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2022年  第30卷  第5期

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栾城站专刊
京津冀地区农业生产与水资源利用: 历史与适水转型
齐永青, 罗建美, 高雅, 闵雷雷, 韩琳娜, 沈彦俊
2022, 30(5): 713-722. doi: 10.12357/cjea.20210726
摘要(1411) HTML (50) PDF(54)
摘要:
京津冀地区是资源型缺水地区, 也是我国的主要农业区之一。本文对京津冀地区农业生产和灌溉水资源利用的历史阶段特征和适水转型进行了分析, 对京津冀地区农业适水转型路线提出建议。1970年代末以来, 井灌为主的灌溉体系基本覆盖平原农区, 小麦玉米占优的作物结构形成, 蔬果产能快速扩大。粮食产量从2136.2万t增加至3944.8万t, 蔬菜产量从1093.7万t增加至5508.4万t, 水果产量从144.0万t增加至1505.2万t。灌溉占地下水消耗的70%, 是京津冀平原区地下水超采的主要原因。近40年来, 京津冀三地农业的差异化发展强化了河北省在京津冀农业生产中的重要性和基础性功能, 也加重了河北平原农业生产和资源节水压力。现有田间试验和作物模型研究结果表明, 通过优化轮作模式, 降低复种指数, 将小麦-玉米一年两熟灌溉高产模式调整为两年三熟或者三年四熟, 减少高耗水的小麦, 适度增加杂粮、薯类或将夏玉米改为春玉米等措施, 可在较小产量损失下, 达到农业耗水与水资源条件的平衡。现有研究明确了通过压缩高耗水作物构建适水种植结构的总体方向, 但对于不同适水轮作模式在中长期时间尺度上的产粮能力与耗水强度的交互关系仍不明晰, 实用高效的适水田间管理与生产技术支撑体系也需不断完善。在政策层面, 需健全京津冀地区农业综合规划与产业发展体系, 统筹长期目标和短期措施, 在保障区域粮食安全和农产品生产稳定的前提下, 有序地推进京津冀地区农业生产的适水转型。
中国冬小麦主产区气候变化及其对小麦产量影响研究
王妍, 张晓龙, 石嘉丽, 沈彦军
2022, 30(5): 723-734. doi: 10.12357/cjea.20210702
摘要(209) HTML (78) PDF(62)
摘要:
气候变化对农业生产具有重要影响, 明确影响作物产量的关键生育期和限制性气象因子对保障粮食安全具有重要意义。本文基于气象站点和农业站点的观测数据及产量数据, 采用趋势分析法和线性回归法分析了1960—2019年我国冬小麦主产区气象因子的时空分布特征, 解析了产量与气象因子间的回归关系, 确定了典型低产年影响产量的关键生育期和限制性气象因子。结果表明: 1) 1960—2019年, 冬小麦主产区平均温度、有效降水和冷积温(日最低气温低于0 ℃的积温)的分布大致呈南高北低, 而日照时数、气温日较差和热积温(日最高气温高于30 ℃的积温)为北高南低; 平均气温和冷积温呈显著上升趋势, 日照时数和气温日较差显著下降, 有效降水和热积温的变化趋势无明显特征。2) 2000—2019年, 中国冬小麦主产区小麦年均单产为3426~5910 kg∙hm−2, 各省(市)冬小麦产量均呈显著上升趋势(P<0.05); 气象因子对产量贡献率的排序为气温日较差>日照时数>有效降水>冷积温>平均气温>热积温。3)典型低产年, 抽穗至成熟期是气候因子影响产量的关键时期, 限制性气象因子为有效降水、日照时数和气温日较差。综上, 中国冬小麦主产区气候因子的分布特征和变化趋势存在空间异质性, 在气候变化背景下, 应关注气温日较差、日照时数和有效降水对冬小麦生长的影响, 同时重点关注冬小麦抽穗至成熟期上述气象因子对产量的不利影响。
华北平原蒸散发变化及对植被生产力的响应
王林娜, 韩淑敏, 李会龙, 杨永辉
2022, 30(5): 735-746. doi: 10.12357/cjea.20210922
摘要(174) HTML (47) PDF(33)
摘要:
