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黄河流域2001—2020年植被物候及其对气候变化的响应

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生态学报 2024年第2期44卷 844-857页

作者：王祎宸贺洁何亮张宇洁张晓萍西北农林科技大学水土保持研究所杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所杨凌712100

植被周期性的物候更替被公认为是全球气候变化的综合指示器,深入研究区域植被物候的变化趋势和时空特征,可以提高对该区生态系统稳定性及动态变化程度的认识。基于2001—2020年16天、250m分辨率的中分辨率成像光谱仪归一化植被指数(MODI... 详细信息

植被周期性的物候更替被公认为是全球气候变化的综合指示器,深入研究区域植被物候的变化趋势和时空特征,可以提高对该区生态系统稳定性及动态变化程度的认识。基于2001—2020年16天、250m分辨率的中分辨率成像光谱仪归一化植被指数(MODIS NDVI)数据,利用Savitzky-Golay滤波法(S-G)和相对阈值法提取黄河流域植被物候参数,结合谷歌地球引擎(GEE)平台提供的欧洲中期天气预报中心第五代陆地再分析数据集(ERA5-LAND)小时气候再分析数据集和气候危害组红外降水站数据(CHIRPS)日降水数据集数据,运用趋势分析和偏相关分析等方法,探究全球气候变化下黄河流域不同植被分区物候参数空间分布特征、变化趋势,及其对气候因子的响应。结果表明:(1)2001—2020年黄河流域气候整体呈暖湿化的发展趋势,年均温上升幅度为0.15℃/10a(P>0.05),年降水增加幅度为24mm/10a(P<0.05)。(2)黄河流域暖温带落叶阔叶林区域的生长季始期和中期最早,温带南部典型草原亚地带和温带南部荒漠草原亚地带最晚,温带灌木、禾草半荒漠亚地带的生长季结束期最晚,青藏高原高寒植被区域的生长季长度最短。(3)全流域内生长季始期和中期分别有69.3%和66.4%的面积呈提前趋势(P<0.05),生长季末期50.9%的面积结束期呈推迟趋势(P<0.05),66.1%的面积整个生长季长度呈延长趋势(P<0.05)。(4)不同植被地带气候对物候参数影响存在差异,温度因子对带北部典型草原亚地带、高寒草原地带和高寒草甸地带的物候参数影响较大,降水和太阳辐射因子对温带南部典型草原亚地带、温带灌木、禾草半荒漠地带、温带南部荒漠草原亚地带和中亚热带常绿阔叶林地带的物候参数影响较大。

关键词：植被物候气候变化响应黄河流域

不同氮素管理模式对黄土旱塬春玉米产量及N2O排放的影响

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中国农业科学 2024年第18期57卷 3642-3653页

作者：鲁科丹路远王蕊党廷辉中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心中国科学院水利部水土保持研究所中国科学院大学西北农林科技大学资源环境学院西北农林科技大学水土保持研究所

【目的】探讨不同氮素管理模式对玉米产量、N2O排放的影响，为黄土旱塬区合理施用氮肥和减缓温室气体排放提供理论依据。【方法】依托中国科学院长武黄土高原农业生态试验站，以春玉米先玉335为研究对象，开展为期2年的田间定位试验。... 详细信息

