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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 16 期摇 摇 2011 年 8 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
人工和天然湿地芦苇根际土壤细菌群落结构多样性的比较 汪仲琼,王为东,祝贵兵,等 (4489)………………
不同土壤水分下山杏光合作用光响应过程及其模拟 郎摇 莹,张光灿,张征坤,等 (4499)………………………
不同颜色遮阳网遮光对丘陵茶园夏秋茶和春茶产量及主要生化成分的影响
秦志敏,付晓青,肖润林,等 (4509)
……………………………………
……………………………………………………………………………
镉胁迫对烟草叶激素水平、光合特性、荧光特性的影响 吴摇 坤,吴中红,邰付菊,等 (4517)……………………
条浒苔和缘管浒苔对镉胁迫的生理响应比较 蒋和平,郑青松,朱摇 明,等 (4525)………………………………
盐胁迫对拟南芥和盐芥莲座叶芥子油苷含量的影响 庞秋颖,陈思学,于摇 涛,等 (4534)………………………
长期双季稻绿肥轮作对水稻产量及稻田土壤有机质的影响 高菊生,曹卫东,李冬初,等 (4542)………………
基于水量平衡下灌区农田系统中氮素迁移及平衡的分析 杜摇 军,杨培岭,李云开,等 (4549)…………………
苏北海滨湿地互花米草种子特征及实生苗生长 徐伟伟,王国祥,刘金娥,等 (4560)……………………………
基于 AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县非点源污染输出评价 田耀武,黄志霖,肖文发 (4568)………………
镉污染对不同生境拟水狼蛛氧化酶和金属硫蛋白应激的影响 张征田,庞振凌,夏摇 敏,等 (4579)……………
印度洋南赤道流区水体叶绿素 a的分布及粒级结构 周亚东,王春生,王小谷,等 (4586)………………………
长江口滩涂围垦后水鸟群落结构的变化———以南汇东滩为例 张摇 斌,袁摇 晓,裴恩乐,等 (4599)……………
应用鱼类完整性指数(FAII)评价长江口沿岸碎波带健康状况 毛成责,钟俊生,蒋日进,等 (4609)…………
基于渔业调查的南极半岛北部水域南极磷虾种群年龄结构分析 朱国平,吴摇 强,冯春雷,等 (4620)…………
水稻模型 ORYZA2000 在湖南双季稻区的验证与适应性评价 莫志鸿,冯利平,邹海平,等 (4628)……………
旱地农田不同耕作系统的能量 /碳平衡 王小彬,王摇 燕,代摇 快,等 (4638)……………………………………
宁夏黄灌区稻田冬春休闲期硝态氮淋失量 王永生,杨世琦 (4653)………………………………………………
太湖沉积物有机碳与氮的来源 倪兆奎,李跃进,王圣瑞,等 (4661)………………………………………………
日偏食对乌鲁木齐空气可培养细菌群落的影响 马摇 晶,孙摇 建,张摇 涛,等 (4671)……………………………
灰飞虱与褐飞虱种内和种间密度效应比较 吕摇 进,曹婷婷,王丽萍,等 (4680)…………………………………
圈养马来熊行为节律和时间分配的季节变化 兰存子,刘振生,王爱善,等 (4689)………………………………
塔里木荒漠河岸林干扰状况与林隙特征 韩摇 路,王海珍,陈加利,等 (4699)……………………………………
珍稀植物伯乐树一年生更新幼苗的死亡原因和保育策略 乔摇 琦,秦新生,邢福武,等 (4709)…………………
垃圾堆肥复合菌剂对干旱胁迫下草坪植物生理生态特性的影响 多立安,王晶晶,赵树兰 (4717)……………
CLM3. 0鄄DGVM中植物叶面积指数与气候因子的时空关系 邵摇 璞,曾晓东 (4725)……………………………
基于生态效率的辽宁省循环经济分析 韩瑞玲,佟连军,宋亚楠 (4732)…………………………………………
专论与综述
土壤食物网中的真菌∕细菌比率及测定方法 曹志平,李德鹏,韩雪梅 (4741)…………………………………
生态社区评价指标体系研究进展 周传斌,戴摇 欣,王如松,等 (4749)……………………………………………
问题讨论
不同胁迫条件下化感与非化感水稻 PAL多基因家族的差异表达 方长旬,王清水,余摇 彦,等 (4760)………
研究简报
钦州湾大型底栖动物生态学研究 王摇 迪,陈丕茂,马摇 媛 (4768)………………………………………………
人工恢复黄河三角洲湿地土壤碳氮含量变化特征 董凯凯,王摇 惠,杨丽原,等 (4778)………………………
基于地统计学丰林自然保护区森林生物量估测及空间格局分析 刘晓梅,布仁仓,邓华卫,等 (4783)…………
晋西黄土区辽东栎、山杨树干液流比较研究 隋旭红,张建军,文万荣 (4791)……………………………………
小兴安岭典型苔草和灌木沼泽 N2O排放及影响因子 石兰英,牟长城,田新民,等 (4799)……………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄08
封面图说: 在长白山麓低海拔地区的晚秋季节,成片的白桦林用无数根白色的树干、树枝烘托着林冠上跳动的金黄色叶片,共
生的柞木树冠用更浓重的颜色显示了它的存在,整个山梁层林尽染,秋意浓浓。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 16 期
2011 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 16
Aug. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:水利部公益性行业专项经费项目(200701025);长江学者和创新团队发展计划( IRT0657);中国农业大学与内蒙古农业大学科研合作
基金;中国农业大学研究生科研创新专项(kycx09113)
收稿日期:2010鄄07鄄13; 摇 摇 修订日期:2010鄄11鄄12
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: yangpeiling@ 126. com
杜军, 杨培岭, 李云开, 任树梅,王永忠,李仙岳,林艳. 基于水量平衡下灌区农田系统中氮素迁移及平衡的分析. 生态学报,2011,31 (16):
4549鄄4559.