华北平原是我国粮食主产区, 水资源短缺是限制区域粮食生产和社会经济发展的重要因素。研究蒸散发动态变化、分析演变发展的驱动因素, 对于探明区域水资源演变、优化水资源管理具有重要参考价值。本文基于500 m空间分布率的PML_V2遥感蒸散产品, 选择华北平原和蒸散量变化存在差异的3类农业类型区的4个典型区: 以石家庄和保定为代表的山前平原区, 以衡水为代表的中部低平原区, 以德州为代表的黄河灌区, 对像元尺度蒸散发变化、变化的显著性和影响因素开展研究。结果表明: 1) 2001—2019年, 华北平原年均蒸散量为588.1 mm, 年际变化呈震荡波动上升态势; 小麦季蒸散量受地下水压采、休耕政策影响, 呈不显著下降趋势; 玉米季蒸散量上升趋势显著(P<0.05)。2)基于Theil-Sen Median斜率和Mann-Kendall方法的显著性检验结果表明, 蒸散量显著增加的区域主要位于中部低平原和黄河灌区; 不同土地利用类型下蒸散量变化有显著差异, 农业用地内有85.5%的地区蒸散量变化呈上升趋势, 其中有42.3%达到显著上升(P<0.05), 主要分布在黄河灌区一带, 城市化发展导致城市外围区蒸散量显著减少(P<0.05), 但在北京、天津等大城市内部蒸散量有增加趋势。3)蒸散量与总初级生产力(GPP)和归一化植物指数(NDVI)相关性分析表明, 蒸散量与GPP的相关性较高, 更能反映粮食主产区植被生产力对蒸散发的影响, 尤其在黄河灌区和中部低平原区均达到显著相关水平(P<0.05)。
太行山前平原40年冬小麦作物系数变化及影响因素研究
李昊天, 李璐, 闫宗正, 高聪帅, 韩琳娜, 张喜英
2022, 30(5): 747-760. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.210342
摘要(1379) HTML (64) PDF(54)
摘要:
作物系数是计算作物需水量的基本参数, 准确确定作物系数在优化灌溉管理方面有重要作用。作物系数随作物生长及环境条件发生变化, 研究作物系数如何受生产条件和气象条件变化的影响, 可为准确确定作物系数提供依据。本研究基于中国科学院栾城农业生态系统试验站1980—2020年40余年间冬小麦在充分灌溉条件下的实际蒸散量, 研究冬小麦作物系数的变化规律; 并利用最近3年的试验数据, 明确现代生产水平下影响冬小麦作物系数的主导因素。结果表明, 1980—2020年间冬小麦在充分供水条件下的实际蒸散量及参考作物蒸散量多年平均值分别为434.7 mm和550.8 mm, 参考作物蒸散量年际相对稳定, 冬小麦实际蒸散量增加17.6%。作物系数多年平均值为0.80, 其中1980—1990年、1991—2000年、2001—2010年和2011—2020年平均分别为0.76、0.80、0.81和0.84; 40年间冬小麦产量增加42.4%, 作物系数增加11.6%, 作物产量提升是作物系数升高的主要原因。本研究表明在现状生产条件下, 叶面积指数、生物量是影响作物系数的重要因素, 在叶面积指数较高的情况下作物系数主要受饱和水汽压差及环境温度的影响, 2017—2020年冬小麦3个生育期作物系数分别是0.79、0.86和0.79; 生育期蒸散量均值为442.3 mm, 主要生育期3年平均作物系数分别为播种—越冬前0.70、越冬期间0.42、返青—拔节期0.76、拔节—抽穗期1.18、抽穗—灌浆期1.39、成熟期0.96。本研究结果显示作物系数并不是稳定不变的, 而是受作物生产力和大气蒸散力的影响。因此, 在利用作物系数和参考作物蒸散量评价作物需水量时, 需要综合考虑上述因素。
长期增温和施氮对华北平原农田土壤呼吸及其温度敏感性的影响
胡文沛, 张闯, 胡春胜, 董文旭, 王玉英
2022, 30(5): 761-768. doi: 10.12357/cjea.20210237
摘要(102) HTML (38) PDF(33)
摘要:
在全球气候变暖与氮沉降不断加剧的背景下, 作为我国粮食主产区之一的华北平原农田土壤呼吸如何响应气候变暖和氮沉降增加成为亟待解决的问题。本文在华北平原冬小麦单作土壤布置了11年野外增温和施氮肥试验, 包括对照(CK)、红外增温(W)、施氮肥(N)和红外增温+施氮肥(WN) 4个处理, 采用静态箱-气相色谱法测定了2018—2020年土壤呼吸速率及其温度敏感性。结果表明: 2018—2020年, W和WN处理使5 cm深土壤温度平均提升约2 °C, 使土壤体积含水量下降2.4%。不同处理间土壤呼吸速率呈现明显的季节动态, 冬小麦3—6月生长季平均土壤呼吸速率(329.06 mg∙m−2∙h−1)显著高于11—3月休眠季(25.21 mg∙m−2∙h−1)(P<0.05)。2018—2020年, 与CK相比, W和WN处理分别使土壤呼吸速率提高16.8%和19.3% (P<0.05), 而N处理未显著影响土壤呼吸速率。W和WN处理2018—2020全年土壤呼吸的温度敏感性(Q10)低于N和CK处理, 即WN(1.65)<W(1.70)<N(1.78)<CK(1.80)。Q10存在明显季节性变化, 休眠季高(平均2.93), 生长季低(平均1.81)。本研究表明增温降低了Q10, 且Q10存在明显的季节性差异, 这有助于提升未来碳估算模型精度。
