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黑土区保护性耕作土壤有机碳动态的模型模拟研究

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中国农业科学 2024年第10期57卷 1943-1960页

作者：王文俊梁爱珍张延陈学文黄丹丹中国科学院东北地理与农业生态研究所/黑土区农业生态重点实验室中国科学院大学

【目的】保护性耕作是恢复和提高土壤肥力的重要措施，土壤有机碳在保持土壤肥力、维持作物生长与保护土壤环境方面具有非常重要的作用。然而，目前国内仍然缺少研究长期耕作的监测平台，因此采用模型的方法有助于研究长期保护性耕作下... 详细信息

【目的】保护性耕作是恢复和提高土壤肥力的重要措施，土壤有机碳在保持土壤肥力、维持作物生长与保护土壤环境方面具有非常重要的作用。然而，目前国内仍然缺少研究长期耕作的监测平台，因此采用模型的方法有助于研究长期保护性耕作下土壤有机碳的动态。【方法】依托东北黑土地保护性耕作长期定位试验地，选取免耕（NT）、秋翻（MP）、垄作（RT）3种处理下的土壤为研究对象，优化过程模型（RothC、AMG模型）与统计模型（MLPNN模型）的结构与参数，对比模拟长期保护性耕作下土壤有机碳储量的动态变化，评估不同模型对保护性耕作土壤有机碳动态模拟与预测的效果，并揭示东北黑土有机碳对保护性耕作的长期响应及其影响因素。【结果】优化有机碳在模型中各碳库的分配系数后，RothC与AMG模型模拟误差显著降低。保护性耕作实施的前11年（2001—2012）,RothC与AMG过程模型对土壤有机碳的动态变化模拟效果没有显著差异，说明过程模型复杂的结构对持续时间相对较短的试验模拟效果没有显著影响，统计模型MLPNN的模拟结果与过程模型相似，验证了统计模型在田块与样地等小空间尺度内的应用效果。未来100年RothC与AMG模型预测的MP处理土壤有机碳变化趋势相同，但RothC模型预测结果得出，NT与RT处理土壤有机碳表现出先增长后达到平衡的趋势，但AMG模型模拟的结果却是有机碳一直处于增长趋势，这可能与土壤碳饱和效应与耕作处理的影响有关。RothC与AMG模型对碳投入都具有很高的灵敏度，但对气候因素与土壤因素变化的响应却存在差异。【结论】模型模拟长期保护性耕作土壤有机碳动态时需要因地制宜选择合适的预测模型。在预测保护性耕作土壤有机碳的短期变化时可以采用结构较为简单的AMG过程模型；在进行长期预测时，可以采用结构较为复杂的RothC模型。在特定条件下，统计模型MLPNN在田块与样地等小空间尺度上对土壤有机碳的模拟与过程模型具有相近的效果。

关键词：土壤有机碳保护性耕作模型模拟黑土过程模型统计模型东北

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盐碱土壤植物修复机制研究进展

生态学杂志 2024年第5期43卷 1453-1462页

作者：周杰王志春杨帆中国科学院东北地理与农业生态研究所长春130102 中国科学院大学北京100049

盐碱土在世界范围内广泛分布,却难以开发为农业用地,造成土地资源的浪费。过去几十年以来,人们致力于探索盐碱土的改良方法并初见成效。但在这些改良方法中,存在不同程度的环境、投入和成本等制约因素。随着人们对生态环境问题的深入关... 详细信息

盐碱土在世界范围内广泛分布,却难以开发为农业用地,造成土地资源的浪费。过去几十年以来,人们致力于探索盐碱土的改良方法并初见成效。但在这些改良方法中,存在不同程度的环境、投入和成本等制约因素。随着人们对生态环境问题的深入关注,利用植物修复盐碱土的相关研究日益增多。植物修复是一种兼具生态效益和经济效益的盐碱土改良方法。虽然大多数植物在盐碱胁迫下生长发育受到影响,但一些植物在长期进化过程中形成了对盐碱环境的适应机制,能够通过生理、形态和分子的变化改善土壤的理化性质,进而达到修复盐碱土的效果。本文从植物地上部收获带走盐分、根系生长改善土壤物理性质、植物残体改善土壤理化性质、根系分泌物增加H+、根呼吸以及微生物协同植物修复共六个方面对盐碱土植物修复机制进行了综述。在系统总结现有研究进展的基础上,指出未来研究应对植物修复过程中如何在节省时间成本的基础上发挥其修复功效进行更为深入的研究,旨在最大程度发挥植物的修复作用,为盐碱地治理提供科学支撑。