Du J,Yang P L,Li Y K,Ren S M, Wang Y Z, Li X Y, Lin Y. Nitrogen balance in the farmland system based on water balance in Hetao irrigation district ,
Inner Mongolia. Acta Ecologica Sinica,2011,31(16):4549鄄4559.
基于水量平衡下灌区农田系统中氮素迁移及平衡的分析
杜摇 军1,2, 杨培岭1,*, 李云开1, 任树梅1,王永忠2,李仙岳1,林摇 艳3
(1. 中国农业大学水利与土木工程学院,北京摇 100081;2. 宁夏农垦事业管理局,宁夏银川摇 750001;
3. 内蒙古河套总局塔布渠管理所,前旗摇 015000)
摘要:以河套灌区典型灌域(前旗北疙堵乡塔布村)为研究对象,通过分析农田系统中水量平衡和氮素平衡,建立农田系统中氮
素平衡和水分平衡的联立模型,并用此模型分析典型区域内农田系统中氮素随水分迁移的规律。 分析表明:应用水量和氮平衡
模型分析灌区农田系统中氮迁移及平衡,可以反映出农业面源污染物(氮)在整个农田系统中的去向,化肥使用量的降低和灌
水量的减少,将有效的减少农田系统中氮素的输入量;秋灌—秋浇期间,玉米、番茄和葵花作物对氮的吸收率分别为 17% 、18%
和 32% ,3 种土壤中残留量分别为 57% 、60%和 58% 。 依据河套灌区年施肥 60 万 t计算,土壤残留量达到 17. 2 万 t。 在秋灌鄄秋
浇期间从黄河引入的氮总量达到 1. 21 万 t,随农田退水进入沟道的量为 840 t。
关键词:河套灌区; 农田系统; 氮素平衡; 水量平衡
Nitrogen balance in the farmland system based on water balance in Hetao
irrigation district ,Inner Mongolia
DU Jun1,2,YANG Peiling1,*,LI Yunkai1,REN Shumei1, WANG Yongzhong2, LI Xianyue1, LIN Yan3
1 College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100081,China
2 Bureau of Ningxia Farm,Yinchuan 750001, China
3 Hetao Irrigation District Tabu Channel Administration,Qianqi 015000, China
Abstract: The influence of human activity on the nutrition circulation has essentially changed ecosystem processes, and
chemical fertilizers and nitrogen鄄fixing plants further enhanced the nitrogen flux in agricultural ecosystem. When the input
of nitrogen exceeds the crop assimilation capacity, surplus nitrogen in the farmland system will lead to the increase of nitrate
leaching, ammonia volatilize and denitrification, and result in negative influence on the environment. The amount of
absorbed N by the crop is from 26% to 36% in farmland system, and the most of the surplus N is lost by the NH3
volatilization and denitrification, and some of the surplus N leached into groundwater. Hetao irrigation district (HID) is one
of the three large鄄scale irrigation districts in China, the fertilizers amount used in the farmland of HID is increasing during
the past ten years. This paper conducted a case study on the transport and balance of nitrogen in the farmland system based
on water balance in Hetao Irrigation District ( HID), Inner Mongolia. The cycle process of nitrogen and water in the
farmland system was analyzed and a coupled model of the nitrogen and water balance was set up, by which the nitrogen
transport rule in the farmland system was analyized.
The results showed that the coupled model could reflect the relationship between water and N in farmland system by
application of water鄄balance and N balance. The model not only reflected the migration paths of N in the farmland system,
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but also explained which could effectively increase the utilization of the fertilizers and which could reduce agricultural non鄄
point pollution contribution. It could reduce the production of the agricultural non鄄point pollution by increasing the amount
of straw returning, and it could reduce the output amount of N in farmland system by reducing the fertilizer amount.
In autumn鄄irrigation period, the uptake rate of corn, tomato and sunflower is 17% , 18% and 32% respectively, and
the soil residual rate is 57% , 60% and 58% respectively. In this period, the amount of N from the irrigation water is 12. 1
thousand t, and the N discharge amount is 840 t. According to the fertilizer amount of 0. 6 million t in year, the amount of
soil residual of N is 0. 17 million t. Because the fertilizer amount is higher and its utilization is lower, although the
irrigation and drainage water amount is diseasing in the resent 10 years, the amount of N discharged into Wuliangsuhai Lake
remains at about 330 t / a. So the effect of the agricultural irrigation non鄄point pollution of HID on the eutrophication of
Wuliangsuhai Lake was significant.
