格兰特-哈里斯奖学金
往届获奖者

2024 受助人

丹尼尔-塔克
维多利亚大学

奖品:多种类型的ATMOS 气象站、PHYTOS 31 叶片湿度传感器、Pyranometer、TEROS 54 土壤湿度剖面探头、ZL6 数据记录器和订阅《维多利亚大学学报》。ZENTRA Cloud

主题:雨林与干旱胁迫:对不列颠哥伦比亚省沿海古老树种和次生树冠的影响
OLANIYI AFOLAYAN
奥本大学

奖品:多种类型的TEROS 土壤湿度传感器、HYDROS 21 水深传感器、ATMOS 41W 无线气象站、ZL6 数据记录器和订阅《中国气象报》。ZENTRA Cloud

主题:土壤管道对浅层滑坡水力学响应的影响
杰克-坎贝里奥
路特格斯大学

奖品: TEROS 12 个土壤含水量传感器、TEROS 21 个土壤水势传感器、ZL6 数据记录器和订阅《美国农业大学学报》。ZENTRA Cloud

主题:应用地球物理学和水传感器量化秘鲁安第斯山区的水资源
雅各布-梅乌森
华盛顿州立大学

奖品:多种类型的TEROS 土壤湿度传感器、ZL6 数据记录器和订阅《美国农业大学学报》。ZENTRA Cloud

主题:提高马铃薯水分利用效率和种植者在高温和水分胁迫事件中的收益的创新生产实践
凯瑟琳-麦库尔
俄勒冈州立大学

奖品: TEROS 12 个土壤含水量传感器、TEROS 21 个土壤水势传感器、ZL6 数据记录器和订阅《美国水文杂志》。ZENTRA Cloud

主题:调查野火回归间隔和土壤燃烧严重程度对火后土壤水文的交互影响
查尔斯-索西
明尼苏达大学

奖励: HYDROS 21 个水深传感器、ZL6 数据记录器和订阅《水深传感器》杂志。ZENTRA Cloud

主题了解三孔隙岩溶系统中盐和硝酸盐的归宿与迁移
谢尔比-威利福德
北卡罗来纳大学

奖品: TEROS 11 个土壤湿度传感器、ATMOS 41W 无线气象站、ZL6 数据记录器和订阅《中国气象报》。ZENTRA Cloud

主题:热带稀树草原结构的驱动因素热带稀树草原结构的驱动因素:气候变化对热带稀树草原树草共存的影响
CHARLIE CHEN
戴维斯大学

奖励: TEROS 54 个土壤水分剖面探针、ZL6 数据记录器和订阅ZENTRA Cloud

主题:调查覆盖种植对年轻开心果果园土壤水分预算的影响
安德烈-沃克
爱达荷大学

获奖情况: ATMOS 41 W 无线气象站和订阅《美国天气预报》。ZENTRA Cloud

主题:不同马铃薯品种的水分利用效率不同马铃薯品种的用水效率

2023 受助人

格雷戈里-维尔凯克
麦克马斯特大学

奖品: TEROS 土壤湿度传感器、ZL6 数据记录器和订阅《土壤湿度》杂志。ZENTRA Cloud

主题:自然和受管理北方泥炭地的火灾天气控制和泥炭燃烧脆弱性阈值
迪克森
犹他州立大学

获奖情况:
HYPROP 和KSAT 实验室水文仪器

主题:利用最先进的测量方法设计和表征用于降低重力应用的生根植物生长基质的水力特性
罗宾-金
弗吉尼亚大学

奖品:
TEROS 土壤湿度传感器、ATMOS 41 个气象站、ZL6 数据记录器和订阅《中国气象报》。ZENTRA Cloud

主题:喜马拉雅山脉的永久冻土和季节性冰冻地面温度剖面建模喜马拉雅山脉永久冻土和季节性冰冻地面温度剖面建模
阿丽亚-邓肯
斯坦福大学

奖品:
TEROS 土壤湿度传感器、ATMOS 41 个气象站、ZL6 数据记录器和订阅《美国植物学杂志》。ZENTRA Cloud

主题:保护水稻免受气候和土壤污染的耦合威胁
埃马纽埃尔-阿德扬朱
北卡罗来纳大学

奖励:
HYDROS 水深传感器、TEROS 土壤湿度传感器、ATMOS 41 个气象站、ZL6 数据记录器和订阅《中国气象报》。ZENTRA Cloud

主题:通过工程憎水减轻颗粒路面的霜冻作用在 MnROAD 通过工程憎水减轻颗粒道路的霜冻作用
雅各布-斯蒂德
密歇根州立大学

获奖情况:
HYPROP 实验室水文仪器

主题:了解地面太阳能装置对当地水文和土壤条件的影响

2022 年受援国

劳伦-塔克
伊达荷州立大学

奖品:
TEROS 土壤湿度传感器、ZL6 数据记录器和订阅《土壤湿度》杂志。ZENTRA Cloud

主题:调查树木的长期储水及其对整个树木水分关系的重要性
塞西莉亚-R-海勒
佛罗里达大学

奖品:
TEROS 土壤湿度传感器、ZL6 数据记录器和订阅《美国科学杂志》。ZENTRA Cloud

主题:变化的根源:适应气候变化的蓝莓生产
伊利亚斯-马哈茂德博士
密西西比大学

奖品:
TEROS 土壤湿度传感器、ZL6 数据记录器和订阅《土壤湿度》杂志。ZENTRA Cloud

主题:模拟天然土壤的水力特性对地雷探测声学响应的影响
斯科特-木匠
耶鲁大学

奖品:
PHYTOS 31 个叶片湿度传感器、ZL6 数据记录器和订阅《中国植物志》。ZENTRA Cloud

主题:研究气候变化和放牧对大沙棘植物群落稳定性的交互影响
萨迪-凯勒
俄勒冈州立大学

奖品:
TEROS 土壤湿度传感器、ZL6 数据记录器和订阅《土壤湿度》杂志。ZENTRA Cloud

主题:开发红枫作物水分胁迫指数开发红枫作物水分胁迫指数
尼娜-费拉里
俄勒冈州立大学

奖品:
ATMOS 41 个一体化气象站、ZL6 数据记录器和订阅《俄勒冈州立大学学报》。ZENTRA Cloud

主题温带森林垂直微气候变化与鸟类栖息地

2021 年受援国

AASHISH KHANDELWAL & JUSTIN NICHOLS
新墨西哥大学

奖:PAR(光合有效辐射)传感器、HYDROS 21 水位监测传感器、ZL6 数据记录器以及订阅《新墨西哥大学学报》。ZENTRA Cloud

通过优勒和拉格朗日监测了解溶质迁移

流河系统内的溶质运移研究使我们对地表水与地下水之间的相互作用、流动路径、停留时间以及最佳溶质生化反应区或条件的基本认识有了长足的进步。 例如,过去的溶质监测计划已经量化了密西西比河中每年 95.65 万吨的人为硝酸盐负荷,这些负荷每年都会导致墨西哥湾富营养化(Val 等人,2006 年;Heisler 等人,2008 年;Sobota 等人,2015 年)。

虽然从过去的研究中获得了很多启示,但这些研究主要采用的是欧拉取样系统,而且往往局限于表层水。这种取样方法通常无法解决流域中固有的空间异质性问题(Blaen 等人,2016 年;Krause 等人,2017 年)。因此,我们打算将 METER 的HYDROS 21 传感器与新颖的 Navigator(一种浮动式多参数探头)进行整合,以便能够利用拉格朗日方法来跟踪溶质、扩散源和点源的数量,并确定河流系统中加速处理的区域。我们还将在浅水区至深水区部署Hydros 21 传感器,毗邻已有的地表水水质探测仪,以便在 Navigator 实地实验期间量化地下水至地表水的通量(Boano 等人,2014 年)。通过拉格朗日、欧拉和地表到地下水监测的耦合,我们旨在解决与流域异质性相关的不确定性以及由此对溶质传输产生的影响。
亚历山大-福克斯
怀俄明大学

获奖情况:ATMOS 22 个超声波风速计、TEROS 11 个土壤湿度和温度传感器以及ATMOS 14 个温度/湿度/气压/蒸汽压四合一站点。

多年生谷物的水分/养分循环和产量建模

Kernza® 是有史以来开发的第一种多年生谷物作物,具有振兴高原农业的潜力,但这种新型作物如何适应如此干旱的环境尚不得而知。根据怀俄明大学(UW)资助的一个项目,Kernza 将在怀俄明州东部的七个农场种植,以研究其长期盈利能力、可持续性以及对土壤健康、养分循环和水供应的影响。这笔资助将有助于该项目,使我们能够在三年内测量 Kernza、一年生小麦和恢复草原田的土壤条件和小气候。

我们将利用克恩扎和小麦的数据,对抗一个第一原理生物物理模型--陆地区域生态系统交换模拟器(TREES),以提高对水分和养分利用差异如何影响其长期生存能力的预测性理解。生物物理方法特别适合检验我们的假设,即紧密的养分循环和多年生深根将使 Kernza 成为怀俄明州东部和高原生态区的一种可持续作物。我们将与农民合作,使他们能够在使用 Kernza 取代小麦方面做出有科学依据的决策。
凯-勒普利
亚利桑那大学

获奖情况:TEROS 12 个土壤湿度、温度和电导率传感器以及ZL6 数据记录器

利用农业光伏技术在不断变化的世界中实现粮食、能源和水资源的可持续发展

受人口增长和气候变化的影响,我们的粮食、水和能源系统都存在严重的脆弱性。在此,我们将探讨一种混合型农业光伏(PV)"农业光伏 "解决方案。我们正在创建美国最大的光伏农业基地--位于科罗拉多州朗蒙特的一个 1.2 兆瓦、占地 6 英亩的社区太阳能农场,名为 "杰克的太阳能花园"。该农场主在生产光伏能源的同时,还将种植农作物供应市场,并邀请我们的团队对农业光伏的各个方面进行研究。

具体来说,我们的团队计划通过对土壤湿度和导电率以及植物光合作用、生物量和产量的精确监控,研究作物生长和灌溉使用的优化问题。我们将与美国国家可再生能源实验室、科罗拉多州立大学、Audubon Rockies、Sprouts City Farms 和当地政府的合作伙伴一起工作。从 2021 年春季开始,公众将参观我们小组的研究区域,直接了解相关科学知识。农业光伏技术是适应和减缓气候变化的新手段,我们希望继续引领推动这一领域的科学发现。
珍妮弗-阿尔瓦雷斯
加利福尼亚大学

