研究背景 氮素是水稻生长发育的关键元素，其利用效率备受关注。传统研究多聚焦于土壤氮流失，而忽视了植株地上部分的氮气损失。研究发现，水稻植株尤其在开花和灌浆后期，会排放大量氨气。这一时期，叶片中的叶绿体成分大量降解，产生大量的NH4+。谷氨酰胺合成酶（GS）通常促进氮的循环利用，但衰老过程中GS活性的下降会损害NH4+的同化能力，导致NH3挥发损失。叶片由绿变黄是灌浆期氮素再利用最直观的指标。那么，叶片变色的快慢是否可以预测氨挥发的多少？中国水稻研究所的王丹英老师团队联合华中农业大学和浙江大学等团队对此进行了深入探讨。相关成果发表在《The Crop Journal》期刊。研究以灌浆期不同叶片颜色变化特征的水稻品种为研究对象，采用15N同位素示踪结合动态流通室技术精准量化植株源氨挥发，并同步监测叶片颜色动态变化及关键生理指标。研究发现，水稻叶片颜色变化率与灌浆期氨挥发量呈极显著正相关，叶片变色快的品种因质外体 NH4+ 浓度高、NH3 补偿点高及GS活性低而导致更高的气态氮损失。该结果揭示了叶片表型与氮素气态损失的内在联系，为选育低氨挥发氮高效水稻品种及通过栽培管理延缓叶片衰老以减少氮损失提供了理论依据。 图1.采用动态流通室（DFC）法测定植物氨挥发量。研究方法实验设计：研究在2023年和2024年在杭州市富阳分别进行了水稻不同品种的水培实验，采用分区实验设计，选取5个叶片颜色变化...
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研究背景在陆地生态系统的水循环中，蒸散是连接地表与大气水分和能量交换的关键途径。尤其对于农田生态系统而言，准确估算作物的实际蒸散量，不仅有助于理解作物水分利用效率，还能为农业水资源管理和干旱应对提供科学依据。然而，现有的估算方法却面临诸多挑战：（1）传统气象模型：理论基础扎实，但依赖完整的气象数据，且难以捕捉植被光合作用的生理过程；（2）遥感指标局限性：太阳诱导叶绿素荧光（SIF）虽能直接反映光合活性，但在水分胁迫下存在响应滞后；光化学反射指数（PRI）能灵敏跟踪短期胁迫响应，但鲜少被纳入机器学习模型中；因此，如何融合多源数据，利用深度学习挖掘气象与生理指标的协同价值，成为了提高实际蒸散量（ETc act）估算精度的新途径。近期，西北农林科技大学蔡焕杰老师的团队联合沈阳大学和石河子大学的团队在《Agricultural Water Management》期刊发表最新研究成果，该研究通过融合SIF、PRI与气象要素，结合时间卷积网络和SHAP可解释性分析，系统揭示了多源数据在水分胁迫下对作物实际蒸散量的协同作用机制。该成果不仅为精准估算农田蒸散提供了新的技术路径，也为理解作物在水分胁迫下的生理响应机制、优化农业水资源管理提供了科学支撑。 图1.杨凌野外试验基地概况。注：(a) 显示了杨凌研究基地在中国西北部的具体位置。(b-f) 展示了本研究中使用的光合速率相关指标、通量和气象数据的...