Key Words: Hetao irigation district; farmland system; nitrogen鄄balance;water鄄balance
人类对营养循环的影响从根本上改变了生态系统过程的规则,使用化肥和种植固氮植物进一步增强了农
业生态系统氮通量。 在中国农田生态系统中[1鄄2]:2004 年农田生态系统通过挥发、反硝化、植株蒸腾、淋溶径
流和侵蚀等途径损失的氮为 1132. 8 万 t,盈余在农田生态系统土壤中的氮为 1301. 2 万 t;与 20 世纪 80 年代
相比,2002 年由东北三省农田土壤总氮平衡和总磷平衡进入水体环境的氮、磷负荷均有所增加,各省农田进
入水体环境氮、磷负荷的升高幅度分别为:辽宁,氮负荷 29% ,磷负荷 3% ;吉林,氮负荷 93% ,磷负荷 229% ;
黑龙江,氮负荷 39% ,磷负荷 125% 。 农田施肥被作物吸收仅有 26%—36% ,而盈余的 64%—74%中极大部
分是以氨挥发和反硝化产生气态氮的形式损失,部分以硝态氮淋失而进入地下水[3]。 无论何种耕作制度,氮
输入超过作物同化能力时,农田系统氮盈余,将导致硝态氮淋溶量、氨挥发量以及反硝化损失量等增加,并对
环境产生影响[4]。
内蒙古河套灌区是中国三大灌区之一,农田化肥用量已由 1978 年的 7伊104 t 迅速上升到 2002 年的 52伊
104 t,2005 年氮肥施用强度达到 361. 86 kg / hm2,化肥利用率仅为 30% [5]。 多年年平均施肥量为 59 万 t,氮、
磷肥有效利用率为 35%和 22. 4% 。 作物秸秆还田率不足 30% 。 年经排干汇入乌梁素海的农田退水量为 5. 0
亿 m3,参与储备的总氮为 329 t,总磷为 28 t。 近几年对河套灌区农田系统中氮素迁移转化研究表明:河套灌
区内作物结构多样性有助于抑制氮的损失[6],但是河套灌区农业化肥使用量的逐年增加,加重了灌区下游乌
梁素海富营养化程度[7鄄10];年内不同季节里农田系统氮素损失差异较大[7],土壤表层(0—20cm)氮素含量在
时间分布为 4 月份较高,11 月份较低[8]。 从化肥使用量、利用率和排泄量来看,化肥使用的逐年增高,使得河
套灌区生态系统中氮通量逐年增高,农业面源污染加重;从近年来的研究结果来看,对灌区农田系统中氮的输
入与输出平衡分析缺乏讨论。 因此,本文通过选取典型灌排域(前旗北疙堵乡塔布村),以秋灌—秋浇期间区
域内农田系统中的水循环为基础,分析农田系统中研究氮素平衡[11]。 在区域尺度上分析农田系统中氮素随
水分迁移的规律,以便为灌区农业面源污染防控提供相应的理论指导,为构建河套生态灌区以及保护乌梁素
海湿地生态系统奠定基础。
1摇 材料与方法
1. 1摇 灌区及典型试验区基本情况
内蒙古河套灌区是中国三大灌区之一,多年平均引水量 50 亿 m3,年降水量为 155—222 mm,且集中在
7—9 月间,年蒸发量达 2200—2400 mm,蒸降比在 10 以上。 在夏、秋分 6 次引水灌溉作物,10 月份引水一次
压盐保墒;灌区内的水循环过程为灌溉(降雨) 鄄下渗鄄潜水蒸发类型,人工自然复合型的地表水系统是区域水
循环中最关键、最积极的要素,影响农田尺度下地下水鄄SPAC 水分输送过程[12鄄14]。 灌区内分布较多面积大小
不等湿地和盐荒地,作物种植结构没有统一性。
试验区位于内蒙古乌拉特前期北圪堵乡庆华村北场社和邓存店村塔布社,乌拉特前旗西北方向,距乌拉
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特前旗 30 km,五原县 25 km,东经 40毅52忆39. 8义—40毅53忆53. 5 义,北纬 108毅32忆32. 2义—108毅34忆51. 7义(图 1)。 试
验区东至 110 国道,南至河套灌区塔布分干渠,西至四支渠,北至乌拉特前期北圪堵乡公路,现有土地面积为
477 hm2,耕地 394 hm2,盐荒地 43 hm2,村庄 40 hm2,是农田灌排系统比较完善,农业种植成熟的区域,无工业
点源污染。 试验区农田退水全部由北场支沟排泄,且从南到北将试验区分为两片(东区为北场支渠灌溉,西
区为左四支渠灌溉),近 3a来,试验区主要种植葵花、玉米、番茄等。
1. 2摇 数据收集方法
1. 2. 1摇 土壤与水体中氮收集方法
氮素平衡分析数据主要来自实际调查和定点定时(2009 年 6 月 25 日到 2010 年 4 月 25 日,图 1)采样化
验后得到。 调查数据包括渠道来水量(塔布渠管理所提供)、水利参数、气象资料(前旗气象局)、施肥量(表
1)、灌水量和作物种植面积(表 1)等数据。
表 1摇 试验区作物种植面积及施 N量
Table 1摇 Crop area and fertilization amount
作物
Crop
面积 / hm2
Area
氮肥 / kg
N fertilizer
吸收比
Uptake ratio
残留比
Residue ratio
氨挥发比
NH3
volatilization
ratio
N2O释放比
N2O
release
ratio
排泄比
Draining ratio
浅水含量比
N amount in
groundwater
葵花 Sun flower 290 91935 32 56 25 0. 96 0. 29 0. 02
玉米 Maize 77 29920 17 52 29 0. 97 0. 24 0. 02
番茄 Tomato 26 8250 18 60 20 0. 96 0. 29 0. 02
盐荒地 Wasteland 43 0 0 0 0 0
村庄 Town 39 0 0 0 0 0
合计 /平均 Sum / aver 477 130105 22 56 25 1 0. 26 2
摇 摇 吸收比、残留比、NH3挥发比、N2O释放比、排泄比和浅水含量比均为占总施氮量的百分比,由于误差引起百分比和值抑100
表 2摇 不同农田土壤剖面土壤质地分类
Table 2摇 Soil texture of different farmlands soil profile
土壤剖面 / cm
Soil profile
番茄地
Tomato
葵花地
Sunflower
玉米地
Maize
摇 0—20 砂土 砂土 壤土
摇 20—40 砂土 砂壤土 黏土
摇 40—80 壤土 壤土 黏土
摇 80—120 黏土 黏土 黏土
120—160 砂土 黏土 黏土
摇 摇 摇 摇 砂土、壤土、砂壤土和黏土的容重分别为 1. 52、1. 50、1. 48、1. 54
g / cm3
选取种植典型作物农田(图 1,玉米 4 个样点(7#、
8#、13#、14#)、番茄地 4 个样点(1#、2#、5#、6#)和葵花
地 5 个样点(3#、4#、12#、15#、16#),分布于左四斗沟两
侧。)和盐荒地(1 个样点,位置为“N5冶,图 1。)。 在每
个典型区中用 GPS 定点,以此点为圆心,以半径为
0郾 5 m的区域为采样区域。 根据河套灌区多年平均
浅层地下水埋深 150—210cm,将试验区有效土壤剖
面深度定为 160 cm。 按照 0—20、20—40、40—80、
80—120 和 120—160 cm 共 5 个层次,用土钻分层取
出土样后,装入密封袋,在当天将土样(鲜土)送于巴
彦淖尔市水利科学研究所化验分析土壤中硝态氮与铵态氮质量分数(表 2)。 同步采集土样,利用烘干法测定
土壤含水率,第 1 层和第 2 层为 0—10 和 10—20 cm,其它每个测定土层为 20 cm,总深度为 160 cm。 采样时
间:秋灌前(7 月 1 日),秋灌后(7 月 7 日,区域不同,秋灌的时间和灌水次数不同。),以后按照每月 15 号前后
采样直至翌年 4 月 25 日(由于 11 月到翌年 3 月间是封冻和解冻期,所以 11 月到次年 2 月共 4 个时段土壤无