关键词：盐碱土植物修复根区CO_(2) 根系分泌物根际微生物

酸碱改性生物炭与膨润土复配提高猪粪堆肥Cu和Zn钝化率

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农业环境科学学报 2024年

作者：梁梦月袁宁于锐周嘉罗那那哈尔滨师范大学中国科学院东北地理与农业生态研究所

为了钝化畜禽粪便中重金属，促进农业废弃物资源化无害化利用，本实验以猪粪和玉米芯作为原料，共设置添加酸性生物炭4%（F1）、酸性生物炭4%+钙基膨润土4%（F2）、碱性生物炭4%（F3）、碱性生物炭+钙基膨润土4%（F4）、未改性生物炭4%... 详细信息

为了钝化畜禽粪便中重金属，促进农业废弃物资源化无害化利用，本实验以猪粪和玉米芯作为原料，共设置添加酸性生物炭4%（F1）、酸性生物炭4%+钙基膨润土4%（F2）、碱性生物炭4%（F3）、碱性生物炭+钙基膨润土4%（F4）、未改性生物炭4%（F5）、未改性生物炭+钙基膨润土4%（F6）、钙基膨润土4%（F7）和CK（无添加）8个处理，开展为期40d的好氧堆肥实验，研究酸碱改性生物炭和钙基膨润土对猪粪堆肥腐熟效果及重金属Cu和Zn形态转化的影响。结果表明：堆肥结束时堆体pH值为7.7～8.1，呈碱性，EC值均小于4 mS·cm-1，所有堆肥处理基础理化性质均达到无害化要求。F2、F4重金属钝化效果较好，F2处理Cu和Zn钝化率分别为57.98%和40.94%，F4处理Cu和Zn钝化率分别为50.43%和47.35%。总体上看堆肥过程中酸碱改性生物炭和钙基膨润土配施对Cu和Zn有较好的钝化效果，可提升堆肥产品质量。

关键词：猪粪堆肥酸碱改性生物炭钙基膨润土重金属形态钝化

东北地区土地覆被格局变化模拟:基于CLUE-S和Markov-CA模型的对比分析

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地理科学 2024年第2期44卷 329-339页

作者：王端睿毛德华王宗明相恒星冯凯东中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林长春130102 中国科学院大学北京100049

研究以遥感解译的东北地区2000年、2010年、2015年的土地覆被变化为基础,充分考虑自然和社会因素对土地覆被变化的影响,分别通过CLUE-S模型和Markov-CA模型对东北地区2015年和2030年土地覆被格局进行模拟,研究结果表明:通过与遥感解译的... 详细信息

研究以遥感解译的东北地区2000年、2010年、2015年的土地覆被变化为基础,充分考虑自然和社会因素对土地覆被变化的影响,分别通过CLUE-S模型和Markov-CA模型对东北地区2015年和2030年土地覆被格局进行模拟,研究结果表明:通过与遥感解译的2015年实际土地覆被类型数据对比验证,CLUE-S模型和Markov-CA模型模拟结果的总体Kappa指数分别为0.9700和0.9649,结果表明2种模型的模拟结果较为理想,CLUE-S模型的模拟精度较Markov-CA模型更高。2015—2030年东北地区草地、耕地、湿地、其他用地和水体面积呈现下降趋势,林地、人工表面面积呈现增加趋势,人地关系越发紧张。东北地区作为生态环境相对脆弱的区域需警惕不可持续的土地覆被变化,需权衡生态保护、粮食增加与基础设施建设的用地需求和协调发展。

关键词： CLUE-S模型 Markov-CA模型土地利用/覆被变化空间模拟东北地区

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大气CO浓度和温度升高对黑土禾谷类作物根际土壤有机氮组分的影响

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农业环境科学学报 2024年

作者：毛梦凡高利正龙永徐影李彦生金剑于镇华中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态重点实验室中国科学院大学

为阐述大气CO2浓度和温度升高对黑土区主要禾谷类作物土壤有机氮组分含量的变化及其对土壤氮素有效性的潜在影响，本实验通过使用开顶式气候室（OTC）模拟大气CO2浓度升高(550 μmol·mol-1)和温度升高（+2 ℃），以正常大气CO2浓度和... 详细信息

