新垦耕地固碳培肥过程中,土壤微生物代谢对有机物料投入的响应及主控因素尚不明确。本研究于2022年在浙江建德进行大田定位试验,以常规化肥(NPK)为对照,等碳原则下设置NPK基础上增施秸秆+有机肥(MS)、有机肥(M)、秸秆炭基有机肥(MBF)、秸秆源生物质炭(MB)处理,探究不同有机物料投入对稻麦轮作下新垦耕地土壤养分、有机碳组分、胞外酶活性、微生物代谢和碳利用效率的影响。结果表明: 与NPK相比,有机物料投入均提高了土壤总氮磷钾养分、有机碳含量和微生物活性。土壤养分表现为M>MBF>MS>MB,作物产量表现为MS>M>MBF>MB。活性有机碳含量表现为M>MS>MBF>MB,其中M处理最高,较对照提高了91.7%;惰性有机碳含量表现为MB>MBF>M>MS,MB处理最高,较对照提高了160.7%。微生物生物量表现为M>MS>MBF>MB,M处理微生物生物量碳、氮、磷平均分别较对照提高81.1%、140.9%、261.1%。胞外酶活性表现为MS>M>MB>MBF,MS处理碳循环相关酶(β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、纤维素酶)活性平均分别较对照提高176.3%、180.4%、439.2%,氮循环相关酶(N-乙酰-β-葡萄糖苷酶)活性较对照提高331.4%。Mantel相关性分析和冗余分析表明,溶解性有机碳和微生物生物量碳分别是小麦和水稻种植季土壤胞外酶活性的最强驱动因子。酶向量模型和偏最小二乘路径模型分析显示,新垦耕地土壤微生物代谢同时受到碳和磷限制,有机物料投入通过提高新垦耕地土壤速效养分直接缓解磷限制,通过增加土壤活性有机碳含量降低了微生物碳利用效率。综上,有机物料投入在新垦耕地固碳培肥中具有积极作用,其中秸秆炭基有机肥处理固碳培肥综合作用最好。

研究钾和微量元素施用对农田土壤生态功能及土壤健康的影响可为土壤元素管理提供理论依据。本研究以中国科学院长武农业生态实验站长期施用氮磷肥农田土壤为对象,设置6个处理:不添加钾和微量元素对照(CK)、添加K(氯化钾30 kg·hm^-2)、Cu(硫酸铜15 kg·hm^-2)、B(硼砂11.25 kg·hm^-2)、Mn(硫酸锰22.5 kg·hm^-2)、Zn(硫酸锌15 kg·hm^-2),采集表层0~20 cm土壤样品,通过分析土壤理化性质及微生物活性指标,构建最小数据集并计算土壤健康指数,评估不同处理对土壤生态功能和健康的影响。结果表明: 与CK相比,K添加土壤有效磷含量显著增加了27.2%,碱性磷酸酶活性显著提高了52.2%,并提高了土壤磷的生物有效性。Cu添加土壤呼吸显著提高了40.8%,N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性显著提高了63.6%,对土壤碳氮转化有促进作用,总磷脂脂肪酸、细菌磷脂脂肪酸和厌氧菌磷脂脂肪酸分别增加了8.5%、7.2%和12.3%,并对微生物生物量碳和氮有促进作用。Zn和B添加显著减少了细菌、丛枝菌根真菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、放线菌生物量,分别减少了35.3%、32.2%、31.5%、40.1%、34.5%和22.6%、26.4%、20.5%、23.9%、22.6%,并降低了土壤呼吸。Mn添加显著提高土壤β-1,4-葡萄糖苷酶活性(45.6%),但降低了细菌、丛枝菌根真菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、放线菌生物量和土壤呼吸。各处理的土壤健康指数表现为:K(0.94)>Cu(0.80)>CK(0.78)>B(0.75)=Mn(0.75)>Zn(0.71)。综上,在黄土旱塬农田土壤适当添加K和Cu,有利于土壤生态系统的健康和稳定。

为探究蚯蚓和有机物料施用方式对铺设光伏板的坡地土壤质量的影响,探寻推动光伏农业可持续发展与改善土壤质量一体化的新模式,本研究提出了光伏-蚯蚓模式,即在光伏板下的土壤中养殖具有较高药用价值的参状远盲蚓,试验设置光伏板间表施牛粪养殖蚯蚓(Out+S)、光伏板下表施牛粪养殖蚯蚓(In+S)、光伏板间混施牛粪养殖蚯蚓(Out+M)和光伏板下混施牛粪养殖蚯蚓(In+M)共4个处理,以裸地为对照(CK),测定土壤的物理、化学性质以及土壤酶活性。结果表明: Out+M和In+M处理土壤机械稳定性大团聚体、水稳定性大团聚体、有机碳、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量和酸性磷酸酶活性较CK分别提升了4.7%～18.7%、6.2%～26.0%、37.5%～113.9%、39.4%～90.9%、43.4%～196.8%、222.9%～762.5%、246.1%～460.7%和25.3%～33.3%;光伏板下(In)土壤机械稳定性和水稳定性大团聚体含量较光伏板间(Out)分别提升了13.4%～21.5%和16.1%～16.2%;土壤碱解氮含量、碳氮比和酸性磷酸酶活性分别提升了18.5%～34.1%、13.8%～16.8%和6.3%～36.5%。牛粪混施(M)处理土壤机械稳定性大团聚体、水稳定性大团聚体和粒径≥0.25 mm水稳定性团聚体含量较牛粪表施(S)处理分别提升了6.6%～14.3%、18.5%～18.6%和3.2%～3.8%;有机碳、全氮、碱解氮、速效磷含量、碳氮比和酸性磷酸酶活性分别提升了55.5%～88.2%、37.0%～60.5%、54.4%～74.6%、102.4%～117.8%、13.4%～16.4%和30.7%～67.7%;土壤团聚体破坏率降低了39.0%～50.9%。相关性分析显示,土壤大团聚体与有机碳、土壤养分和酸性磷酸酶呈显著正相关。各处理土壤质量表现为In+M＞Out+M＞In+S＞Out+S>CK。综上,在华南地区坡地光伏农业发展中,In+M对推动当地经济发展、保护生态环境和提升土壤质量有较大的应用潜力。