法采集)。
灌溉水取样摇 在试验区引水口水面 25 cm以下取 500 mL 水样,取样后立即将水样装入 PVC 瓶中,密封
遮阳。 在当天将水样送于巴彦淖尔市水利科学研究所化验分析水体中硝态氮与铵态氮含量(以下水样采集、
保存和送样与此一致)。
浅层地下水取样采样点为“S、Z、X、N冶加数字表示,如“S7冶,共 22 个采样点(图 1),采样期为 2009 年 6 月
30 日到 2010 年 4 月 25。
排水沟中水样取样方法及时间同灌溉水取样,共设 3 个采样点(图 1)。 北场支沟排水量测定利用 LS68
1554摇 16 期 摇 摇 摇 杜军摇 等:基于水量平衡下灌区农田系统中氮素迁移及平衡的分析 摇
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图 1摇 试验区位置示意图
Fig. 1摇 Location of Study District
型旋杯式流速仪测定排水口(排水口为内径为 45cm涵管。)流速,然后乘以过水断面面积。 测定时间自 10 月
8 日(10 月 6 日开始秋浇。)8:00 和 20:00,连续观测 5d,记录下流速与水深,回归水深与流速的关系式后,每 3
d测定排水口水深,直至封冻。
典型沟道边坡渗漏通量观测方法:在左四斗沟上下游各选择长 50 m、沟底宽 2. 5 m、沟底至田面高差 165
cm、边坡为 1 / 2. 5 的沟段(图 1),并用土坝将典型沟段前后封堵。 7 月 1 日(秋灌开始,7 月 2 日边坡开始渗漏
水)将两段沟道中原有积水排干, 使其渗漏水自然累积,每天 8:00 和 20:00 测定积水深度并收集水样,直至 7
月 5 日观测完毕后,再将沟道中积水排干。 以 5 d为一个观测期,重复以上工作,直至 8 月 15 日(沟道已无积
水)。
土地利用类型面积计算以 1 颐10000 试验区地形图为基础,利用 GPS 定位仪和 GIS9. 0 软件分析绘制作物
种植结构图和种植面积(图 1)。 首先利用 GPS定位仪将各条沟道和渠道首尾坐标定位,对村庄、荒地和农田
(不同作物)区域拐点处定位;然后将这些控制点坐标以点文件形式导入 ArcGIS9. 0 软件中,绘制沟道与渠道,
并计算其长度;勾画村庄、荒地和农田区域,并计算出各自面积(图 1,表 1)。
2554 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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1. 2. 2摇 气态氮计算方法
DNDC(Denitrification鄄Decomposition,反硝化鄄分解作用模型)模型[15鄄16]是目前国际上最为成功的 N2O 释
放机理模型之一,该模型是反映农业土壤生态系统中 C、N生物地球化学过程的模型,主要模拟农业土壤尤其
是旱田土壤的 N2O释放过程。 DNDC模型必须结合包括气候、土壤、农业活动和作物等输入参数的数据库后
才能计算土壤的 N2O释放通量季节变化及区域农业土壤季或年的 N2O释放量。 模型由 6 个子模型构成[17],
分别模拟土壤气候、农作物生长、有机质分解、硝化、反硝化和发酵过程,这些过程描述了土壤有机质的产生、
分解和转化,最后给出土壤碳和氮各组分动态含量和 CO2、N2O、CH4、NO、N2等温室气体通量,时间步长以日
为单位。 运行模型的输入参数包括逐日气象数据(气温及降水)、土壤性质(容重、质地、初始有机碳含量及酸
碱度)、土地利用(农作物种类和轮作)和农田管理(翻耕、施肥、灌溉、秸秆还田比例和除草等),点位模型只要
根据种植情况输入数据,便可进行多年模拟[17]。
由于没有关于河套灌区农田系统中 NH3挥发、N2O释放和氮干湿沉降的实测资料可查。 本文利用 DNDC
模拟软件中“Site模型冶,以试验区作物施肥量、灌溉制度、农业管理制度、作物生物产量、试验区土壤属性、气
候和地理位置为基础,以 7 月 1 日、7 月 7 日、7 月 15 日、8 月 15 日和 10 月 1 日土壤剖面(0—50 cm)中硝态氮
和铵态氮的积累量为校核值(图 2),调整相关参数指标,从而模拟获得 2009 年 7 月 1 日到 12 月 31 日期间试
验区农田系统中 NH3挥发量、N2O释放量和氮干湿沉降量分别占施氮量的 25% 、1%和 0. 6译。
图 2摇 不同时期土壤剖面氮素积累实测值与模拟值
Fig. 2摇 Simulation and measured volume of N accumulation in soil profile indifferent period
1. 3摇 模型建立
1. 3. 1摇 农田系统水量平衡模型
河套灌区水循环是大型灌区的陆地水循环模式,它与一般的天然流域存在很大的不同,它包含地表水、土
壤水和地下水等水循环的全部要素,以径流的人工控制和灌溉—蒸散为主的水文过程。 试验区内浅层地下水
的主要补给源为耕地面状渗漏和渠道线状渗漏,浅层地下水埋深变化主要受到灌溉时间和量的影响(图 3)。
夏灌后,浅层地下水埋深从 152 cm(5 月 15 日)减小到 123 cm(6 月 15 日);秋灌(灌水量为 900—1100 m3 /
hm2,灌溉体中 NO-3 鄄N 和 NH+4 鄄N 浓度分别为 2. 43 和 1. 33 mg / L。)后,浅层地下水埋深从秋灌前(7 月 1 日)
140cm减小到秋灌后(7 月 6 日)的 89 cm。 进入 8 月后是作物蒸腾蒸发最旺盛的时期(番茄开始挂果成熟期,
玉米从抽穗到灌浆期,葵花处于显蕾期。),作物蒸腾蒸发量增强,土壤含水量减少较快。 在水势的作用下浅
层地下水上移补充土壤水分,使得浅层地下水埋深逐渐增大到 230 cm(9 月 30 日)。 秋浇(灌水量为 1800—
2000 m3 / hm2,灌溉水中 NO-3 鄄N和 NH+4 鄄N浓度分别为 2. 50 mg / L 和 0. 85 mg / L。)后,浅层地下水埋深急速减
小为 27 cm(11 月 15 日)。 随着潜水蒸发和冻土层的增厚,在水势的作用下,水位埋深逐渐增大为 217 cm(翌
年 2 月 15 日)。 由于河套灌区多年年内平均浅层地下水埋深为 155—200 cm之间,而沟道(支斗沟)底部与农
田田面平均高差为 170 cm。 因此,浅层地下水的消耗除了蒸腾蒸发外,还主要是以浅层地下水的水平迁移进
3554摇 16 期 摇 摇 摇 杜军摇 等:基于水量平衡下灌区农田系统中氮素迁移及平衡的分析 摇
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入沟道而进入(图 4)。
因此,建立以试验区内灌水量和降雨量为输入项,以浅层地下水水量变化、沟道积水、蒸腾蒸发和土壤水
分变化为主的输出项的水量平衡模型:
Qi + Qp = 吟Qg + Qd + Qe + 吟Qs + ETc (1)
式中, Qi时段内引水量(m3); Qp时段内降雨量(m3);吟Qg时段内地下水变化量(m3); Qd时段内排水沟中水
量的变化量(m3); Qe 时段内地下水开采量(m3); 吟Qs 时段内土壤含水量的变化量(m3); ETc 时段内蒸腾蒸
发量(m3)。
本文利用典型沟道单位时间内边坡渗漏量计算出试验区在秋灌期排水量占灌溉量的 3. 2% 。 测得试验
区秋浇期(2009 年 10 月 10 日到 12 月 10)排水量占总灌溉量的 12. 5% 。 试验区在秋灌到秋浇期间总排水量
占总灌溉量的 10. 1% (灌区总排干年平均排水量占灌区总灌溉量的 9. 5% )。 因此, Qd =0. 101伊 Qi 。
按照试验区渠系水利用系数 浊渠 = 浊支 伊 浊斗 伊 浊农 = 0. 582 计算出灌溉期浅层地下水补给量吟Qg = (1 -
浊渠) 伊 Qi 。
