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Promotion effects of salt-alkali on ammonia volatilization in a coastal soil

Pedosphere 2024年第1期34卷 191-199页

作者： Zhenqi SHI Dongli SHE Yongchun PAN yongqiu xia College of Agricultural Science and Engineering Hohai UniversityNanjing 210098China Jiangsu Province Engineering Research Center for Agricultural Soil-Water Efficient Utilization Carbon Sequestration and Emission ReductionNanjing 210098China Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture Institute of Soil ScienceChinese Academy of SciencesNanjing 210008China

Coastal ecosystems are highly susceptible to salt-related problems due to their formation process and geographical location. As such ecosystems are the most accessible land resources on Earth, clarifying and quantifying the effects of salt-alkali conditions on N concentration and ammonia(NH_(3)) volatilization are pivotal for promoting coastal agricultural productivity. The challenge in establishing this effect is to determine how salt-alkali conditions impact NH_(3) volatilization through direct or indirect interactions. An incubation experiment using a coastal soil from a paddy farmland, combined with the structural equation modeling(SEM) method, was conducted to reveal the net effects of salt-alkali on NH_(3) volatilization and the role of environmental and microbial factors in mutual interaction networks. The specific experimental design consisted of four salt treatments(S1, S2, S3, and S4: 1‰, 3‰, 8‰, and 15‰ NaCl by mass of soil, respectively), four alkaline treatments(A1, A2, A3, and A4: 0.5‰, 1‰, 3‰, and 8‰ NaHCO_(3)by mass of soil, respectively) and a control without NaCl or NaHCO_(3) addition(CK), and each treatment had three urea concentrations(N1, N2, and N3: 0.05, 0.10, and 0.15 g N kg^(-1) soil,respectively) and three replicates. At the N1, N2, and N3 levels, NH_(3)volatilization increased by 9.31%–34.98%, 3.07%–26.92%, and 2.99%–43.61% as the NaCl concentration increased from 1‰ to 15‰, respectively, compared with CK. With an increase in the NaHCO_(3)concentration from 0.5‰ to 8‰, NH_(3) volatilization increased by 8.36%–56.46%, 5.49%–30.10%, and 30.72%–73.18% at the N1, N2, and N3 levels, respectively, compared with CK. According to the SEM method, salinity and alkalinity had positive direct effects on NH_(3)volatilization, with standardized path coefficients of 0.40 and 0.19, respectively.Considering the total effects(net positive and negative effects) in the SEM results, alkalinity had a greater influence than salinity(total standardized coefficient0.104 > 0.086). Nitrogen concentrations in the

关键词： alkalinity coastal ecosystem NH_(3)emission N-transforming microbe salinity structural equation modeling

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Partial organic fertilizer substitution promotes soil multifunctionality by increasing microbial community diversity and complexity

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Pedosphere 2023年第3期33卷 407-420页

作者： Quan TANG yongqiu xia Chaopu TI Jun SHAN Wei ZHOU Chenglin LI Xing YAN xiaoyuan YAN State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture Institute of Soil ScienceChinese Academy of SciencesNanjing 210008(China) University of Chinese academy of Sciences Beijing 100049(China) College of Environmental Science and Engineering Yangzhou UniversityYangzhou 225127(China)