玄武岩增强风化技术可促进大气中的二氧化碳以碳酸盐或碳酸氢盐的形式固定在土壤中,蚯蚓会促进矿物的风化,进一步促进土壤有机碳的固定。本研究选择红壤和黄棕壤为对象,分别设置对照(CK)、添加玄武岩粉(B)、添加玄武岩粉并接种蚯蚓(BE)3个处理,在田间条件下,探究蚯蚓调控玄武岩风化对苋菜生长、土壤呼吸、微生物丰度、钙镁阳离子、土壤有机碳、无机碳和矿物结合有机碳的影响及潜在机制。结果表明: 与CK相比,B和BE处理显著提高了两种土壤的pH和镁离子含量,但仅显著提高了红壤的钙离子含量、土壤呼吸和苋菜的地上、地下生物量;B和BE处理显著降低了两种土壤的活性铁铝矿物含量和黄棕壤的铵态氮含量,但是对两种土壤的硝态氮含量没有显著影响;BE处理显著增加了红壤的细菌丰度,但对两种土壤的真菌丰度没有影响;BE处理显著增加了黄棕壤的无机碳含量,但是显著降低了黄棕壤铁铝结合有机碳含量,对两种土壤总碳和有机碳含量没有显著影响。此外,与B处理相比,BE处理对两种土壤的有机碳、无机碳和铁铝矿物结合有机碳含量均没有显著影响。随机森林模型分析表明,真菌丰度是调控红壤有机碳积累的关键因子,活性铝矿物和铁铝矿物分别是调控黄棕壤有机碳和铁铝结合有机碳积累的关键因子。综上,向土壤中添加玄武岩粉短期内可以显著促进植物生长,但是对土壤有机碳的促进效果不显著,且蚯蚓在短期内对玄武岩风化及土壤有机碳固存的促进作用也较为有限。

为明确不同节水灌溉技术对干旱灌区玉米苗期盐胁迫的缓解效应,以‘先玉1225'玉米为供试材料,在引黄灌区盐化耕地设置3种灌溉处理:玉米播种期和三叶期均进行地表畦灌(T1:两时期灌溉量均为65 mm)、播种期和三叶期分别进行畦灌和滴灌(T2、T3:播种期灌溉量均为65 mm,三叶期灌溉量分别为39和52 mm),以非盐化耕地播种期和三叶期畦灌(两时期灌溉量均为65 mm)为对照(CK),探讨节水灌溉对盐胁迫下玉米苗期叶片形态、光合生理、光合组织结构及叶片荧光特性的影响。结果表明: 节水灌溉技术(畦灌+滴灌)可有效降低盐化耕地耕作层(0~20 cm)土壤含盐量并减缓土壤返盐作用。与CK相比,盐化土壤不同灌溉处理显著改变了玉米叶片形态,降低了抗氧化酶活性、气孔结构、光合色素含量、光合荧光性能,其中T1处理降幅最大,T2与T3处理降幅减小,且T3处理玉米叶片抗氧化酶活性、净光合速率、蒸腾速率、有效光化学效率均能提升至与CK无显著差异。结构方程模型分析表明,节水灌溉降盐技术主要通过降低植物Na⁺含量、保护光合组织和调整光合色素占比,从而增加玉米最大光化学效率,缓解盐胁迫对苗期玉米生长的抑制,其中以T3模式在研究区表现最优。

土壤有机碳组分是衡量土壤肥力和土壤碳汇能力的重要指标,在维持全球碳平衡中具有重要作用,但不同林龄人工林土壤有机碳组分特征仍不清楚。本研究以华西雨屏区7、13、24、33和53年柳杉人工林为研究对象,测定0～15和15～30 cm土壤有机碳组分含量,包括颗粒有机碳(POC)、易氧化有机碳(EOC)、轻组有机碳(LFOC)、重组有机碳(HFOC)、活性有机碳(LOC)和惰性有机碳(IOC)。结果表明: 1)POC含量随林龄增加而增加,而LOC、EOC、LFOC、HFOC、IOC含量均随林龄增加呈先增加后减少趋势,且24年和33年林龄显著高于其他林龄。2)0～15 cm土壤有机碳组分含量整体均显著高于15～30 cm。随林龄增加,POC和LFOC的土层间差值呈增加趋势,EOC和LOC的土层间差值呈先增加后减少趋势。3)方差分解结果表明,土壤真菌、细菌生物量及酶活性等生物学指标对POC变异的相对解释率大于土壤理化性质,其余有机碳组分主要受土壤理化性质和土壤微生物的共同调控。结构方程模型进一步表明,除对POC的直接影响外,林龄通过影响土壤生物化学变量间接调控有机碳组分含量。综上,柳杉人工林土壤有机碳组分含量具有明显的林龄效应,这种效益受到土壤生物化学特性的显著调控。本研究结果有助于深入认识不同生长阶段柳杉人工林土壤固碳能力,为区域柳杉人工林碳汇功能提升提供一定的科学依据。

以河北省张家口市张北县28年生不同林分密度(450、600、750、950、1100株·hm^-2)小叶杨人工林为对象,对林下植被进行调查,测定0～20、20～40 cm土层土壤理化性质,研究林分密度对林下植被物种多样性和土壤理化性质的影响。结果表明: 林下植被中几乎无灌木,共有草本植物18科30属38种,主要以莎草科、豆科、禾本科、十字花科、菊科植物为主。随着林分密度的增大,草本植物群落的Margalef丰富度指数(D_M)、Simpson优势度指数(D_S)、Shannon多样性指数(H)和Pielou均匀度指数(E)均表现出先增后减的变化趋势,最大值均出现在林分密度为600株·hm^-2处。随着林分密度增大,2个土层土壤养分总体变化趋势均为先增后减,最大值出现在林分密度为600株·hm^-2处。土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷、有效钾与林下草本物种多样性指数呈显著正相关。在0～20 cm土层,土壤全氮和有效磷与D_M、D_S、H、E呈显著正相关,全磷与D_S、H呈显著正相关,碱解氮与D_S呈显著正相关。在20～40 cm土层,土壤容重与D_M、D_S、H、E呈显著负相关,全磷与D_M、D_S、H、E呈显著正相关,有效钾与D_M、H呈显著正相关。该地区小叶杨人工林最适密度为600株·hm^-2,该密度能够提高林下草本物种多样性,促进林下植被发育,提高土壤肥力。

