高差异越大。(3)与默认模型相比,校准模型的RMSE和MBE平均减小了48.8%和72.6%,纳什系数(NSE)和R2提高了70.7%和4.5%。经模型校准后,5TE和TEROS-12测定精度的增幅最大,而TDR-315H的测定精度相对最高。此外,传感器测定的风沙土含水率默认值与校准值具有较高的拟合精度,通过模型转换可实现对默认值的二次校准。【结论】综合评估测定精度、使用寿命和售价,MAS-1、EC-5和TDR-315H可作为风沙土含水率监测的优先传感器备选,且利用风沙土的校准模型对传感器进行标定十分重要。 展开更多

关键词 土壤体积含水率 介电常数 水分传感器 农业水土资源 生态水文过程 旱区农业

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河南某高校不同环境室内灰尘重金属污染特征及生态健康风险评价 被引量：6

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作者 李颜颜 曹佳晨 +4 位作者 张浩杰 卢希昊 郭慧敏 王少博 王洪涛 《环境化学》 CAS CSCD 北大核心 2023年第10期3368-3380,共13页

探讨高校室内灰尘重金属污染情况对于保障师生身体健康具有重要意义.以河南某高校为研究对象,采集宿舍、图书馆和教学楼等室内44个灰尘样品,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定6种重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量,运用污染负荷... 探讨高校室内灰尘重金属污染情况对于保障师生身体健康具有重要意义.以河南某高校为研究对象,采集宿舍、图书馆和教学楼等室内44个灰尘样品,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定6种重金属Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量,运用污染负荷指数法和潜在生态风险指数法评价室内灰尘重金属污染程度,利用美国环境保护局(US EPA)开发的人体健康风险评价模型对非致癌和致癌风险进行评价.结果表明,6种重金属元素的平均含量均高于当地灰尘重金属背景值;教学楼的Pb、Cu、Ni的平均含量较高,Cr、Zn在图书馆含量较高,Cd宿舍区含量较高.教学楼的污染负荷指数最高,属于重度污染,图书馆和宿舍楼为中度污染.综合潜在生态风险指数大小为教学楼>图书馆>宿舍楼,均为较高生态风险,其中Cd为最主要的生态风险因子.不同环境室内的非致癌风险值为教学楼>图书馆>宿舍,总致癌风险值大小为图书馆>教学楼>宿舍,均不存在健康风险;Cr是最主要的非致癌因子(65.4%)和致癌风险因子(98.96%).本研究揭示了高校不同环境室内灰尘重金属污染情况、生态风险及健康风险状况,为高校室内不同区域重金属污染防治和治理提供了科学依据. 展开更多

关键词 高校 室内灰尘 重金属 生态健康风险

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改进WHCNS模型模拟耕作方式对作物生长和水分利用效率的影响 被引量：5

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作者 任健 王同朝 +2 位作者 梁浩 关小康 胡克林 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第14期117-126,共10页

耕作改变了土壤物理特性,进而影响了作物生长和水分利用,定量研究不同耕作方式下的农田土壤水分动态与作物生长过程是制定合理耕作制度的基础。该研究在土壤水热碳氮模拟模型(Soil Water Heat Carbon Nitrogen Simulator,WHCNS)的基础... 耕作改变了土壤物理特性,进而影响了作物生长和水分利用,定量研究不同耕作方式下的农田土壤水分动态与作物生长过程是制定合理耕作制度的基础。该研究在土壤水热碳氮模拟模型(Soil Water Heat Carbon Nitrogen Simulator,WHCNS)的基础上耦合了EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)模型的土壤耕作模块,构建了适用于不同耕作方式的土壤水热碳氮过程模拟模型。利用华北平原南部河南商丘试验站2015—2017年实测的不同耕作方式下(深耕、免耕和轮耕)的土体储水量、叶面积指数、地上部干物质质量和产量数据对改进后的WHCNS模型进行了校验和模拟效果评价,并模拟分析了不同耕作方式对冬小麦和夏玉米农田蒸散量、作物产量和水分利用效率的影响。结果表明,所有处理的土体储水量、叶面积指数和地上部干物质质量模拟值与实测值的相对均方根误差均小于30%,一致性指数均大于等于0.90,纳什系数均大于等于0.58,决定系数均大于等于0.90,作物产量模拟值与实测值的决定系数达到0.99。与深耕和免耕相比,轮耕的两季冬小麦蒸散量分别降低了8.8%~10.8%和13.8%~21.0%,水分利用效率分别提高了6.7%~9.4%和15.7%~24.9%。与深耕和轮耕相比,免耕的两季夏玉米蒸散量分别降低了12.5%~12.9%和20.7%~22.2%,水分利用效率分别提高了13.4%~15.2%和29.1%~31.3%。耕作方式对产量的影响并不明显。总体而言,改进后的WHCNS模型可以较好地模拟华北平原不同耕作方式下土壤水分与作物生长的动态过程。 展开更多

