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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

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

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冻融条件下藻结皮覆盖对土壤结构的影响

水土保持学报 2024年第2期38卷 157-164页

作者：钟志强曹文华马波曾建辉张秀梅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 水利部水土保持监测中心北京100053

[目的]为研究生物结皮覆盖和冻融作用对土壤结构的影响。[方法]以黄土高原北部风沙土为研究对象,采用室内模拟冻融的方法,利用田口方法分析不同冻融次数、冻融前土壤初始含水量和生物结皮(藻结皮)盖度对土壤结构特征的影响。[结果](1)... 详细信息

[目的]为研究生物结皮覆盖和冻融作用对土壤结构的影响。[方法]以黄土高原北部风沙土为研究对象,采用室内模拟冻融的方法,利用田口方法分析不同冻融次数、冻融前土壤初始含水量和生物结皮(藻结皮)盖度对土壤结构特征的影响。[结果](1)通过正交试验获取的土壤结构指数(I GSS)为75.57~96.57,信噪比(S/N)为37.55~39.70 dB,通过田口方法确定的最佳因子组合为15次冻融循环、15%初始含水量、80%藻结皮覆盖度,其预测结果为I GSS=98.09,S/N=39.89 dB。(2)I GSS与冻融次数、初始含水量、藻结皮盖度均呈正相关关系,各因子对土壤结构指数的主效应表现为初始含水量>冻融次数>藻结皮覆盖度;各因子对土壤结构指数变化的贡献率为初始含水量(52.17%)>冻融次数(31.95%)>藻结皮覆盖度(2.12%)。(3)土壤结构指数的变化来自于冻融过程中土壤水分的散失和孔隙扩张,藻结皮覆盖可以减缓冻融过程中水分的散失,从而减缓I GSS变化。[结论]研究使用正交试验对冻融条件下藻结皮覆盖对土壤结构的影响进行探讨,研究结果可为复杂条件下的土壤冻融过程研究提供一定的理论参考。

关键词：黄土高原土壤结构冻融模拟生物结皮田口方法

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

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水分胁迫对油松抗旱生理特征的影响

水土保持学报 2024年

作者：刘青徐肖阳王云霞曾岩冒吉荣刘莹王国梁西北农林科技大学水土保持科学与工程学院中国科学院水利部水土保持研究所

[目的]探究水土保持主要造林树种油松(Pinus tabulaeformis)在水分胁迫下的抗旱生理特性,为该地区油松人工林管理提供科学依据。[方法]以1年生油松幼苗为研究对象,设置4个水分胁迫等级处理,分别为对照组(CK)、轻度胁迫(RE25%)、中度胁迫... 详细信息

[目的]探究水土保持主要造林树种油松(Pinus tabulaeformis)在水分胁迫下的抗旱生理特性,为该地区油松人工林管理提供科学依据。[方法]以1年生油松幼苗为研究对象,设置4个水分胁迫等级处理,分别为对照组(CK)、轻度胁迫(RE25%)、中度胁迫(RE50%)和重度胁迫(RE75%),分析不同水分胁迫处理后油松幼苗的生长特性、水力功能及渗透调节物质含量的变化及其之间的相关关系。[结果](1)与CK相比,经过20个月的RE50%和RE75%处理后油松地上生物量分别显著降低19.1%和37.0%,地下生物量显著增加13.7%和23.9%。(2)CK、RE25%、RE50%和RE75%处理后油松幼苗新枝的抗栓塞水势阈值分别为-1.43,-2.04,-0.91,-0.58 MPa。(3)与CK相比,经过RE50%和RE75%处理后粗根内的可溶性糖含量分别显著增加123.3%和121.9%,淀粉含量分别显著增加15.0%和58.0%,非结构性碳水化合物(NSC)总量分别显著增加104.0%和83.2%。与CK相比,经过RE75%处理后新枝内脯氨酸含量显著降低43.0%,K+含量显著降低23.7%。(4)不同水分胁迫处理下各器官内渗透调节物质对水力功能变化的贡献依次为NSC、淀粉、可溶性糖、K+、管胞汁液内的脯氨酸和管胞汁液内的可溶性糖。[结论]轻度水分胁迫提高新枝的抗栓塞能力,而中度和重度水分胁迫下油松幼苗通过增加根内碳储存维持油松的生长代谢。油松各器官通过积累渗透调节物质提高细胞浓度,降低渗透势以适应水分胁迫环境。本研究加深了对油松抗旱机制的认识,为黄土高原油松人工林管理提供科学依据。

关键词：油松水分胁迫抗旱生理栓塞脆弱性渗透调节

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磷素对含沙水流流体变异特性影响

水土保持学报 2024年第1期38卷 22-30,39页

作者：张元元高建恩李文证高哲王照润王鹭中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心陕西杨陵712100 中国科学院水利部水土保持研究所陕西杨陵712100 西北农林科技大学水土保持研究所陕西杨陵712100 中国科学院大学北京100101 水利部水土保持生态工程技术研究中心陕西杨陵712100 西北林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨陵712100

[目的]为探明磷素对含沙水流流体变异特性的影响。[方法]采用自制双竖管流变仪,研究了磷素对不同浓度含沙水流流体类型、流变参数及流体发生变异的临界阈值的影响。[结果](1)磷素浓度、泥沙浓度及泥沙理化性质是影响含沙水流发生流体变... 详细信息