Partial substitution of synthetic nitrogen(N)with organic fertilizers(PSOF)is of great significance in improving soil ecosystem functions in systems that have deteriorated due to the excessive application of chemical N fertilizer.However,existing studies typically focus on individual soil functions,neglecting the fact that multiple functions occur simultaneously.It remains unclear how PSOF influences multiple soil functions and whether these impacts are related to soil microbial communities.Here,we examined the impacts of partial substitutions(25%–50%)of chemical N fertilizer with organic form(pig manure or municipal sludge)in a vegetable field on soil multifunctionality,by measuring a range of soil functions involving primary production(vegetable yield and quality),nutrient cycling(soil enzyme activities,ammonia volatilization,N leaching,and N runoff),and climate regulation(soil organic carbon sequestration and nitrous oxide emission).We observed that PSOF improved soil multifunctionality,with a 50%substitution of chemical N fertilizer with pig manure being the best management practice;the result was strongly related to the diversities and network complexities of bacteria and fungi.Random forest analysis further revealed that soil multifunctionality was best explained by the bacterial-fungal network complexity,followed by available phosphorus level and bacterial diversity.The PSOF also shifted the composition of bacterial and fungal communities,with increased relative abundances of dominant bacteria phyla,such as Bacteroidetes,Gemmatimonadetes,and Myxococcota,and fungal phyla,such as Basidiomycota and Olpidiomycota.The observed increases in soil multifunctionality were consistent with significant increases in the relative abundances of keystone taxa such as Blastocladiomycota,Chaetomiaceae,and Nocardiopsaceae.Together,these findings indicate that PSOF can enhance interactions within and among microbial communities and that such practices have the potential to improve soil ecosystem multifunctionality and contrib

关键词： bacterial and fungal diversity biogeochemical cycling climate regulation enzyme activity microbial network primary production soil function

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土壤碳氮循环综合研究支撑农业可持续发展

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中国科学院院刊 2024年第7期39卷 1276-1287页

作者：赵旭夏龙龙夏永秋颜晓元中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展重点实验室(中国科学院) 南京211135 中国科学院常熟农业生态实验站苏州215555 中国科学院大学南京学院南京211135

常熟农业生态实验站(以下简称“常熟站”)成立于1987年,是中国科学院设在长江三角洲地区的唯一从事农业、资源与生态环境多学科综合观测、研究与示范基地。建站以来,常熟站在全国率先开展土壤氮素循环、农田固碳减排、农业面源污染等颇... 详细信息

常熟农业生态实验站(以下简称“常熟站”)成立于1987年,是中国科学院设在长江三角洲地区的唯一从事农业、资源与生态环境多学科综合观测、研究与示范基地。建站以来,常熟站在全国率先开展土壤氮素循环、农田固碳减排、农业面源污染等颇具特色的系统研究工作。近5年来,围绕我国农业可持续发展的优化施氮、碳减排与面源污染治理三大科技问题,创建了以经济和环境经济指标为依据的全国水稻适宜施氮量分区确定方法,提出了生物炭施用结合氮肥优化管理与生物炭生产过程生物油/气资源化利用实现我国粮食生产碳中和的技术路径,构建了耦合景观格局和生态过程的南方稻作区面源污染本土化模型,为我国持续推动农业减污降碳增效协同提供了重要科技支撑。

关键词：肥料氮去向适宜施氮量温室气体排放固碳减排成污机制面源污染模型

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A 2-year study on the effect of biochar on methane and nitrous oxide emissions in an intensive rice-wheat cropping system

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Biochar 2019年第2期1卷 177-186页

作者： Shuwei Wang Shutan Ma Jun Shan yongqiu xia Jinghui Lin xiaoyuan Yan State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture Institute of Soil ScienceChinese Academy of SciencesNanjing 210008China Changshu Agro-ecological Experimental Station Chinese Academy of SciencesChangshu 215555China School of Environmental Science and Engineering Anhui Normal UniversityWuhu 241002China