为阐述大气CO2浓度和温度升高对黑土区主要禾谷类作物土壤有机氮组分含量的变化及其对土壤氮素有效性的潜在影响，本实验通过使用开顶式气候室（OTC）模拟大气CO2浓度升高(550 μmol·mol-1)和温度升高（+2 ℃），以正常大气CO2浓度和温度作为对照，对黑土区3种主要禾谷类作物根际土壤的有机氮组分进行了测定，并与土壤理化性质进行了相关性分析。结果显示：小麦根际土壤酸解总氮和各组分受大气CO2浓度和温度升高的影响大于玉米和水稻。具体表现在：小麦根际土壤的酸解总氮和各组分均不同程度地受到大气CO2浓度和温度升高，以及两者交互作用的影响。水稻根际只有酸解总氮以及未知态氮受到两者交互作用显著影响，而玉米根际的酸解总氮和各组分则没有受到CO2浓度和温度单独升高或两者交互作用的影响。同时，与对照处理相比，在CO2浓度和温度升高的交互作用下，不同作物的有机氮各组分占全氮的比例也会发生变化，3种作物土壤中氨基酸态氮和氨态氮仍然为酸解氮组分的主要贡献者，未知态氮次之，氨基糖态氮含量最低。相关分析表明，酸解有机氮组分受全氮和速效磷显著影响。研究结果表明应适度减少小麦氮肥的施加量，增加水稻和玉米氮肥的使用量以及适当调节土壤理化性质从而提高氮素的有效性。

关键词：气候变化酸解有机氮氮矿化禾本科作物

半干旱区湿地固沙屏障功能及其区域作用案例分析

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湿地科学 2024年第2期22卷 303-309页

作者：刘蕤高传宇韩冬雪李晓王国平中国科学院东北地理与农业生态研究所中国科学院湿地生态与环境重点实验室吉林长春130102 中国科学院大学北京100049

在自然因素和人类活动因素的影响下,土壤沙化和土地沙漠化的程度不断加剧。天然及人造屏障对于固定流沙、防止沙漠化具有正面效应,但是目前对湿地固沙屏障功能的研究尚且较少。论述了湿地的固沙屏障功能,湿地植被、水体和土壤以及三者... 详细信息

在自然因素和人类活动因素的影响下,土壤沙化和土地沙漠化的程度不断加剧。天然及人造屏障对于固定流沙、防止沙漠化具有正面效应,但是目前对湿地固沙屏障功能的研究尚且较少。论述了湿地的固沙屏障功能,湿地植被、水体和土壤以及三者之间的耦合作用对迁移搬运来的沙尘拦截沉降,并对周围未移动的沙丘进行固定,从而捕获沙尘,避免土地沙漠化成为新的沙源。以松嫩平原西部湿地为例,分析了湿地固沙屏障功能对于区域生态安全的作用:松嫩平原西部地区土壤含砂量高于东部地区,湿地明水面与茂密的湿地植被结合起来,成为一个有效的沙阱,印证了镶嵌分布的湿地群产生的固沙屏障功能对于防止沙漠化扩张具有重要作用。

关键词：沙漠化湿地固沙屏障功能半干旱区

生物炭添加对人工湿地氨气排放的影响及微生物群落组装机制研究

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中国环境科学 2024年

作者：苗雅琴朱卫红沈昱廷祝惠中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验室延边大学地理与海洋科学学院中国科学院大学中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土地保护与利用全国重点实验室

生物炭在改善人工湿地的脱氮性能和氨气减排方面具有巨大潜力.然而，不同生物炭添加比例下人工湿地的脱氮能力和氨气减排效果及潜在的微生物学机制尚不明确.因此，本研究基于中宇宙模拟实验，探究了不同生物炭添加比例对表流人工湿地脱... 详细信息

