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生物炭与不同类型氮肥配施对菜地土壤反硝化细菌群落的影响

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环境科学 2024年第4期45卷 2394-2405页

作者：柳晓婉刘杏认高尚洁李贵春中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

为了明确生物炭与不同类型氮肥(铵态氮肥和硝态氮肥)配施对土壤反硝化菌群落的影响,以北京顺义菜地土壤为研究对象,设置不施肥(CK)、单施(NH_(4))_(2)SO_(4)(N1)、(NH_(4))_(2)SO_(4)+生物炭[30 t·(hm^(2)·a)^(-1)](N1B)、单施KNO_(3)... 详细信息

为了明确生物炭与不同类型氮肥(铵态氮肥和硝态氮肥)配施对土壤反硝化菌群落的影响,以北京顺义菜地土壤为研究对象,设置不施肥(CK)、单施(NH_(4))_(2)SO_(4)(N1)、(NH_(4))_(2)SO_(4)+生物炭[30 t·(hm^(2)·a)^(-1)](N1B)、单施KNO_(3)(N2)和KNO_(3)+生物炭[30 t·(hm^(2)·a)^(-1)](N2B)这5个处理,采集冬、春、夏这3个季节的土壤样品,利用高通量测序分析nar G型、nir K型、nir S型和nos Z型反硝化菌群落组成和多样性,探究其主要影响因子,明确生物炭与不同类型氮肥配施对土壤反硝化菌群落组成和多样性的影响.结果表明:(1)生物炭与两种类型氮肥配施均能够增加土壤矿质氮含量,与单施(NH_(4))_(2)SO_(4)相比,生物炭和(NH_(4))_(2)SO_(4)配施土壤NH_(4)^(+)-N含量增加了14.6%,NO_(3)^(-)-N含量增加了9.4%;与单施KNO_(3)相比,生物炭与KNO_(3)配施土壤NH_(4)^(+)-N含量增加了16.0%,NO_(3)^(-)-N含量增加了15.9%.(2)反硝化菌群落的优势门类在不同处理中均为变形菌门,其组成和优势菌属受生物炭和氮肥类型的影响.生物炭与(NH_(4))_(2)SO_(4)配施主要增加了α-、β-和γ-变形菌纲的相对丰度,占比前3的属分别为Acidiphilium、Sulfuricaulis和Klebsiella.生物炭与KNO_(3)配施主要增加了α-和β-变形菌纲的相对丰度,占比前3的属分别为Rhodopseudomonas、Microvirga和Methylobacterium.(3)生物炭与两种类型氮肥配施显著影响了土壤反硝化菌的群落组成和多样性,土壤p H值、NO_(3)^(-)-N、NH_(4)^(+)-N和土壤含水量(SWC)是影响土壤反硝化菌群落组成的主要环境因子.以上研究可为减少菜地土壤硝态氮积累和反硝化损失提供理论依据,同时也为优化农业肥料管理措施提供科学依据.

关键词：生物炭铵态氮硝态氮高通量测序反硝化菌群落

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土膜耕作法的土壤与作物效应研究

中国农业科学 2024年第15期57卷 3010-3022页

作者：杨世琦颜鑫韩钰中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

【目的】探索土膜耕作法对农田土壤水分、温度和养分变化的影响，揭示土膜对作物根系生长及产量效应，明确土膜的农业生产价值，为其应用提供理论依据与技术。【方法】在宁夏引黄灌区通过喷施1.0%浓度羧甲基纤维素铵（carboxymethyl cel... 详细信息

【目的】探索土膜耕作法对农田土壤水分、温度和养分变化的影响，揭示土膜对作物根系生长及产量效应，明确土膜的农业生产价值，为其应用提供理论依据与技术。【方法】在宁夏引黄灌区通过喷施1.0%浓度羧甲基纤维素铵（carboxymethyl cellulose ammonium,CMC-NH4）水溶液促使土膜产生。设CMC-NH4用量0（CK）、50.0（T1）、100.0（T2）、200.0（T3）和300.0 kg·hm-2（T4）5个处理，开展春小麦-夏玉米复种下的土壤水分、温度、养分、微生物、作物根系及产量效应研究。【结果】喷施CMC-NH4的各处理春小麦和夏玉米田土壤日均含水量提高3.3%—7.0%（P农业高质量发展有支撑作用。宁夏引黄灌区CMC-NH4推荐喷施量为100.0 kg·hm-2。