The impacts of biochar addition with nitrogen fertilizer(Urea-N)on greenhouse gas(GHG)fluxes and grain yields are not comprehensively understood.Therefore,we designed a field experiment in an intensive rice-wheat cropping system located in the Taihu Lake region of China and measured CH4 and N_(2)O emissions for 2 consecutive years to examine the impacts of biochar combined with N-fertilizer on rice production and GHG flux.Three field experimental treatments were designed:(1)no N-fertilizer application(N0);(2)270 kg N ha^(−1) application(N270);and(3)270 kg N-fertilizer ha^(−1) plus 25 t ha^(−1) biochar application(N270+C).We found that,compared with urea application alone,biochar applied with Urea-N fertilizer increased N use efficiency(NUE)and resulted in more stable growth of rice yield.In addition,biochar addition increased CH4 emissions by 0.5-37.5%on average during the two consecutive rice-growing seasons,and decreased N_(2)O-N loss by~16.7%.During the first growing season,biochar addition did not significantly affect the global warming potential(GWPt)or the greenhouse gas intensity(GHGI)of rice production(p>0.05).By contrast,during the second rice-growing season,biochar application significantly increased GWPt and GHGI by 28.9%and 18.8%,respectively,mainly because of increased CH_(4) emissions.Our results suggest that biochar amendment could improve grain yields and NUE,and increased soil GWPt,resulting in a higher potential environmental cost,but that biochar additions enhance exogenous carbon sequestration by the soil,which could offset the increases in GHG emissions.

关键词： Biochar Greenhouse gas fluxes Rice yields N use efficiency(NUE)

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我国东部典型内源和外源性静态水体N_(2)O排放与生态系统呼吸的关系初探

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农业资源与环境学报 2024年第2期41卷 401-409页

作者：李春旺王华淦冲赵学梅张声权颜晓元夏永秋湖南农业大学环境与生态学院长沙410128 中国科学院南京土壤研究所江苏常熟农田生态系统国家野外观测研究站南京210018

内陆水体是大气中N_(2)O的重要排放源,受到国内外广泛关注,为了探讨水生生态系统中水体N_(2)O排放通量与生态系统呼吸的响应关系,本研究以我国东部典型外源性和内源性静态水体为研究对象,在2022年4月29日-5月4日对10个表层水体N_(2)O排... 详细信息

内陆水体是大气中N_(2)O的重要排放源,受到国内外广泛关注,为了探讨水生生态系统中水体N_(2)O排放通量与生态系统呼吸的响应关系,本研究以我国东部典型外源性和内源性静态水体为研究对象,在2022年4月29日-5月4日对10个表层水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸指标进行测定,结合贝叶斯方法初步探讨了水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸之间的关系。结果表明:外源性水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸均显著高于内源性水体(P<0.05),水体N_(2)O排放通量与CO_(2)排放通量和BOD5均呈显著正相关关系(P<0.05)。通过贝叶斯方法构建了水体N_(2)O排放通量与生态系统呼吸(CO_(2)和BOD_(5))之间的数学模型,可解释水体N_(2)O排放通量变异性的61%~71%,并且明确了模拟结果的不确定性。此外,本研究进一步区分了内源性水体与外源性水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸的关系,在内源性水体中,N_(2)O的产生受碳源限制的影响大于氮源限制,而在外源性水体中N_(2)O排放通量与CO_(2)排放通量的耦合关系大于内源性水体。研究表明,生态系统呼吸与水体N_(2)O排放通量间有很强的响应关系,本研究为区域水体N_(2)O排放通量估算方法和生态系统呼吸耦合机制研究提供了基础。

关键词：贝叶斯方法 N_(2)O排放通量生态系统呼吸内源性水体外源性水体

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基于Python的双过滤水肥一体机智能控制研究

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农机化研究 2022年第6期44卷 31-35页

作者：夏永秋包头铁道职业技术学院内蒙古包头014060

为了满足不同生长时期植株水肥需求,基于基于Python的双过滤图像处理方法及环境监测技术,设计了可以自适应调节的水肥控制系统,主要包括氮肥含量控制和浇灌量控制。氮肥含量控制:首先,CCD摄头采集植株图像,应用Python的双过滤图像处理... 详细信息