横断山属气候变化的敏感区域,尽管在这个区域已开展了大量树木年代学研究,但针对该区域亚高山针叶林树木茎干径向生长季节动态及其气候响应仍缺乏研究。本研究使用高精度生长仪监测了滇西北香格里拉国家公园4个优势针叶树种——油麦吊云杉、高山松、长苞冷杉和大果红杉的茎干半径变化,分析其在2022和2023年径向生长的昼夜动态及其对大气和土壤水分的响应。结果表明: 1)4种树木的径向生长均主要发生在夜间,且在夜间较早达到生长高峰的树种,如长苞冷杉,有着较高的径向生长量和较多的生长小时数;2)4种树木的径向生长主要与饱和水汽压差(VPD)和土壤含水量(SWC)呈显著负相关;3)分布于较高海拔的长苞冷杉和大果红杉,其径向生长对VPD变化更加敏感,而分布于较低海拔的油麦吊云杉和高山松的径向生长受土壤含水量的影响更大。研究结果揭示了不同亚高山针叶树种径向生长在昼夜尺度上的差异及主要环境限制因子,为理解横断山地区亚高山针叶树对气候变化的响应提供了新见解。

灌木和幼树是天然林林下植被的重要组成部分,具有丰富的种类和广泛的生态适应性,在土壤保水、水源涵养和防风防沙等方面发挥关键作用。然而,目前研究多集中于乔木层与林下植被层的相互作用,对林下植被的生长动态、生物量更新及其环境适应性关注较少。本研究基于黑龙江省丰林县林下18种灌木和6种幼树的植被数据及样地的气候信息,引入林分密度和龄级2种哑变量,构建了林下灌木与幼树的生物量模型。结果表明: 在基础模型中引入气候因子(年平均温度和年平均降水量)构建的气候敏感生物量模型显著提高了模型的拟合精度,决定系数(R²)由基础模型的0.732提高至0.741,提升了6.8%。在气候敏感生物量模型的基础上,分别引入龄级单一哑变量和林分密度与龄级双哑变量建模,双哑变量模型的拟合效果最佳,R²达到0.840,显著高于单哑变量模型(R²=0.787)和气候敏感生物量模型(R²=0.741)。本研究在气候敏感生物量模型的基础上结合林分密度与龄级双哑变量构建的模型能够有效反映不同龄级和林分密度下灌木与幼树生物量的变化,为森林生态管理和生物量的科学估算提供了依据,具有重要的应用价值。

本文基于三江平原草本沼泽中灌木绣线菊的盖度(0～100%),采用野外调查与室内分析相结合的方法,以沼泽中优势植物大叶章、瘤囊薹草和绣线菊为研究对象,研究在4种灌木扩张程度(无灌木扩张;灌木轻度扩张:0～30%;灌木中度扩张:30%～70%;灌木重度扩张:>70%)下3种植物的成熟叶片和衰老叶片氮(N)、磷(P)、钾(K)含量及养分再吸收效率。结果表明: 灌木扩张对沼泽植物成熟叶片的N、P、K含量影响不显著,但显著降低了大叶章和绣线菊衰老叶片的K含量以及瘤囊薹草衰老叶片的N含量,降幅分别为40.1%、60.6%和25.3%。沼泽植物养分再吸收效率对灌木扩张的响应存在显著差异。灌木扩张后,大叶章的N、P、K再吸收效率(NRE、PRE、KRE)分别显著提高了14.6%、9.5%、3.2%;瘤囊薹草的NRE显著提高了12.6%,但KRE显著降低;绣线菊仅KRE显著提高了14.8%,NRE和PRE则无显著变化。瘤囊薹草在灌木重度扩张沼泽样地中消失,而大叶章仍然存在。冗余分析表明,植物叶片的N、P、K养分含量及其N∶P∶K化学计量比是影响养分再吸收效率变化的主要因素。灌木扩张后,大叶章和瘤囊薹草通过调整叶片养分再吸收来应对环境胁迫。大叶章凭借灵活的养分权衡能力更能适应营养贫乏的环境,与扩张的灌木绣线菊形成互补的养分利用策略。

小兴安岭阔叶红松林是温带针阔混交林的典型代表,为探究阔叶红松林火烧迹地自然恢复28年后土壤理化性质、酶活性及土壤微生物特征,选取阔叶红松林火烧迹地及其相邻未受火烧影响的区域(对照)为研究对象,测定了土壤理化性质、酶活性及微生物群落特征,并分析了影响土壤酶活性和微生物群落的主要土壤因子。结果表明: 1)与对照样地相比,火烧迹地土壤总氮、碱解氮和含水量显著降低,降幅分别为28.0%、39.3%和4.5%;而过氧化氢酶、限制性核酸内切酶、脲酶、硝酸还原酶和土壤脱氢酶活性显著增加。2)火烧28年后,火烧迹地森林土壤细菌、真菌群落的α和β多样性与对照样地无显著差异,但群落组成在门和属水平上存在差异物种。3)冗余分析和结构方程模型分析表明,土壤pH值是影响酶活性和微生物群落的主要因子。4)火烧28年后,火烧迹地森林土壤细菌网络的稳定性和复杂性增强,真菌网络则呈相反趋势。综上,林火对森林土壤生态系统的影响是长期的,火烧后土壤理化性质、酶活性及微生物群落呈现出不同的恢复模式。