华北平原农田关键带分类研究
马婉君, 闵雷雷, 齐永青, 刘美英, 吴林, 沈彦俊
2022, 30(5): 769-778. doi: 10.12357/cjea.20220042
摘要(114) HTML (84) PDF(19)
摘要:
地球关键带是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、土壤圈相互作用并发生物质迁移转化的区域, 也是决定人类社会生存和发展的关键区域。我国学者根据土地利用的差异对地球关键带开展了分类, 其中农田关键带是人类活动影响最为强烈的一类。但已有研究更多考虑的是地表要素, 包含包气带和含水层方面的要素较少, 对关键带地下部分的属性关注不够。华北平原作为我国重要粮食高产区, 地下水超采严重, 农业生产引起的环境污染风险日益引发关注。开展农田关键带分类研究可以为该区域地下水水量/水质演化及保护提供基础科学支撑。本研究综合考虑华北平原的第四纪沉积物特征、浅层地下水埋深、地下水矿化度以及农业土地利用类型等要素, 在遵循综合性原则和主导因素原则的基础上, 制定了华北平原农田关键带三级分类方案。通过使用叠置法对分类要素进行叠加和合并, 提出了华北平原农田关键带的分类方案, 将华北平原分为38个农田关键带类型。本研究对于深入认识农业活动对地下水环境的影响具有重要意义。
小麦抗白粉病基因Pm2的研究进展
靳玉丽, 谷田田, 柳洪, 安调过
2022, 30(5): 779-786. doi: 10.13930/j.cnki.cjea.210279
摘要(420) HTML (81) PDF(33)
摘要:
小麦是我国重要的粮食作物之一, 其高产、稳产对保障我国粮食安全至关重要。由布氏白粉病菌(Blumeria graminis f. sp. tritici, Bgt)引起的白粉病是威胁小麦安全生产的主要病害之一。当前, 小麦白粉病主要通过喷洒化学药剂和改善栽培措施进行防治, 与之相比, 发掘并利用小麦抗白粉病优异基因, 培育抗病品种是控制白粉病流行更为经济、环保和有效的措施。位于小麦5D染色体短臂上的抗白粉病基因Pm2编码一个CC-NBS-LRR蛋白, 其抗性表现优异, 载体材料综合农艺性状优良, 是小麦抗白粉病育种中应用最广泛的基因之一。本文从Pm2基因位点的发现与分子标记定位、等位基因的发掘与利用、基因克隆、功能标记的开发、单倍型分析、无毒基因的研究以及在育种上的应用等方面系统总结了Pm2相关的最新研究进展, 提出了: 1) Pm2不同等位基因抗谱存在差异可能是由遗传背景的不同和其他调控因子以及白粉菌高度杂合所致; 2) 在抗病育种中应当合理布局利用抗白粉病基因Pm2, 从而延长其使用寿命; 3) 深入发掘并利用新的抗病基因及优异等位变异, 加强种质创新, 是保证小麦持久抗性的根本手段。本文为小麦抗白粉病基因Pm2抗病机制的进一步解析和育种应用提供了理论依据。
谷子耐盐性研究进展及展望
刘雯雯, 乔匀周, 杨红, 李永鹏, 乔文君, 董宝娣, 刘孟雨
2022, 30(5): 787-798. doi: 10.12357/cjea.20210424
摘要(205) HTML (105) PDF(52)
摘要:
随着农业种植业结构调整, 谷子作为一种抗旱耐瘠薄作物在干旱盐碱地区的种植越来越受到重视。系统深入梳理谷子的耐盐性及盐胁迫下的生理生态响应特性, 对增加盐碱地区谷子产量、提高农民收入具有重要指导意义。本文从谷子的耐盐性筛选指标及评价、盐胁迫下植株生长发育变化规律和生理生态响应以及谷子耐盐基因发掘等3个方面, 综述了国内外研究进展。目前谷子耐盐鉴选指标单一, 主要依赖于谷子萌发期的发芽率, 而其他生理生态指标未被充分考虑; 因谷子品种和土壤盐分的不同, 谷子植株地上地下农艺性状、光合特征、清除活性氧相关酶类以及激素响应特征存在差异, 建立综合鉴选指标存在困难; 谷子耐盐基因的表达与作用发挥与环境条件, 如高盐、干旱(PEG)和脱落酸(ABA)等相关, 通过特定蛋白来增强抗氧化系统、保护细胞不受损伤以及提高抗渗透胁迫能力等提高谷子的耐盐性。在此基础上, 本文提出了建立谷子耐盐综合鉴选量化标准和平台、深入开展谷子耐盐调控机理研究、进一步研发谷子耐盐栽培技术体系是未来重要的研究方向。
