农业面源污染管理政策调控仿真模型研究进展

农业面源污染因其分散性、滞后性和不确定性而成为环境治理的难点。面源污染物迁移转化过程的模拟模型发展迅速,而农业面源污染管理政策仿真评估模型研究相对较为滞后。系统梳理与分析了自上而下宏观目标约束、自下而上微观行为传导及宏观与微观上下耦合三类政策仿真模型研究进展,总结了当前模型的基础理论与方法的优势与不足。本文提出了融合流域水系统过程规律认知,构建宏观政策目标自上而下约束与微观主体行为自下而上传导耦合的农业面源污染政策仿真模型,实现政策仿真模拟在国家、区域、流域与栅格跨尺度上的嵌套传导、参数互验与系统预测,以解决因农业面源污染防治主体的多元性与防治对象的广泛性特征所导致的复杂性系统难题,使得政策效应模拟仿真结果空间显性化,进而实现农业面源污染控制的政策管理由粗放型向精准化方向迈进。     

栓皮栎人工林树干液流对不同时间尺度气象因子及水面蒸发的响应

于2006-2008年主要生长季节,利用热扩散技术连续测算得到了华北土石山区30年生栓皮栎人工林液流量(SF),并结合同步测定的太阳辐射(Ra)、空气温度(Ta)、饱和水汽压亏缺(VPD)、风速(V)和降雨量(P)等气象因子、水面蒸发(EV0)及叶面积指数(LAI)等因子,分析了栓皮栎液流对不同时间尺度气象因子及水面蒸发的响应规律,探索建立长时间尺度水面蒸发与树干液流之间的关系模型。试验结果表明:(1)在主要生长季(4—9月份)期间,栓皮栎单株液流与同期测定的Ra、Ta、VPD和V等气象因子间均存在着较强的相关性。时间尺度为10min、1h、d、旬、月时,决定系数分别为0.388、0.482、0.539、0.654和0.812。说明随着时间尺度的增加,相关性越强;在不同时间尺度下,影响SF的最主要气象因子均为Ra。月SF与月Ra变化趋势的同步性尤为明显。(2)日尺度和月尺度上EV0与SF之间具有很好的线性关系,决定系数分别为0.578和0.876,比同时期、相等样本数条件下SF与Ra、Ta、VPD、V多元线性拟合的决定系数分别高3.6%和3.9%。(3)2006、2007、2008年生长季节降雨量分别为464.8、393.3mm和315.0mm,栓皮栎单株液流分别为2024.1L、1739.2L和1688.7L,年际间SF变化趋势与降雨量存在一定的一致性。     

内蒙古荒漠草原地表反照率变化特征

基于2008年全年内蒙古荒漠草原的气象观测数据对荒漠草原地表反照率的变化特征分析发现,内蒙古荒漠草原的地表反照率在晴天呈早晚高、正午前后低的U形变化特征,降水引起的土壤含水量变化将导致地表反照率减小,云对地表反照率的影响比较复杂。荒漠草原地表反照率的月平均日变化类似于晴天条件下的日变化,大多数月份呈现早晚高正午前后低的U形变化趋势,仅在1-2月份及11-12月份呈现V形。地表反照率的季节变化较为明显。在生长季,由于存在植被覆盖使得地表反照率较低;而在冬季,地表反照率较高,特别是1\,2月份,其月均值分别为0.56和0.48,甚至高于沙漠。9月份地表反照率月均值达到最小值0.230, 7、8\,9月份地表反照率接近,分别为0.236、0.232和0.230。而且在生长季,荒漠草原的地表反照率高于退化草地、农田及麦田,低于沙漠的地表反照率,但是荒漠草原的地表反照率除7-10月份明显低于沙漠地表反照率外(相差大于0.02),生长季的其它月份与沙漠相差不大。晴天地表反照率随太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率趋于稳定,其与太阳高度角呈指数关系。土壤含水量的增大会导致地表反照率的减小,地表反照率与土壤含水量呈指数或线性关系。根据地表反照率与这两个因子之间的单因子关系式,建立了内蒙古荒漠草原晴天地表反照率随太阳高度角与土壤含水量变化的双因子参数化公式,而且太阳高度角和土壤含水量两者共同解释了地表反照率变化的68%左右。该公式可以较好地模拟内蒙古荒漠草原晴天地表反照率的变化。该公式是否可以进一步耦合到天气或气候模式中,还需要借助更多代表性的观测资料的验证,但是本研究无疑对陆面模式中地表反照率更准确的参数化及模拟提供了参考依据。     

地表火干扰时间序列上樟子松林竞争强度的变化

林火是樟子松林重要的干扰因子,通过空间代替时间对地表火干扰时间序列上的天然樟子松林进行全林木定位调查,以单木竞争模型分析林分不同组分的竞争强度,通过Kriging法估计了火后林下更新幼树的密度。结果表明,存活林木各组分的竞争强度均显著地降低;地表火干扰12 a后存活林木各组分的竞争强度均比火后1 a存活林木相应各组分的竞争强度显著地降低;另外,火后更新幼树也更多地趋于地表火干扰形成的林隙中。因此,地表火干扰时间序列上林木竞争强度显著的持续降低,火后存活个体将有更充足的可利用资源和环境,林火成为樟子松林发育演替的重要驱动力。     