获奖情况:HYPROP 2 土壤水分释放曲线仪器

土壤水分保持曲线是了解不同水分和温度条件下土壤 c 动态的关键

减少大气中的碳(C)排放量可以说是我们全球面临的最紧迫问题之一。它导致了不稳定的气候条件,造成了重要资源的损失和社会的混乱。土壤通过储存碳来进行调节,当碳矿化率超过碳输入量时,土壤就会从大量的碳汇变成重要的碳源。因此,了解碳矿化率的主要驱动因素对于开发有助于减缓和适应气候变化计划的精确模型至关重要。土壤的物理环境对调节碳矿化率尤为重要,但人们对它的了解仍然很少[4]。

本研究旨在提供土壤水分和温度时空变化与微生物呼吸速率之间的定量联系。具体来说,我们旨在开发新型测量技术,以解释土壤结构如何影响水文、热和生物地球化学过程之间的耦合。
亚当-西伯利
俄勒冈州立大学

获奖情况:PHYTOS 31 个叶片湿度传感器、IRT 红外温度计、ATMOS 41 个气象站、TEROS 21 个母势传感器和ZL6 数据记录器

预测山区地貌的干旱脆弱性:将降露、叶片吸水和土壤水与古老森林的干旱压力联系起来

居住在西北太平洋古老森林中的动植物物种的福祉与高大树木的福祉密不可分。在夏季干旱季节,水和热应力都会增加,火灾风险也会加剧,这时高大的树木会创造小气候庇护所,并将深层土壤水分重新分配到地表。在这些时期,获得(或缺乏)深层土壤水会对树木的水分压力产生很大影响,而通过夜间降露事件向树冠输送水分不仅可以通过叶面吸水来缓解干旱压力,还有助于通过蒸发冷却来维持小气候避难所,调节燃料干燥带来的火灾风险,并维持附生植物的水分和碳平衡。

越来越多的证据表明,与有管理的人工林相比,无管理的老龄林对森林火灾的抵御能力更强。综上所述,旨在最大限度地提高森林复原力和生态系统服务的管理计划显然需要考虑老龄树木易受气候变化影响的模式。

最近在 H.J. 安德鲁斯实验林使用PHYTOS 31 传感器进行的研究表明,生长在海拔 450 米的狭窄山谷中的古老花旗松树 "发现之树 "的树顶(56 米高)在大约 30% 的夏夜都会有露水降下,而使用传统的彭曼方法,即使是使用共定位的气象数据,也很难捕捉到这种模式(图 1),这说明了叶片湿度传感器数据的巨大作用。2020 年 8 月下旬,我们还在发现树上进行了露水湿润实验,结果表明该树的针叶吸收了喷洒的水分,但由于所研究的树木并未受到过度的水分胁迫,因此这种吸收并未对针叶组织的水分关系产生重大影响。这很可能是因为该树位于常年溪流的冲积高原上--在我们进行实验时,海拔较高的古老树种更容易受到对流层低层较干燥空气的影响,而且扎根于岩石土壤中,很可能会受到更大的水分胁迫。然而,在海拔较高的地方,夏季最高气温普遍较低,或者积雪一直持续到春季末期,这些因素是否能被抵消并不明显,值得进一步研究。

我们建议的研究将在我们的山区研究区域的战略位置建立一个 METER 传感器网络,该网络与夏季野外活动相结合,将使我们能够量化露水频率、叶片吸水和土壤水分不足的差异如何最终导致整个地貌的干旱压力水平不同。
尼尔-普罗哈斯卡
亚利桑那大学

获奖情况:PHYTOS 31 (5)个叶片湿度传感器和ATMOS 41 个一体化气象站

通过使用测量传感器揭示树枝级水流量的驱动因素,了解气候变化如何影响亚马孙森林的水循环

热带森林的碳和水循环量超过其他任何陆地生态系统。目前的研究尚未充分探讨小气候和生物学如何相互作用,以确定森林树冠内潜热通量(LHF,即蒸散)和显热通量(SHF,即对流热)之间的能量分配。这是了解和预测气候变化下热带森林未来水通量方向和大小的关键。METER 的ATMOS-41 和PHYTOS-31 传感器将使我能够创建一个独特的树枝级叶片特征、湿度、温度和小气候的长期数据集。该数据集将显示微气候如何影响叶片能量预算,以及微气候如何影响叶片能量预算在树冠高度和光照梯度上的变化。

2020 年受援国

PETER A.特雷斯基维茨
南卡罗来纳大学

奖品:NDVI 和 PRI SRS 传感器ZL6 数据记录器ZENTRA Cloud

量化季节性植被对沿海沙丘体积变化的控制

沿海沙丘位于陆下海滩,是抵御风暴潮和洪水的强大屏障,保护沿海社区免受经济损失。植被与沉积物的相互作用是了解沿岸沙丘生长和风暴后恢复的关键因素。尽管植被非常重要,但传统的植被监测方法导致数据不一致和定性假设。本文提出的为期一年的野外研究将使用NDVI 和 PRI SRS 传感器对沙丘植被进行光谱监测,并同时使用原位数字侵蚀针 (DEP)。这将是首次以相同的采样分辨率测量植被和侵蚀-侵蚀动态,标志着沿岸地貌学的重大进步。

风、沉积物和植被的相互作用,通过风蚀(风吹)过程形成了沙丘特征(Sherman, 1995)。植被在风场中引起湍流,扰乱沉积物的运移,往往有利于沉积和沙丘的生长(Hesp,1981 年)。评估沙丘植被的传统方法要么依赖于对植被四分区的定性估计(Stalter,1974 年;Kim 和 Yu,2009 年),要么仅通过照片捕捉植被密度的空间属性(Gillies 等人,2002 年;Renkin,2015 年)。这些方法难以形成连续的植被数据时间序列,研究人员通常只能获得植被变化的时间快照。

本研究的主要目的是量化季节性植被密度和健康状况对沙丘体积变化的影响。

这项研究将为沿岸地貌学引入一种新的方法,利用NDVI 和 PRI SRS 传感器来量化植被密度和压力。建立一个连续的植被数据集,并配以现场侵蚀-沉积测量,将有助于了解植被-沉积的相互联系和沙丘的形成。
贾克琳-菲奥拉
维吉尼亚理工学院

获奖情况SATURO 入渗仪TEROS 土壤湿度传感器ECRN-100 rain gauge,ZL6 数据记录器ZENTRA Cloud

暂停降水:限制雨水渗入葡萄园土壤的创新方法

弗吉尼亚州的葡萄酒业经常受到土壤水分过多的困扰,这可能会对葡萄酒质量产生负面影响。我们建议使用 METER 仪器测试几种减少渗透的化合物是否能够减少进入葡萄园土壤的水量。限制渗透应能改善葡萄树的生长和果实的质量,从而提高葡萄酒的品质,并能改变世界上高沉淀酿酒地区的葡萄种植。

研究的意义:截至 2015 年,弗吉尼亚州的葡萄园公顷数在全美排名第 8,经济效益达 13.7 亿美元。

1 弗吉尼亚州年平均降水量为 108.4 厘米,其中 5 月、7 月和 8 月降水量最大。

2 这种高降雨量导致弗吉尼亚州许多葡萄园土壤中水分过剩,从而使葡萄藤生长旺盛(例如,破坏植株生长与作物生长之间的平衡),不利于果实品质。如果轻度缺水限制了葡萄藤的生长,特别是在弗吉尼亚州这样潮湿的气候条件下,葡萄的品质就会受到积极影响。该地区的葡萄种植者迫切希望减少土壤水分,尤其是在过于潮湿的年份,但目前还没有经济、可持续的方法。

许多减少葡萄园土壤水分的策略都经过了测试,如瓷砖排水、覆盖作物(争夺水分)和塑料土壤覆盖。然而,这些干预措施都有局限性,从瓦片排水装置的高成本到覆盖作物通常不可忽略的净用水量,再到塑料垃圾对环境的负面影响,不一而足。也有人建议压实土壤以限制雨水渗透,但这可能会阻止土壤蒸发,并可能造成排水、根系呼吸/气体交换和侵蚀等问题。

目标与目的:理想的葡萄园土壤水干预措施是限制雨水渗入土壤,同时最大限度地减少侵蚀,并允许水汽和气体交换。为了实现这一理想的干预措施,我们建议对运输业开发的几种环保型聚合化合物进行测试,以减少对土壤的渗透:DirtGlue(Salem NH) 和Soiltac(Soilworks, Scottsdale AZ)。我们还将对硬脂酸进行测试,这是一种天然的疏水脂肪酸,可以减少渗透,同时增加土壤中水蒸气的流失。我们的目标是比较土壤施用化合物在减少土壤渗透方面的效果,然后量化其对葡萄生长和果实质量的影响。
丹尼尔-哈斯廷斯
加州大学圣克鲁斯分校

获奖情况:TEMPOS 热特性分析仪SC-1 leaf porometerTEROS 21 个水势传感器TEROS 10 个土壤湿度传感器ZL6 数据记录器ZENTRA Cloud.

地下蓄水是乔舒亚树生存的关键吗?

约书亚树是美国西部的标志,正受到气候变化的威胁。虽然对约书亚树的某些方面进行了深入研究,但我们对其在极端缺水时期的水分管理了解有限。这项研究的目标是

1) 评估储水在约书亚树水分预算中的作用、

2) 记录约书亚树组织中储水量的年度波动,以及

3) 建立约书亚树解剖和水分关系的综合模型,模拟植物对不同气候条件的整体水力反应。

这些数据可用来模拟约书亚树未来的分布,为保护规划和协助迁移工作提供信息,并提高我们对莫哈韦沙漠生态水文学的认识。

约书亚树是一种极具魅力的物种,也是吸引游客前往以其名字命名的国家公园的重要经济力量。它也是为莫哈韦沙漠生态系统提供服务的基础物种。由于气温升高和干旱更加频繁,预计气候变化将使约书亚树的分布范围缩小到目前的 10%1。尽管我们对约书亚树的自然历史有很多了解,但对其水分预算却知之甚少。了解约书亚树每天和每年的蓄水量及其波动情况,将为我们提供新的知识,让我们知道它们如何应对单独和连续的干旱。

初步结果:对约书亚树根部的观察和显微 CT 以及一项干旱研究表明,储水并不像预期的那样发生在茎部,而可能发生在专门的根部组织中。

假设:(H1):约书亚树的组织含水量、水势和蒸腾作用每天和每年都会波动,反映出它们对土壤水和植物储水的利用情况。(H2):约书亚树的蒸腾作用包括储存在根部特殊组织中的水分。(H3):乔舒亚树在长期干旱后需要几次降水才能将储水组织中的水分补充到饱和状态。
娜塔莉-M-阿吉雷
德州农工大学

奖品:SC-1 叶孔仪、PAR 传感器ZL6 数据记录器ZENTRA Cloud

研究植物引诱与气孔导度之间的关系

食草动物经常入侵农田,导致毁灭性的产量损失。遭受攻击后,植物会释放出食草动物诱导的植物挥发物(HIPVs)特征混合物,它们在植物防御中发挥着重要作用。最近,人们发现植物也能感知 HIPVs 并做出反应。一些植物能检测到受损邻居释放的 HIPVs,并通过增强自身防御能力来应对未来的攻击,这就是所谓的 "引诱"(priming)。大量植物物种中都有防御启动的记录,包括玉米和棉花等几种重要的农作物。然而,人们很少关注这一过程的生理基础。

一般来说,植物的气体交换是通过气孔进行的,计算表明,在光照条件下,挥发性化合物可通过气孔进入植物体内4。植物防御启动的两个主要未解之谜是:

1) 植物如何吸收挥发性化合物进行引诱?