蔬菜咸水灌溉研究进展
陈佩, 王金涛, 董心亮, 田柳, 张雪佳, 刘小京, 孙宏勇
2022, 30(5): 799-808. doi: 10.12357/cjea.20210850
摘要(120) HTML (61) PDF(23)
摘要:
我国淡水资源严重短缺且分布不均, 开发利用储量丰富的咸水资源对于保障水安全战略具有重要的意义。我国蔬菜种植面积和产量居世界首位, 蔬菜既是产量较高也是耗水量较大的经济作物。如何安全利用咸水资源, 拓宽蔬菜灌溉用水供应来源, 保证蔬菜生产是淡水短缺地区面临的主要问题, 也是当今咸水利用方面的研究重点和难点。因此, 本文从咸水资源利用潜力、咸水灌溉应用状况、咸水灌溉对蔬菜生长、产量和品质的影响等方面对咸水灌溉在蔬菜种植中的高效利用机理、技术及未来发展趋势进行了综述。利用2.4~11.83 dS∙m−1的咸水灌溉虽使蔬菜产量降低6.21%~63.05%, 但蔬菜品质提高6.25%~74.07%, 采用适宜的咸水灌溉调控技术, 优化灌溉策略可提高咸水灌溉的利用效率, 在未来微咸水利用和扩大蔬菜种植面积中可发挥重要作用。
多源土壤水分产品在河北平原的适用性评价
石嘉丽, 张晓龙, 闵雷雷, 张婧, 王妍, 沈彦军
2022, 30(5): 809-819. doi: 10.12357/cjea.20210697
摘要(153) HTML (46) PDF(25)
摘要:
河北平原地处华北平原中部, 是我国重要的粮食产区, 是世界上冬小麦、夏玉米最高产的地区之一。土壤水分作为作物生长的直接水源和基础条件, 对灌溉决策、干旱预报均有重要意义。虽然多源土壤水分产品已获得了长足发展, 但其在河北平原的适用性还缺乏全面的定量评价。本文利用河北平原望都、霸州、威县、栾城4个站点2018年1月至2019年10月的表层10 cm土壤水分实测数据, 通过相关系数、偏差、均方根误差、无偏均方根误差4个指标, 对比分析了SMOS、SMAP、FY3B、ERA-Land、GLDAS、GLEAM等6种土壤水分产品在河北平原典型农田的具体表现。整体而言, 除夏季FY3B存在高估外, 多源土壤水分产品对河北平原不同站点实际土壤含水量有不同程度的低估, 研究时段内各土壤水分产品平均相关系数排序为GLEAM>FY3B>ERA-Land>GLDAS>SMAP>SMOS, 平均无偏均方根误差排序为GLEAM<GLDAS<SMAP<ERA-Land<SMOS<FY3B。具体表现为: 1)同化多源数据的GLEAM、GLDAS、ERA-Land数据精度较好, 平均相关系数较大而平均无偏均方根误差较低。在土壤含水量高的夏季, 模拟数据更接近实测值。2) FY3B数据缺失较多、波动范围较大且平均无偏均方根误差较大, 但与实测数据相关性较好, 平均相关系数为0.43 m3·m−3, 夏季普遍高估土壤含水量, 数据精度较差, 其他季节则低估。3) SMAP整体数据精度高于SMOS, 夏季相关性较高但平均无偏均方根误差较大, 秋季则与之相反, 当实测土壤水介于0.30~0.40 m3∙m−3时表现较好。4) SMOS因射频干扰等原因在各站点表现最差, 各站点平均相关系数仅为0.20 m3·m−3, 偏差均大于0.10 m3∙m−3
秸秆覆盖温度效应对冬小麦农艺和生理性状的影响
陈素英, 牛君仿, 张喜英, 邵立威, 姚振刚, 李建波
2022, 30(5): 820-830. doi: 10.12357/cjea.20220120
摘要(125) HTML (43) PDF(51)
摘要:
秸秆覆盖是一项有效的节水保墒技术, 广泛应用于农业生产。而对于凉季生长的作物, 秸秆覆盖引起的温度效应对作物生长发育的影响大于秸秆覆盖的保墒效应, 会导致作物减产。利用大田试验研究秸秆覆盖冬小麦的温度效应对冬小麦生理和农艺性状的影响, 探明秸秆覆盖引起冬小麦减产的机理。试验设置4个秸秆覆盖量处理: 不覆盖(CK)、低覆盖量(2450 kg∙hm−2, LM)、中覆盖量(3675 kg∙hm−2, MM)和高覆盖量(7350 kg∙hm−2, HM), 调查不同处理对土壤温度、冬小麦内源激素含量、茎伤流液离子浓度、农艺性状[植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)、地上部干物质积累、根长]及产量的影响。结果表明: 秸秆覆盖提高了冬季土壤温度, 降低了春季返青期土壤温度。由于冬季冬小麦生长发育停止, 秸秆覆盖的增温效应对冬小麦生长影响较小。春季返青期, 冬小麦开始快速生长, 秸秆覆盖对根区土壤温度的降低效应显著抑制了冬小麦的生长发育。返青期冬小麦茎生长素(IAA)含量在低、中和高覆盖量下分别是不覆盖处理的1.7倍、2.5部和2.7倍, 较高的IAA含量抑制了冬小麦的生长。覆盖处理茎中生长素和玉米素核苷比值(IAA/ZR)增加, 抑制了分蘖的生长。秸秆覆盖下冬小麦农艺性状如根长密度、NDVI和RVI、密度和地上部生物量显著低于CK。至拔节期随着秸秆覆盖对土壤温度影响减弱, 覆盖处理茎中的IAA含量显著降低, 并低于CK处理, IAA/ZR比值也迅速下降, 与CK间差异减小, 茎中伤流液中离子浓度覆盖处理均高于CK, 均表明覆盖处理下小麦的生理功能加强, 但至拔节期覆盖处理下的冬小麦各农艺性状仍然低于CK, 秸秆覆盖下的冬小麦抽穗和扬花期比不覆盖晚2 d, 最终覆盖处理的冬小麦产量低于CK。秸秆覆盖对土壤温度、生理性状和农艺性状的影响随着覆盖量的增加而增加。综上研究表明, 秸秆覆盖引起的返青期土壤温度偏低延缓冬小麦生理过程, 是导致冬小麦产量降低的主要原因, 消减返青期秸秆覆盖层的温度效应是解决秸秆覆盖影响冬小麦产量的有效途径。
华北平原小麦新型耕作施肥播种方式增产增效研究
徐萍, 杨宪杰, 冯佐龙, 孙彦玲, 杨震, 张西群, 邓学斌, 史家益, 张正斌
2022, 30(5): 831-841. doi: 10.12357/cjea.20210851
摘要(362) HTML (51) PDF(19)
摘要:
华北平原是我国夏玉米-冬小麦主产区, 但长期大面积免耕播种玉米和旋耕播种小麦, 导致耕层普遍变浅, 增产增效幅度下降, 同时华北平原又是地下水严重超采区和现代节水农业发展重点区。为了打破犁底层、提高水分和养分等资源利用效率, 减少耕种作业次数、降低生产成本并增产增效, 本研究采用裂区试验设计, 主区为前茬设置免耕玉米播种和遁耕分层施肥玉米播种2个处理, 免耕玉米播种主区里设置人工施肥-旋耕-小麦条播(T1)、人工施肥-旋耕深松-小麦条播(T2) 2个副区; 玉米遁耕分层施肥处理主区后茬为人工施肥-旋耕-小麦条播(T3)、旋耕深松分层施肥小麦宽幅匀播(T4) 2个副区处理, 在分蘖期、拔节期、开花期、灌浆期和成熟期, 对小麦生长发育、干物质积累和产量构成性状进行了调查和差异比较; 最后对小麦水分利用效率和偏氮肥生产力、玉米-小麦周年总产及产出/投入比进行了分析。结果表明, T4处理模式明显能够降低0~40 cm耕层土壤容重, 增加深层土壤含水率, 同时优化了耕层养分分布, 增加了小麦株高、分蘖、地上部干物质重量、0~40 cm耕层的根干重, 进而提高了单位面积穗数和穗粒数, 实现节水高产; 籽粒产量表现为T4 (8333.75 kg∙hm−2)>T3 (8222.63 kg∙hm−2)>T2 (7778.17 kg∙hm−2)>T1 (7000.35 kg∙hm−2); T4、T3、T2处理分别比T1处理显著增产19.05%、17.46%和11.1%; 提高了水分利用效率和偏氮肥生产力; T4处理累计全年粮食总产达19 469.7 kg∙hm−2, 超过了吨粮田(15 000 kg∙hm−2), 产出/投入比达3.76, 是华北平原玉米-小麦周年节水绿色提质增产增效的耕作模式。本文揭示了不同耕作施肥播种条件下, 小麦产量形成的生长发育特征和增产要素及玉米-小麦周年增产增效特征。建议加快在华北平原示范推广“小麦旋耕深松分层施肥宽幅匀播技术”。
增温施肥对农田土壤有机碳和全氮含量及δ13C、δ15N值的影响
李佳珍, 董文旭, 陈拓, 胡春胜
2022, 30(5): 842-850. doi: 10.12357/cjea.20220071
摘要(86) HTML (29) PDF(33)
摘要:
农田土壤是重要的碳氮库, 对气候变化极其敏感, 但土壤碳氮循环对气候变化的响应目前还不清楚。在全球变暖背景下, 为了实现我国碳达峰、碳中和目标, 研究增温对土壤有机碳、全氮含量及其碳氮同位素的影响具有重要的现实意义。本研究采用红外辐射加热器模拟全球变暖, 使5 cm土壤温度增加约2 ℃。通过测定灌溉前后土壤有机碳和全氮含量及δ13C和δ15N值的变化, 研究增温、施氮和灌溉对华北平原小麦田土壤碳氮库的影响。试验共设4个处理: 不施氮不增温(N0T0)、不施氮增温(N0T1)、施氮不增温(N1T0)和施氮增温(N1T1)。结果表明: 灌溉前, 增温降低了土壤有机碳含量, 0~10 cm土层N1T1处理与不增温处理(N0T0和N1T0)之间差异显著(P<0.05), 10~20 cm土层N1T1处理与其他处理差异均显著(P<0.05); 灌溉后, 增温虽有降低土壤有机碳含量的趋势, 但差异不显著; 施氮条件下, 增温显著提升了δ13C值(P<0.05)。增温降低了土壤全氮含量, 并在灌溉前10~20 cm土层和灌溉后0~10 cm土层达显著水平(P<0.05); 增温提升了土壤δ15N值, 灌溉前0~10 cm土层N0T0处理与增温处理(N0T1和N1T1)差异显著(P<0.05), 灌溉后0~10 cm土层仅N0T1和N1T0处理间差异显著(P<0.05), 而10~20 cm土层增温处理(N0T1和N1T1)均与N1T0处理差异显著(P<0.05)。同一处理同一时期, 土壤有机碳和全氮的含量随土壤深度的增加而降低, δ13C和δ15N值随深度增加而升高, 但土壤有机碳和δ13C值的变化差异不显著, 全氮含量和δ15N值的变化差异显著(P<0.05)。土壤有机碳、全氮含量及δ13C和δ15N值在灌溉前后的差异均不显著。连续5年的增温施氮试验表明, 未来气候变暖可能会加快土壤有机碳和全氮的分解, 造成更多轻组有机碳损失。灌溉在短期内不会显著改变土壤碳氮含量及δ13C和δ15N值, 但其长期影响还需进一步探究。此外, 未来研究还应该重视多因素交互作用对土壤碳氮循环的影响。
Runoff conditions in the Fuping Basin under an ensemble of climate change scenarios
ROMAINE Ingabire, CAO Bo, CAO Jiansheng, ZHANG Xiaolong, LIU Xia, SHEN Yanjun
2022, 30(5): 851-863. doi: 10.12357/cjea.20210725
摘要(119) HTML (64) PDF(26)
摘要:
Changes in runoff are of great significance for water resources management, especially under the changing climate. In the Fuping Basin, one of the basins in the upper reaches of the Daqinghe Basin, the water resources are facing changes which show great importance of further studies on runoff conditions in the future in this basin. Hence, in this paper, MIKE11-NAM model was applied to simulate daily runoff (2008−2017) and future runoff conditions under a changing climate in the near future (2025−2054) in the Fuping Basin. After bias correction, an ensemble of four regional climate models (RCMs) was used to develop future climate data under three shared socio-economic pathways (SSP1-2.6, SSP2-4.5, and SSP5-8.5) scenarios. The obtained results