【目的】探讨不同氮素管理模式对玉米产量、N2O排放的影响，为黄土旱塬区合理施用氮肥和减缓温室气体排放提供理论依据。【方法】依托中国科学院长武黄土高原农业生态试验站，以春玉米先玉335为研究对象，开展为期2年的田间定位试验。试验共设置5种不同氮素管理模式：不施氮（no fertilizer）、传统施氮(Con,250 kg N·hm-2)、减量施氮(Opt,200 kg N·hm-2)、减量施氮+缓控释肥(Opt+SR,200 kg N·hm-2)、减量施氮+硝化抑制剂(Opt+DCD,200 kg N·hm-2)。用静态箱-气相色谱法监测N2O排放通量，并计算全球增温潜势和N2O气体排放强度，分析不同氮素管理模式对春玉米产量和N2O排放的影响。【结果】（1）氮肥施用后N2O排放迅速升高，在施肥后2 d左右达到峰值，维持10 d后快速下降。减量施氮模式显著降低N2O排放量（P<0.05）。与Con处理相比，Opt、Opt+DCD和Opt+SR处理N2O排放量降低幅度分别为21.4%、27.6%和26.0%。Con、Opt、Opt+DCD和Opt+SR处理的N2O增温潜势依次为425.01、334.01、307.83、314.57 kg CO2-eq·hm-2。与Con处理相比，Opt+DCD显著降低了N2O排放强度，降幅为30.1%（P<0.05）。（2）N2O排放量与表层土壤NH4+-N含量呈极显著正相关（P<0.01），而与土壤水分、温度无明显相关性。（3）与Con处理相比，Opt、Opt+DCD和Opt+SR处理能显著提高氮肥农学效率（增幅依次为25.5%、25.7%、22.2%）及氮肥偏生产力（增幅依次为29.9%、28.7%、25.4%）(P<0.05)，但对春玉米的产量无显著影响。【结论】在黄土旱塬地区，适当减量施氮、缓控释肥及添加硝化抑制剂均能取得N2O减排和玉米增产的效果，其中减氮20%并添加硝化抑制剂在保证玉米产量的同时，N2O减排效果最好。

关键词：减量施氮缓控释肥硝化抑制剂春玉米产量 N2O排放黄土旱塬

黄土区农田土壤细菌和真菌群落对长期施氮的响应特征

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植物营养与肥料学报 2024年第2期30卷 232-241页

作者：张薇王润泽李彤彤郭苗苗郭胜利王蕊西北农林科技大学水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100

【目的】细菌和真菌是调控土壤生态功能的重要因素,摸清细菌和真菌群落的变化有助于深入理解微生物在生态功能中的调节作用。【方法】黄土区渭北旱塬定位监测试验始于1984年。2022年选择其中5个不同施氮(N)量处理小区:0、45、90、135和1... 详细信息

【目的】细菌和真菌是调控土壤生态功能的重要因素,摸清细菌和真菌群落的变化有助于深入理解微生物在生态功能中的调节作用。【方法】黄土区渭北旱塬定位监测试验始于1984年。2022年选择其中5个不同施氮(N)量处理小区:0、45、90、135和180 kg/hm^(2)(分别记作N0、N45、N90、N135和N180),采集0—20 cm土层样品,采用16S rRNA和ITS高通量测序方法,分析细菌和真菌群落结构及其功能变化,同时测定土壤碳组分、微生物活性、根系生物量及土壤酶活性等。【结果】随着施氮量增加,土壤微生物量从113 mg/kg增加到177~234 mg/kg,微生物活性从4.92 g/(m^(2)·s)增加到5.83~7.26 g/(m^(2)·s),土壤植物根系量从1.73 t/hm^(2)增加到2.32~2.98 t/hm^(2)。施氮处理土壤细菌群落丰富度(Chao1)和多样性(Shannon)显著降低,分别下降4.0%~12.3%和1.6%~1.8%,但真菌群落丰富度和多样性无显著变化。施氮处理土壤变形菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门相对丰度分别下降了2.4%~16.4%、2.1%~26.3%、24.1%~50.0%,细菌中座囊菌纲、伞菌纲相对丰度分别下降了29.4%~58.8%、44.4%~88.9%,而放线菌门、酸杆菌门、绿湾菌门等细菌相对丰度提高了10.4%~34.7%、37.8%~54.1%、14.3%~28.6%,子囊菌门、银耳纲等真菌的相对丰度分别提高了8.3%~73.8%、18.2%~45.5%。施氮后,土壤有机碳含量由6.50 g/kg提升到7.00~7.35 g/kg,可溶性有机碳含量由22.43 mg/kg提高到27.60~34.87 mg/kg,NO_(3)^(-)-N含量由1.38 mg/kg提高到1.78~2.25 mg/kg,C/N由8.90下降到8.64~7.74,微生物的硝化作用显著提高了14.3%~39.6%,好氧氨氧化功能提高了25.1%~48.2%,参与碳循环功能的木糖苷酶活性提高了13.5%~39.3%,纤维二糖水解酶活性提高了50.3%~126.8%。细菌丰富度和多样性变化与土壤有机碳(SOC)、可溶性有机碳、NO_(3)^(-)-N含量和C/N有关。施氮条件下细菌变形菌门丰度降低与土壤可溶性有机碳(DOC)含量升高有关,而放线菌丰度升高与SOC、DOC和NO_(3)^(-)-N含量的升高有关,但子囊菌和担子菌的丰度变化与土壤理化性质间的关系不显著。【结论】在黄土高原地区,细菌群落结构对氮肥施用的响应较真菌更为敏感。细菌群落组成的变化与土壤有机碳、可溶性有机碳和NO_(3)^(-)-N呈显著正相关,与全氮和C/N呈显著负相关。此外,氮肥施用增加了土壤中与碳循环相关的功能菌丰度,促进了木糖苷酶和纤维二糖水解酶的分泌。