2) 植物暴露于挥发性化合物会如何影响气体交换等生理过程?

以前的研究从未考虑过植物防御引诱的生理影响。提高我们对植物反应的认识可以揭示增强植物抗虫害能力的新策略。

目标和目的

本项目的目标是利用SC-1 Leaf Porometer 来

1) 确定 HIPV 是否需要打开气孔来启动植物,以及

2) 确定植物通过 HIPV 诱导是否会影响气孔导度。我们预测,HIPV 通过气孔进入植物叶片,成功引种与气孔导度呈正相关。

此外,如果引诱线索是通过气孔吸收的,植物可能会增加气孔导度,以增加它们在高度警戒状态下获取信息的机会。我们实验室之前的研究发现,引诱与暴露剂量之间存在正相关关系5。此外,由于植物的防御投资需要碳储存和能量,我们还预测植物暴露于 HIPVs 会影响气孔导度的调节,从而增强植物的气体交换和光合作用。
RYAN C. HODGES
犹他州立大学

奖品:PARIO 土壤质地分析仪和一台 WP4C水势实验室仪器

哈雷阿卡拉西部气候-岩层序列的土壤成因

夏威夷毛伊岛哈雷阿卡拉火山北坡和西坡有巨大的气候变异性(降水量从 200 毫米到大于 2000 毫米不等)和土壤多样性(土壤分类学中的七个土壤等级)。这一研究较少的地区是研究气候和火山灰对玄武岩熔岩流上土壤发育影响的理想地点。此外,随着毛伊岛的土地利用从单一种植甘蔗向放牧和生态旅游转变,人们对土壤固碳和开发利基特色作物市场的兴趣日益浓厚。我们根据相似的地质和地形选择了 19 个取样点,并进行了人工挖掘、描述和按基因层取样,以便进行全套实验室分析。由于整个研究地点都有煤渣圆锥,我们预计养分和持水能力、元素损失和碳含量会有很大差异。研究结果将有助于确定这些受火山灰影响的土壤的分布情况,并能促进我们对土壤发展的了解,同时为土地管理者提供有用的土壤信息。

主要目标和目的:我们的目标是确定降水和火山灰对哈雷阿卡拉西部气候梯度土壤的形态、矿物学和成分的影响。这将使我们能够模拟这些火山土壤的降水、温度、风化阶段、矿物学和元素损失之间的关系(Chadwick 等人,2003 年;Chorover 等人,2004 年)。
卡莉-索纳
德雷克塞尔大学

获奖情况:ATMOS 41 个一体化气象站、红外辐射计、ZL6 数据记录器和ZENTRA Cloud

在费城最易受热影响的社区采用小规模绿色雨水基础设施应对城市热压力

在费城和其他城市地区,由于吸热表面和有限的植被,城市热岛(UHI)效应加剧了与极端高温相关的风险。这种影响在城市景观中的分布并不均等,而是集中在吸热材料较多、树木覆盖较少的地区。地表温度地图显示,一些街区的平均温度高于其他地区,有时相差高达 8 °F。在这些最热的街区,有色人种和贫困人口的居住比例过高。

预计费城的气候将在下个世纪持续变暖,到 2100 年,每年 95 华氏度以上的天数预计将增加四到十倍。极端高温事件的增加预计将导致与高温相关的死亡人数增加六倍。

用于消除城市热岛效应的一种资源是绿色基础设施。费城有一项长期的绿色基础设施计划,利用分散的环境资产来模仿开发前的生态景观,目的是减少城市雨水造成的污染。恢复土地植被的自然生态过程包括减少不透水的表面(不透水的表面也会滞留热量)和重新引入植被空间,通过蒸发冷却进一步降低温度。

费城的绿色基础设施计划名为 "绿色城市,清洁水域",由水务部门负责实施,主要目的是减少联合污水溢流。这种只关注单一目标的做法没有充分利用绿色基础设施网络,忽略了对城市热量的影响。人们对利用主要用于减少雨水污染的绿色基础设施来减缓城市热岛效应的共同效益还不甚了解。通过感知绿色基础设施场地内部和周围的温差,本研究试图更好地量化旨在减少雨水污染的小规模绿色基础设施对城市地表和空气温度的影响。

2019 年获奖者

凯利-德雷克斯勒
戴维斯大学

同一果园中不同杏仁品种在采摘季节和采摘后的灌溉管理

加利福尼亚州的杏仁生产有其独特的用水问题,包括收获后灌溉的需要以及同一果园内不同品种交替排列以建立有效授粉的情况。许多杏仁园的行间交替种植高产品种(如 Nonpareil)和一两种授粉品种(如 Butte、Aldrich)。

传统上,果农设置的灌溉系统会对整个果园进行相同的灌溉,无法对不同的杏仁品种进行独立灌溉。灌溉决定是基于产量最高的品种(通常是 Nonpareil)。由于每个杏树品种在不同时期经历关键的生长阶段(如裂壳期、收获期、花芽分化期),它们在同一时期的需水量也可能不同,因此可能会受益于独立的灌溉管理。本项目正在研究如何对不同品种进行独立灌溉,而又不影响其不同的生长阶段和收获活动。

目标:评估杏树果园的生长、产量、坚果质量以及水分生产率对不同品种在季内和季外独立调节亏缺灌溉管理的反应。使用TEROS 12TEROS 21传感器进行土壤水分监测,以反馈灌溉是否充分。将利用体积含水量和土壤水势制作原地保水曲线,以了解各处理的土壤保水特性。
埃梅卡-恩杜卢
马尼托巴大学

加拿大大草原瓦片排水系统下油菜和大豆的水分管理

要解决全球粮食短缺、水资源匮乏、盐碱化和日益严重的极端气候问题,就必须在不影响环境可持续性的前提下建立一个高效的水资源管理系统,以提高作物产量。马尼托巴省南部拥有肥沃的土壤和平坦的地形,是主要的农作物产区。然而,限制该地区最大产量的主要问题是融雪剂渗透造成的内涝和不均衡的降雨模式。

适当的地下水位管理(WTM)具有灌溉和/或排水的双重功能。然而,与大多数涉及复杂和相互关联过程的自然系统一样,水管理也需要使用农业系统模型。本建议的目标是:(i) 利用灌溉和瓦片排水评估不同的地下水位管理技术对油菜籽和大豆产量的影响;(ii) 利用根区土壤含水量的测量结果,从空间和时间上校准和验证 HYDRUS(2/3D)模型。

将在三个生长季(2019-2021 年)中使用已在马尼托巴省南部条块设计中安装了三种重复处理(控制排水 (CD)、自由排水 (FD) 和不排水 (ND))的田块。每种处理重复三次,轮作的两种作物共有 18 个地块。将测量油菜籽和大豆的产量,并对每个处理中的收割行进行比较。将测量土壤和排水中的磷酸盐和硝酸盐含量。地下水位深度将通过安装有水位记录仪(自有)的观测井进行测量。

目标:研究地下水位管理技术,以提高加拿大大草原油菜和大豆的产量。获奖产品包括TEROS 10ZL6TEROS 井眼安装工具(租用)。
阿马拉-塔利布
威斯康星大学

改善威斯康星州农业干旱的灌溉规划和早期预测

热浪和干旱等极端气候的风险正在增加,并以干旱持续时间延长、强度加大和作物减产的形式威胁着中美洲北部的农业系统。目前的干旱预报覆盖大片区域,并不针对单个农场。干旱预测能力亟待提高。在此,我们建议利用美国国家航空航天局(NASA)的新型星载传感器绘制先进的蒸散(ET)图,从而改进对作物在不同生长阶段的压力随时间变化情况的预测。为实现这一目标,将利用最近发射的美国国家航空航天局 ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment (ECOSTRESS)任务以及极轨道美国国家航空航天局 Soil Moisture Active Passive (SMAP) 和欧空局 Sentinel 微波卫星,对威斯康星州中部沙地的地表温度和作物失水情况进行高分辨率(30 米)测绘。

通过这两种产品,我们将根据作物涡度协方差通量塔和土壤水分传感器网络对蒸散发的实地测量结果,开发、校准和评估一种新的蒸散发产品。目前,这些塔正在由 Heartland 农场运营的灌溉农场(马铃薯、玉米和大豆轮作)和威斯康星州三郡学校森林的松树种植园中运行。新的田间尺度周蒸发蒸腾图将显示植物何时受到压力,农民可以采取行动,有效利用有限的水资源以保持生产力。

目标:在研究马铃薯、玉米和大豆的作物用水情况时,利用地面测量来验证美国国家航空航天局空间站 ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment(ECOSTRESS)的模型蒸散量(ET)。获奖产品包括TEROS 12ZL6ATMOS 41
达伦-麦考利
爱达荷大学

为爱达荷州葡萄园开发基于天气的疾病预警系统

生产者需要实时检测作物损害事件,以便更好地优化农场资源管理。我们建议开展一项研究,开发一种针对具体地点的决策支持工具,用于农田管理作物损害天气事件。气象站将分布在爱达荷州一个葡萄园的两块地貌各异的土地上,以确定与霜霉病(葡萄霜霉病)相关的环境因素。将对葡萄园的树冠进行调查,以检测植物对水分和病害引起的压力的生理反应。葡萄园树冠的光谱反射率图将与分布式气象数据进行比较。还将评估机器学习算法推进病害预测的能力。