showed a good performance of the MIKE11-NAM model in simulating daily runoff. R2 and Nash-Sutcliffe efficiency coefficient (NSE) were 0.82 and 0.81 for calibration, 0.87 and 0.87 for validation, respectively. Although uncertainties remain, the correlation between observed and simulated RCM data was improved after bias correction for all models. Precipitation and temperature were projected to increase under all scenarios compared to the baseline period (1985−2014). Annual temperature and precipitation will increase by 2.45 ℃ and 124 mm under the SSP5-8.5 and SSP2-4.5 scenarios, respectively. However, precipitation is expected to mainly increase in summer while temperature will increase in all the seasons. The projected annual runoff will increase under SSP2-4.5 while decreasing under SSP1-2.6 and SSP5-8.5 scenarios. Seasonally, the future runoff will decrease during spring and summer under all the scenarios. Generally, the changes in runoff conditions will be more obvious in the future. Our findings can be important for integrated water resources management and planning in this region.
随机森林模型在径流变化归因分析中的适用性研究
王艺璇, 刘夏, 沈彦军
2022, 30(5): 864-874. doi: 10.12357/cjea.20210652
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摘要:
气候变化和人类活动是影响流域径流变化的两大因素, 定量识别二者对流域径流的影响对水资源合理开发和流域综合治理具有重要意义。随机森林模型作为一种易于使用的机器学习方法, 被越来越多地应用于水文学领域, 然而随机森林模型在径流变化归因分析中是否具有适用性值得探讨。本文以永定河上游的洋河流域为例, 基于随机森林模型对流域径流进行了模拟, 采用径流影响评价模型定量分析了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率; 并利用基于物理机制的SWAT模型对研究结果进行了对比验证。研究结果表明: 1)在对不同子流域径流模拟效果方面, SWAT分布式水文模型对东洋河(柴沟堡东站)、南洋河(柴沟堡南站)、洋河(响水堡站)流域突变前的径流量模拟结果较为可信, 3个流域率定期和验证期的R2均在0.65以上, 纳什系数(NSE)也大部分在0.65以上; 随机森林模型对3个流域模拟径流的NSE和R2多在0.80以上, 均高于SWAT模型的NSE和R2, 随机森林模型模拟表现优于SWAT模型; 2)对比验证发现, 基于随机森林模型和SWAT模型的流域径流变化归因分析结果较为相近, 人类活动是导致永定河上游流域径流变化的主要原因, 对径流减少的贡献率为84.3%~97.6%。总体上, 随机森林模型在永定河上游流域径流变化归因研究中具有一定的适用性, 为流域径流变化贡献率的定量识别提供了一种新的方法和思路。