关键词：土膜耕作法(土膜) 土壤作物效应羧甲基纤维素铵(CMC-NH4)

不同绿蓝光比例对罗勒生长及其能源利用效率的影响

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中国农业科学 2024年第6期57卷 1167-1179页

作者：杨洋贾梦晗陈灿张一含仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

【目的】在红光(R,660 nm)保持定量的条件下，探究不同绿蓝光比例(G/B)对罗勒(Ocimum basilicum Linn.)生长、气孔特征、光合能力以及能源利用效率的影响，为植物工厂罗勒高效节能生产提供技术支撑。【方法】在植物工厂环境下，以罗勒... 详细信息

【目的】在红光(R,660 nm)保持定量的条件下，探究不同绿蓝光比例(G/B)对罗勒(Ocimum basilicum Linn.)生长、气孔特征、光合能力以及能源利用效率的影响，为植物工厂罗勒高效节能生产提供技术支撑。【方法】在植物工厂环境下，以罗勒为试验材料，将生长19 d的罗勒幼苗分别置于RB(R﹕G﹕B=8﹕0﹕8，设为对照处理)、RG1B7(R﹕G﹕B=8﹕1﹕7)、RG1B3(R﹕G﹕B=8﹕2﹕6)、RG1B1(R﹕G﹕B=8﹕4﹕4)、RG3B1(R﹕G﹕B=8﹕6﹕2)、RG7B1(R﹕G﹕B=8﹕7﹕1)和RG(R﹕G﹕B=8﹕8﹕0)7种不同光质组合处理中，光照强度设置为160μmol·m-2·s-1，其中红光占50%，光照时间为16 h/d，光/暗期温度为25℃/23℃，相对湿度设定为65%，光期CO2浓度设定为1 000μmol·mol-1。试验处理13 d后测量罗勒的光合作用参数，处理19 d后测量其生长指标、气孔特征以及能源利用效率。【结果】除RG1B3处理外，添加绿光处理比对照显著提升了罗勒的株高、叶面积和干鲜重，不同绿蓝光比例(G/B)处理的地上部干、鲜重分别比对照提高了19%—51%和26%—64%；但除RG处理外，不同G/B处理间的叶面积和干、鲜重差异不显著。低G/B处理(RG1B7)仅降低罗勒下层叶片反面的气孔密度，随着G/B的增大，下层叶片正面及上层叶片的气孔密度均降低。总体上，叶片氮含量随着G/B的增加而降低，叶片氮含量和气孔密度的降低导致罗勒的CO2同化能力、光利用能力下降，降低程度总体上随着G/B的增加而增大。由于绿光LED的发光效率比蓝光低，总耗电量随着G/B的增加而增加，本试验中仅RG1B7处理比对照显著提高了25%的电能利用效率；除RG1B3处理外，不同G/B处理比对照提升了30%—57%的光能利用效率，提升程度在除RG外的不同G/B处理间无显著差异；与对照相比，RG3B1和RG处理提高了罗勒上层和下层叶片水分利用效率，其中RG3B1分别提高了58%和74%,RG分别提高了67%和90%。【结论】结合罗勒生长和能量利用效率数据可知，RG1B7处理可被认为是植物工厂罗勒生产较为适宜的光质组合。研究结果可为明确不同绿蓝光比例对罗勒生长、光合特性及能源利用效率的影响规律提供参考，也为完善植物工厂环境下罗勒高效节能生产光配方提供技术支撑。

关键词：罗勒绿蓝光比例光质生长光合作用能源利用效率

施用生物炭和秸秆还田对农田温室气体排放及增温潜势的影响

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中国农业科学 2024年第5期57卷 935-949页

作者：高尚洁刘杏认李迎春柳晓婉中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

【目的】农业生态系统增温潜势是影响全球气候变化的重要部分。本研究通过田间试验明确施用生物炭和秸秆还田对农田增温潜势的影响，以期为减缓气候变化和农业废弃物资源化利用提供理论依据。【方法】在山东省桓台县农业生态系统试验站... 详细信息