氮是草地生态系统生产力的主要限制性养分,可通过改变土壤性质间接作用于微生物群落结构,特别是细菌群落。本研究在青藏高原东北部的海北高寒草甸开展野外氮添加试验,以尿素为氮源,设置了5个氮添加水平:N₀(对照,无氮添加)、N₅₀(50 kg N·hm^-2·a^-1)、N₁₀₀(100 kg N·hm^-2·a^-1)、N₁₅₀(150 kg N·hm^-2·a^-1)和N₂₀₀(200 kg N·hm^-2·a^-1)。在试验的第3年采集表层土壤样品,测定其理化性质、稳定同位素δ¹⁵N和微生物生物量,计算微生物化学计量不平衡性,并通过16S rRNA高通量测序分析细菌群落特征(组成、多样性和群落构建)沿氮添加水平的变化。通过相关性分析、非度量多维尺度分析以及基于系统发育的二元零模型分析,探究土壤细菌群落变化的驱动机制和群落构建过程。结果表明: 1)氮添加显著影响草甸土壤细菌的群落组成,但是土壤细菌α多样性没有显著变化;2)与对照相比,氮添加使土壤无机氮含量显著增加了85.7%,碳∶氮化学计量不平衡性降低了40.6%,且其与细菌群落组成和优势菌门(拟杆菌门)的相对丰度显著相关,表明细菌类群受土壤有效氮及其引起的化学计量不平衡的显著影响;3)所有处理中细菌群落构建的随机性过程(54.7%～56.8%)均占据优势地位,但是氮添加对细菌群落构建过程无明显影响。综上,土壤有效氮及其引起的化学计量不平衡是调控氮添加下细菌类群相对丰度的主要因素,本研究为预测未来环境变化背景下高寒草地土壤微生物群落的变化提供了科学依据。

在黄土高原植被恢复初期,灌草植被显著降低了强降雨引起的水土流失,生物结皮与植被共同影响产流产沙过程,但它们的综合影响常被忽略。本研究通过室内人工模拟短历时、高强度的降雨试验,设置对照(无植被无生物结皮裸地)、草地、灌木、20%覆盖度生物结皮、草地+20%覆盖度生物结皮、灌木+20%覆盖度生物结皮、40%覆盖度生物结皮、草地+40%覆盖度生物结皮和灌木+40%覆盖度生物结皮9个处理,探究灌草植被和生物结皮对产流产沙过程的影响,并揭示其侵蚀动力机制。结果表明: 1)在降雨时间内对照组的产沙量始终最大,灌木、草本和生物结皮都具有良好的减蚀效益。2)灌木和草本植物处理产流量较对照组分别减少了21.9%和18.2%,具有促进土壤水分入渗的作用,而20%和40%盖度生物结皮处理的产流量分别增加了9.5%和17.4%,表现出抑制土壤水分入渗的作用,植被+生物结皮条件下,植被促进土壤水分入渗的作用大于生物结皮抑制土壤水分入渗的作用。3)草地+20%盖度生物结皮处理和所有40%盖度生物结皮处理的径流为缓流,其余处理为急流;各处理平均径流流速和径流动能显著小于对照组,而径流剪切力和阻力系数显著大于对照组,其中草地+40%盖度生物结皮处理的径流剪切力和阻力系数最大,较对照组分别增加了164.5%和213.8%,径流动能最小,较对照组减少了91.9%。综上,在植被生长恢复初期,保留适量生物结皮有益于防治水土流失和维持生态系统稳定,本试验条件下草地+40%盖度生物结皮处理的减蚀效果最好。

绣球花具有较强的耐酸、耐铝性,很多品种能够吸收土壤中Al³⁺而使其花色由红变蓝,可用于酸性富铝土壤的生态修复。为比较不同品种铝吸收能力差异,本研究以45个常用绣球花品种为材料,采用水培法对扦插幼苗进行0(对照)、800 μmol·L^-1 Al₂(SO₄)₃处理,通过根尖染色观察、铝含量测定等进行铝吸收能力综合分析,筛选出铝吸收能力强和弱的代表性品种进行铝处理下生理生化指标测定,分析其耐铝生理生化机制。结果表明: 45个绣球花品种的铝吸收能力可划分为强、较强、中、较弱和弱5个等级,分别包含2、11、15、15和2个品种,其中,无尽夏和白色天使可分别作为铝吸收能力强和弱的代表性品种。与白色天使相比,铝处理后无尽夏叶片叶绿素含量、蒸腾速率、净光合速率、胞间CO₂浓度和气孔导度分别显著增加24.8%、63.9%、11.2%、9.2%和66.7%,根长、根表面积、根体积和根尖数分别增加4.7%、2.9%、14.3%和7.8%,根系和叶片的抗氧化酶(过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶)活性、可溶性糖、可溶性蛋白含量分别显著增加88.4%、35.3%、7.7%、2.4%、21.7%和78.4%、103.7%、101.1%、138.9%、18.1%。无尽夏可能通过增强光合作用,提高体内酶活性和非酶抗氧化物质含量以有效保护自身免受铝胁迫伤害,从而提高铝吸收能力与耐铝性,可用于修复酸性富铝土壤。

为了探明不同氮条件下根瘤菌对花生生物量分配的影响,在盆栽条件下以七彩花生为材料,设置接种和不接种慢生根瘤菌处理,探讨添加0、8、16、32、64和128 mmol·L^-1氮条件下七彩花生生物量分配和共生结瘤特征。结果表明: 1)不接菌条件下,与无氮添加(0 mmol·L^-1)相比,低水平氮(8～32 mmol·L^-1)添加对植物生物量影响较小,氮添加达64 mmol·L^-1时植株总生物量、叶生物量、叶面积和总净光合速率开始显著增加,分别增加82.1%、116.6%、116.1%和122.1%。2)接菌条件下,与无氮添加(0 mmol·L^-1)相比,植株总生物量、叶生物量、叶面积和总净光合速率显著增加发生在16 mmol·L^-1氮添加下,分别增加65.3%、97.5%、91.7%和112.8%;植株结瘤生物量和豆血红蛋白总量随氮浓度的增加呈现先增加后减少趋势,两者均在16 mmol·L^-1氮添加下达最大值,分别为49.00和0.12 mg·株^-1,当氮添加水平达到64 mmol·L^-1时显著降低,当氮添加水平为128 mmol·L^-1时根系不结瘤。3)与不接种根瘤菌相比,接种根瘤菌在氮添加8～64 mmol·L^-1下显著增加了植株叶生物量、地上生物量、叶面积和总净光合速率,总体增幅分别为43.3%、37.6%、34.5%和53.8%;而在0和128 mmol·L^-1氮添加下对以上指标均无显著影响;整体上,接种根瘤菌显著提高了植株叶-根和叶-总生物量的异速生长常数,降低了根-茎和根-总生物量的异速生长常数。综上,七彩花生在环境氮吸收与共生固氮权衡中积极调整对各器官的营养分配策略,以实现资源投资利益最大化。在本试验条件下,16 mmol·L^-1为七彩花生-慢生根瘤菌共生结瘤的最佳氮添加水平。

