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基于APSIM模型的旱地春玉米施肥类型及氮肥用量研究

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干旱地区农业研究 2024年第3期42卷 214-224页

作者：金志强孙东宝王庆锁中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部旱作节水农业重点开放实验室北京100081

为探究玉米高产和减少硝态氮残留的合理施肥模式,通过山西寿阳旱地春玉米田间试验和APSIM模型模拟,研究不同施肥类型和施氮量对春玉米产量、硝态氮残留量和氮肥利用率的影响。田间试验设置3个施肥类型主处理,包括化肥单施、有机无机肥配... 详细信息

为探究玉米高产和减少硝态氮残留的合理施肥模式,通过山西寿阳旱地春玉米田间试验和APSIM模型模拟,研究不同施肥类型和施氮量对春玉米产量、硝态氮残留量和氮肥利用率的影响。田间试验设置3个施肥类型主处理,包括化肥单施、有机无机肥配施(配施比例1∶1)和有机肥单施;7个施肥梯度副处理,分别为0、50、100、150、200、250、300 kg·hm-2,并利用2019—2021年试验站点数据对模型进行校准验证。结果表明:APSIM模型可以较好地模拟当地玉米产量和硝态氮残留量状况。各降水年型下,随氮肥施用量的增加,玉米产量先增加后减少,硝态氮残留量显著增加,氮肥利用率有所降低;相同施肥类型及施肥量下,丰水年的春玉米作物产量最高,硝态氮残留量最低,氮肥利用率最高;相同降水年型及施肥量下,有机无机肥配施方式的春玉米产量最高,硝态氮残留量居中,氮肥利用率最高。相较于化肥单施和有机肥单施方式,有机无机肥配施对于干旱地区玉米产量提升效果更好,其土壤硝态氮残留量对降水变化的敏感性相对较低,其氮肥利用率受降水影响也更小。综上,当施氮量介于148~168 kg·hm-2时,有机无机肥配施方式下土壤硝态氮残留量维持在阈值内,春玉米产量可达到理论产量的95%左右,适宜在研究区域推广应用。

关键词：春玉米硝态氮氮肥利用率有机无机肥配施 APSIM模型

全球气候变化下土壤呼吸对温度和水分变化的响应特征综述

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中国农业气象 2024年第1期45卷 1-11页

作者：冉漫雪丁军军孙东宝顾峰雪中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部旱地节水农业重点实验室北京100081

气候变暖、降水格局变化等是气候变化的主要表现形式,也是影响土壤呼吸主要的非生物因素,探明气象条件(温度、水分)对土壤呼吸影响及作用机制是理解陆地生态系统碳循环的重要内容之一。本文对近年来国内外学者关于温度和水分对土壤呼吸... 详细信息

气候变暖、降水格局变化等是气候变化的主要表现形式,也是影响土壤呼吸主要的非生物因素,探明气象条件(温度、水分)对土壤呼吸影响及作用机制是理解陆地生态系统碳循环的重要内容之一。本文对近年来国内外学者关于温度和水分对土壤呼吸的影响及机制的研究进展进行综述。结果表明,(1)气候变暖与土壤呼吸存在正反馈调节,但温度适应性削弱了二者的反馈关系。增温时长和土壤碳储量不同导致温度对土壤呼吸的影响具有时空差异。土壤呼吸对温度适应性机制主要包括土壤微生物适应性、底物消耗和土壤矿物质活化等。(2)降水对土壤呼吸的作用取决于土壤初始水分含量。当土壤含水量低于萎蔫系数时,降水不仅增加土壤含水量还可促进土壤呼吸,在土壤含水量接近田间持水量时土壤呼吸达到最大值,当土壤含水量达到饱和值时土壤呼吸又会受到抑制。水分对土壤呼吸影响机制主要为替代效应与阻滞效应、底物供给、微生物胁迫以及根系响应等。(3)土壤呼吸与土壤温度、水分的耦合关系取决于土壤水热因子配比,当土壤温度成为胁迫因子时,降水引发的土壤水分含量升高对土壤呼吸的激发效应被低温的负面影响所抑制;当土壤水分成为胁迫因子时,气候变暖引发的土壤温度升高对土壤呼吸的促进作用被干旱的负面影响所抵消,进行土壤呼吸研究时需充分考虑土壤温度和水分的交互作用。为更全面深入地明晰陆地生态系统土壤碳排放扰动因素,未来气候变化下土壤呼吸与环境关系等相关领域研究应为重点方向,一是加强多因素交互作用对土壤呼吸影响的研究,并定量化研究土壤呼吸组分;二是持续关注土壤呼吸对土壤初始温度和温度波动的响应特征,探索生物多样性或群落结构组成对土壤呼吸的影响。