关键词 蒸散 作物 土壤 耕作方式 产量 WHCNS模型 水分利用效率

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黄土高原干旱半干旱区生物结皮覆盖土壤水汽吸附与凝结特征 被引量：20

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作者 李胜龙 肖波 孙福海 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第15期111-119,共9页

生物结皮是一种广泛分布于干旱半干旱地区土壤表层的特殊复合体,为揭示其对土壤水汽吸附与凝结过程的影响,该研究通过室内定量水汽吸附试验和野外对水汽凝结的连续观测,对黄土高原典型生物结皮(藻结皮、藻藓混生结皮、藓结皮)与裸沙的... 生物结皮是一种广泛分布于干旱半干旱地区土壤表层的特殊复合体,为揭示其对土壤水汽吸附与凝结过程的影响,该研究通过室内定量水汽吸附试验和野外对水汽凝结的连续观测,对黄土高原典型生物结皮(藻结皮、藻藓混生结皮、藓结皮)与裸沙的水汽吸附和凝结特征进行对比研究。结果表明:生物结皮的覆盖显著提升了表层土壤的水汽吸附能力,其平均水汽吸附量比裸沙高66.7%。不同类型生物结皮水汽吸附能力差异显著,表现为藓结皮最高,混生结皮次之,而藻结皮最低。GAB(Guggenheim-Anderson-de Boer)吸附模型能较好的描述生物结皮土壤水汽吸附与解吸附过程,模拟结果决定系数R2>0.99、均方根误差RMSE<0.001 2 g/g及平均相对偏差百分比E<16.0%;此外,生物结皮加剧了土壤水汽吸附与解吸附曲线之间的滞后效应,其滞后指数平均是裸沙的2.0~2.9倍。水汽凝结结果显示,水汽凝结过程均受气温与相对湿度等气象因子制约,且生物结皮覆盖下表层土壤的水汽凝结和蒸发过程相较于裸沙更为迅速。同时,生物结皮的日均水汽凝结量是裸沙的1.6~1.8倍。综上,干旱和半干旱地区生物结皮覆盖显著提高了表层土壤的水汽吸附能力、并增加了水汽凝结量,对区域表层土壤的水分运动过程产生了重要影响。 展开更多

关键词 土壤 水分 水汽吸附量 GAB模型 凝结水 微型蒸渗仪 黄土高原

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黄土高原生物结皮对土壤养分的表层聚集与吸附固持效应 被引量：19

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作者 王芳芳 肖波 +1 位作者 李胜龙 孙福海 《植物营养与肥料学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第9期1592-1602,共11页