关键词：施氮量全氮碳氮比酶活性微生物群落结构

基于简单气象因子的干旱指数计算及其适用性分析

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干旱地区农业研究 2024年第1期42卷 242-251页

作者：刘爽范兴科中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049 西北农林科技大学水土保持研究所陕西杨凌712100

为建立可对短期干旱进行合理监测表征的气象干旱指数,从气象干旱发生的机制——水分供需矛盾(主要为降水量与蒸散量两大因素)出发,以旬尺度的蒸散缺水量占需水量的比值定义一个气象干旱指数——缺水度指数(WSI),潜在蒸散量(PET)采用气温... 详细信息

为建立可对短期干旱进行合理监测表征的气象干旱指数,从气象干旱发生的机制——水分供需矛盾(主要为降水量与蒸散量两大因素)出发,以旬尺度的蒸散缺水量占需水量的比值定义一个气象干旱指数——缺水度指数(WSI),潜在蒸散量(PET)采用气温(T,℃)及相对湿度(RH,%)两大极易获取的气象因子计算,同时利用陕西省30个气象站点2000—2020年的逐日气象观测资料分析WSI的适用性特征。结果表明:在不考虑风和大气压的影响条件下,相对于Penman-Monteith方程,基于T和RH估算PET误差较小,均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)均值分别为1.17 mm和0.82 mm,但62.1%的数据计算结果偏小,部分站点80%以上数据偏小。对陕西省不同区域近年来旱情发展变化的研究表明,WSI能够识别出陕西省旱情易发区域及时段,同时对于短期干旱事件具有较强的识别能力,较MCI指数能够更快地捕捉旱情发生,同时更加灵活简便,可以应用于气象干旱的监测预报和评估。

关键词：气象干旱气温相对湿度缺水度指数(WSI) 陕西省

黄土区3种护坡植物三维可视化模拟与根系构型参数分析

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水土保持研究 2024年

作者：张旭姚晨杜婷马志强朱宏杰汪艳杜峰中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心中国科学院水利部水土保持研究所中国科学院大学西北农林科技大学水土保持研究所

[目的]对植物根系数字化并进行三维实体可视化模拟,对于了解植物根系形态和为水保工程制图提供植物实物图库都具有重要的理论与实践意义。[方法]逐层挖掘黄土区酸枣、沙棘、狼牙刺3种护坡植物根系,使用3D数字化仪FasTrak获取根系三维点... 详细信息