青海产区独特的气候条件非常适宜枸杞生长,产量和品质优于其他产区。筛选与其气候条件类似的产区可以指导高产优质枸杞的科学种植,提高种植收益。本研究基于青海产区气候特征,利用优化的MaxEnt模型和ArcGIS软件,明确影响其适生区分布的关键气象因子,预测其在不同气候情景下的适宜分布区。结果表明: 优化后的特征组合为线型、二次型,调控倍频为0.5,受试者工作特征曲线下面积和真实技巧统计值均大于0.90,表明预测结果准确可靠。影响高产优质枸杞分布的关键气象因子为平均气温日较差(适宜范围为12.94～19.08 ℃)和最暖月份最高温(19.01～28.32 ℃)。当前高产优质枸杞在我国适生区面积为42.69×10⁴ km²,主要分布在青海柴达木盆地、甘肃西北部及其祁连山山麓、新疆昆仑山与阿尔金山山麓以及西藏中西部;未来(2050s和2070s)不同气候情景下,高产优质枸杞适生区面积均高于当前,呈现向东扩张的趋势,适生区面积分别在SSP585(59.26×10⁴ km²)和SSP370(58.51×10⁴ km²)情景下达到最大。温度是影响高产优质枸杞分布的关键气象因子,气候变暖将会导致其适生区向东扩张,有利于高产优质枸杞生产。

林木树形培育与园地生草是现代果园经营的重要方面,为探讨减轻新疆南疆平原区矮化红枣受持续高温危害的较优栽培管理措施,选取该区生产建设兵团枣园,采用裂区试验设计,设置3种树形(开心形OS、低纺锤形LS、高纺锤形HS)和2种行间管理(生草GR、清耕对照CK),于生草当年8月连续高温且停灌期间,每隔1 d在10:00和16:00(北京时间)测定树冠外围上、中、下部(UC、MC、LC)空气温度和相对湿度以及树冠投影处不同深度(10和20 cm)的地温和土壤含水量,分析了树形、行间管理对所测小气候指标的影响。结果表明: 1)树形主要显著影响了气温和地温,HS气温仅在10:00较OS降低0.76 ℃,LS较其他两种树形无显著变化;HS地温较OS和LS分别降低0.98～1.75和0.95～1.29 ℃,LS较OS降低0.17～0.46 ℃。2)生草措施显著影响了所有小气候指标,与CK相比,GR气温和地温分别降低1.46～3.21和0.82～4.79 ℃,相对湿度增幅为24.1%～54.9%,土壤含水量仅在10:00升高5.3%。3)生草与树形对各小气候指标均存在显著的交互作用,有较强的降温提湿作用。生草处理在对枣树冠层外围气温和湿度调节中起主导作用,树形的调整作用较弱,2种纺锤形枣树的各小气候指标均对生草措施的响应较为敏感,二者的交互作用在对树冠投影处地温和土壤含水量的调节中起突出作用。综上,行间生草是调节枣树小气候的主要措施,采取生草措施兼顾纺锤形树形对改善南疆平原区枣树小气候、减轻高温危害具有较好的效果。

在全球气候变化的背景下,干旱发生的频率、规模和强度不断增加,严重威胁着中国的粮食安全。本研究基于作物生长季节的气象参数和作物生长相关数据,建立了两个新的干旱指数(作物蒸散量-有效降雨量指数CEEP和水分亏缺指数WDI)。将新指数的性能与4个广泛使用的干旱指数(降雨异常百分比PA、相对湿润指数MI、标准化降水指数SPI和标准化降水蒸散指数SPEI)进行比较。随后,应用6种指数分析了华北冬麦区和东北春玉米区典型干旱事件的特征,以及1979—2018年干旱的时空变化。结果表明:CEEP和WDI有效地捕捉了我国作物缺水和干旱特征,其中,WDI在超过三分之一的省区被确定为最优干旱指数,主要集中在东北和华北地区。在时间变化上,基于WDI,发现华北冬麦区和东北春玉米区的干旱事件无显著趋势。在空间变化上,各干旱指数表现有所差别:在华北冬小麦区,PA、MI和SPI检测出更多的湿化特征,而SPEI、CEEP和WDI检测出更多的干化特征;在东北春玉米区,各指数表现较为一致,在绥化市、大庆市、鹤岗市观察到湿化趋势,在吉林省和辽宁省西部、辽宁省南部、黑龙江省西部及三江平原南部观察到干化趋势。WDI适用于东北和华北地区作物水分亏缺分析,能准确反映干旱或湿润趋势空间分布特征,可为水资源管理和农业生产决策提供支持。