【目的】生物结皮的广泛发育可显著影响表层土壤养分状况,在土壤养分积累和循环中发挥重要作用。通过淋溶实验和吸附试验研究其作用效果和机制。【方法】以黄土高原质地不同的风沙土和黄绵土为对象,分别选取有生物结皮覆盖和无结皮覆盖... 【目的】生物结皮的广泛发育可显著影响表层土壤养分状况,在土壤养分积累和循环中发挥重要作用。通过淋溶实验和吸附试验研究其作用效果和机制。【方法】以黄土高原质地不同的风沙土和黄绵土为对象,分别选取有生物结皮覆盖和无结皮覆盖的地块,分析生物结皮层、结皮层下0—2、2—5和5—10 cm土层土壤的有机质、全碳、全氮、全磷含量,研究生物结皮对土壤养分含量的影响及其随土壤深度的变化规律。以Cl^(−)、K^(+)、Ca^(2+)为示踪离子开展土壤淋溶实验,分析其淋出土壤的特征;淋溶实验结束后,测定包括结皮层在内的各土层离子吸附解析量。【结果】1)生物结皮层(约2 cm厚)养分含量是无结皮土壤的0.43~10.51倍。生物结皮覆盖下0—10 cm土壤的养分含量均高于对应深度的无结皮土壤,有机质、全碳、全氮、全磷含量比无结皮土壤增加了1.4%~184.9%。2)生物结皮层的养分含量比其下层土壤提高了38.2%~557.1%,而无结皮的表层(0—2 cm)土壤养分含量仅比其下层土壤提高了13.4%~213.9%,这表明生物结皮增强了土壤养分的表层聚集。3)生物结皮覆盖土壤中添加的养分在相同条件下相较于无结皮土壤更难以淋出;除易淋溶的Cl^(−)全部淋出外,K^(+)和Ca^(2+)未被全部淋出,且在生物结皮覆盖土壤中的累积淋出量比无结皮土壤低21.9%~47.4%。淋溶实验结束后结皮层的Cl^(−)、K^(+)、Ca^(2+)含量均显著高于无结皮(8.8%~340.4%)和结皮下层土壤(14.5%~62.7%)。4)生物结皮显著增加了土壤对Cl^(−)、K^(+)、Ca^(2+)的吸附量,其增加幅度为27.8%~118.1%,且生物结皮层对不同离子吸附能力的强弱依次为Ca^(2+)>K^(+)>Cl^(−)。【结论】与无结皮土壤相比,生物结皮能够增加土壤养分含量并促进土壤养分的表层聚集,同时提升土壤对养分的吸附与固持能力,因而有利于退化贫瘠土壤的养分积累,在干旱和半干旱地区土壤肥力提升与生态环境改善方面发挥着至关重要的作用。 展开更多

关键词 风沙土 黄绵土 土壤养分 养分吸附 养分淋溶 退化土壤

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黄土高原藓类生物结皮对表层土壤水分运动参数的影响 被引量：14

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作者 孙福海 肖波 +1 位作者 李胜龙 王芳芳 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第14期79-88,共10页

生物结皮普遍存在于干旱和半干旱地区土壤表层,对土壤水分有重要影响。为了进一步探究生物结皮对表层土壤水力学特性和水分运动过程的影响,该研究以黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓结皮为研究对象,通过野外采样与室内试验相结合,测定... 生物结皮普遍存在于干旱和半干旱地区土壤表层,对土壤水分有重要影响。为了进一步探究生物结皮对表层土壤水力学特性和水分运动过程的影响,该研究以黄土高原风沙土和黄绵土上发育的藓结皮为研究对象,通过野外采样与室内试验相结合,测定了藓结皮覆盖土壤和无结皮土壤的Boltzmann变换参数、土壤水分扩散率、入渗过程、比水容量和非饱和导水率,对比分析了有无藓结皮覆盖对表层土壤水分运动参数的影响。结果表明:藓结皮覆盖抑制了表层土壤水分的扩散,藓结皮覆盖土壤的Boltzmann变换参数和水分扩散率分别比无结皮土壤降低7.9%~27.3%和99.2%~99.6%;藓结皮覆盖后表层土壤渗透性显著降低,其水分入渗参数(初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率、累积入渗量)和非饱和导水率分别降低了17.1%~55.4%和84.8%~92.3%;藓结皮显著提升了表层土壤的持水和供水能力,藓结皮层的水分常数(田间持水量、萎蔫系数、重力水含量、有效水含量和易利用水含量)比无结皮土壤高40.9%~1233.3%,土壤水吸力在100 kPa时的比水容量比无结皮土壤高7.4%~1540.5%;相比黄绵土,藓结皮覆盖对风沙土的渗透性影响较小,而对土壤持水和供水性的影响较大。综上,黄土高原藓结皮覆盖降低了土壤渗透性,同时显著提高了表层土壤的水分有效性,这可能导致土壤表层在雨后截留较多水分,进而使土壤水分分布趋于浅层化,并改变该地区的土壤水分有效性和植物水分利用策略。 展开更多

关键词 土壤 入渗 结皮 水分扩散率 水力特性 比水容量

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稻田土壤-作物系统模型参数敏感性分析与模型验证 被引量：14

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作者 史鑫蕊 梁浩 +1 位作者 周丰 胡克林 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期252-262,271,共12页