[目的]对植物根系数字化并进行三维实体可视化模拟,对于了解植物根系形态和为水保工程制图提供植物实物图库都具有重要的理论与实践意义。[方法]逐层挖掘黄土区酸枣、沙棘、狼牙刺3种护坡植物根系,使用3D数字化仪FasTrak获取根系三维点阵坐标后利用SketchUp软件对根系进行三维建模并提取根系构型参数。为了建立完整的植物地上地下三维实体图库,同时使用FreeScan UE激光扫描仪得到相应地上部点云数据,经Soildworks软件渲染后建立植物地上部三维模型。[结果](1)建立了3种植物的地上地下三维实体模型图;(2)3种植物的根幅/根深均大于1(1.10～3.41),根系在水平方向上占有优势,狼牙刺最小为1.10;(3)3种植物冠幅/根幅分别为酸枣(0.25)、沙棘(0.69)、狼牙刺(0.73),均小于1,植物根系较地上部在水平方向上占优;(4)3种植物Fitter拓扑指数均接近于1,分别为酸枣(0.915)、沙棘(0.802)、狼牙刺(0.771),接近于鱼尾型分支;(5)植物根系总根长、总表面积、总体积在上坡方向占比大于50%,均在上坡方向更有优势。[结论]所建立的植物三维模型图对植物还原度高,为整株植物三维可视化模拟提供了一种方法。

关键词：黄土区整株植物三维可视化模拟 SketchUp 根系形态

氮添加增加中国陆生植物生物量并降低其氮利用效率

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植物生态学报 2024年第2期48卷 147-157页

作者：耿雪琪唐亚坤王丽娜邓旭张泽凌周莹中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院大学北京100049 西北农林科技大学水土保持科学与工程学院陕西杨凌712100

研究植物整体和地上、地下部分生物量和氮利用效率(NUE)对氮添加的响应,有助于了解全球氮沉降背景下中国陆地生态系统植物碳、氮循环的变化。然而氮添加对植物生物量和NUE的影响是否一致,影响这种响应的主要因素仍不清楚。该研究收集整... 详细信息

研究植物整体和地上、地下部分生物量和氮利用效率(NUE)对氮添加的响应,有助于了解全球氮沉降背景下中国陆地生态系统植物碳、氮循环的变化。然而氮添加对植物生物量和NUE的影响是否一致,影响这种响应的主要因素仍不清楚。该研究收集整理了94篇已发表论文中有关中国氮添加实验的相关数据,使用meta分析定量评估了氮添加对植物生物量分配和NUE的影响及其主要影响因素。结果表明:(1)氮添加在显著增加植物整体、地上和地下生物量的同时,也显著降低了不同部分的NUE,但植物地上生物量的增加幅度(34.0%)高于地下生物量(5.3%),而地下部分NUE(29.9%)的下降幅度高于地上部分NUE(15.4%);(2)植物整体和不同部分生物量及其NUE对氮添加的响应在不同生态系统类型、氮肥形式、施氮水平、持续时间和水分条件下均存在显著差异,且草地和荒漠生态系统对氮添加的响应明显高于其他生态系统类型;(3)影响植物整体、地上和地下生物量效应值的最主要因素均为土壤总氮含量,植物整体和地上部分NUE的最主要影响因素均为施氮量,而影响地下部分NUE效应值的最主要因素为氮肥形式。总之,植物生物量和NUE在氮添加条件下的变化趋势相反,两者分别主要受土壤总氮含量和施氮水平的影响。

关键词： meta分析土壤总氮氮添加生物量分配氮利用效率生态系统类型

黄土丘陵沟壑区坡沟系统产流产沙对源-汇-路径格局的响应

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农业工程学报 2024年第5期40卷 118-127页

作者：严增焦菊英唐柄哲曹斌挺李航梁越祁泓锟廖俊徐倩严晰芹李萌萌姜晓晗张子琦李建军西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所杨凌712100

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统(2个无人为干扰的退耕植... 详细信息

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统(2个无人为干扰的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG1和SG2、2个人为扰动的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG3和SG4、1个果园+坡耕地的坡沟系统SG5)内泥沙源、汇及其输移路径分布特征,并在量化指标的基础上,结合2016—2022年坊塌小流域5个坡沟系统的降雨和产流产沙的监测数据,研究了不同坡沟系统的产流产沙特征及其对源-汇-路径格局的响应。结果表明:次降雨条件下,SG1和SG2的产沙模数显著低于其他坡沟系统(P水土流失。研究可为坡沟系统土壤侵蚀防控以及流域生态保护和修复提供科学支撑。