新疆是我国棉花的主产区和粮食作物的重要生产基地,如今正面临着保障国家粮食安全和实现低碳农业发展的双重压力。全面核算该地区主要农作物生产碳足迹,可从碳减排的视角为新疆主要农作物种植结构调整和生产体系全过程环境管理提供决策依据。本研究基于2005—2021年新疆小麦、玉米和棉花的种植面积、产量和农资生产投入量等数据,采用生命周期评价法核算该区域上述3大主要农作物的生产碳足迹,并采用灰色关联度分析其影响因素。结果表明: 2005—2021年间,新疆小麦、玉米的种植面积主要随棉花种植面积的变动而变动。小麦、玉米和棉花的年均单位面积碳足迹分别为2.21、2.67、3.61 t CE·hm^-2;年均单位产量碳足迹分别为0.41、0.35、1.91 t CE·t^-1。在碳效率上,3种作物的碳生态效率表现为:小麦(10.99 t CE·t CE^-1)>玉米(9.68 t CE·t CE^-1)>棉花(2.96 t CE·t CE^-1);碳生产效率表现为:玉米(2.88 t·t CE^-1)>小麦(2.48 t·t CE^-1)>棉花(0.53 t·t CE^-1);碳经济效率表现为:棉花(7148.74×10³ yuan·t CE^-1)>玉米(6094.32×10³ yuan·t CE^-1)>小麦(5904.23×10³ yuan·t CE^-1)。在碳投入结构上,农田N₂O排放和化肥投入是3种作物生产碳足迹的主要来源;机械总动力、作物种植面积、有效灌溉面积、农膜用量、复合肥和氮肥投入的变化是作物碳足迹年际变化的主要驱动因素。由2022、2023年新疆小麦、玉米和棉花的生产碳足迹分析可知,未来新疆需要适度调整3大主要农作物的种植结构,并通过科技进步提高化肥利用效率、农膜利用率、灌溉和机械作业效率,在深入实施国家粮食安全战略的同时实现农作物的低碳生产。

陆地生态系统中的碳储存在气候变化和全球碳循环中发挥着关键作用。为了探究呼伦湖流域生态系统碳储量的时空变化,本研究将InVEST模型和PLUS模型相结合,系统分析1990—2020年土地利用变化对碳储量的影响,模拟预测2030年不同情景下的土地利用布局和碳储量空间格局。结果表明: 1990—2020年,呼伦湖流域土地利用空间分布发生显著变化,耕地、林地、裸地和建设用地面积增加,草地、水域和湿地面积减少。呼伦湖流域碳储量增加了1.48×10⁷ t,增幅为1.0%。其中,林地和耕地的碳储量分别增加7.18×10⁷和6.7×10⁶ t,草地、水域和湿地的碳储量分别降低6.01×10⁷、1.8×10⁶和1.7×10⁶ t。流域碳储量呈现明显的空间异质性特征,高值主要集中于流域东部山地丘陵区,低值主要分布于流域东北部和呼伦湖及其周边区域,其空间分异与土地利用格局呈高度耦合关系。2030年,呼伦湖流域在自然发展、城镇发展、耕地保护和生态保护情景下的碳储量均呈增加趋势。其中,生态保护情景下的增长最显著,增加6.19×10⁶ t,增幅为0.4%。研究结果可为呼伦湖流域土地利用格局优化和碳储存能力提升提供重要参考。

土壤溶解性有机碳(DOC)是陆地碳库的重要组成部分,其空间分布特征对调控区域固碳增汇具有重要意义。本研究以洞庭湖流域为研究区域,结合地统计学、相关性分析和GIS技术,分析了表层土壤(0～10 cm)DOC空间分布特征及其与土地利用类型、土壤理化特性和地形等环境变量的相关性。结果表明: 1)洞庭湖流域土壤DOC含量为4.31～271.29 mg·kg^-1,均值为78.46 mg·kg^-1,变异系数为52.1%,属中等变异水平。2)土壤DOC整体上呈斑块状分布和自南向北递减特征,具中等强度的空间自相关性,受结构性因子和随机性因子的共同作用,在45°、90°和135°方向上变异程度较高。3)土地利用方式、降雨量、坡度、土壤有机碳、总氮、阳离子交换量与DOC具有显著相关性,土壤理化特性和土地利用方式是影响土壤DOC空间分异的主控因子,解释率分别为23.7%和22.8%。研究结果可为洞庭湖流域土壤碳汇管理、碳循环平衡提供科学依据。

为探讨2000—2021年三峡库区造林活动对陆地表面温度的影响,本研究采用窗口搜索策略计算三峡库区林地的潜在温度效应,并通过反距离加权插值法计算造林的实际温度效应。结果表明:研究期间,三峡库区以林地与耕地的互相转换为最主要的土地利用变化形式;林地潜在温度效应在年际尺度上使白天所在陆地表面温度降低(0.09±0.02) ℃,夜晚降低(0.06±0.01) ℃,年均降低(0.07±0.01) ℃;造林的实际温度效应则表现为白天陆地表面温度降低0.05 ℃,夜晚降低0.01 ℃,年均降低0.02 ℃。三峡库区林地在白天和夜晚均产生了降温效应,且潜在温度效应的降温幅度大于实际降温效应,这一差异主要来源于潜在温度效应在植树造林强度的假设和处理方式上与实际观测值的不同。

生态系统碳通量的准确观测是科学评估陆地固碳的关键。目前现有塔基涡度相关观测难以覆盖区域不同类型的生态系统,本研究介绍了一种可移动的机载通量观测系统,并基于2023年7月27—29日辽河三角洲芦苇湿地机载通量观测系统与塔基涡度相关系统的碳通量对比观测结果,评估了该系统的观测准确性。结果表明: 机载通量观测系统能够很好地监测生态系统碳通量,其观测的碳通量源区与涡度相关系统基本一致,半小时生态系统碳通量与涡度相关系统的观测结果显著相关,相关系数达到 0.889,均方根误差为0.881。研究结果为机载通量观测系统观测不同类型生态系统-大气通量交换提供了科学依据。

开展气象-土壤-水文干旱传播特征研究可为制定抗旱减灾措施提供技术支持。本研究以内蒙古为研究区,基于1980—2022年欧洲中期天气预报中心的ERA5-Land土壤湿度和地表径流数据集,以及内蒙古115个气象站点的观测数据,分别计算不同时间尺度的标准化降水蒸散指数、标准化土壤湿度指数和标准化径流指数;运用游程理论、皮尔逊相关性分析、Theil-Sen median趋势分析和Mann-Kendall检验等方法探究内蒙古各类型干旱之间的时滞效应及传播时间的时空分布特征。结果表明: 1980—2022年,内蒙古至少85%以上的区域气象、土壤、水文干旱均表现为加重趋势,显著变湿区域不到研究区面积的1%;气象干旱事件表现为高频率、低烈度、短历时的特性,土壤干旱事件表现为低频率、高烈度、长历时的特征,水文干旱以较高频率、低烈度、短历时的干旱事件为主;土壤干旱与水文干旱间的响应关系强于气象干旱与水文干旱,土壤干旱导致的土壤水分亏缺是触发水文干旱的主要因素;各类各级干旱传播时间均集中于2～6个月,较高等级的干旱事件间的转换和传播效率更高,内蒙古中西部的气象与水文、土壤干旱事件以及内蒙古东部的土壤-水文干旱事件连续性相对较弱。该研究对于揭示区域干旱形成机理及构建干旱传播模型均具有重要意义。