为了满足不同生长时期植株水肥需求,基于基于Python的双过滤图像处理方法及环境监测技术,设计了可以自适应调节的水肥控制系统,主要包括氮肥含量控制和浇灌量控制。氮肥含量控制:首先,CCD摄头采集植株图像,应用Python的双过滤图像处理方法得到植株高度;其次,建立不同生长时期最高植株对应的氮肥浓度的曲线;再次,采用色度分析的方法计算植株实际氮肥吸收浓度;最后,比对当前氮肥吸收浓度和最优浓度,从而调整混合液氮肥含量。浇灌量控制:在实现植株最优生长情况下,建立浇灌时间和温度、湿度、光照对之间的关系。对植株高度采集系统进行测试,结果表明:误差分布于3.9%~5.6%之间;采用本系统培养番茄植株,对比高氮肥对照组,在减少氮肥用量的情况提高了番茄生长高度。

关键词：水肥一体机 Python图像处理氮肥用量控制智能控制

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基于“水文频率-水质”拟合曲线的河流水质变异与等级特征值分析方法

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湖泊科学 2023年第3期35卷 863-873页

作者：韩豪杰严星赵娣夏永秋颜晓元中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室南京210008 中国科学院大学北京100049 中国科学院常熟农业生态实验站常熟215555

时空特征分析对全面掌握水质变异规律具有重要意义,但现有的水质时空特征分析方法仍存在水质变异次序不分、水质变幅极值不清、水质评价特征值不明等不足。为更加清晰地探析水质时空特征信息,以秦淮河为研究对象,参考工程水文学经验频率... 详细信息

时空特征分析对全面掌握水质变异规律具有重要意义,但现有的水质时空特征分析方法仍存在水质变异次序不分、水质变幅极值不清、水质评价特征值不明等不足。为更加清晰地探析水质时空特征信息,以秦淮河为研究对象,参考工程水文学经验频率法,建立“水文频率-水质”拟合曲线用于探索流域内高/低活动区不同时间段和丰/枯水期不同河段水质变异特征,并与传统的箱线图法进行对比。结果表明:与箱线图相比,“水文频率-水质”拟合曲线可量化关键水质评判点与特征值信息,使水质时空变异过程更为清晰。在时间上“水文频率-水质”拟合曲线的最佳形式为线性曲线,水质浓度一般不会发生突变;在空间上“水文频率-水质”拟合曲线的最佳形式为指数曲线,水质浓度有较大可能发生突增。各时间段高活动区氮磷浓度大于低活动区,各水体断面丰水期氮磷浓度低于枯水期。该方法分析过程简单方便,结果直观有序,能将水质信息以统计规律自动反映出来,在水质采样点、采样时间和采样频率典型时可作为优选方法用于河流水质时空特征研究。

关键词：氮磷频率箱线图时空特征高/低活动区丰/枯水期

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自然水体中悬浮物对反硝化影响的研究进展

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湖泊科学 2023年第1期35卷 32-42页

作者：张鹂夏永秋刘雪梅颜晓元胡琳华东交通大学土木建筑学院南昌330013 中国科学院南京土壤研究所江苏常熟农田生态系统国家野外观测研究站南京210018 上饶市婺源生态环境局上饶334099

悬浮物在自然水体(池塘、河流、湖泊等)中普遍存在,相较于上覆水,是微生物更为倾向的附着载体。相较于沉积物,更易获取硝酸盐,是水体反硝化发生的热点微区。悬浮物在水体中经历一系列碰撞、絮凝、溶解、离子交换、吸附解吸等物理化学过... 详细信息

悬浮物在自然水体(池塘、河流、湖泊等)中普遍存在,相较于上覆水,是微生物更为倾向的附着载体。相较于沉积物,更易获取硝酸盐,是水体反硝化发生的热点微区。悬浮物在水体中经历一系列碰撞、絮凝、溶解、离子交换、吸附解吸等物理化学过程,从而会引起颗粒物粒径、营养盐浓度等发生变化;悬浮物的沉降和再悬浮过程也会引起上覆水和沉积物之间的物质交换,并在好氧缺氧过渡过程中对氮转化造成影响,从而直接或者间接影响水体反硝化速率。本文概括了国内外关于悬浮物影响水体反硝化的研究进展和热点,总结了不同浓度、粒径、组成和种类的悬浮物对反硝化作用的影响,从溶解氧、功能微生物、无机氮、有机碳等环境因素重点归纳了悬浮物影响反硝化的过程,比较和分析了悬浮物反硝化的测定方法。结合当前悬浮物反硝化研究现状,建议未来可以从新兴污染物悬浮物、机理模型、测定方法等方面展开深入研究。