【目的】农业生态系统增温潜势是影响全球气候变化的重要部分。本研究通过田间试验明确施用生物炭和秸秆还田对农田增温潜势的影响，以期为减缓气候变化和农业废弃物资源化利用提供理论依据。【方法】在山东省桓台县农业生态系统试验站的冬小麦-夏玉米轮作农田中开展了3年田间定位试验，试验共设置4个处理：①对照(CK)；②施用生物炭9.0t·hm-2·a-1(C)；③全量秸秆还田(S)；④秸秆还田配施9.0 t·hm-2·a-1生物炭(CS)。4个处理均施等量的氮磷钾化肥，其中氮肥为尿素，用量为200 kg·hm-2·a-1，磷肥为过磷酸钙，用量为55 kg·hm-2·a-1，钾肥为硫酸钾，用量为40 kg·hm-2·a-1。采用静态暗箱-气相色谱法测定各处理温室气体(CO2、N2O和CH4)的排放通量并计算净全球增温潜势(NGWP)和温室气体排放强度(GHGI)，分析连续施用生物炭和秸秆还田对农田温室气体排放及增温潜势的影响。【结果】(1)综合3年的温室气体排放情况，与CK处理相比，S和CS处理的年平均生态呼吸排放量(Re)分别增加了47.8%和67.9%(P<0.05);C处理的年平均N2O累积排放量降低了20.3%(P<0.05)，而S和CS处理的N2O年平均累积排放量分别增加了23.6%和41.4%(P<0.05)。(2)与CK处理相比，C、S和CS处理的土壤有机碳年平均变化量(ΔSOC)均有显著增加，其中CS处理增幅最大，增加了150.6%(P<0.05)。与第1年相比，C、S和CS处理第3年的ΔSOC均有显著增加(P<0.05)，分别增加了21.7%、20.8%和17.8%。各处理的NGWP和GHGI均存在显著差异，与CK相比，C、S和CS处理的年平均NGWP分别降低了163.5%、171.7%和273.0%(P<0.05)，与第1年相比，C、S和CS处理第3年的NGWP均有显著降低(P<0.05)，分别降低了73.4%、58.8%和54.7%。与CK相比，C、S和CS处理的年平均GHGI分别降低了236.2%、253.3%和388.9%(P<0.05),C、S和CS处理第3年的GHGI较第1年分别降低了126.3%、98.2%和108.6%(P<0.05)。就产量而言，C、S和CS处理的作物产量保持相对稳定，有轻微增长，但与CK相比无显著差异。【结论】与单施化肥相比，在施化肥的基础上添加生物炭、秸秆还田、秸秆还田配施生物炭的措施均能够在不影响作物产量的前提下抑制增温潜势，其中秸秆还田配施生物炭能够最大程度地降低农田增温潜势，因此秸秆还田配施生物炭是增加农田固碳、缓解气候变化的一项有效措施。

关键词：生物炭秸秆还田温室气体冬小麦-夏玉米轮作土壤有机碳变化量净全球增温潜势温室气体排放强度

机器学习在微塑料识别与环境风险评估中的应用研究进展

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环境科学 2024年第2期45卷 1185-1195页

作者：白润昊范瑞琪刘琪刘勤严昌荣崔吉晓何文清中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 中国农业科学院西部农业研究中心昌吉831100

微塑料是一种新型污染物,可以在环境中长期存在并造成生态风险.目前,微塑料污染已成为全球性的重大环境问题.借助新的技术途径,提高微塑料识别的简便性和可靠性,并系统分析各类环境介质中微塑料的污染特征,明确微塑料的环境效应,对科学... 详细信息

微塑料是一种新型污染物,可以在环境中长期存在并造成生态风险.目前,微塑料污染已成为全球性的重大环境问题.借助新的技术途径,提高微塑料识别的简便性和可靠性,并系统分析各类环境介质中微塑料的污染特征,明确微塑料的环境效应,对科学准确评价微塑料污染的环境风险具有重要意义.机器学习技术通过学习和解析大量数据建立结果评估或预测模型,目前已广泛应用于微塑料领域的相关研究.机器学习的应用可以提高视觉和光谱识别微塑料的自动化程度和识别效率,为微塑料污染溯源提供方法支撑并有助于揭示微塑料的复杂环境效应机制.通过综述机器学习技术在微塑料识别与环境风险评估中的应用研究进展,概括了机器学习在上述方向的应用特点和局限性,为机器学习在相关方向的发展和应用提出建议与展望.