目标:收集环境数据,开发预测模型,检测葡萄园霜霉病的早期发病情况,以便进行疾病和风险管理。获奖产品包括PHYTOS 31ATMOS 41TEROS 21TEROS 12
EUREKA JOSHI
爱达荷大学

水源开垦林排水和营养通量的时空变化

将再生水施用于人工林是一种成本效益高且环保的处理方法,尤其是在树木生长受土壤水分和养分供应限制的爱达荷州。然而,养分饱和与沥滤风险的升高归因于长期施用再生水导致的成分负荷增加(Barton 等人,2005 年;Hook 和 Kardos,1978 年)。饱和点表明了再生水土地应用林地的寿命。

爱达荷州有许多获准的再生水回用设施。这些设施包括在不同时期(最长可达 50 年)接受再生水的管理单位。这些不同时期的运行为比较排水和养分通量的时空变化提供了机会,最终将有助于确定其寿命。在拟议的研究中,将利用 METER G3 测量营养物排水量的变化,并进行一系列其他测量。

目标:研究再生水土地应用对现有森林的影响,以及森林作为长期处理再生水的 "汇 "的功效。获奖产品包括排水量计G3 lysimeter 、 G3 深度传感器和G3 自动泵
约瑟夫-加伦-科尔诺斯克
华盛顿州立大学

爱达荷州北部一个湖泊的污水灌溉对地下水造成的营养负荷

湖泊水质不断受到新开发区域人为污染源的影响。限制湖泊的养分负荷可以减少富营养化效应,因此确定养分来源是改善水质的一个步骤。

本项目旨在确定水从高浓度营养物来源进入湖泊的主要途径。通过本研究金提供的仪器,可以对通过土壤沥滤到地下水的营养物质进行量化,从而为反应迁移模型提供负荷基础和起点。补充研究结果将包括利用同位素特征确定水的迁移率和营养物质的驻留时间。

目标:研究由于地下传输(深层排水)而导致当地湖泊系统的氮和磷营养负荷。获奖产品包括排水测量仪G3 lysimeter 、CTD+DG 深度、EC 和温度传感器 G3ATMOS 41ZL6ZENTRA Cloud.

2018 年获奖者

克里斯托弗-L-达顿
耶鲁大学

热带河流缺氧性洪水和鱼类死亡的时空动态

由于流水中的再通气率很高,河流中的缺氧现象并不常见,即使出现缺氧现象,通常也与人为的高营养负荷有关。缺氧性洪水会对河流生物群造成灾难性的影响,通常会导致大面积的鱼类死亡或鱼类群落组成和行为的其他改变。

我一直记录着东非马拉河频繁发生的缺氧性洪水(3 年 13 次)和鱼类死亡(9 年 5 次),我的研究表明,它们是由河马池塘冲刷造成的。马拉河肯尼亚段有 4000 多头河马,每天为水生生态系统带来超过 3500 公斤的有机碳。我的研究表明,马拉河三条支流中的河马池在低排水量时会缺氧,而排水量的增加则会冲走河马池,并将缺氧的水脉冲带到河流下游。然而,这些缺氧洪水的时空动态仍不为人知。

我的研究旨在了解这些缺氧洪水变化的驱动因素,以及这些缺氧洪水是如何向下游传播的。这种了解对于预测这些事件的频率和强度将如何受到气候和土地利用变化的影响至关重要。不同洪水事件中缺氧程度的差异可能是由于特定地区河马池被冲走的时间不同以及引发洪水的降雨量大小不同造成的。由于马拉地区的降雨量在集水区内和集水区之间高度局部化,而且导致缺氧的生物地球化学可能因水池和支流的不同而不同,因此要了解这些动态变化,需要有关整个集水区降雨模式的精细尺度时空数据。为了记录缺氧性洪水的起源,我们需要了解其变化的驱动因素以及它们如何在河网中传播。我将记录河马池的生物地球化学以及马拉河支流和干流的排水量和溶解氧(DO)对马拉河各子流域降雨强度和频率的响应。

我将在马拉河的三个子流域各安装一个 METERATMOS 41 气象站,以监测降雨强度、频率和持续时间。我将在马拉河所有河马池下游安装水质探测仪,继续记录马拉河缺氧性洪水事件的发生情况。我还将继续绘制和调查马拉河 3 个子流域内所有河马池(约 20-30 个)的生物地球化学情况。我将根据河马池的生物地球化学、上次冲洗后的时间以及每个子流域的降雨时间和降雨量,模拟每次洪水事件中的缺氧程度。
莉安娜-舍瓦德
德雷克塞尔大学

有效饱和水力传导性实地测量的时空变化导致的植物根系配置对城市分散式绿色雨水管理设施性能的影响

在设计绿色基础设施(GI)场地时,通常会假设一个恒定的渗透率。然而,各种研究表明,下渗率是动态的,在潮湿天气事件中会发生时空变化。本研究将评估根区配置(类型和密度)对现场饱和导流值(Kfsat)空间变化的影响。 SATURO入渗仪对现场饱和导流值(Kfsat)空间变化的影响。该研究还将比较在不同水文条件下和三个生长季节中使用 METER 的MiniDisk 入渗仪测量的 Kfsat 和非饱和水力传导系数 (Kfs)。

这项研究将在四个已建立植被的全面监测城市 GI 站点上进行。将对结果进行静态分析,以推导出可通用的规则,减少原地 GI 监测需求,并校准 2D/3D 模型。

拟议的研究旨在评估根区配置(类型和密度)的影响,以及池塘和流入深度对城市 GI 入渗性能的影响。
凯蒂-马尔卡奇
田纳西大学-诺克斯维尔分校

植物根系和菌根菌丝对土壤水力参数的影响

拟议研究的重点是植物根系和菌根菌丝如何影响土壤的水力特性。实验室实验将测量饱和导水性 (KSAT) 和土壤保水性 (HYPROP)。将利用中子成像技术对根系和菌根的长度密度和形态进行可视化和量化。由此产生的数据集将被参数化,以便纳入用于预测黏土带内流动和迁移的模型中。这项工作将解决我们在充分模拟植物-土壤水力关系方面的一个关键研究不确定性。

这项研究的目标是评估植物根系和菌根菌丝对土壤水力特性的影响。目标是测量含根土壤(含菌根和不含菌根)与不含根土壤的土壤保水曲线和饱和导水率,并对根和菌丝的空间分布进行可视化和量化。根据文献综述,我假设根和菌丝会通过增加特定母势下的持水量(尤其是接近饱和时)而发生变化。我还假设,相对于没有根和菌丝的土壤,根和菌丝会增加。
伊丽莎白-麦克尼
威斯康星大学

量化灌溉调度对提高威斯康星中部沙地用水效率的效果

威斯康星中部沙地(Wisconsin Central Sands,WCS)浅层无承压含水层的地下水补充了珍贵的水生生态系统,同时也为支持价值 4.5 亿美元的农业产业提供了灌溉用水。为了成功平衡这些宝贵的生态系统服务,我们必须量化灌溉管理策略的有效性,以减少地下水的消耗性使用,同时保持可接受的产量。

我提议的研究将正式测试威斯康星灌溉调度计划(WISP)--一种农民可用但利用率严重不足的工具--在提高作物用水效率(WUE)和减少农场消耗性地下水使用方面的能力。

在 2018 年和 2019 年的生长季节,将对四块田地的马铃薯和甜玉米作物进行研究。在配对田间试验中,一半的田块将使用免费提供的 WISP(https://wisp.cals.wisc.edu/)进行灌溉,而 Isherwood 农场将根据直觉和经验对其余田块进行灌溉。

用户输入数据的测量方法如下:使用 Canopeo 手机应用程序测量冠层覆盖率,使用 METER 5TM 传感器/ProCheck 测量土壤湿度,使用 METERECRN-100 测量灌溉/降水量。先前安装的 METER G3排水量计(每块田 3-5 个)和每日蒸散发测量(蒸散发 = 降雨量 + 降水量 - Δ 土壤储存量 - 排水量)将验证 WISP 深层排水和蒸散发计算。每块田地一个 METER EM60G 将记录灌溉/降水(ECRN-100)、土壤湿度(10、20、40、80 厘米,5TM;自有)和深层排水(G3 drain gauge;自有)数据。EM60G 的自动数据收集对于持续跟踪每日降水/灌溉输入和准确操作 WISP 至关重要。EM50将从更多的溶样仪和土壤水分传感器组(2-3 个,视田地情况而定)收集数据,以捕捉全方位的变化。产量将通过在作物生长周期结束时收割 15 块田地中 6 米长的行来确定。将比较 WISP 直观灌溉制度和 WISP-Agro-IBIS 模型在深层排水、产量、蒸散发和土壤水分方面的差异,以评估潜在的节水效果和改进 WISP 的机会。

2016 年获奖者
克里斯托弗-贝尔茨
怀俄明大学

环境变化对整个西部半干旱地区碳循环的影响

氮(N)供应量的增加有可能改变许多生态系统的功能,而且已经在改变。这主要是由于净初级生产力(NPP)和土壤呼吸作用对氮的广泛响应。人类活动对氮的固定增加了对生物圈的输入,从公顷每年0.5 千克氮增加到每公顷 每年 10 千克氮。在半干旱环境中,可用氮和生态系统过程之间的关系尤为复杂,这是因为降水量低且变化很大,造成了强烈的限制。此外,温度对土壤呼吸作用也有显著影响。根据 IPCC 的预测,氮和降水量都会发生变化,因此美国西部目前的能源开发为提出与氮和水供应量增加对碳循环的影响相关的基础和应用研究问题提供了机会。为了更好地了解这些影响,我将研究氮和水的施用对碳循环的交互影响,并评估植物和微生物群落对碳循环和碳预算的相对影响。METER气象站的实施将使我能够以较高的时间分辨率监测现场条件(即降水、气温、土壤湿度和土壤温度),从而提高本研究的推断能力。
丹尼尔-亚当森
怀俄明大学