由此,式(1)转化为:
Qi + Qp = 0. 42Qi + 0. 10Qi + Qe + 吟Qs + ETc (2)
图 3摇 年内浅层地下水埋深变化
Fig. 3摇 Variation of groundwater water depth
图 4摇 时段内浅层地下水埋深与沟道积水深度变化
Fig. 4摇 Variation of groundwater table depth and ditch water depth
1. 3. 2摇 农田系统氮平衡模型
土壤中的氮来源不仅有微生物固定分子 N2和农田肥料的施用而获得,而且干湿沉降、灌溉水能将氮带也
入土壤中[18鄄19]。 在作物生育期内氮的输入量 NT (为了方便分析,现将土壤(0—160 cm)中的氮含量规定为输
入量。)用式(3)表示:
NT = Ni + Nf + Ns + N dwd (3)
式中, NT 总氮量(kg); Ni 灌溉水带入量(kg); Nf 化肥施入量(纯氮)(kg); Ns 时段初土壤中氮素含量(kg);
Ndwd氮的干湿沉降量(kg)。
农田系统中氮素的输出量包括:时段末土壤残留量(与时段初对应)、NH3挥发、N2O释放、作物吸收量、淋
洗量、随地下水开采量(由于地下水开采量主要是当地塔布村部分居住居民生活和牲畜用水,无工业开采量,
所以浅层地下水开采项可以忽略。)、排水沟中累积量。 所以,根据物质流分析的原理, 即物质守恒定律: 养
分的“输入= 输出+ 盈余冶,式(3)变为:
NT = N忆s + Nd + Ng + Nup + NNH3 + NN2O (4)
Ni + Nf + Ns + Ndwd = N忆s + Nd + Ng + Nup + NNH3 + NN2O (5)
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式中, N忆s时间段内末土壤中 N素含量(kg); Nd时段内沟道中 N素的量(kg); Ng时段内淋洗到浅层地下水中
的量(kg);NNH3时段内以 NH3挥发损失量(kg);NN2O时段内以 N2O 损失量(kg);Nup时段内植物吸收量(kg)。
为了更好的反映出农田系统中氮与水分的关系,本文采用半经验的根据根系吸水量和土壤中 NO-3 鄄N 浓度估
算氮素的吸收量,所以 Nup =Cn姿S[20鄄21],式中 S为根系吸水量(cm3·cm-3·d-1),S的计算采用将蒸腾量按比例分
配根层的计算方法,即计算出作物的潜在腾发量后,按照计算出阶段内作物的实际蒸腾量,再将腾发量根据影
响根系吸水率因素或经验分布规律按比例分配到根层的不同深度。
式(5)中左边各项可用以下各式计算:
Ni = QiC i (6)
Ns =移
n
j
M jCs j (7)
Ndwd = 0. 000062Nf (8)
式中, C i 为灌溉水中氮素的浓度(mg / L); M j 为计算土层的重量(kg); Csj 为不同土层在时段初 N 素的浓度
(mg / kg)。
式(5)中右边各项可用以下各式计算:
N忆s =移
n
j
M jC忆s j (9)
Nd = 0. 101QiCd (10)
Ng = Qi(1 - 浊渠)Cg (11)
Nup = C
-
sj·姿· - 0. 21 + 0. 70LAI1 /( )2 ·ETc·
驻兹 j
驻兹 (12)
NNH3 = 0. 25Nf (13)
NN2O = 0. 01Nf (14)
式中, C忆s j 为不同土层在时段末 N素的浓度(mg / kg); j为土层编号;n为土层总数; C
-
sj 为不同土层 N素在时
段内的平均浓度(mg / kg); Cd 时段内沟道水体中 N 素浓度(mg / L); Cg 时段内浅层地下水中 N 素浓度(mg /
L); 姿根系吸收氮素的吸收系数,取 0. 8;LAI 为作物叶面积指数; ETC 为时段内作物潜在腾发量; 驻兹 j 单个土
层中土壤含水率变化量; 驻兹计算土壤剖面中含水量的总变化量。
由式(1)—(14)联立,建立农田系统中水量平衡和氮素平衡的联立模型,即:
QiC i + 移
n
j
M jCs j + Nf + 0. 000062Nf =移
n
j
M jC忆s j + 0. 101QiCd + Qi(1 - 浊渠)Cg +
C
-
sj姿 - 0. 21 + 0. 70LAI1 /( )2 ETc
驻兹 j
驻兹 +
0. 2Nf + 0. 01Nf (15)
依据式(15)计算时,将同种作物不同采样点的相关值以平均值计算。 由于本文从 7 月 1 日(此时玉米和
番茄进入生育期中期,葵花进入幼苗期)开始采样,式(15)中移
n
j
M jCs j + Nf项为时段初土壤中氮含量(表 3)。
2摇 结果与分析
2. 1摇 浅层地下水中氮素的变化
从秋灌(7 月 1 日)到翌年 4 月份,浅层地下水平均埋深为 150 cm,且埋深出现了 2 个峰值和 2 个谷值(图
3)。 水位的波动对土壤中氮素的影响很明显,随之也影响着浅层地下水中氮素浓度变化(图 5)。 秋灌后,浅
层地下水中氮素浓度稍有上升(图 5),NO-3 鄄N和 NH+4 鄄N质量分数从秋灌前(7 月 1 日)0. 01 mg / L和 1. 28 mg /
L上升到秋灌后的 0. 33 mg / L和 1. 88 mg / L(8 月 15 日),随着氮素之间的转化和浅层地下水蒸发,2 者浓度又
下降到秋浇前的 0. 12 mg / L和 1. 44 mg / L(10 月 1 日)。 秋浇后,大量的 NO-3 鄄N 被淋洗到浅层地下水中。 同
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时,由于秋浇水量特大,增加了浅层地下水中泥沙和有机质含量(观测井中目测),也就随之增加了浅层地下
水中 NH+4 鄄N浓度(吸附态氮和有机质的矿化。)。 因此,浅层地下水中两中氮素质量分数上升幅度较大(由于
NO-3 鄄N和 NH+4 鄄N化学性质的差异,浅层地下水中两者最大质量分数出现的时间不同),分别为 0. 90 mg / L(11
月 15 日)和 3. 75 mg / L(12 月 15 日)。 从图 4—图 6 看出,沟道水体中 N 浓度随着浅层地下水水位上升和渗
漏通量的增大而增大,反之亦然。 主要原因在于浅层地下水的侧流和土壤水的侧渗将大量的氮素带入沟道
中。 综上所述,从秋灌和秋浇后的浅层地下水中氮素质量分数的增加幅度来看,秋浇是河套灌区产生农业面
源最严重的时期。
表 3摇 试验区农田系统中氮素平衡 / kg
Table 3摇 N balance in the farmland system / kg
作物
Crop
输入项 Input item
引入量
Irrigated
amount
土壤含量
Content
in soil
沉降量
Deposition
输出项 Output item
吸收量
Uptake
amount
残留量
Residue
氨 NH3
氧化亚氮
N2O
排泄量
Drain
amount
浅水含量
N amount in
groundwater
误差 Error
绝对
Absolute
相对
Relative
葵花 Sunflower 3657 96741 6 30750 53253 22984 919 282 2098 -9881 -0. 10
玉米 Maize 976 28362 2 5451 16161 7480 299 75 560 -687 -0. 02
番茄 Tomato 327 8761 1 1552 5164 2063 83 25 188 15 0. 00
荒地 Wasteland 3636 0 0 6126 0 0 0 0 0 0. 00
合计 Sum 4961 133864 8 37753 74578 32526 1301 382 2845 -10553 -0. 08
2. 2摇 农田系统氮平衡分析