关键词：微塑料机器学习识别污染特征环境效应

大气CO_(2)浓度升高背景下冬小麦冠层光谱特征和地上生物量估算

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作物学报 2024年第4期50卷 991-1003页

作者：黄宏胜张馨月居辉韩雪中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

本研究旨在探究大气CO_(2)浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响,并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此,在2021—2022年的冬小麦生长季,利用开放式CO_(2)富集系统(Mini-FACE),设定大气CO_(2)浓... 详细信息

本研究旨在探究大气CO_(2)浓度升高对冬小麦全生育时期冠层光谱特征的影响,并基于筛选的敏感波段建立地上生物量(AGB)与光谱参数的定量关系。为此,在2021—2022年的冬小麦生长季,利用开放式CO_(2)富集系统(Mini-FACE),设定大气CO_(2)浓度(ACO_(2),(420±20)μL L^(–1))和高CO_(2)浓度(ECO_(2),(550±20)μL L^(–1))两个处理水平,分析了高CO_(2)浓度下光谱特征变化,基于连续投影算法(SPA)、逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘法回归(PLSR)筛选AGB敏感波段并构建估算模型。结果表明:CO_(2)浓度升高使冬小麦拔节期和开花期AGB显著增加。红边和近红边反射率及红边面积在拔节期增加,在开花期和灌浆期降低,蓝边、黄边和红边位置在不同生育时期均发生移动;AGB的敏感光谱波段主要分布在红边和近红边区域,CO_(2)浓度升高缩小了AGB敏感波段范围,但不影响AGB的估算;AGB的SMLR和PLSR模型均取得了较高的估算精度(R^(2)>0.8),其中SMLR模型中的R_(799′)、D_(y)、SD_(y)和PRI等特征参数与AGB显著相关,R^(2)为0.866。PLSR模型(R^(2)>0.9)在估算精度和稳定性上优于SMLR模型。本研究可为未来高CO_(2)浓度下冬小麦生长发育的遥感监测提供理论基础和技术方法。

关键词： CO_(2)浓度升高冬小麦地上生物量冠层光谱特征回归分析

不同蓝光强度连续供光对生菜形态建成、光合特性及营养离子吸收的影响

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中国生态农业学报（中英文） 2024年第5期32卷 839-850页

作者：贾梦晗杨洋张一含陈灿仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

植物工厂光环境的优化调控是提高果蔬产量和品质最主要的途径,其中蓝光对植物的形态建成和光合特性均有显著的调控作用。本试验以‘Tiberius’生菜为研究对象,将一天24 h周期分为两个时段,时段一(H_(1))为18:00—次日10:00,时段二(H_(2)... 详细信息

植物工厂光环境的优化调控是提高果蔬产量和品质最主要的途径,其中蓝光对植物的形态建成和光合特性均有显著的调控作用。本试验以‘Tiberius’生菜为研究对象,将一天24 h周期分为两个时段,时段一(H_(1))为18:00—次日10:00,时段二(H_(2))为10:00—18:00。H_(1)时段均给予光照强度为200μmol·m^(-2)·s^(-1),光质配比为红蓝4∶1的光照环境。在H_(2)时段设置了不同强度蓝光处理,分别为对照组(B0,无光)以及3个光处理组(B28、B60、B100),光照强度(μmol·m^(-2)·s^(-1))分别为28、60、100,调查不同蓝光强度连续供光下生菜的形态建成、光合特性以及营养离子吸收情况。结果表明:1)与B0相比,B28、B60和B100处理下的生菜株高和茎叶与水平面夹角均显著增加,叶片较为细长,蓝光强度越弱,变化效果越显著;2)与B0相比,B28、B60和B100处理下的叶片腹部气孔密度和叶片厚度均显著下降;3)不同强度蓝光处理均促进了叶绿素的增加,其中B60处理下的叶绿素含量增加最高;4)B28处理下的氮、镁、钾和铁含量增加最高,较B0分别增加18.2%、33.3%、65.9%和72.7%。因此,在植物工厂中,连续光照结合不同的蓝光补光强度,可以有目的地调控生菜的形态以及光合特性,有利于提高单位面积的栽培株数和产量。