有限灌溉条件下土壤施用除草剂的降解作用

土壤施用除草剂对控制许多作物的杂草非常重要,因为它们能提供更广的控制范围和化学多样性,尤其是在可使用的后施用除草剂较少的情况下。但是,如果土壤施用的除草剂在土壤中存留时间过长,就有可能在随后几年对易受影响的轮作作物造成损害。由于除草剂在土壤中的降解在很大程度上依赖于水,因此,未来减少农业用水的迫切需求可能会导致除草剂降解受限和更大的残留风险。本项目旨在了解有限的灌溉如何影响怀俄明州灌溉作物轮作中土壤施用除草剂的药效和残留。目前正在进行一项由两部分组成的田间研究,在干豆中施用四种土壤施用除草剂,在玉米中施用四种土壤施用除草剂。2015 年,对两种作物施用了三种灌溉处理(作物蒸散量的 100%、80%、69%),并使用十台 METEREm50数据记录仪监测土壤水分,每台记录仪配有四个GS-1土壤水分传感器。在整个生长季,三种灌溉处理的土壤容积含水量平均为 22%、18% 和 17%。作物产量随着灌溉次数的减少而降低。施用除草剂后定期采集的土壤样本将在 2016 年进行除草剂含量分析,并用于进行温室生物测定,以确定作物对残留除草剂的反应。第二年还将在田间对作物的反应进行评估,届时将在原有地块上种植甜菜、向日葵和干豆或玉米,并评估除草剂的损害情况。
戴维-苏利文
华盛顿州立大学

带状耕作和覆盖种植提高华盛顿州西部有机蔬菜农场的用水效率

传统耕作制度对土壤健康和用水的影响日益严重,因此,人们对减少耕作的做法越来越感兴趣,因为这种做法可以提高土壤质量、保墒和减少水土流失。利用带状耕作和高残留覆盖作物的平衡方法有可能减少这些负面影响,同时保护土壤健康和节约用水。与传统的耕作制度相比,由春梢覆盖作物形成的高残留植被覆盖物已被证明可以抑制有机耕作制度中的杂草,并增加土壤湿度。本项目将通过调查与裸地耕作系统相比,碾压覆盖层的水分动态,研究这些基于高残留覆盖作物的带状耕作系统如何提高水分利用效率。

秋季种植的黑麦覆盖作物在花期中期通过刈割结束,在移植南瓜之前将进行条耕或全耕。将利用 WSU AgWeathernet 灌溉调度平台为每种处理制定单独的滴灌施用计划,与 METER 5TM 容积式湿度传感器配对,并使用Em50G无线记录仪进行实时监控。温度和湿度数据将在整个苗床的两个土壤深度和两个位置采集。该项目完成后,将有助于解决粮食、能源和水之间的关系,并有可能通过保护华盛顿州的水资源,提高农业系统对气候变化的适应能力。
艾丽丝-康纳
德克萨斯大学奥斯汀分校

重新思考干旱时植物水分状况的测量方法

干旱是限制植物生产力的一个主要因素,从分子到生理层面都对植物产生不利影响。许多研究都探讨了干旱的影响,但很少有研究包括真菌共生体的影响。然而,定殖在叶片上的内生真菌可以将植物的耐旱性提高一个数量级或更多。例如,真菌内生菌可以通过关闭植物气孔减少植物失水,并通过在植物细胞中积累溶质防止细胞干燥。在某些情况下,真菌内生菌的存在会完全抵消干旱对植物生长和蒸腾效率的影响。因此,真菌共生体可能会导致研究人员错误地识别植物的耐旱机制。此外,真菌的影响也可以解释为什么目前的传导模型无法预测观察到的气孔对水分胁迫的反应。因此,为了更好地了解植物的干旱动态,我建议使用 METER 的SC-1 Leaf Porometer 来划分土壤湿度和内生真菌对植物气孔导度的影响。
伊丽莎白-恩斯特
密歇根理工大学

了解北方-泰加生态系统的土壤条件及其对野火范围、严重程度和分布的影响

北极-北方地区的气候正在发生重大变化,趋向于更温暖、更漫长的夏季。气温升高预计会使燃料变干,导致它们在野火季节延长期间更容易被点燃和燃烧。野火是加拿大西北地区(NWT)的头号干扰因素,而永久冻土融化则是第二大干扰因素。了解这两种干扰之间的关系非常重要,因为它们在正反馈循环中相互驱动和影响。这些过程受多种因素驱动,包括天气和气候、地形和土壤成分。为了了解野火的影响在不同生态区和冻土条件下的差异,我们正在实地和利用遥感技术研究季前土壤和燃料湿度模式。将把西北地区黄刀镇附近 2014 年火灾季节之前土壤湿度模式的长期趋势与 2016 年夏季的实地测量结果进行比较。METER 的 5TM 传感器和 Procheck 手持设备将用于测量土壤条件,包括水分和有机质;METER 的 5TM 传感器和 Procheck 手持设备将用于测量土壤水分和有机质。 SATURO将测试实地饱和水力传导性,以估计有多少水可用于径流和植被再生。测量将在不同的火后条件下进行(从未曾烧毁到烧毁严重程度较高),以及在冻土相互作用(连续、不连续和零星)的情况下进行。这些结果将有助于了解在气候不断变化的情况下,北方-泰加生态系统易受野火活动增加影响的程度。
LEANDER ANDEREGG
华盛顿大学

寻找二氧化碳肥料

树木是商人;它们 向大气出售水分,以换取光合作用产生糖分所需的二氧化碳。推动植物碳-水市场的交换率或 "水利用效率 "是大气二氧化碳浓度的函数。因此,从理论上讲,人类的碳排放--自 1850 年以来大气中的二氧化碳已增加了 40%--应该会提高植物的水分利用效率,从而使我们的森林和农作物 "二氧化碳肥沃化"。然而,二氧化碳施肥的证据却非常复杂。我试图通过使用 METER 设备量化科罗拉多州西南部两个树种--Abies lasiocarpa 和 Populus tremuloides--在其海拔范围内受到的环境限制(如水、光照、温度、相对湿度的可用性),来了解树木何时、何地以及为何会受到二氧化碳肥化的影响。通过将这些环境数据与现有树芯中的树木生长和水利用效率记录相结合,我将使用参数化森林生长模型(3-PG)来确定环境限制如何决定树木是否以及在多大程度上受益于二氧化碳浓度的增加。
杰西卡-史蒂文斯
田纳西大学诺克斯维尔分校

尸体分解热点:监测坟墓土壤的变化

从法医和生态学的角度来看,尸体或尸体腐烂都引起了人们的兴趣。我们的研究侧重于陆生脊椎动物死亡分解事件的微生物生态学,重点是土壤生物学和化学的变化。我们计划在实验室和实地实验中使用 METER土壤湿度传感器来预测这些分解土壤中的土壤湿度和脂肪/脂质含量。这将为这些传感器及其在法医学中的潜在应用提供新的知识。
REBECCA SHERIDAN
爱达荷大学

种植的杜格拉斯冷杉幼苗在限水条件下的水力生理学反应

该项目将测量花旗松幼苗的水力传导性,并确定幼苗的水力传导性在土壤水分限制条件下的变化情况。爱达荷州每年种植数十万株花旗松幼苗,这些幼苗要经受各种环境条件的考验。实地观察表明,栽种的花旗松幼苗无法存活;栽种地点土壤水分有限被怀疑是幼苗死亡的原因之一。该项目将利用植物水力生理学学科的工具和机制,包括高压流量计、Sperry 仪器和 METER 仪器,解决植苗无法存活这一林业问题。我们将在栽种前后测量秧苗的形态和生理特征。对照组幼苗将在整个实验过程中得到充足的水分,而处理组幼苗将经历中等或极端干旱条件。实验结果将通过方差分析进行分析。实验结果将阐明秧苗的水力生理如何应对种植,这将有助于提高秧苗的存活率,确保实现重新造林和恢复的目标。
托马斯-格林
密歇根州立大学

砾石层颗粒大小和基层坡度对可变深度 USGA 规格推杆果岭土壤水空间模式大小的影响

高含沙量推杆果岭中土壤水分的均匀分布是高尔夫球场管理者关注的主要问题。虽然砾石通常被用作沙基根区的组成部分,以增加保湿度,但由于重力作用,果岭的轮廓和坡度对保湿度有很大影响。因此,在海拔较高的地方,粗质土壤会过早变得干燥,而在海拔较低的地方,则会过度潮湿。这种不均匀的土壤湿度不仅会影响推杆果岭的性能,还会增加水和劳动力的投入。本研究的目的是评估砾石层颗粒大小和坡度对不同深度(坡顶较浅,坡底较深)高含沙量根区土壤含水量的影响。由于缺乏公开发表的研究,而且美国高尔夫协会(USGA)根据根区材料对砾石的选择做出了广泛的规定,因此确定最佳的桥接、过滤、渗透性和均匀性因素,以提高可变深度、高含沙量推杆果岭起伏区域根区土壤水分的均匀性至关重要。我们的目标是评估砾石层颗粒大小和基层坡度对可变深度、USGA 规格推杆果岭土壤水分大小和空间模式的影响。我们的假设如下:增加砾石层和根区之间的粒径差,并结合不同深度的根区,将改善起伏推杆果岭中土壤水分的均匀性。

2015 年获奖者

安德烈-格林
堪萨斯州立大学

小麦及其野生近缘种耐湿性的可重复筛选

以前的研究已经确定了野生小麦 Aegilops geniculata Roth 和普通小麦(Triticum aestivum, L.)在受控环境中的 "耐旱 "品种。受控环境筛选对于培育不适应的种质和将水分胁迫与田间其他胁迫隔离开来是必要的。许多温室干旱筛选都会受到土壤类型和由此产生的土壤含水量、体积密度以及根系质量、扎根深度和植株大小等性状的遗传差异等问题的干扰。监测土壤和植物中的水势是实施一致且可重复处理的唯一量化方法。通过开发同质生长介质的土壤水分保持曲线,可将水分处理维持在与生物相关的水势,并记录相应的植物水势。METEREC-5 容积含水量传感器、METER MPS-6 matric 电位传感器以及柱式张力计被用于监测温室实验中的土壤水分状况,该实验使用 182 厘米高的聚氯乙烯(PVC)生长管,使用同质生长介质 Profile Greens Grade。在试点研究中种植了以前的小麦品种,并将在更大的系统中筛选 Aegilops geniculata 的高级品种。将测量衰老天数、生物量、芽根比、生根性状、产量成分、叶片水势、叶片相对含水量以及水分限制处理和对照处理之间的其他生理观测数据。这些数据可作为对基因型进行分类的量化方法,以了解基因型对水分胁迫的反应。

获得 13 个MPS-6水位和温度传感器以及 26 个 EC-5土壤水分传感器
本杰明-卡尔
爱荷华州立大学

耕作后湿润和干燥循环期间动态容重的土壤热力和水力特性

表层土壤是一个复杂的动态界面,它决定着土地与大气之间的质量和能量传递,并决定着水文循环中的水流和分配。其特性之所以被认为是动态的,是因为它们部分受土壤含水量的控制,而土壤含水量会随着潮湿事件的发生而快速变化,也会随着排水、植物吸收和蒸发干燥的持续时间而缓慢变化。在考虑土壤表面动态特性的水文研究中,一个常见的假设是土壤容重是静态的。自然过程(如冻融)和人为改造(如耕作)都会影响土壤容重。因此,如果能对瞬态容重进行量化,就能测量其对土壤热力和水力特性的影响。为了持续监测翻耕过的田地中土壤热力和水力特性的变化,除了评估土壤容重和孔隙度状态外,我还建议使用热-TDR 传感器来测定原位土壤含水量和热力特性、潜热和显热通量。我要求使用水势和含水量传感器,以确定田间保水特性和导水率。

获得 18 个MPS-6水势和温度传感器、9 个 EC-5土壤水分传感器
拉切尔-鲁宾
北亚利桑那大学

土壤微生物会影响植物对热浪的反应吗?