作物的生育性状的差异直接导致田间施肥和土壤中残留量的不同。 从表 2 中看出,玉米地单位施氮量较
高,番茄和葵花的相近;地土壤中残留比是玉米<葵花<番茄,而吸收比却是玉米抑番茄。 这种土壤残留比和
吸收比的差异,正反映出玉米的生育期长,且灌溉量和灌水次数均高于葵花和番茄。 同时,氨挥发比和 N2O
释放比相对较大,也说明施肥量和灌溉量较大时,产生的农业面源氮污染较严重。
图 5摇 地下水中氮素浓度变化
Fig. 5摇 Variation of N content in groundwater
图 6摇 沟道水体氮素浓度变化
Fig. 6摇 Variation of N content in ditch water
从试验区整体考虑,在秋灌—秋浇期间试验区农田系统中作物吸收量、时段末土壤残留量、NH3、N2O、沟
道排泄量和淋洗量分别占总施氮量的 22% 、57% 、25% 、1% 、0. 3%和 2% (表 2,由于土壤原有氮量较高,百分
比和值抑100)。 试验区农田系统中阶段内氮通量的增高,主要是由于农业化肥的施用。 尽管试验区由灌溉
引入的无机氮为 4961 kg(表 3),但按照河套灌区当年秋灌—秋浇期间总引水量计算而引入的无机氮总量达
到 1郾 21 万 t。 从河套灌区农业面源污染物负荷分析,秋灌—秋浇期间,作物吸收量仅占总施氮量的 22% ,施
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肥量的 57%残留在了土壤中,随农田退水排出试验区的氮为 0. 26% 。 若按照河套灌区当年当季总农田退水
计算将有 840 t 氮脱离农田而进入沟道中,直接影响下游乌梁素海生态环境(由于水生植物对氮的截留和吸
收,消耗了大部分氮,进入乌梁素海的氮量相对较低)。
3摇 讨论
3. 1摇 灌区污染潜势分析和防治
对灌区农田系统氮平衡分析可知,土壤中氮的残留量、淋溶量和沟道排泄量与氮素的输入量和灌溉量有
密切的关系。 农田中施肥量的增加导致农田系统中氮通量的增高,而灌溉量和灌水次数的增多又是农田系统
中氮损失的诱导因素。 河套灌区年平均施肥量为 59 万 t(氮、磷肥有效利用率为 35%和 22. 4% ),灌水次数达
到 7 次,必然导致农业面源污染的加重。 近 10 a的节水灌溉的实施,年均引水量下降为 44. 5 亿 m3,排干汇入
乌梁素海的农田退水量降为 4. 5 亿 m3,而参与储备的总氮为 330 t左右。 据李畅游对乌梁素海富营养化主控
因子年季变化分析发现乌梁素海上浮水中主要的氮素形态为 NH+4 鄄N[10],且湖水中氮和磷的增加主要原因是
上游河套灌区多年来化肥的使用量逐渐增加[10鄄11]。 从农田系统氮平衡分析可知,浅层地下水和沟道水体中
氮素主要形态也是 NH+4 鄄N。 从这一点上分析,河套灌区的农业面源污染对下游乌梁素海富营养化有着显著
的影响。 朱兆良曾指出目前氮污染高风险地区在中国东南沿海的 7 个省(市) 和中部的湖北省,按照目前趋
势如不加以控制,预计到 2010 年除江西、山西外,中国东部及东南部地区 15 个省(市) 将全面进入氮污染高
风险区域[22 ]。 有研究[22]显示,内蒙古等地区的氮污染负荷量呈“低风险冶,但是从目前河套灌区施肥量的增
高且利用率较低,乌量素海多次的赤潮和黄藻的发生来看,灌区的农业面源污染治理刻不容缓。
在河套灌区秋收后作物秸秆还田比例不足 30% ,大部分秸秆被焚烧或废弃在沟道和荒地中,无形中增加
了有机肥的损失(这也是国内目前有机氮养分资源利用率不高一个重要原因[23]。)。 由于有机氮肥能对化学
氮肥中易淋失的氮素养分吸附和保存,减少氨挥发的气态损失和淋溶损失,同时化学氮肥的施用能补充有机
氮肥肥效缓慢的缺点。 因此充分利用有机养分,且注重有机氮肥和化学氮肥的配合施用是降低河套灌区农田
生态系统氮养分污染潜势的重要途径。
3. 2摇 参数取值
运用农田生态系统养分平衡模型进行农田养分输入、输出和盈余估算一个很重要的问题就是参数的选
取,为了保证得到的参数更可靠, 本研究较多的采用实测值。 对于一些灌区没有实测资料可参考的参数,采
用权威参数值选取,特别是应用 DNDC软件来分析气态氮的量素。 目前世界上已有很多国家的科学家在使用
DNDC模型来进行应用研究[17],如模拟分析意大利和德国的水稻田、加拿大的麦田等农田的碳氮循环和英国
洛桑 100 多年试验田的土壤有机质动态等。 该模型已在不同气候带、不同土地类型和不同种植方式下,对温
室气体如 CO2、N2O、CH4的排放特征、土壤有机碳的变化特征等进行了大量的模拟,其科学性也已被广泛证
实。 由于灌区农业种植结构统一性较差,没有应用软件中的“region冶模型,而采用“site冶模型计算出作物生长
期期间产生气态氮通量。 目前,没有关于河套灌区农田系统中氮干湿沉降、氨挥发和 NOx释放的实测资料可
查,对相关的科研工作有较大的影响。 因此,在今后的相关科研中,应增加对河套灌区氨挥发和 NOx释放等值
的监测。
关于作物吸收氮量的计算,该研究为了使式(15)中更好的反映出氮与水分的关系而采用半经验的根据
根系吸水量和土壤中 NO-3 鄄N浓度估算氮素的吸收量,增加了应用参数。
4摇 结论
(1)从农田系统水量平衡和氮平衡共同应用分析灌区农田系统中氮平衡,不仅较好的反映出农业面源污
染物(氮)在整个农田系统中的流向,而且更好的说明在系统中那些项的变化可以有效增加养分利用率,那些
项的变化可以减少农业面污染物的贡献。
(2)秋灌—秋浇期间,玉米、番茄和葵花作物对氮的吸收率分别为 17% 、18%和 32% ,土壤中残留量分别
为 57% 、60%和 58% 。 依据河套灌区年施肥 60 万 t计算,土壤残留量达到 17. 2 万 t。 在秋灌鄄秋浇期间从黄
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河引入的氮总量达到 1. 21 万 t,随农田退水进入沟道的量为 840 t。
(3)由于灌区农田系统年施肥量较大,而化肥的利用率较低。 虽然近 10a 来灌区的引水和排水均减少的
情况下,但是进入乌梁素海的氮任保持在 330t左右。 化肥使用量的降低和灌水量和次数的减少,将有效的减
少农田系统中氮素的输入量。 同时,加强秸秆还田等有机养分的使用,将有效的减少农业非点源污染物的
产生。
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9554摇 16 期 摇 摇 摇 杜军摇 等:基于水量平衡下灌区农田系统中氮素迁移及平衡的分析 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 16 August,2011(Semimonthly)
CONTENTS
A comparative study on the diversity of rhizospheric bacteria community structure in constructed wetland and natural wetland
with reed domination WANG Zhongqiong, WANG Weidong, ZHU Guibing, et al (4489)………………………………………
Light response of photosynthesisand its simulation in leaves of Prunus sibirica L. under different soil water conditions
LANG Ying, ZHANG Guangcan,ZHANG Zhengkun,et al (4499)
………………
…………………………………………………………………