关键词：悬浮物反硝化影响因素机理测定方法

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气体扩散系数法估算水体反硝化速率

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农业环境科学学报 2023年第5期42卷 1109-1115页

作者：李晓寒严星夏永秋颜晓元中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室南京210008 中国科学院大学北京100049

近年来基于经验系数或者机理过程的气体扩散系数法逐渐被应用于水体反硝化速率的估算,为了探究该方法的可靠性、适用性和不确定性,本研究在不同硝态氮浓度(0、1、2、4、6 mg·L^(-1),以N计)静态水体条件下比较了密闭培养法和气体扩散系... 详细信息

近年来基于经验系数或者机理过程的气体扩散系数法逐渐被应用于水体反硝化速率的估算,为了探究该方法的可靠性、适用性和不确定性,本研究在不同硝态氮浓度(0、1、2、4、6 mg·L^(-1),以N计)静态水体条件下比较了密闭培养法和气体扩散系数法。结果表明:BO04、CL07和xia213种气体扩散系数模型估算的反硝化速率与水体硝态氮浓度的关系均符合米氏方程(R2=0.9946,Pxia21模型的估算结果均与密闭培养法的测定结果较为接近,斜率分别为1.22和0.59。进一步应用蒙特卡洛分析法对CL07模型进行参数敏感性分析发现,风速、流速和水温是模型最为敏感的3个因子,其无偏百分比差异分别为12.13%、9.49%和9.42%。研究表明,气体扩散系数法可以较准确地估算水体反硝化速率,为大尺度原位开展水体反硝化估算和氮素循环提供方法基础,但是需要根据实地环境条件选择和标定模型。

关键词：反硝化速率气体扩散系数法密闭培养法米氏方程敏感性分析

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我国农业面源污染过程模拟的困境与展望

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农业环境科学学报 2022年第11期41卷 2327-2337页

作者：夏永秋赵娣严星邱捷颜晓元江苏常熟农田生态系统国家野外观测研究站中国科学院南京土壤研究所南京210008 中国科学院大学北京100049

我国农业面源污染依然严重,模型是面源污染防控决策支持的有效工具。本文在农业面源污染模型分类的基础上,系统梳理了各类模型在田块流失过程、流域迁移消纳过程中的构建方法。在田块产流过程模拟中,模型大多采用单一超渗或者蓄满产流机... 详细信息

我国农业面源污染依然严重,模型是面源污染防控决策支持的有效工具。本文在农业面源污染模型分类的基础上,系统梳理了各类模型在田块流失过程、流域迁移消纳过程中的构建方法。在田块产流过程模拟中,模型大多采用单一超渗或者蓄满产流机制;在流域迁移过程的消纳过程模拟中,迁移路径基于D8算法,采用固定的消纳系数模拟迁移过程中的消纳量。基于我国面源污染产生的特点,本文进一步总结了上述模型在我国农业面源模拟过程中的困境:在田块流失过程中,在我国旱地与水田并存情况下需同时考虑两种产流机制,在南方水域面积大的区域还需考虑农田氨挥发近距离沉降;在地表迁移过程中需考虑多地形(丘陵和平原)、多水体分布特点,地下迁移过程需考虑生物地球化学滞留和水文滞留过程。针对上述困境,文章展望了我国面源污染模型可能的解决方案,以期为我国农业面源污染模型的轻简化和高精度发展提供借鉴。

关键词：面源污染模型田块流失过程流域迁移过程多水体迁移路径

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