关键词：泥沙景观径流坡沟系统产流产沙源汇输移路径

作物—牲畜—生物能源综合系统对中国农业源温室气体的影响评估

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地理学报 2024年第1期79卷 28-44页

作者：张帆蔡颖邓祥征姜群鸥吴锋中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院大学北京100049 北京林业大学水土保持学院北京100083

对农作物和畜牧业生产系统中的剩余秸秆和粪便进行生物能源化利用,不仅有利于缓解作物—牲畜系统农业剩余物排放对环境造成的压力,还能通过最终产品的使用来抵消相关的温室气体排放。本文构建了一个作物—牲畜—生物能源一体化的综合系... 详细信息

对农作物和畜牧业生产系统中的剩余秸秆和粪便进行生物能源化利用,不仅有利于缓解作物—牲畜系统农业剩余物排放对环境造成的压力,还能通过最终产品的使用来抵消相关的温室气体排放。本文构建了一个作物—牲畜—生物能源一体化的综合系统框架,基于生命周期评价法估算了2010—2019年中国及各省份作物和畜牧生产系统中各过程的温室气体排放清单;对比了作物—牲畜—生物能源综合系统和传统系统在不同生产环节的排放差异,评估了综合系统对农业源温室气体排放的环境影响。研究结果显示:(1)作物秸秆管理、牲畜肠道发酵和作物生产能源消耗贡献了基准情景下中国主要的农业源温室气体排放,作物和牲畜系统中温室气体来源呈现出显著的地区差异。(2)环境影响强度在部分地区或省份呈现波动变化趋势,其中,华东地区的排放强度下降幅度较大(-0.73×10^(-2)),新疆的增幅最大(0.63×10^(-2))。(3)作物和畜牧生产系统中可利用的剩余秸秆和粪便数量可观,综合系统对农业源温室气体排放起到缓解作用,全国范围内缓解程度不同,最大时可减缓约67%的环境影响。

关键词：作物—牲畜—生物能源系统农业源温室气体生命周期评价环境影响时空演化

近30年来黄土高原山洪灾害风险时空变化及成因

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水土保持研究 2024年第4期31卷 241-247,257页

作者：孙珑江曦韩剑桥刘仪航西北农林科技大学水土保持研究所陕西杨凌712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨凌712100

[目的]揭示近30年黄土高原山洪灾害风险时空演变特征及其影响机制,为黄土高原山洪灾害宏观防控策略制定提供科学依据。[方法]基于降雨、植被覆盖、人口密度等数据建立山洪灾害风险评估体系,集成GIS和层次分析法(AHP)等方法,在绘制各驱... 详细信息

[目的]揭示近30年黄土高原山洪灾害风险时空演变特征及其影响机制,为黄土高原山洪灾害宏观防控策略制定提供科学依据。[方法]基于降雨、植被覆盖、人口密度等数据建立山洪灾害风险评估体系,集成GIS和层次分析法(AHP)等方法,在绘制各驱动因子风险分布图的基础上,综合评估了黄土高原1990年和2020年的山洪灾害风险。[结果](1)黄土高原山洪灾害高风险区主要集中在东部、南部和东南部地区,这些区域具有降雨强度大、人口密集、经济发达、耕地面积大等特点。(2)1990—2020年期间,黄土高原总体山洪灾害风险增加,表现为风险高的区域在原来的基础上向其四周拓展,其中山西省东南部、青海省西北部、内蒙古东北部最为明显。[结论]近30年来,增加的降雨强度、人口密度和GDP是山洪灾害风险增加的主要驱动因素,需要持续加强对极端降雨引发山洪灾害的防控。

关键词：山洪灾害风险评估时空变化黄土高原