关键词：土壤呼吸温度降水响应特征

水热炭强化秸秆厌氧发酵产甲烷效能及作用机制

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中国环境科学 2024年第8期44卷 4415-4424页

作者：耿涛赵立欣姚宗路申瑞霞于佳动罗娟中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室北京100081

以玉米秸秆和水稻秸秆为原料在不同温度下制备水热炭,观察原料种类与制备温度对水热炭理化特性的影响并进一步探究水热炭添加对秸秆厌氧发酵产甲烷的强化作用.研究发现,相同温度条件下,玉米秸秆的碳化程度较棉花秸秆更高;同一原料制备... 详细信息

以玉米秸秆和水稻秸秆为原料在不同温度下制备水热炭,观察原料种类与制备温度对水热炭理化特性的影响并进一步探究水热炭添加对秸秆厌氧发酵产甲烷的强化作用.研究发现,相同温度条件下,玉米秸秆的碳化程度较棉花秸秆更高;同一原料制备的水热炭,表面O-H、C-O含氧官能团丰度随温度升高而降低,但高温有利于材料碳化程度、表面孔隙复杂度的提高与表面碳微球构筑.将不同水热炭分别添加到秸秆厌氧消化系统中,发现水热炭对秸秆厌氧消化产甲烷具有明显强化效果.其中,Y1对秸秆厌氧发酵产甲烷强化效果最佳,累积甲烷产量与最大产甲烷速率较对照组分别提高13.74%与12.06%,发酵过程中VFA降解速度较对照组明显加快且体系应对pH值变化的稳定性增强.微生物群落结构研究发现水热炭添加使秸秆厌氧发酵体系中Firmicutes、Synergistota等产酸功能菌与Methanosarcina、Methanospirillum等氢营养型产甲烷菌得到富集,这可能与水热炭表面丰富的含氧官能团有关.

关键词：农业废弃物秸秆水热炭厌氧发酵产甲烷

三十烷醇纳米制剂对冬小麦抗旱生理特性的影响

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干旱地区农业研究 2024年第1期42卷 142-151页

作者：张鑫王崇李丽王超马海洋邢佳伊王耀生中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室/农业农村部旱作节水农业重点实验室北京100081

以‘XR4347’品种冬小麦为供试作物,在步入式气候室内开展盆栽试验,设置3种叶面喷施剂型和3个灌溉水平,剂型为市售三十烷醇微乳剂(TRIA,T1)、水滑石负载三十烷醇纳米制剂(TRIA-LDH,T2)和助剂条件对照(T3);灌溉水平分别设置为土壤田间持... 详细信息