[目的]为探明磷素对含沙水流流体变异特性的影响。[方法]采用自制双竖管流变仪,研究了磷素对不同浓度含沙水流流体类型、流变参数及流体发生变异的临界阈值的影响。[结果](1)磷素浓度、泥沙浓度及泥沙理化性质是影响含沙水流发生流体变异的主要因素。在25℃下,过磷酸钙浓度每增加0.1 g/cm^(3),黏滞系数和宾汉极限剪切力分别增加0.48~1.47 mPa·s和3.49~6.84 N/m^(2)。(2)随着磷素和泥沙含量的增大,含磷素的含沙水流由牛顿流体变异为宾汉流体。构建并验证了磷-泥沙水流黏滞系数和宾汉极限剪切力等流变参数的计算模型。(3)给出了磷-泥沙水流流体变异的临界浓度阈值。当磷素浓度从0增加至0.45 g/cm^(3)时,含沙水流的流体变异临界浓度阈值降低49%,说明磷素的存在加速了含沙水流的流体变异。[结论]磷素的增加使得侵蚀水流更容易由牛顿流体变异为宾汉流体,从而影响侵蚀流内部的能量耗散过程,研究结果为深入认识侵蚀污染水流的输移机制提供了新的科学基础。

关键词：流体变异流变模型非牛顿流体磷素污染含沙水流

基于思维进化算法优化的东北地区参考作物蒸散量估算

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节水灌溉 2024年

作者：刘琦董娟韩晓阳乔江波鱼洋袁银颍朱元骏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科学与工程学院

准确估算参考作物蒸散发(Reference crop evapotranspiration，ET0)对于农业水资源管理至关重要。东北地区是我国最重要的粮食产区，但该区域纬度相对较高、气温相对较低，ET0影响因素多、估算的不确定性高。本研究选取东北地区20个代... 详细信息

准确估算参考作物蒸散发(Reference crop evapotranspiration，ET0)对于农业水资源管理至关重要。东北地区是我国最重要的粮食产区，但该区域纬度相对较高、气温相对较低，ET0影响因素多、估算的不确定性高。本研究选取东北地区20个代表性气象站点1961-2019年气象数据，采用Mann-Kendall非参数趋势检验及反距离加权插值法模拟东北地区ET0时空变化特征，并利用思维进化算法（Mind Evolutionary Algorithm，MEA）优化模型参数，以FAO-56 Penman-Monteith公式计算结果为标准值，比较9种不同输入因子的模型精度，结果表明：①1961-2019年东北地区ET0的年平均值在567.81～1 080.66 mm之间，东北地区北部的年均ET0值呈上升趋势，中部平原及南部沿海呈下降趋势；②通过对东北地区20个站点使用不同类型模型计算ET0的评估，优化前精度表现：辐射型模型＞湿度型模型＞温度型模型。其中Mak模型在东北地区的计算精度最高，相应的R2、NSE、RMSE、和MAE中位数值分别为0.801、0.786、0.570 mm/d和0.331 mm/d；③MEA算法优化后，对9种经验模型的R2、NSE、RMSE和MAE提升幅度分别为14.43% ～ 47.15%、14.84% ～ 50.47%、5.42% ～ 46.79%、7.47% ～ 39.86%。优化后的Mak模型相应的R2、NSE、RMSE、和MAE中位数值分别为0.910、0.907、0.510 mm/d、0.291 mm/d。因此，在气象资料缺乏情景下，Mak模型可作为东北地区ET0计算的最优模型，并且MEA算法优化能够高效提高的模型计算精度，实现了准确性和效率之间更优化的平衡。

关键词：东北地区参考作物蒸散量思维进化算法时空特征经验模型

黄土高原生物结皮对种子出苗及幼苗存活与生长的影响

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生态学报 2024年

作者：张雪肖波韩凤朋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中国农业大学土地科学与技术学院

生物结皮可通过多种直接或间接途径影响种子出苗和幼苗生长，但相关研究多集中在极干旱沙漠及荒漠区，且多为盆栽实验。本研究以无结皮为对照，通过野外实验分析不同盖度（80%、50%、30%）的藻结皮和藓结皮对柠条锦鸡儿（Caragana korsh... 详细信息

生物结皮可通过多种直接或间接途径影响种子出苗和幼苗生长，但相关研究多集中在极干旱沙漠及荒漠区，且多为盆栽实验。本研究以无结皮为对照，通过野外实验分析不同盖度（80%、50%、30%）的藻结皮和藓结皮对柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、黑沙蒿（Artemisia ordosica）、鬼针草（Bidens pilosa）种子出苗、幼苗存活和生长的影响，并探究其作用途径。结果表明：高盖度生物结皮更有利于种子出苗。柠条锦鸡儿和黑沙蒿种子在高盖度藓结皮上的出苗率比无结皮分别增加了1.5和17.5倍，柠条锦鸡儿、黑沙蒿和鬼针草种子在高盖度藻结皮上的出苗率比无结皮分别增加了1.3、14.0和0.7倍。但黑沙蒿幼苗在生物结皮上的存活率极低，可见生物结皮促进小种子出苗却对其存活不利。此外，藓结皮对幼苗生长有促进作用，且在高盖度结皮上促进效果最好，而藻结皮则表现为高盖度促进，中、低盖度抑制。结构方程模型分析表明，生物结皮主要通过间接效应影响种子出苗和幼苗生长，且总效应均为正效应，其中幼苗存活主要受穿透阻力影响，幼苗生长主要受土壤化学性质影响。综上，生物结皮对植物种子出苗和幼苗生长的影响随物种而异，且作用效果和结皮盖度有关，但总体为促进作用，因而有利于黄土高原植被恢复和更新。

关键词：株高地径幼苗建植植被更新群落演替