为提高稻田土壤-作物模型校准过程的效率和精度,以长江中游地区两年的稻田试验数据为基础,采用Morris和Sobol’两种方法对WHCNS_Rice模型参数进行了全局敏感性分析,并在此基础上进行模型校准和验证。结果表明,两种方法得到的模型主要敏... 为提高稻田土壤-作物模型校准过程的效率和精度,以长江中游地区两年的稻田试验数据为基础,采用Morris和Sobol’两种方法对WHCNS_Rice模型参数进行了全局敏感性分析,并在此基础上进行模型校准和验证。结果表明,两种方法得到的模型主要敏感性参数基本一致,与Sobol’方法相比,Morris方法具有计算量小和筛选快速的优势。土壤水力学参数和作物参数对模型输出项均有较大的影响,尤其是土壤水力学参数中的饱和含水率、田间持水率以及犁底层饱和导水率;作物参数中生育期总有效积温、最大比叶面积和作物系数对作物生长过程影响较大;氮素转化参数中仅氨挥发一阶动力学系数和反硝化经验系数分别对氨挥发和氮反硝化有一定的影响,其余参数均不敏感。在此基础上,固定非敏感参数,重点校准上述敏感参数。模型校验结果表明,模型模拟的地上部干物质质量、作物吸氮量、蒸散量和田面水高度均与实测值吻合较好,模拟值与实测值线性回归方程的斜率和相关系数均接近于1,P小于0.01,说明校验后的模型可用于模拟该地区的水稻生长过程及稻田水分动态和氮素去向。采用Morris方法对筛选出的模型敏感性参数进行模型校准和验证,可以大大提高模型校验的效率和精度。本研究可为稻田土壤作物系统WHCNS_Rice模型参数的校准和模型的推广应用提供技术支持。 展开更多

关键词 稻田 敏感度分析 Morris方法 Sobol’方法 模型校验 WHCNS_Rice模型

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黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化的响应 被引量：11

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作者 窦韦强 田乐乐 +2 位作者 肖波 姚小萌 李胜龙 《生态学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期1703-1715,共13页

全球气候变化加剧背景下,干旱和半干旱地区的降雨模式将进一步改变,其造成的土壤水分波动是引起土壤呼吸动态变化的重要因素,但生物结皮土壤呼吸响应降雨模式变化继而影响陆地生态系统碳源/汇功能的机制尚不明确。针对黄土高原风沙土发... 全球气候变化加剧背景下,干旱和半干旱地区的降雨模式将进一步改变,其造成的土壤水分波动是引起土壤呼吸动态变化的重要因素,但生物结皮土壤呼吸响应降雨模式变化继而影响陆地生态系统碳源/汇功能的机制尚不明确。针对黄土高原风沙土发育的藓结皮,以自然降雨量为对照,分别进行幅度为10%、30%、50%的模拟增雨和减雨处理,并利用便携式土壤碳通量分析仪(LI-8100A)测定了模拟增减雨后的藓结皮土壤呼吸速率,对比分析了其对降雨量变化的响应及机制。结果表明:(1)整个实验周期(2018和2019)增雨和减雨分别显著提高(增幅分别为17.9%—48.2%和27.1%—54.2%)和降低了(降幅分别为1.8%—26.8%和5.2%—20.8%)土壤含水量,但对土壤温度的影响不显著;(2)增雨抑制了藓结皮土壤呼吸速率(降幅分别为7.8%—31.7%和14.7%—39.4%),且随梯度增大抑制作用越明显;减雨则取决于减雨梯度,减雨10%和30%会促进土壤呼吸速率(增幅分别为27.5%、9.6%和23.6%、9.7%)而减雨50%具有抑制作用(降幅分别为15.6%和18.5%)。不同实验周期和不同降雨处理间藓结皮土壤呼吸速率大多差异显著;(3)增雨和减雨下藓结皮土壤呼吸速率与土壤温度均成显著指数正相关关系,同时,低含水量时(小于约15%)与土壤含水量均成显著线性正相关关系,而高含水量(大于约15%)时增雨下成显著线性负相关关系。综上,黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化具有明显响应,降雨量整体波动减小时其可能成为一潜在碳源。因此,未来黄土高原土壤碳源/汇功能研究中应考虑降雨模式改变对生物结皮土壤呼吸的影响。 展开更多

关键词 生物结皮 风沙土 降雨量变化 土壤呼吸速率 土壤含水量 土壤温度

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