以‘XR4347’品种冬小麦为供试作物,在步入式气候室内开展盆栽试验,设置3种叶面喷施剂型和3个灌溉水平,剂型为市售三十烷醇微乳剂(TRIA,T1)、水滑石负载三十烷醇纳米制剂(TRIA-LDH,T2)和助剂条件对照(T3);灌溉水平分别设置为土壤田间持水量的90%(充分灌溉,W1)、60%(中度水分胁迫,W2)和40%(重度水分胁迫,W3)。结果表明:(1)在相同水分处理下,喷施TRIA和TRIA-LDH对小麦叶片光合速率有促进作用。中度水分胁迫下,喷施TRIA和TRIA-LDH的小麦地上部干质量较对照处理分别增加69.9%和32.7%,水分利用效率分别增加32.2%和16.4%;重度水分胁迫下,喷施TRIA-LDH的小麦耗水量比喷施TRIA显著降低24.0%,地上部干物质积累量增加,因此水分利用效率显著提高13.6%。(2)中度水分胁迫下喷施TRIA-LDH的小麦叶片过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性比喷施TRIA处理显著增加2倍,重度水分胁迫下喷施TRIA-LDH的小麦叶片SOD活性比喷施TRIA处理显著增加1倍,表明喷施TRIA-LDH比喷施TRIA对抗氧化酶活性的促进效果更好。(3)重度水分胁迫下,喷施TRIA-LDH与TRIA的小麦叶片ABA含量分别比对照处理显著降低21.8%和30.9%,表明重度水分胁迫下外源施用三十烷醇可通过降低叶片ABA含量有效缓解水分胁迫对于植株生长的抑制。(4)重度水分胁迫下,喷施TRIA的小麦叶片保卫细胞Ca^(2+)大量外流,而喷施TRIA-LDH的叶片保卫细胞Ca^(2+)内流,可见植物对TRIA-LDH的吸收利用效果更好。在水分胁迫下,三十烷醇纳米制剂增强了植株的抗旱能力,提高了植株的水分利用效率。因此,水滑石纳米载体可用于负载三十烷醇,实现三十烷醇对植物高效、可持续的调控。

关键词：三十烷醇水滑石纳米载体冬小麦水分利用效率抗旱性

双金属催化剂在生物质焦油催化蒸汽重整领域的研究进展

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化工进展 2024年第8期43卷 4354-4365页

作者：胡婷霞赵立欣姚宗路霍丽丽贾吉秀谢腾中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部华北平原绿色低碳重点实验室北京100081

综述了双金属催化剂在生物质焦油及其模型化合物催化蒸汽重整领域的研究现状,梳理了常用双金属催化剂的类型及不同催化剂催化焦油重整的性能,总结了影响双金属催化剂性能的主要因素,探讨了焦油催化重整的反应机理,并阐释了催化剂失活-... 详细信息

综述了双金属催化剂在生物质焦油及其模型化合物催化蒸汽重整领域的研究现状,梳理了常用双金属催化剂的类型及不同催化剂催化焦油重整的性能,总结了影响双金属催化剂性能的主要因素,探讨了焦油催化重整的反应机理,并阐释了催化剂失活-再生反应机制。文中指出:双金属催化剂丰富的活性位点和双金属之间的协同作用促进了催化剂性能的提升,双金属活性相和载体之间适宜的相互作用增强了催化剂的稳定性;双金属催化剂在焦油蒸汽重整方面具有潜在的应用前景。目前双金属催化剂的活性、稳定性仍然无法满足焦油催化重整的产业化应用需求。下一步需开发催化剂的精准调控技术,深入阐释其催化反应机理,为焦油催化蒸汽重整产业化发展提供技术指导。

关键词：生物质焦油催化重整蒸汽重整双金属催化剂再生

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山西省玉米生产碳足迹动态分析

中国农业气象 2024年第4期45卷 323-334页

作者：冯玥孙东宝顾峰雪解文艳山西农业大学晋中030801 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部旱作节水农业重点实验室北京100081

以山西玉米生产为研究对象,基于生命周期评价法研究2010-2019年山西玉米种植系统的碳足迹变化动态并解析其构成,为山西省玉米低碳清洁化生产以及粮食平稳增产提供理论依据。结果表明:(1)2010-2019年,山西省玉米生产平均单位面积和单位... 详细信息