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研究背景作为我国西部重要的生态安全屏障，祁连山南坡的阿咪东索小流域地处高寒干旱带，不仅承载着独特的山地生态系统，更是下游河西走廊及绿洲农业的关键补给水源。在高寒干旱区，极端气候条件和强烈的蒸发效应会导致水体同位素信号呈现出显著的时空变异性。稳定氢氧同位素作为示踪水文循环路径的“天然指纹”，成为精准揭示降水、地表水、地下水和土壤水之间的复杂转化关系与补给机制的理想手段。然而，尽管稳定同位素在水文学中的应用进行了大量的研究，但以往研究多集中于单一水体或大尺度区域，对于像阿咪东索这样的高寒干旱小流域尺度下多种水体（降水、河水、土壤水、地下水）同位素特征的综合演化规律及其与区域气候 - 水文过程的关系，尚缺乏系统性解释。阿咪东索小流域凭借其高海拔、强季节性波动及干旱特征，成为了解析高寒干旱区水文动态、弥补研究尺度缺口的天然实验室。基于此，青海师范大学曹广超老师团队以祁连山南坡阿咪东索小流域为研究对象，通过对2023-2024年间降水、河水、地下水及土壤水等多水体的氢氧稳定同位素进行系统观测与分析，揭示了高寒干旱区水体同位素季节性强烈波动、地表水快速响应与地下水缓慢更新、高海拔气候地形协同调控的演化规律。相关研究成果发表于国际学术期刊《Water》。该研究为高寒干旱区水资源管理，特别是干季水源配置、地下水保护及水文过程预测提供了新的数据支持，奠定了科学基础。 图1.研究区域及采样点示意图。研...
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复杂胁迫下作物产量早期预测的挑战与瓶颈作物产量预测是评估田间管理效果与辅助育种决策的关键环节。相较于传统作物模型依赖多源复杂参数，机器学习模型结合遥感技术，能以无损、高通量的方式实现作物表型监测与产量预测。尽管如此，现有模型在实际应用中仍面临两大挑战：（1）早期预测精度不足：作物冠层结构对干物质积累的影响随生长期推进而增强，导致依赖形态变化的模型在早期预测精度受限，难以满足育种早期决策需求；（2）复合胁迫下的泛化误差：田间环境复杂，水氮胁迫往往联合发生。年份间的环境变异及胁迫组合差异，导致模型在面对与训练集分布不同的目标样本时，产生显著的泛化误差；基于此，中国农业科学院陈震老师团队联合河南大学、邢台农科院等团队在《Agricultural Water Management》发表研究。团队以水氮联合胁迫下的冬小麦为研究对象，结合无人机高光谱遥感数据，提出了一种基于多胁迫数据融合的可解释跨周期集合学习框架（APEL），研究证实，该方法显著提升了模型在复杂胁迫环境下的预测精度与泛化能力，为作物早期产量预测提供了高精度、可解释的技术支撑，对推动智慧农业发展与节水育种实践具有重要的科学意义与应用价值。 图1.研究区域和实验设计。多应力融合与跨周期集合学习研究区域：研究在河南省新乡市的中国农业科学院新乡综合试验基地和河北省农林科学院的Yanli试验基地两个试验站点开展了为期两年（2022-20...
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研究背景农村生活污水处理对改善人居环境具有重要意义，但其治理过程涉及多个环节，构成了一项复杂的系统工程。过去，受限于农村经济基础薄弱，缺乏物质和制度支持，污水治理手段相对匮乏。然而，随着脱贫攻坚的胜利，我国农村污水处理在一定程度上取得了进展，但仍面临管护机制不健全、设施建设和维护困难等挑战。因此，迫切需要开发低能耗、易管理、高效的污水处理技术。传统污水处理方式往往存在高能耗和高成本等问题，导致治理效果不尽如人意。人工湿地技术（CWs）因其低能耗、低成本和较好的处理效果，成为一种理想的处理方案。然而，由于废水中碳负荷较高，人工湿地在去除营养物质和有机物的过程中可能排放大量CO2，这不仅会加剧全球变暖问题，还可能降低其生态效益，进而限制了人工湿地在污水处理中的广泛应用。基于此，山西农业大学甄志磊老师团队以山西省运城市的一个农村生活污水处理厂为研究对象，提出了利用厌氧预处理与先进人工湿地处理工艺相结合的农村生活污水治理方式。研究成果发表于《Ecological Engineering》期刊。团队通过14个月的水质监测、CO2原位测定、高通量测序与植物生物量分析，研究了不同植物配置对污水中COD、氮磷等污染物的去除效率及CO2排放的影响。结果表明，景观设计能够提高植物多样性，优化污水处理能力，并促进碳固定。该研究为农村污水低碳处理技术的进一步推广和优化奠定了基础。 图1.厌氧池和人工湿地（...