Water Striders:The Biomechanics of Water Locomotion and Functional Morphology of the Hydrophobic Surface(Insecta:Hemiptera-Heteroptera)

Water striders are insects living on the water surface, over which they can move very quickly and rarely get wetted. We measured the force of free walking in water striders, using a hair attached to their backs and a 3D strain gauge. The error was calculated by comparing force and data derived from geometry and was estimated as 13%. Females on average were stronger (1.32 mN) than males (0.87 mN), however, the ratio of force to weight was not significantly different. Compared with other lighter species, Aquarius paludum seems stronger, but the ratio of force to weight is actually lower. A. paludum applies about 0.3 mN·cm-1 to 0.4 mN·cm-1 with its mid-legs, thus avoiding penetrating the surface tension layer while propelling itself rapidly over the water surface.We also investigated the external morphology with SEM. The body is covered by effectively two layers of macro-and micro-hairs, which renders them hydrophobic. The setae are long (40 um-60 um) and stiff, being responsible for waterproofing, and the microtrichia are much smaller (<10 um), slender, and flexible, holding a bubble over the body when submerged.     

一株高效广谱染料降解细菌的分离鉴定及其脱色特性初探

从土壤样品中分离到一株高效染料脱色菌株N-4,根据形态学特征及16S rDNA基因序列分析,该菌株初步鉴定为Leucobacter sp.。利用表面响应法(RSM)对菌株N-4脱色活性深蓝K-R的主要因素进行优化,实验结果表明,菌株N-4脱色K-R的最优条件为:湿菌量10 g/L,染料浓度222 mg/L,硫酸铵1.5 g/L,果糖3.5 g/L,最佳脱色率为100%。此外,实验证明其对多种染料均具有较高的脱色效率。同时,考察了金属离子对染料脱色效率的影响,其中K+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Mn2+等对脱色具有促进作用,而Ni2+、Cu2+、Hg2+对脱色具有明显的抑制作用。     

人工降雨对湿地植物叶表面颗粒物滞留的影响

现阶段植物滞尘作为治理大气颗粒物污染的有效方法已被广泛接受与应用。已有研究表明,降雨等方式对植物叶表面颗粒物的滞留有着显著的影响,可有效地将颗粒物从叶表面去除,使植物再次具有滞留颗粒物的能力。由于自然降雨难以量化,现有研究大多采用模拟降雨的方式,将降雨特性量化为降雨强度、降雨历时等可控变量,但较少将降雨高度这一变量纳入研究。且大多以森林生态系统或者城市生态系统中常见的乔、灌、草等植物为主要研究对象,而忽略了处于水陆过渡带的湿地生态系统中植物的特殊性。湿地生态系统不仅可通过植物叶片等结构滞留颗粒物,还可依靠增强空气相对湿度促进颗粒物的吸收和积累,导致湿地植物滞尘规律的特殊性。因此,选择北京地区湿地生态系统内的4种常见植物（香蒲、菖蒲、芦苇和黄花鸢尾）作为研究对象,通过人工模拟降雨的方式,将降雨特性量化为降雨高度与降雨强度两个变量,共设置1 m （11 m）、2 m （10 m）两个不同降雨高度,30 mm/h、45 mm/h、60 mm/h三种不同降雨强度,并将颗粒物划分粗颗粒物（10—100 μm）、细颗粒物（3—10 μm）、超细颗粒物（0.4—3 μm）三种粒径范围。通过滤膜法获得单位叶面积颗粒物去除量,探讨人工降雨对湿地植物叶表面颗粒物滞留的影响。主要研究结果如下：（1）颗粒物去除量在粗颗粒物（10—100 μm）粒径范围内最高;（2）所试4种湿地植物中,菖蒲的颗粒物去除量位居前列;（3）只有在一定的范围内,植物叶表面颗粒物去除量才随降雨强度的增加而增加;（4）不同降雨高度下所试湿地植物叶表面颗粒物去除量无明显规律,降雨高度之间无显著差异（P>0.05）。     

检测猪丹毒杆菌抗体重组SpaA ELISA的建立

【目的】利用表达纯化的猪丹毒杆菌表面保护性蛋白SpaA,建立检测猪丹毒杆菌抗体的间接ELISA方法。【方法】克隆扩增猪丹毒杆菌SpaA基因,并将SpaA基因与原核表达载体p GEX-6P-1连接,通过PCR、双酶切及测序鉴定后,将阳性重组质粒转化入受体菌E.coli Rosetta(DE3),并利用IPTG进行诱导表达,SDS-PAGE和Western blot鉴定表达产物。将SpaA重组蛋白按不同浓度包被酶标板,通过方阵滴定法确定最佳抗原包被浓度及血清稀释度,并对其他条件进行优化,最终建立检测猪丹毒杆菌抗体的间接ELISA方法。【结果】利用克隆表达的猪丹毒杆菌SpaA蛋白作抗原,通过方阵滴定法确定蛋白最佳包被浓度为1.0 mg/L,血清的最佳稀释度为1:100,建立了检测猪丹毒杆菌抗体的间接ELISA方法,批内及批间变异系数均小于10%,具有较好的重复性及特异性。用建立的间接ELISA方法检测猪丹毒疫苗免疫后的健康猪血清样品,检测结果与美国TSZ公司猪丹毒杆菌抗体检测试剂盒和Western blot鉴定结果进行对比,两者总符合率分别为92.20%、92.59%。【结论】试验利用原核表达的SpaA重组蛋白作抗原建立的检测猪丹毒杆菌抗体的间接ELISA方法,特异性强、重复性好、敏感性高,可用于猪丹毒杆菌的抗体检测及流行病学调查。     