热浪和干旱会破坏生态系统,而且发生的频率和强度都在增加,但与长期、逐渐的气候变暖相比,它们受到的研究关注要少得多。这些事件的严重影响是深远的,2003 年整个欧洲大陆的地面生产力降低了 30%。虽然对热浪和干旱的研究不足,但它们很可能通过土壤微生物群落的介导产生遗留效应。我将在体内操纵根瘤菌群落,并评估在野外热浪条件下移植的本地草的表现。我预计热浪会改变土壤微生物群落结构,减少细菌数量,但保持真菌数量。其次,由于根瘤微生物的适应性,我预计用热浪接种物种植草地将为植物的耐热性 "充电"。METER 仪器将为了解与热浪相关的非生物因素提供新的视角,包括对微生物可利用水和植物可利用水的相关影响。

获得 8 个MPS-6水势和温度传感器、8 个GS1土壤水分传感器、4 个Em50数据记录器
STEPHANIE FULTON
乔治亚大学

持续监测以确定在露天采煤和填谷作业期间工程水力流径如何保持水质和水量

研究人员发现,盐度水平--通过电导率测量--是整个阿巴拉契亚中部地区露天采煤和填谷(SCM/VF)作业下溪流退化的最有力指标。我们目前正在调查一种试验性 "水文隔离 "矿山复垦方法的有效性,该方法旨在通过最大限度地减少地下水与高产盐覆盖层的接触,从而保持 SCM/VF 作业下游的水质和水量。利用电导率识别和描述源水对溪流的贡献,将有助于我们确定水文隔离方法如何影响地表水-地下水相互作用的性质和持续时间,并加深我们对造成矿区流域溪流的主要水文流径的了解。与季度或月度监测数据相比,连续监测数据提供了更高的时间分辨率,对于了解电导率如何随季节和不同的先期降雨条件而变化至关重要。我们的研究目标是评估控制地下水流经单片机/无水容器矿区的水文工程实践如何影响溪流生成机制和水化学。我们的研究目标包括评估水文工程对降低受纳溪流的溶质负荷和电导率水平的影响,以及控制单片微滤膜/多孔滤膜下方溪流生成过程和水化学的机制。

使用 METER 的Em50R远程数据记录系统和 CTD-10 传感器收集连续的水文和水化学数据,将有助于我们了解位于肯塔基州东部煤田马戈芬县的一个偏远单片微滤膜/VF 站点的水文动态。

获得四个CTD-10传感器、三个Em50数据记录仪、一个数据站
本杰明-沃伦
科罗拉多矿业学院

受陆地-大气相互作用影响的浅层地下过程的实验和建模研究/地雷探测应用

杀伤人员地雷是全球最常见的环境危害之一。地雷探测技术的成功与否取决于许多因素,包括地雷的物理成分和埋设后在地下的时间长短。然而,一个通常被忽视的方面是放置地雷的环境条件。通过进一步了解地雷附近的环境条件,我们可以更好地校准用于开发与不同探测技术相结合的算法的数值模型。确定地雷布设地点附近的环境条件是这项研究的重点。目前已开发出大量用于预测浅层地下物理特性的数值和分析模型。有关地形特征和改变地形特征的动态过程的基本知识是这些模型的关键。这项研究的目标是提高我们对浅层地下水、水蒸气和空气的非等温多相流动过程的认识,以便更好地预测土壤水分的时空分布。 这将最终提供空间上更精细的土壤湿度和温度分布预测,使我们能够更好地了解对地雷探测性能最具活力的环境条件的建模、模拟和预测。

获得五个VP-3温度和相对湿度传感器、十个 ECT空气温度传感器、十个 EC-5土壤湿度传感器
亨利-辛提姆
华盛顿州立大学

可降解塑料地膜:降解及其对土壤质量的影响

在农业中使用传统塑料地膜(CPM)是全世界大多数特种作物生产者的普遍做法。它的好处是提高用水效率,控制杂草、病虫害。从而提高了作物产量和质量。然而,生产者在使用 CPM 后需要回收并安全处置 CPM,这增加了总生产成本。 用可生物降解的塑料地膜(BPM)替代 CPM 将缓解处理需求。不过,在采用 BPM 之前,需要评估其对农业土壤生态系统的潜在影响。我的研究目标是

研究不同类型的 BPM 随着时间推移的降解情况 评估 BPM 对土壤质量的影响

我将使用 Gempler 提供的美国农业部土壤质量测试工具包来评估土壤质量。由于土壤温度和含水量是影响化学反应速率和微生物活性的重要参数,而且在不同的 BPM 处理中可能会有所不同,因此将使用安装在 10 厘米和 20 厘米深处的 METER 5TM 土壤湿度和温度传感器对其进行监测。我还将在 30 厘米深处安装 METER'sG3 排水量计,以收集沥滤液样本,用于分析 BPM 颗粒。我将通过摄影、照片数字化和使用 Image J 软件进行图像分析,评估材料特性并测量颗粒大小和表面积,从而检查 BPM 随时间的降解情况。

获得一个 G3排水量计、六个 5TM 土壤水分和温度传感器、一个Em50G远程数据记录器

评估 BPM 降解产品在土壤中的沥滤情况
陈曙阳
乔治亚大学

在预测性用水模型中使用归一化差异植被指数 (NDVI) 作为植物大小的替代物,以促进精确灌溉

根据植物需水量进行精确灌溉不仅能使植物生长达到最佳状态,还能节约用水,减轻化肥和农药径流对环境造成的污染。全面了解作物的具体需水量对于提高灌溉效率至关重要。然而,植物的用水量每天都在变化,这主要是受环境条件变化以及植物大小随时间变化的影响。虽然环境条件相对容易测量,但直接测定植物大小往往具有破坏性且耗时。植被指数遥感(如归一化差异植被指数 (NDVI) )提供了一种连续、非破坏性的方法来估算冠层大小,以用于水资源利用模型。我目前使用 METERNDVI 传感器开展的工作将开发定量模型,根据环境因素和NDVI (植物大小的代用指标)预测被子植物的日用水量(DWU)。目标是用NDVI 代替农艺应用中常用的 "作物系数"。

我们的初步数据显示,NDVI 与植物生长高度相关,仅使用辐射和NDVI 建立的多元线性回归模型可解释 85% 以上的 DWU 变化。加入额外的环境变量或参考蒸散量可以完善这些模型。因此,我们将开展一项额外的研究来验证模型,并通过与商业种植者合作和在苗圃中开发研究场地来扩大研究规模。

获得 6 个SRSNDVI传感器、2 个SRS PRI传感器、1 个 ProCheck、1 个PAR传感器、1 个Pyranometer、1 个VP3温度和湿度传感器
杰布-菲尔德斯
维吉尼亚理工学院

通过工程无土栽培基质增加可用水量,在集装箱式生产中节约用水

人们越来越认识到,水是一种有限的资源,而农业(包括容器作物生产)是水的主要消耗者。在美国生产的所有观赏作物中,有近三分之二是利用无土栽培在容器中种植的,每英亩每天可使用 20,000 加仑以上的水来生产适销对路的作物。无土栽培基质可提供充足的空气孔隙,确保充分排水,从而允许种植者过量浇水,避免与水压力相关的风险。然而,随着水资源危机的迫近,需要更多可持续的水资源生产方式。

我的研究涉及操纵无土栽培基质的水物理特性,以便更好地了解水如何通过基质孔隙和颗粒并与之相互作用。此外,这项研究还将确定无土栽培基质水物理性质的变化如何影响容器栽培作物的生长和发育。改变传统使用的无土栽培基质,使其具有优化的水力特性,可以增加容器栽培基质中的水分分布,进而提高其可用性。 让水更容易在容器内流动,可以让根系获得基质中更高比例的水分,从而增加可用水量。有了更高比例的可用水量,种植者就能在减少用水量的同时获得更多的生物量,从而在生产过程中更有效地利用水资源。

我研究的总体目标是在不改变其他生产实践或投资新技术的情况下,利用传统成分(如泥炭和树皮)设计无土栽培基质,从而减少容器生产中的用水量。

获奖 1 WP4C露点水势仪
米切尔-亨特
宾夕法尼亚州立大学

干旱胁迫的冠层传感,追求生态气候适应性

我将部署 METER 光谱反射率传感器 (SRS) 和红外辐射计 (IR),以确定覆盖种植对玉米干旱胁迫反应的影响。 这些仪器将用于测量玉米冠层发育、光利用效率和冠层温度。 我将使用避雨棚,在五种覆盖作物处理后对玉米施加干旱胁迫。 METER 仪器将安装在两个移动观测装置上。 每个装置将包括经过校准的 SRS 传感器,用于读取归一化差异植被指数 (NDVI) 和光化学反射率指数 (PRI),参考传感器指向天空,以及一个红外传感器。

该移动系统将建立在本研究目前使用的一套重复生态生理学方法的基础上。 这些方法包括:玉米高度、leaf area index (LAI; METERAccuPAR LP-80)、气孔导度(METERSC-1 )、黎明前叶片水势(PMS Instruments Pressure Chamber)和叶片绿度(Konica Minolta SPAD)。

NDVI 读数将提供比 LAI 更早、更准确、更可重复的冠层发育指标。 冠层闭合后,成对的 PRI-NDVI 读数将有助于深入了解光利用效率;冠层温度的红外读数将提供水分胁迫指标。 它们将共同实现对玉米胁迫的全季测量。