贵州省是长江和珠江上游重要的生态屏障,喀斯特地貌发育,生态本底脆弱,其生态风险评价和管控对我国西南地区及两江上游的生态安全和可持续发展都具有重要意义。基于InVEST模型和活力-组织力-恢复力模型,对贵州省的生态系统服务和生态系统健康进行定量评估,并构建贵州省生态风险评估模型,借助GIS技术、空间自相关分析方法和重心迁移模型分析2000—2020年贵州省生态风险的时空演变特征。结果表明: 2000—2020年,贵州省生态系统服务有所上升,综合生态系统服务的年平均值增长率为0.3%;贵州省生态系统健康状况总体较好且呈变好趋势,生态系统健康的年平均值增长率为12.6%;贵州省生态风险以中等生态风险为主,极低生态风险区、低生态风险区面积占比上升,中等及以上等级生态风险区面积占比下降,生态风险总体呈下降趋势;低生态风险区主要位于贵州省南部和东南部,高生态风险区分布于贵州省中部、西部和北部。2000、2005、2010、2015和2020年生态风险的全局Moran's I分别为0.856、0.836、0.844、0.804和0.768,表明生态风险在空间分布上具有显著的正相关关系,但空间相关性和空间集聚特征均有所减弱。研究时段内,贵州省生态风险的重心位置及运行轨迹与其对应的生态风险的分布区域一致。2000—2020年,贵州省生态风险的空间分布格局较稳定,但随着时间演变,极高生态风险和极低生态风险空间分布的离散性增强。基于生态系统服务和生态系统健康开展生态风险评估,可为区域生态风险管控提供科学依据。

动态评估滦河流域植被覆盖变化及对生态因子的响应,对于保障区域生态安全和促进京津冀城市群的可持续发展具有重要意义。本研究将滦河流域划分为两个生态区(内蒙古高原生态区、华北山地生态区),利用Theil-Sen中值趋势分析、Mann-Kendall检验和最优参数地理探测器模型,系统分析了2000—2019年流域植被时空变化特征,量化了自然和人为因素对植被变化的驱动作用。结果表明: 2000—2019年,滦河流域归一化植被指数(NDVI)总体呈波动上升趋势,多年均值为0.72,增长速率为0.0051·a^-1。上游高原生态区的NDVI增长速率较快但稳定性较差,而中下游山地生态区植被稳定性较高。年降水量、年日照时数和土地利用类型转换是NDVI变化的关键驱动因子,其解释力(q值)分别为0.22、0.18和0.17,其中,年降水量与土壤类型的交互作用最为显著(q=0.32)。土地利用变化显著促进了植被改善,研究期间生态工程实施区NDVI平均增加0.16。本研究揭示了自然与人为因素对植被覆盖变化的协同作用机制,为滦河流域生态保护与土地管理政策提供了科学依据。

基于景观连通性构建荒野网络是当前荒野保护策略的一大重点。本研究应用GIS技术计算出临沧市荒野连续谱,采用形态学空间格局分析(MSPA)模型识别出荒野源地,通过最小累计阻力模型(MCR)和电路理论构建荒野廊道和网络并提取荒野战略点,分析荒野网络特征,并提出临沧市荒野保护策略与生态规划建议。结果表明: 临沧市荒野主要分布在海拔1000～2500 m区域且空间上呈现出南多北少、东多西少的格局。3级荒野占临沧市荒野总面积的55%,说明研究区荒野质量较高。基于MSPA分析的荒野源地共有27个,大部分分布于东部和南部临翔、沧源等地,西部和北部凤庆、永德地区的荒野源地分布较少。荒野网络中存在63条荒野廊道,其中,重要廊道16条,一般廊道47条;共存在186个荒野战略点,其中,荒野节点53个,障碍点133个。采用识别的荒野源地和提取的荒野廊道构建了临沧市荒野网络,其具有稳定性高、抗干扰能力强、连通性较好的优点。最后,提出了“三区一体”的保护策略与生态规划建议,对临沧市建立生态安全格局以及中国荒野保护实践化具有参考和借鉴意义。

西花蓟马的寄主植物多,却未发现为害香蕉花蕾。为探明香蕉花蕾挥发物对西花蓟马行为选择的影响,本研究利用Y型嗅觉仪测定了西花蓟马对香蕉花蕾不同组织的行为反应,发现其苞片驱避作用最强。进一步用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析了苞片挥发物,筛选含量相对高的组分,测定其对西花蓟马选择行为的影响,并在月季圃中开展活性试验。结果表明: 花蕊和幼果对西花蓟马表现出一定的吸引作用,相对选择率分别为37.3%和35.8%,而苞片表现出极显著的驱避作用,相对选择率为-68.6%。苞片挥发物中共检测到35种物质,其中相对含量大于1%且匹配度达90%以上的有8种,分别为α-蒎烯(16.8%)、β-蒎烯(14.6%)、D-柠檬烯(7.9%)、DL-柠檬烯(7.9%)、罗勒烯(6.4%)、β-石竹烯(4.8%)、1,8-桉叶素(4.1%)、γ-松油烯(1.0%),占总相对重量的61.6%。8种化合物的行为反应室内测定结果表明,10.0 μg·mL^-1的α-蒎烯、D-柠檬烯和β-石竹烯,1.0 μg·mL^-1的α-蒎烯、β-蒎烯、DL-柠檬烯和石竹烯,及0.1 μg·mL^-1的DL-柠檬烯对西花蓟马具有显著的驱避作用,相对选择率分别为-52.0%、-34.6%、-32.1%、-35.8%、-43.4%、-56.9%、-33.3%、-28.3%。室外测定结果则表明,5种化合物对西花蓟马均表现出显著的驱避效果,以10.0 μg·mL^-1α-蒎烯的驱避效果最好,相对选择率为-51.6%,而1.0 μg·mL^-1β-石竹烯的驱避效果最低,相对选择率为-22.8%。研究表明,香蕉花蕾的苞片是驱避西花蓟马的关键组织,所含α-蒎烯、β-蒎烯、D-柠檬烯、DL-柠檬烯、β-石竹烯为关键活性物质。