以山西玉米生产为研究对象,基于生命周期评价法研究2010-2019年山西玉米种植系统的碳足迹变化动态并解析其构成,为山西省玉米低碳清洁化生产以及粮食平稳增产提供理论依据。结果表明:(1)2010-2019年,山西省玉米生产平均单位面积和单位产量的碳足迹分别为1959.14kgCO_(2)-eq·hm^(-2)和0.36kgCO_(2)-eq·kg^(-1),单位面积、单位产量和单位产值碳足迹总体呈先增加后减少趋势,年际间波动较大。(2)化肥生产(50.08%)、田间N2O排放(27.39%)和农业机械耗油(6.89%)是山西玉米碳足迹的主要来源。如果仅考虑田间生产的温室气体排放情况,则因施肥造成的田间N2O排放、农业机械耗油对田间生产碳足迹的贡献达到67.47%和16.66%。(3)科学施肥、化肥减施和有机替代仍然是降低玉米碳足迹的关键手段。综上所述,在玉米碳足迹降低的同时,降低玉米生产成本,因地制宜制定减排措施,是平衡玉米生产力、生态环境及经济效益的关键。

关键词：山西玉米碳足迹低碳农业

中试膜生物反应器处理奶牛养殖污水的微生物群落结构分析

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农业环境科学学报 2024年第9期43卷 2093-2103页

作者：宋建超尚斌陶秀萍刘崇涛李洋洋刘壮壮中国农业科学院都市农业研究所成都610213 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

为了研究中试膜生物反应器在不同运行参数下处理高浓度奶牛养殖污水时膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)内微生物群落结构的演变情况,对不同污泥龄(Sludge retention time,SRT)、水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)和曝... 详细信息

为了研究中试膜生物反应器在不同运行参数下处理高浓度奶牛养殖污水时膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)内微生物群落结构的演变情况,对不同污泥龄(Sludge retention time,SRT)、水力停留时间(Hydraulic retention time,HRT)和曝气方式(连续曝气、3种间歇曝气)形成的5种工况下MBR微生物组成、多样性以及优势菌群分布进行了表征,同时对比研究了不同工况下污染物去除效果。结果表明,MBR处理高浓度奶牛养殖污水的最佳运行参数:SRT为30 d、HRT为96 h、曝15 min/停10 min,此参数条件下化学需氧量(COD)、NH_(4)^(+)-N、总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别为97.0%±0.5%、90.4%±1.3%、85.5%±1.8%和89.6%±5.6%,处理出水中4种水质指标浓度分别为(224±56)、(45±8)、(105±19)mg·L^(-1)和(4±2)mg·L^(-1),运行期间部分处理出水的COD浓度达到农田灌溉水质标准要求,高效稳定的有机物和氮磷去除效果依赖于MBR微生物的多样性和功能微生物的稳定性。反硝化除磷菌门的Proteobacteria(变形菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)和Bacteroidetes(拟杆菌门)的丰度占总细菌的85.2%,污水高效脱氮除磷效率与反硝化除磷菌的种类、相对丰度密切相关;优势菌纲Gammaproteobacteria(γ-变形菌纲)、Bacteroidia(拟杆菌纲)和Clostridia(梭菌纲)的相对丰度总占比达81.2%,其中功能性除磷菌纲Gammaproteobacteria的丰度最高,达57.3%,保证了处理出水较低的TP浓度;优势反硝化菌属为Ottowia(奥托氏菌属),相对丰度占比达54.8%,可显著提高MBR脱氮效率。MBR处理高浓度奶牛养殖污水可实现良好的污染物去除效果,污染物去除效果与优势菌群密切相关,优势菌群相对丰度越高,越有利于提高污水处理效果和出水水质。

关键词：膜生物反应器污水工况微生物群落相对丰度

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节水减氮和品种管理对双季稻CH_(4)的减排效果

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生态学杂志 2024年第3期43卷 724-732页

作者：宋春燕李玉娥万运帆秦晓波张欣禹朱波胡严炎王斌中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业农村部农业环境重点实验室北京100081 中化现代农业有限公司北京100031 长江大学农学院湖北荆州434022