Effects of colour shading on the yield and main biochemical components of summer鄄autumn tea and spring tea in a hilly tea field
QIN Zhimin, FU Xiaoqing, XIAO Runlin, et al (4509)
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Effects of cadmium on the contents of phytohormones, photosynthetic performance and fluorescent characteristics in tobacco leaves
WU Kun, WU Zhonghong, TAI Fuju, et al (4517)
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Comparative physiological responses of cadmium stress on Enteromorpha clathrata and Enteromorpha linza
JIANG Heping, ZHENG Qingsong, ZHU Ming, et al (4525)
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Effects of salt stress onglucosinolate contents in Arabidopsis thaliana and Thellungiella halophila rosette leaves
PANG Qiuying, CHEN Sixue, YU Tao, et al (4534)
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Effects of long鄄term double鄄rice and green manure rotation on rice yield and soil organic matter in paddy field
GAO Jusheng, CAO Weidong, LI Dongchu, et al (4542)
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Nitrogen balance in the farmland system based on water balance in Hetao irrigation district,Inner Mongolia
DU Jun,YANG Peiling,LI Yunkai,et al (4549)
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Seed characteristics and seedling growth of Spartina alterniflora on coastal wetland of North Jiangsu
XU Weiwei,WANG Guoxiang,LIU Jin忆e,et al (4560)
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Assessment of non鄄point source pollution export from Zigui county in the Three Gorges Reservoir area using the AnnAGNPS model
TIAN Yaowu, HUANG Zhilin, XIAO Wenfa (4568)
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Effects of Cadmium pollution on oxidative stress and metallothionein content in Pirata subpiraticus (Araneae: Lycosidae) in
different habitats ZHANG Zhengtian,PANG Zhenling,XIA Min,et al (4579)……………………………………………………
The distribution of size鄄fractionated chlorophyll a in the Indian Ocean South Equatorial Current
ZHOU Yadong, WANG Chunsheng, WANG Xiaogu, et al (4586)
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Change of waterbird community structure after the intertidal mudflat reclamation in theYangtze River Mouth: a case study of
NanHui Dongtan area ZHANG Bin, YUAN Xiao, PEI Enle, et al (4599)………………………………………………………
Application of fish assemblage integrity index(FAII)in the environment quality assessment of surf zone of Yangtze River estuary
MAO Chengze, ZHONG Junsheng, JIANG Rijin, et al (4609)
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Population age structure of Antarctic krill Euphausia superba off the northern Antarctic Peninsula based on fishery survey
ZHU Guoping, WU Qiang, FENG Chunlei, et al (4620)
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Validation and adaptability evaluation of rice growth model ORYZA2000 in double cropping rice area of Hunan Province
MO Zhihong, FENG Liping, ZOU Haiping, et al (4628)
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Coupled energy and carbon balance analysis under dryland tillage systems
WANG Xiaobin, WANG Yan, DAI Kuai, et al (4638)
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The nitrate鄄nitrogen leachingamount in paddy winter鄄spring fallow period WANG Yongsheng, YANG Shiqi (4653)…………………
The sources of organic carbon and nitrogen in sediment of Taihu Lake NI Zhaokui, LI Yuejin, WANG Shengrui, et al (4661)……