生物炭在改善人工湿地的脱氮性能和氨气减排方面具有巨大潜力.然而，不同生物炭添加比例下人工湿地的脱氮能力和氨气减排效果及潜在的微生物学机制尚不明确.因此，本研究基于中宇宙模拟实验，探究了不同生物炭添加比例对表流人工湿地脱氮性能及氨气减排效果的影响及作用机理，并通过机器学习和基于系统发育分箱的零模型(iCAMP)进一步探讨了其中的微生物学机制.结果表明，与未添加生物炭的对照组相比，添加50%的生物炭显著促进了人工湿地中氨氧化菌(如Chloroflexi、Rhodocyclaceae)的生长，增强了系统内氨氮的转化，减少了32%的氨气排放量.随机森林模型筛选得到的敏感微生物物种(如Planctomycetes、Parcubacteria)可作为指示氨挥发排放通量的初步指标.人工湿地基质中生物炭的比例与群落结构的变化存在密切联系.生物炭添加比例的升高导致物种系统发育结构聚集并促进了与碳、氮循环相关的特定功能细菌群落(如Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria)的生长和建立.本研究为揭示控制人工湿地微生物群落的驱动因素提供了新的视角，对生物炭在人工湿地中的实际应用具有指导意义.

关键词：人工湿地生物炭氨挥发 iCAMP

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环境中的氟及其环境效应与污染治理

农业资源与环境学报 2024年第1期41卷 164-174页

作者：张宇琦徐惠风文波龙路鑫雨罗那那吉林农业大学农学院长春130102 中国科学院东北地理与农业生态研究所长春130102

氟是自然界中固有元素,广泛用于预防和治疗人类疾病,并且在化工、医疗、农业等领域中用于制成新型材料以改善人类生活。然而大量非自然衍生出的氟化物进入环境中,导致环境及生物体氟过量,引起生态环境的变化,影响环境质量,对人类健康和... 详细信息

氟是自然界中固有元素,广泛用于预防和治疗人类疾病,并且在化工、医疗、农业等领域中用于制成新型材料以改善人类生活。然而大量非自然衍生出的氟化物进入环境中,导致环境及生物体氟过量,引起生态环境的变化,影响环境质量,对人类健康和生态环境构成威胁,因此,氟的生物地球化学研究越来越受到关注。本文整理分析了氟在环境中的分布、来源以及不同环境介质中氟的赋存形态和生物、非生物影响因素,并且对其在土壤-水-植物中迁移转化过程、吸附解吸规律以及污染治理等方面进行了讨论,指出进一步深入开展氟环境行为、环境效应研究的方向,以期为氟污染的治理和环境过程调控提供支持。

关键词：氟分布特征环境效应污染治理

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黄河银川段湿地水鸟群落多样性

湿地科学 2024年第4期22卷 563-571页

作者：王琳安雨崔庚璩向宁王磊佟守正中国科学院湿地生态与环境重点实验室中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林长春130102 宁夏大学生态环境学院宁夏银川750021

银川市是黄河中上游湿地的集中分布区域,为了掌握黄河银川段水鸟群落的组成情况,于2022年6月至2023年7月,采用样点调查和直接计数法,对黄河银川段62个调查点7种类型湿地中的水鸟群落开展调查。研究结果表明,野外监测期间,在黄河银川段... 详细信息

银川市是黄河中上游湿地的集中分布区域,为了掌握黄河银川段水鸟群落的组成情况,于2022年6月至2023年7月,采用样点调查和直接计数法,对黄河银川段62个调查点7种类型湿地中的水鸟群落开展调查。研究结果表明,野外监测期间,在黄河银川段的湿地中,共记录到水鸟7目14科73种,以雁形目和鸻形目水鸟为主,其中有国家一级保护动物3种,包括遗鸥(Ichthyaetus relictus)、黑鹳(Ciconia nigra)和卷羽鹈鹕(Pelecanus crispus),国家二级保护动物11种;水鸟群落的优势物种数量为6种,包括豆雁(Anser fabalis)、赤麻鸭(Tadorna ferruginea)、斑嘴鸭(Anas zonorhyncha)、白骨顶(Fulica atra)、普通燕鸥(Sterna hirundo)和红嘴鸥(Chroicocephalus ridibundus);河流、湖泊、灌丛/草本沼泽、退耕还湿地、水田、池塘/泡沼、退渔还湿地中水鸟群落的多样性指数和均匀度指数都依次减小;河流是黄河银川段水鸟(包括3种国家一级保护动物)的集中分布生境,在退渔还湿地中栖息的水鸟种类和个体数量都最少。加强湿地微生境的管护,有利于水鸟群落多样性的增加和稳定性的保持。

关键词：水鸟群落优势物种栖息地管理生境类型