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研究背景甘蔗是全球生物经济的基石，其高产高效依赖于精准的养分管理。传统的营养评估方法依赖于实验室化学分析，但这些方法不仅具有破坏性，还非常耗时且成本高昂，难以满足精准农业对高频、原位监测的需求。可见光-近红外-短波红外（Vis-NIR-SWIR）光谱技术因快速、无损等优势，已成为农业科学中的一种强大分析工具。然而，叶片样品制备方式（鲜样原位测量和烘干磨碎测量）对光谱预测性能的影响仍存争议。尽管新鲜样品在光谱研究中被广泛使用，但在甘蔗NPK综合估算中，系统地评估样品干燥对预测性能的影响，特别是与先进的机器学习算法相结合时，仍然是一个有待探索的问题。近期，巴西巴拉那联邦科技大学的研究团队领衔，联合米纳斯吉拉斯州立大学和马林加州立大学的研究团队，以甘蔗叶片为研究对象，系统评估了不同样品制备方式对Vis-NIR-SWIR光谱预测N、P、K含量的影响。相关研究成果发表于《Measurement》期刊。该团队通过对比鲜叶与干叶光谱，结合不同机器学习算法，系统分析了模型性能、特征波长及养分-光谱关联机制。结果表明，干燥处理显著提升了N的预测精度，而新鲜叶片对P和K的预测表现更优。该研究为甘蔗无损营养诊断中样品制备策略的差异化选择提供了关键数据支撑，并为精准农业中光谱技术的作物特异性应用奠定了方法学基础。 图1. 实验区的地理位置。研究方法研究区域：研究团队在巴西巴拉那州帕拉纳瓦伊市一块2000平...
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研究背景磷是生态系统中不可或缺的营养元素，对于植物生长和生态系统的生产力至关重要，然而，全球陆地生态系统普遍存在磷限制现象，尤其是在草原生态系统中，约37%的区域受到磷有效性的制约。土壤中的磷常以难溶性形态存在，很难被植物直接利用，而土壤微生物在促进不溶性磷组分的释放和提高土壤磷有效性方面发挥着关键作用。土壤团聚体是土壤结构的重要组成部分，不同粒径的土壤团聚体中微生物特性差异显著，这些差异会影响磷组分的微生物驱动机制，从而导致不同团聚体对土壤磷动态的微生物调控作用存在差异。已有研究表明，刈割和施磷可以通过改变土壤团聚体的比例直接影响土壤微生物特性，但关于这些因素（刈割和施磷）如何作用于土壤团聚体及其相关的微生物特性，以及微生物如何调控磷组分的机制，当前的研究仍然较为有限。基于此，东北师范大学孙伟老师团队以中国东北半干旱草甸草原——松嫩草原为研究对象，进行为期八年的野外控制试验，系统研究了刈割和施磷对土壤磷组分及微生物驱动因素的影响。相关研究成果发表于《Frontiers in Microbiology》期刊。该团队通过长期的刈割和施磷实验，结合土壤团聚体分级、Hedley磷形态连续提取以及微生物生物量、酶活性与群落结构分析，揭示了土壤微生物如何调节磷的动态变化，明确了环境因子如何影响磷的生物可利用性。该研究为草地生态系统中磷循环机制的深入理解提供了数据支撑，并为草地管理提供了重要的...