不同氮效率水稻生育后期根表和根际土壤硝化特征

通过田间试验研究了不同氮效率粳稻品种4007(氮高效)和Elio(氮低效)生育后期在N0(0 kgN hm-2)、N180(180 kgN hm-2)和N300(300 kgN hm-2)水平下根表、根际和土体土壤pH值、铵态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO-3-N)含量、硝化强度和氨氧化细菌(AOB)数量.结果表明无论是齐穗期、灌浆期还是成熟期,根表土壤pH值均显著低于根际和土体土壤.土壤pH值范围在5.95至6.84之间变化.土壤NH+4-N含量随水稻生长显著下降,且随施氮量增加而显著增加.根表土壤NH+4-N有明显亏缺区,且随距水稻根表距离增加,NH+4-N含量逐渐升高.土壤NO-3-N含量随水稻生长显著增加,施氮处理均显著高于不施氮处理,但N180和N300处理差异不显著.NO-3-N含量表现为根际>土体>根表.水稻根表和根际土壤硝化强度随水稻生长显著下降,而土体土壤硝化强度随时间延长小幅增加.施氮显著提高4007水稻根表土壤在齐穗和收获期硝化强度以及Elio在齐穗期根际硝化强度,但在施氮处理N180和N300中无显著差异.在整个采样期间,土壤硝化强度均表现为根际>根表>土体.水稻根表和根际AOB数量随水稻生长而显著降低,而土体土壤AOB数量无显著变化.例如,根表土壤AOB数量在齐穗期、灌浆期和收获期分别为16.7×105、8.77×105个g-1 dry soil和8.01×105个g-1 dry soil.根表和根际土壤AOB数量无显著差异,但二者显著高于土体土壤AOB数量.就两个氮效率水稻品种而言,土壤pH值基本无差异.4007土壤NH+4-N含量均显著高于Elio.在齐穗期水稻根表、根际和土体土壤NO-3-N含量在N180水平下均表现为Elio显著高于4007.而在灌浆期和收获期,水稻根表、根际和土体土壤则表现为4007显著高于Elio.在所有采样期,两个水稻品种土体土壤硝化强度和AOB数量在3个施氮量下均无显著差异.Elio根表和根际土壤硝化强度和AOB数量在水稻灌浆期之前一直显著高于4007,而在灌浆期之后则显著低于4007,且最终产量和氮素利用率(NUE)显著低于4007,这可能是由于4007灌浆期后硝化作用强,根际产生的NO-3-N含量高,从而4007根吸收NO-3-N的量也高造成的.因此水稻灌浆期和收获期根表和根际硝化作用以及AOB与水稻高产及氮素高效利用密切相关.     

不同耕作方式对陇中旱农区春小麦和豌豆根系空间分布及产量的影响

依托陇中旱农区长期的保护性耕作定位试验,对不同耕作方式下春小麦和豌豆根系空间分布特征及作物产量进行研究,以探索耕作措施影响作物产量的机制.结果表明: 随着生育期的推进,春小麦和豌豆的总根长、根表面积呈先增后减的趋势,开花期达到最大;春小麦根系苗期以0～10 cm最多,花期、成熟期10～30 cm最多;而豌豆根系苗期和成熟期均以0～10 cm最多,花期10～30 cm最多.免耕秸秆覆盖和免耕覆膜增加了根长和根表面积,春小麦和豌豆各生育时期的根长较传统耕作增加了35.9%～92.6%,根表面积增加了43.2%～162.4%.免耕秸秆覆盖和免耕覆膜优化了春小麦和豌豆根系分布,与传统耕作相比,增加了春小麦和豌豆苗期0～10 cm土层根长和根表面积分布比例,花期和成熟期深层次根系分布也显著增加,免耕秸秆覆盖在开花期30～80 cm土层根长和根表面积的分布比例分别比传统耕作提高了3.3%和9.7%.春小麦各生育期的总根长、根表面积与产量呈显著正相关,豌豆各生育期的总根长与豌豆产量呈极显著正相关.免耕秸秆覆盖和免耕覆膜较传统耕作春小麦和豌豆产量增加23.4%～38.7%,水分利用效率提高了13.7%～28.5%.在陇中旱农区,免耕秸秆覆盖和免耕覆膜可以增加作物根长和根表面积,优化了根系在土壤中的空间分布,增强作物根层吸收能力,从而提高作物产量和水分高效利用.