Effect of partial solar eclipse on airborneculturable bacterial community in Urumqi
MA Jing, SUN Jian, ZHANG Tao, et al (4671)
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Comparative study on density related intra鄄 and inter鄄specific effects in Laodelphax striatellus (Fallen) and Nilaparvata lugens
(St覽l) L譈 Jin, CAO Tingting, WANG Liping, et al (4680)………………………………………………………………………
Behavior rhythm and seasonal variation of time budget of sun bear (Helarctos malayanus) in captivity
LAN Cunzi, LIU Zhensheng, WANG Aishan, et al (4689)
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Disturbance regimes and gaps characteristics of the desert riparian forest at the middle reaches of Tarim River
HAN Lu, WANG Haizhen, CHEN Jiali, et al (4699)
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Death causes and conservation strategies of the annual regenerated seedlings of rare plant, Bretschneidera sinensis
QIAO Qi, QIN Xinsheng, XING Fuwu, et al (4709)
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Effects of municipal compost extracted complex microbial communities on physio鄄ecological characteristics of turfgrass under
drought stress DUO Lian,WANG Jingjing, ZHAO Shulan (4717)…………………………………………………………………
Spatiotemporal relationship of leaf area index simulated by CLM3. 0鄄DGVM and climatic factors
SHAO Pu, ZENG Xiaodong (4725)
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Analysis of circular economy of Liaoning Province based on eco鄄efficiency HAN Ruiling, TONG Lianjun, SONG Yanan (4732)……
Review and Monograph
The fungal to bacterial ratio in soil food webs, and its measurement CAO Zhiping, LI Depeng, HAN Xuemei (4741)………………
Indicators for evaluating sustainable communities: a review ZHOU Chuanbin, DAI Xin, WANG Rusong, et al (4749)………………
Discussion
Differential expression of PAL multigene family in allelopathic rice and its counterpart exposed to stressful conditions
FANG Changxun, WANG Qingshui, YU Yan, et al (4760)
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Scientific Note
Ecology study on the benthic animals of QinZhou Bay WANG Di,CHEN Pimao,MA Yuan (4768)……………………………………
Change characteristics of soil carbon and nitrogen contents in the Yellow River Delta soil after artificial restoration
DONG Kaikai, WANG Hui,YANG Liyuan, et al (4778)
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Estimation and spatial pattern analysis of forest biomass in Fenglin Nature Reserve based on Geostatistics
LIU Xiaomei, BU Rencang,DENG Huawei,et al (4783)
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Study on sap flow in forest of Quercus liaotungensis and Populus davidiana by using the TDP method
SUI Xuhong,ZHANG Jianjun,WEN Wanrong (4791)
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N2O Emission and its driving factors from typical marsh and shrub swamp in Xiaoxing忆an Mountains, Northeast China
SHI Lanying, MU Changcheng, TIAN Xinmin, et al (4799)
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2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊绎
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
摇 绎《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1郾 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷摇 第 16 期摇 (2011 年 8 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 31摇 No郾 16摇 2011
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