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陆地降水主要源于外部水汽平流与局部蒸散，其中由局部蒸散贡献的部分被称为水分再循环。在全球尺度下，约40%的陆地降水由水分再循环贡献，其过程受大尺度大气环流、土壤湿度、植被类型及林冠特征等多种因素协同驱动。中国黄土高原作为全球最大的黄土沉积区，长期面临严重的土壤侵蚀和生态脆弱问题。为应对这些挑战，中国于20世纪90年代末启动了“退耕还林工程”，这一工程显著提高了黄土高原的植被覆盖率，并显著影响了该地区的水文动态和水资源供给，使当地水资源达到了其最大承载能力。目前，关于植被恢复的研究多侧重于其减沙控沙的功能，对其引起的蒸散耗水增加如何影响水分再循环及水资源溢出效应关注不足。尽管植被恢复能促进水分再循环已成共识，但其背后的驱动机制仍有待深入阐明。近期，西北农林科技大学李志老师团队在《Geoderma》期刊上发表了一项研究，针对黄土高原植被变化，运用稳定同位素技术和水分平衡模型，揭示了浅根植物向深根植物转变过程中水分循环的变化机制。研究发现，深根植物能够更有效地利用深层土壤水，显著增强蒸腾作用，从而提高水分再循环率。这一发现为干旱和半干旱地区的生态修复及水资源管理提供了重要的科学依据。 图1.降水中水分再循环示意图。 图2.（a）研究区域位置（b）研究区域内2000年至2023年归一化植被指数（NDVI）的时间变化模式（c）采样点详细视图，包括草地、灌丛和林地。研究方法：同位素示踪与混合模...
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湿地作为全球温室气体（GHG）排放清单中的重要自然排放源，一直以来备受关注，尤其是二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的排放。然而，现有研究大多集中于大型湖泊和开阔水域，对于广泛分布但面积较小的湿地系统，特别是其生态敏感的沿岸区，仍缺乏系统性的长期观测与评估。近年来的研究显示，小型湿地单位面积的碳排放强度可能远高于预期，特别是在湿地沿岸带，频繁的水位波动、旺盛的植被，以及复杂的土壤‑水体‑大气界面过程，可能形成显著的CO₂和CH₄排放通道。尽管如此，目前针对该区域生长季节碳通量的连续观测仍显不足，其排放动态、环境因子的驱动机制及其在温室气体清单中的代表性尚未得到充分明确。在此背景下，安徽建筑大学聂玮老师的团队以安徽建筑大学南校区的小型湿地为研究对象，研究了沿岸区温室气体排放的时空变化及其环境驱动因素，相关研究成果发表于《Marine and Freshwater Research》期刊。该团队通过高频连续监测技术，成功测量了小湿地沿岸区的CO₂和CH₄排放，揭示了温室气体排放在生长季节内的动态变化，明确了环境因子（如气温、土壤温度、风速、土壤pH等）如何影响排放速率。此研究为进一步理解小湿地在全球碳循环中的潜在贡献，以及湿地在气候变化背景下的作用提供了重要的科学依据。 图1.研究地点和试验地块示意图研究方法：高频监测捕捉排放动态研究区域：研究团队在安徽建筑大学南校区建立了一个实验性小...
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桉树因其生长快、适应性强，成为全球重要的经济树种。然而，在植物生长过程中，缺水对它们的生长、生产力和质量产生很大的负面影响。传统的监测方法多依赖于NDVI、PRI等植被指数，或通过测量生物量、株高等生理指标进行评估。这些方法要么灵敏度不足，在早期胁迫阶段难以检测；要么特异性有限，无法区分水分胁迫与其他非生物胁迫。近年来，高光谱成像技术的快速发展为植物胁迫的早期监测提供了新的可能性。与传统多光谱技术不同，高光谱成像可以获取连续波长范围内的详细光谱信息，从而捕捉植物生理的细微变化。基于这一技术，智利康塞普西翁大学的研究团队在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》期刊上发表了相关研究。研究人员利用VIS-NIR高光谱成像技术，结合化学计量学方法，深入探讨了桉树在水分亏缺胁迫下的生理响应。结果显示，高光谱成像能够精确区分不同胁迫水平，特别是在水分亏缺严重时，能有效反映植物的胁迫响应。这项研究为水分亏缺的早期检测提供了新技术，对精准森林管理和抗旱品种选育具有重要意义。 图1.样品和HSI数据采集（A）和HSI数据的化学计量学分析（B）。实验方法实验设计：选取4种具有经济价值的桉树基因型（包括2个E. globulus和2个E. gloni杂交品种），每个基因型包含40株树苗，共计160株。 实...
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