在全球气候变化背景下,物种栖息地分布变化已成为生物多样性面临的主要威胁之一。本文利用MaxEnt模型,基于黑颈鹤分布点和环境变量,模拟预测了黑颈鹤在当代气候以及未来3种气候模式下(SSP126、SSP245、SSP585)潜在栖息地的变化。结果表明: 1)海拔、气温年较差、最湿季平均气温是影响黑颈鹤潜在适宜繁殖地分布的主要环境因子,而黑颈鹤越冬地则受等温性、海拔、气温年较差等因素的显著影响。2)在当代气候下,黑颈鹤繁殖地主要分布在中国的新疆、甘肃、青海、西藏、四川,以及印度,高适宜繁殖地面积27.07×10⁴ km²;越冬地主要分布于中国西藏、四川、云南,以及不丹、尼泊尔、印度和缅甸,高适宜越冬地面积21.15×10⁴ km²。3)在未来气候模式下,黑颈鹤的潜在适宜栖息地分布区域总体稳定,稳定区面积保留率高于80%。其中繁殖地面积呈增加趋势,而越冬地面积呈减少趋势。4)在不同气候情景下,黑颈鹤繁殖地质心整体上向东南方向迁移,而越冬地质心主要向西迁移,迁徙距离可能缩短。本研究基于未来气候情景预测了黑颈鹤大区域范围内潜在适宜栖息地的变化,揭示了气候变化对其物种分布的影响,可为黑颈鹤保护及相关策略的制定提供科学依据。

为全面掌握大规模筏式养殖活动对海域大型海藻多样性及生物量分布格局的影响,于2021年7月—2022年6月对枸杞岛贻贝养殖区(筏式养殖区)和天然岩相潮间带(对照区)的大型海藻进行了逐月采样。采用Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数和相对重要性指数,结合冗余分析,对筏式养殖区和对照区大型海藻的α多样性、生长周期、生物量时空格局及其与环境因子的关系进行比较。结果表明: 12个月在筏式养殖区共采集大型海藻61种,隶属13目25科31属,全年优势藻类有24种,其中叉珊藻、厚膜藻和气生硬毛藻为多数月份优势种;对照区采集大型海藻47种,隶属13目24科31属,优势藻类为13种,仅鼠尾藻为全年优势种。筏式养殖区以鹿角沙菜、密毛沙菜、厚膜藻、蜈蚣藻一种、叉珊藻、石莼、裂片石莼和铜藻为代表的藻类在旺盛生长期显著增加。筏式养殖区大型海藻Shannon指数和Margalef指数(分别为2.36±0.25和1.45±0.23)均高于对照区(分别为1.85±0.32和0.96±0.39)。筏式养殖区大型海藻的生物量在时间上呈显著月变化,平均生物量为(10374.53±4688.17) g·m^-2,远高于对照区的(3090.40±2230.33) g·m^-2。在空间上,筏式养殖区近岸侧月均生物量(11466.12±227.65 g·m^-2)高于外侧(10498.29±1266.77 g·m^-2)和中部(9229.95±252.75 g·m^-2)。冗余分析显示,透明度、盐度、溶解氧、水温、浊度和铵氮与群落结构显著相关。研究表明,大规模筏式养殖区支撑了比天然潮间带更高的大型海藻多样性和生物量,同时以叉珊藻、厚膜藻、铜藻为代表的优势藻类在人工生境延续了更长的旺盛生长期,研究结果可为海洋牧场筏式藻场的构建提供重要参考。

海洋生态系统直接或间接为人类生产生活提供生存资源和发展空间,对经济发展和人类福祉至关重要。沿海蓝色福祉是海洋通过生态系统服务所支撑的沿海地区人类积极生活状态,涵盖主观的情感和认知维度以及客观的自然、经济和社会维度。保护海洋和改善人类福祉这一双重目标是实现海洋可持续发展的核心问题。人类在考虑沿海蓝色福祉内涵时,需解析海洋生态系统与人类福祉的联系,确定与生态系统服务相关的沿海蓝色福祉组分。本文以沿海蓝色福祉为研究对象,基于福祉的科学理论,厘清了海洋生态系统服务与沿海蓝色福祉的联系框架与权衡关系,明确了沿海蓝色福祉的评价维度,为动态监测沿海蓝色福祉及相关利益权衡提供了理论支撑,并为完善沿海蓝色福祉方案提供理论基础。

自2023年9月习近平总书记首次提出“新质生产力”概念之后,“农业新质生产力”一词也随之被提出,并引起广泛重视。农业新质生产力是新质生产力在农业上的应用和具体表现,其实质是现代高新科技成果在农业上的转化应用及产业化,并催生出新产业、新业态、新模式、新动能、新功能,从而实现资源高效率、生产高效益、发展高速度、产品高质量、人才高素质,进而推进农业农村现代化,并最终建成农业强国。与农业传统生产力相比,农业新质生产力具有先进性、低碳性、高效性、多样性、创新性、融合性、共享性和高端性等8个方面的特性。发展农业新质生产力具有重大的理论和实践意义。一是有利于增加农业产出,维护粮食安全;二是有利于促进农民增收,繁荣农村经济;三是有利于提高农业生产效率,建设农业强国;四是有利于改善生态环境,建设美丽中国;五是有利于引领世界农业发展,推动构建人类命运共同体。培育和发展农业新质生产力的路径主要有:加强科技创新,采集“优质”数据,研制新型机具,发展新质产业,优化生态环境,培养新质人才,建立新型制度。