这些仪器将提高我的田间研究的时间分辨率和机理特异性,促进方法开发,并帮助验证作物模型。 更广泛地说,这将加深人们对生态管理方法(覆盖作物)如何帮助适应未来气候变化(干旱)条件的理解。

获得两台Em50数据记录仪、两台SRSNDVI传感器、两台SRS PRI传感器、两台 Apogee红外辐射计
兰斯-斯托特
犹他州立大学

实现果园精确水压力的技术

高价值果树作物需要谨慎的灌溉管理以节约水资源。 对这些作物进行适度的水胁迫可提高果实的含糖量,但在使用精确水胁迫之前,需要一个可靠的果树水分状况指标。 由于树木根系深而广,土壤水分的测量并不可靠。 茎干水势的压力弹测量很可靠,但需要大量人力,而且无法实现自动化。 红外线测量叶片与空气的温差只有部分有效。 将频域反射测量法土壤水分传感器插入果树树干,有望成为持续监测树木水分状况的有效方法。 如果能成功地将树干含水量测量值与压力弹测量值以及叶片与空气温差联系起来,就能提供可靠的树木水分状况指标。 这种方法可用于精确确定灌溉时间和/或使世界各地果园的精确灌溉系统实现自动化,从而节约用水,提高作物质量,减少养分沥滤和径流。

获得 13 个MPS-6水势和温度传感器和 26 个 EC-5土壤水分传感器
CLINTON STEKETEE
乔治亚大学

利用小气候站监测环境条件并预测水分胁迫以准确进行表型,从而提高大豆的抗旱能力

随着气候变化,预计未来干旱等事件将更加频繁和极端。干旱胁迫是威胁大豆(Glycine max L. Merrill)农业生产力的一个重要问题,可使产量减少多达 40%。为了维持和提高大豆产量,养活不断增长的世界人口,需要耐旱性更好的品种。

迄今为止,大豆抗旱研究进展有限,主要是因为干旱条件在空间和时间上都是不可预测的。要想更容易、更可预测地筛选出耐旱品系,了解田间环境条件至关重要。有了这些信息,就可以利用改进的抗旱筛选技术来收集准确的表型数据并确定抗旱基因型。如果收集数据时所评估的大豆品系之间的差异能准确反映特定基因型的真实表型,那么利用这些表型数据开发的分子标记和其他基因组工具就最为可靠。

为了开展耐旱性研究,我们选择了 211 个大豆品系组成全基因组关联研究小组,通过两年时间在两个地点的田间评估与干旱相关的性状,确定耐旱性的基因组区域并开发新的基因组工具。这 211 个品系来自 30 个国家,选自世界上已知的干旱易发地区--年降水量低的地区和新开发的具有更强干旱相关性状的大豆品系。配备传感器的 METER 微气候站可监测田间研究地点的环境条件,这将极大地帮助我们预测水分胁迫,并确定对这些干旱相关性状进行表型的理想时间段。

荣誉奖:授予两台微环境监测仪、两台Em50G远程数据记录仪、两台GS-1土壤水分传感器、DataTrac 3 软件
凯瑟琳-东
WASHINGTON STATE UNIVERSITY

DEVELOPING A LIFE-CYCLE DEGREE DAY MODEL FOR MELOIDOGYNE HALPA (NORTHERN ROOT KNOT NEMATODE) TO IMPROVE WASHINGTON WINE GRAPE MANAGEMENT STATE

Root-knot nematodes are endoparasitic organisms that infest plant roots and form galls that disrupt normal translocation of sugars and water. Declines in vigor in older vineyards and poor establishment or death of young vines in replant situations have been attributed to nematodes. The northern root-knot nematode, Meloidogyne hapla, is the most prevalent species of root-knot nematode found in Washington wine grape vineyards. Knowing when the different life stages of M. hapla are present in the soil will allow growers to target those stages that are more susceptible to management intervention.

We know that the rate of M. hapla development and infectivity is most dependent on soil temperature and moisture. As such, we foresee the ability to develop a life-cycle model based on the temperature proxy of growing degree days. Over the next two years, I will intensively sample both soil and roots for life stages of M. hapla in two vineyards, and compare that to various environmental parameters such as air-based growing degree-days, soil temperature, and soil moisture. I plan on collecting the soil parameters using the METER 5TM soil moisture and temperature sensors and Em50data loggers.

Honorable Mention: awarded four 
Em50 data loggers, 12 5TM sensors, 12 MPS-6 sensors

2014 年获奖者

特洛伊-马格尼
爱达荷大学

光化学反射率指数(PRI)对环境胁迫条件的响应,用于改进小麦谷物产量预测

地基遥感技术作为一种以高时间(日)和空间分辨率跟踪作物表现的工具,最近引起了农业界的广泛兴趣。为了应对全球范围内预计的气温升高和干旱期,种植者和科学家可以从更容易获得的有关作物日常表现的信息中获益。利用实时收集和处理数据的地面遥感平台,更好地了解作物对环境压力条件的反应,可以为在局部范围内针对具体地点的管理实践提供更快速、更有效的方法;此外,还可以为通过机载和卫星传感器将植物反射光谱从地块放大到景观尺度提供宝贵的信息。

收集特定地点作物表现信息的一种技术是遥感植被指数(VI),如光化学反射率指数(PRI)。我的工作旨在推进对光化学反射指数的理解和解释,将其作为植物胁迫的遥感指标,具体应用于提高我们对不同环境胁迫条件如何影响谷物质量和数量的理解。
迈克尔-圣地亚哥
CORNELL UNIVERSITY

MICROTENSIOMETER TO CONTINUOUSLY MONITOR WATER POTENTIAL IN PLANTS

Water potential (Ψ) is the best measure of a plant’s hydration relative to growth and product yield/quality. Unfortunately, directly measuring Ψ in plant tissue is only possible through labor-intensive, destructive methods such as the leaf pressure bomb and stem psychrometer. A common alternative is to use ‘set-and-forget’ soil tensiometers to measure soil water potential (Ψsoil) as a proxy for plant water potential (Ψplant), but this method is unreliable for plants with high hydraulic resistance (e.g., vines and woody species) where often Ψplant << Ψsoil.

Although very accurate and simple to use, tensiometers also have two drawbacks: they are large and bulky, and tend to cavitate in even slightly dry soils. My project involves using MEMS technology to develop a miniature tensiometer (microtensiometer) that overcomes these drawbacks and thus can be embedded in plant stems to directly measure Ψplant, is easily mass-manufactured, is stable for months, and communicates digitally.

Now that we have a functional prototype, I will use the AquaLab 4TE dew point water activity meter to produce solutions of specific activity to test, calibrate, and characterize the microtensiometer. My intent is to improve the design of this sensor so it can be used in the field to, for instance, continuously monitor and control Ψplant in vineyards, and consistently produce high-quality wine grapes with an exact flavor/aroma profile.
梅丽莎-斯图尔特
科罗拉多大学博尔德分校

热活性加筋土壤系统中土壤-土工合成材料相互作用的热-水-机械响应的物理建模

加筋土结构(如机械稳定土(MSE)墙)是土木工程中一种广为接受的分层方法,不仅可以为高速公路沿线的道路留出更多空间,还可以更有效地利用私人建筑工地的空间。这些结构的传统设计要求采用特定类型的回填土,这种回填土具有自由排水性,可防止系统中产生孔隙水压力。这些精选的回填材料通常无法在现场找到,也不容易买到,因此对某些项目来说成本过高。一些项目中使用了排水性差的边缘回填土,如淤泥和粘土,这些回填土可以在现场找到,但由于这些土壤排水不畅,在加固区产生孔隙水压力仍然存在一些问题。

控制孔隙水压力的一种新方法是采用热交换器,使水蒸气在热力作用下流出加固区。虽然这种方法已被证明可以提高土壤的强度,但它可能会对土工合成材料产生负面影响,因为土工合成材料通常是由聚合物制成的,很容易受到热变化的影响。这项研究的目的是量化温度变化对非饱和压实土壤和土工合成材料之间复杂相互作用的影响。特别是,从热交换器流出的热诱导水流将导致土壤与土工合成材料之间的相互作用发生变化。更好地了解热特性的变化以及这些系统如何发挥作用,有助于确定热活性加筋土结构的可行性。

在本项目中,将使用 METER 5TM 湿度探头来评估土工合成材料加固土层中离散位置的体积含水量和温度在热注入过程中的变化。此外,还将使用 METERKD2Pro系统来确定土壤热特性与饱和度之间的非等温关系。这套仪器将用于评估热传导和水流耦合过程的量化,以及随着时间的推移对非饱和土壤沉积中地热效率的相关影响。
凯瑟琳-奎格利
威克森林大学

建立土壤-植物-动物反馈模型,了解塞伦盖蒂国家公园的 "热点 "持续情况

土壤的物理和化学特性在植物与食草动物之间的相互作用中起着关键作用,但生态学家往往完全忽视了这一点。塞伦盖蒂 "热点 "是指生长迅速、营养丰富的草丛在时间上保持稳定,这些草丛吸引了常驻食草动物(斑马、瞪羚)的数量,并在生态系统中产生异质性。长期以来,研究人员一直对 "热点 "着迷,但却无法解释这些独特微生境的形成、维持和空间分布。

我将把放牧严重的热点地区与邻近的非热点地区进行比较,观察特定土壤特性如何随放牧强度而变化。我尤其感兴趣的是,食草动物的存在如何影响土壤水势,并最终影响植物群落组成和食草动物动态。安装 METERMPS-6传感器和Em50数据记录器将使我能够监测水势随放牧强度的时空变化。这些数据将作为结构方程模型(SEM)的组成部分,为塞伦盖蒂热点的持续存在提供全面的机理解释。
曼努埃尔-赫尔比格
蒙特利尔大学

退化的永久冻土对北方森林景观中植被生产力和土壤热湿机制的影响

位于永久冻土带南端的北方森林尤其容易受到预计气候变暖的影响。在加拿大西北部已观察到大面积的永久冻土消失,导致地表下沉和森林覆盖率下降。由此造成的破碎景观的特点是土壤热量和湿度条件以及植被类型在空间上的高度异质性。

加拿大西北部泰加平原的北方森林储存了大量冻结的土壤有机碳。目前的土壤解冻使这些有机碳暴露在微生物分解过程中,但也可能通过提高植物生产力增加碳吸收。更好地了解这些碳通量的规模和动态,对于评估对全球气候的潜在反馈作用非常重要。