秸秆还田、高效肥料、节水减氮是我国农业绿色发展主推技术,高产低排放品种是减少稻田CH_(4)排放重要方向。为明确秸秆还田下氮肥减量及节水灌溉集成技术对不同品种水稻田CH_(4)排放的影响,本研究以双季稻为对象,采用随机区组的裂区试... 详细信息

秸秆还田、高效肥料、节水减氮是我国农业绿色发展主推技术,高产低排放品种是减少稻田CH_(4)排放重要方向。为明确秸秆还田下氮肥减量及节水灌溉集成技术对不同品种水稻田CH_(4)排放的影响,本研究以双季稻为对象,采用随机区组的裂区试验设计,设置施用尿素+间歇灌溉(U)、尿素减量20%+秸秆还田+间歇灌溉(US+S)、控释尿素减量20%+秸秆还田+间歇灌溉(CRUS+S)、尿素减量20%+秸秆还田+节水灌溉(US+S+SWD)共4个主区因素,常规稻和杂交稻作为2个副区因素,利用静态箱-气相色谱法监测双季稻生育期内CH_(4)排放规律及减排效果。结果表明,碳投入、氮投入、灌溉量和分蘖数是影响双季稻CH_(4)排放的主要因素。秸秆还田可补充氮肥20%减量的养分,并显著促进常规稻和杂交稻CH_(4)的排放,其中常规稻增排60.0%~107.8%,杂交稻增排99.8%~107.8%,这主要归结于秸秆还田带来大量碳源。秸秆还田搭配控释尿素并不能减少CH_(4)排放,较US+S增排1.8%~9.7%(除常规晚稻外)。节水灌溉能显著控制秸秆还田下CH_(4)排放的大量增长,相比US+S,US+S+SWD处理显著降低了CH_(4)排放15.9%~23.1%。各处理间产量无显著差异,表明秸秆还田下氮肥减量及节水灌溉可以达到稳产作用。杂交稻CH_(4)排放量及产量略高于常规稻,但不存在显著差异。总体而言,秸秆还田显著提高CH_(4)排放量,控释尿素和减量施氮无明显减排效果,节水灌溉能有效降低秸秆还田下单位产量的CH_(4)排放强度。未来随着稻田秸秆还田比例增加,优化水分管理以促进秸秆好氧分解将成为CH_(4)减排的关键。

关键词： CH_(4) 秸秆还田氮肥减量控释尿素节水灌溉水稻

添加剂促进堆肥过程氨气和温室气体减排研究进展

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高校化学工程学报 2024年

作者：韩冰霍丽丽赵立欣姚宗路罗娟张沛祯申瑞霞中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室

好氧堆肥能够将有机物降解转化为稳定腐殖质，实现有机废弃物的绿色、高效处理，是农业废弃物处理利用的最有效途径之一。然而堆体孔隙度低、碳氮比失衡会导致大量的碳和氮以甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氨气(NH3)等形式释放到大气中，... 详细信息

好氧堆肥能够将有机物降解转化为稳定腐殖质，实现有机废弃物的绿色、高效处理，是农业废弃物处理利用的最有效途径之一。然而堆体孔隙度低、碳氮比失衡会导致大量的碳和氮以甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氨气(NH3)等形式释放到大气中，不仅污染环境，还导致堆肥产品质量下降。在好氧堆肥过程中使用添加剂是促进堆肥进程、改善堆肥质量和减少碳氮损失的有效方法。基于此，探讨了有机添加剂、无机添加剂和生物添加剂对农业废弃物好氧堆肥过程的作用机制与影响因素，并重点综述了不同添加剂在促进堆肥过程NH3和温室气体减排方面的优缺点，旨在为好氧堆肥添加剂的研究和应用提供有益参考。

关键词：好氧堆肥添加剂氨气温室气体减排