关键词：生菜连续供光蓝光形态光合特性离子吸收

黑土长缓坡地形与横垄对土壤有机碳空间分异的交互作用

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农业工程学报 2024年第3期40卷 103-113页

作者：李雪亮张晴雯李孟妮石玉龙于博威荆雪锴蒋嫄可刘国成青岛农业大学资源与环境学院青岛266109 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

横坡垄作对坡耕地土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)流失有一定的阻控作用,但黑土区特有长而缓的地形与横垄对坡耕地SOC空间分异会产生交互作用,而这种交互作用引发的SOC流失风险没引起足够的重视。该研究以典型黑土区黑龙江省黑河... 详细信息

横坡垄作对坡耕地土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)流失有一定的阻控作用,但黑土区特有长而缓的地形与横垄对坡耕地SOC空间分异会产生交互作用,而这种交互作用引发的SOC流失风险没引起足够的重视。该研究以典型黑土区黑龙江省黑河市北安分局红星农场为研究区域,2022年在横坡垄作与顺坡水线方向上共布设25个采样点,采用地理探测器模型、单因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相关性分析,探讨土壤有机碳的空间分异及其交互作用。结果表明,横坡垄作方向上垄沟土壤有机碳含量从坡顶到水线呈现逐渐增大的变化趋势;在垄台从坡顶到水线呈现先增大后减小的变化趋势。顺坡水线方向,土壤有机碳含量在垄沟呈现从上坡到下坡增大的变化趋势;在垄台呈现先增大后减小的变化趋势。由于断垄产生水线,顺坡土壤有机碳含量上坡与下坡仍有显著差异(P<0.05)。Pearson相关性分析表明,有机碳与可蚀性K因子呈显著负相关(垄沟和垄台相关系数分别为–0.228和–0.238,P<0.05),与碳循环相关的β-葡萄糖苷酶和微生物生物量碳在垄沟呈极显著正相关(相关系数为0.398和0.676,P<0.01)。地理探测器分析表明,顺坡水线对土壤有机碳空间分异的影响最大,其对垄沟和垄台SOC的解释力分别达到61%和52%以上;顺坡水线与其他因子的交互作用共同增强了对土壤有机碳的解释力,尤其是顺坡水线与高程的交互作用最为明显。黑土区坡耕地土壤有机碳空间分异主要受顺坡水线与高程的交互作用,横坡垄作虽然能够拦截径流,但由于长缓坡地形影响产生的断垄会加剧土壤侵蚀诱发的有机碳流失。因此,黑土坡耕地治理需要同时考虑横垄与地形的共同影响,从而实现防蚀的优化效果。

关键词：土壤侵蚀有机碳坡耕地横坡垄作交互作用

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微生物脱盐燃料电池高效除盐研究进展

精细化工 2024年第3期41卷 465-478页

作者：刘崇涛李同刘壮壮李洋洋宋建超陶秀萍中国农业科学院都市农业研究所四川成都610200 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

微生物脱盐燃料电池(MDC)是一种新兴的绿色可持续循环能源技术,利用微生物胞外呼吸作用同步驱动除盐、产电及降解有机污染物。首先,概括了传统能源密集型除盐技术(热浓缩法和膜法)的能耗及局限性;然后,介绍了MDC运行机制、耦合系统及可... 详细信息

微生物脱盐燃料电池(MDC)是一种新兴的绿色可持续循环能源技术,利用微生物胞外呼吸作用同步驱动除盐、产电及降解有机污染物。首先,概括了传统能源密集型除盐技术(热浓缩法和膜法)的能耗及局限性;然后,介绍了MDC运行机制、耦合系统及可持续发展影响因素;重点阐述了多种MDC耦合工艺协同高效处理废水的研究进展及其可持续发展面临的挑战;最后,展望了MDC在高效、可持续和低碳废水处理、盐水淡化和能源/资源回收方面的研究前景。

关键词：微生物脱盐燃料电池耦合系统除盐膜污染生物膜