在我的博士研究中,我正在使用涡度协方差技术和通量足迹模型来研究陆地表面和大气之间的碳、水和热的净交换如何受到快速退化的永久冻土的影响。METER 仪器可对主要土地覆被类型的植被状况进行连续监测,并同时对特定土地覆被类型的热量和水分动态进行监测。这些信息对于分析综合的生态系统二氧化碳净交换及其组成部分通量(生态系统总生产力和生态系统呼吸作用)以及将这些通量提升到区域尺度至关重要。
REBECCA LLOYD
蒙大拿大学

道路拆除后的水文和生态恢复:处理设计对生态系统服务的影响

尽管在拆除和恢复公共土地上的遗留林道方面投入了数百万美元,但管理者对最有效的道路拆除方法仍存在相当大的不确定性,尤其是在促进高价值生态系统服务(如水的数量和质量、养分循环和森林生产力)的恢复方面。 管理不确定性的核心是缺乏与了解地面和地下水文及生态过程耦合恢复机制相关的研究。

由于爱达荷州中北部的内兹佩尔西-清水国家森林公园正在进行大规模的道路退役和恢复工作,我有机会:

进一步了解土壤、植被和生态水文特性对恢复生态系统功能的作用 评估土壤、植被和生态水文特性及功能的恢复是否随道路拆除方法的不同而变化

研究地点爱达荷州爱达荷县内兹佩尔西-清水国家森林公园洛奇萨排水沟。

开发综合生产功能,以量化道路移除可如何增强生态系统服务,特别是水的数量和质量以及净初级生产力

梅兰妮-斯托克
威斯康星大学麦迪逊分校

通过冬季水平衡研究冰冻/融化事件期间粪肥的养分迁移情况

农业径流中的磷损失是一个主要的环境问题,因此也是粪肥管理的一个重点。养分迁移对冬季天气和冻土的复杂条件非常敏感,但由于冬季径流产生和过程导向的信息有限,模型和后续管理指南往往得不到数据支持。

为了研究肥田的冬季养分传输,我的目标包括量化水分平衡,以阐明控制土壤渗透潜力的基本冻融机制。土壤渗透性将在施用秋季和深冬肥料的耕作玉米田和免耕玉米田以及未施肥的对照田中进行测试。我将监测径流量和养分负荷、积雪、霜冻、土壤湿度和温度。

将使用 VP-3 和 DS-2 传感器测量升华情况,并使用 MPS-2 水势传感器测量垂直土壤水通量。数据将为评估农业生态系统养分流失的预测工具提供信息,并通过平衡环境和经济可行性来提高农业的可持续性。

2013 年获奖者

劳伦-哈勒特
加州大学伯克利分校

预测牧场生产力对气候变化的稳定性

据预测,人为气候变化将导致整个牧场系统的降水变异性增加。随着降水量更频繁地偏离历史变异范围,在气候变异性增加的情况下保持稳定的牧草产量将成为牧场农业生态系统的一个重要管理优先事项。

可导致牧草产量稳定的一个关键机制是补偿动力学,其中不同物种对气候波动的反应会随着时间的推移导致功能群之间的权衡。这些权衡应能缓冲整体牧草产量对气候变异的影响。我的论文在田间实验环境中,通过操纵降雨量的可用性和物种间的相互作用,检验了补偿动态对牧草稳定性的重要性。

METER土壤水分探针数据记录器将使我能够描述该实验的处理效果,并为预测牧场对气候变化的反应的模型提供参数。
马利卡-诺科
威斯康星大学

灌溉和气候对威斯康星中部沙地水能平衡的影响

在地下水与地表水联系紧密的地区抽水灌溉会对水生资源造成影响,从而导致地下水治理陷入困境。威斯康星中部沙地是一个地下水与地表水连通性很强的生态区域,在过去的 60 年中经历了农业用地和气候的变化。我的研究目标是根据利益相关者提出的科学不确定性,确定农业用地利用和气候变化如何影响威斯康星中沙地区的水能平衡。

我的具体实地目标是

使用 METERG3 排水测量仪估算地下水补给量,以捕捉马铃薯和玉米种植系统下的渗流带通量 通过将 METER 5TM 传感器从土壤表面分层至一米深度(G3 单体顶部),监测马铃薯和玉米种植系统下的土壤水分/温度通量

实地生成的地下水补给和蒸散发估算值将为动态农业生态系统模型 Agro-IBIS 提供参数和验证,该模型模拟了对过去 60 年气候和土地利用变化的水文响应。水能预算和水量/气候模拟将与威斯康星中部沙地的利益相关者分享,并通过该论坛提出未来的研究问题。

使用 METERSC-1 孔隙度计测量气孔导度,同时测量微气象学、leaf area index 和气体交换,估算蒸散量(ET)。
惠特尼-加切斯
马里兰大学

屋顶绿化基质混合对雨水滞留和植物水循环的屋顶尺度建模

绿色屋顶作为雨水管理工具越来越受欢迎;然而,有关绿色屋顶性能的报告主要基于小规模的平台研究(一般小于 20 平方英尺)。缺乏真实屋顶性能数据的主要原因是费用和后勤方面的考虑(例如,有些屋顶很难或不安全,无法定期进入)。

我与当地一家屋顶绿化安装和管理公司建立了合作关系,该公司获得了为当地政府机构安装大型屋顶绿化设施的合同。客户希望收集数据并监测绿色屋顶的性能。我的项目将为一个 30,000 平方英尺的绿色屋顶配备性能监测设备,同时使用适当的METER 湿度传感器气象站仪器监测相同平台规模系统的性能。实际屋顶性能数据将与平台性能数据进行比较,以确定小规模研究是否能准确预测实际屋顶性能。
延斯-斯蒂文斯
加州大学戴维斯分校

积雪变化对加州山地森林入侵植物的影响

山地森林是气候变化背景下需要了解的重要生态系统,因为它们代表了重要气候梯度和相应植被在狭小地域内的空间压缩。在气候变化的影响下,山地森林冬季积雪的深度和持续时间预计会减少,这可能会延长生长季节,从而促进耐旱入侵植物从低海拔地区扩散。

我的研究调查了积雪量的变化是否会影响加利福尼亚内华达山脉两种外来灌木(苏格兰扫帚和西班牙扫帚)的种群增长率。这两种灌木可能对春季积雪减少导致的生长季节提前很敏感,因为在土壤温度低至 4 °C 的情况下,它们可以通过光合作用活跃的绿色茎干生长。不过,提前融雪和提前消耗土壤水分之间可能存在权衡,这可能会导致长期干旱胁迫和碳增量减少。初步数据表明,耐旱性更强的灌木西班牙扫帚比苏格兰扫帚对冬季积雪减少的反应更积极。

METER 仪器将收集一系列试验性积雪处理和森林冠层结构的积雪覆盖和土壤湿度 的全面记录,以记录这两个因素的相互作用以及它们解释入侵植物表现的机制。
阿曼达-郭丁
佛蒙特大学

用香普兰湖流域低影响开发(LID)雨水管理适应气候变化

本研究的目标是为低影响开发(LID)雨水生物滞留系统的未来设计提供信息,以便在气候变化导致佛蒙特州降水量预计增加的情况下提供最佳的滞留时间、磷吸附和反硝化作用。这项研究将调查佛蒙特大学新建的室外生物滞留实验室中八个生物滞留池内工程土壤介质不同深度的温室气体排放和养分转化的影响机制。还将评估这些系统在缺乏地下雨水基础设施的发展中国家实施的可能性。
尼尔-米切尔
伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校

无漂移地区的森林藻类斜坡:土壤和小气候评估与监测

海蚀斜坡是一种自然形成的小气候生态系统,分布于美国中西部的无漂移地区(Cottrell 和 Strode,2005 年)。Algific 斜坡被描述为冷空气、朝北的冲积斜坡。其独特的微气候特性是由形成藻蚀斜坡的基本地质特征造成的。从根本上说,空气在断裂的地质基底中的冰层上循环,从而导致冷湿空气在温暖的月份里在斜坡上排出,从而有效地塑造了当地的植物群和动物群。
斯科特-皮茨
约翰霍普金斯大学

高地森林的隐性甲烷排放

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体,但人们对它的了解却少得多。在过去 10 年中,实验室实验和卫星数据都收集到了木本植物和森林向大气排放甲烷的证据。尽管有了这些新发现,但高地森林仍被认为是甲烷汇,因为其表层土壤中的生物会消耗甲烷。甲烷也有可能通过树木从深层土壤中泄漏出来。这可能导致目前被认为是甲烷汇的生态系统成为甲烷净源。陆地森林覆盖全球大片区域,因此迫切需要解决这些问题,并获得准确的通量估计值,以便纳入全球气候模型。如果没有新的精确测量,气候预测将继续存在系统性缺陷。
迪安娜-帕特
加州大学圣地亚哥分校

研究农作物油菜的干旱反应

干旱是降低作物产量的主要胁迫,随着气候变化和淡水供应有限导致气温升高、荒漠化和土壤盐碱化加剧,干旱将在未来几年继续成为一个日益严重的问题。包括干旱在内的非生物胁迫会引起植物激素脱落酸(ABA)的产生,脱落酸会通过复杂的信号途径关闭气孔,从而减少植物的蒸腾失水量。

我正在利用 RNAi 技术敲除该通路中负调控蛋白的表达,以评估是否可以在不影响生长的情况下增强作物甘蓝(油菜)的干旱反应。转化后的植物将在受控干旱条件下生长,并使用 METER 仪器监测土壤含水量和气孔导度。
D.科里-诺伊斯
密歇根州立大学

通过施用缓释氮肥提高胡萝卜的经济效益

提高蔬菜生产中氮(N)的使用效率不仅能带来经济效益,还能改善环境质量。 在密歇根州,胡萝卜通常生长在沙质土壤上,在生长期内需要频繁灌溉和多次施用氮肥。

我的研究重点是通过使用缓释氮肥材料(SRN),优化作物需氮量与施肥供氮量的同步性。 我的首要假设是,在密歇根胡萝卜生产中使用聚合物包膜尿素(PCU)SRN 材料将

减少氮肥的施用量 降低氮肥总需求量 提高氮肥利用效率

在该系统中使用 PCU 的潜在好处包括降低投入成本、减少不可再生资源的消耗以及最大限度地减少硝酸盐浸出对环境的影响。 测量土壤容积含水量、温度和体积导电率的 METER数据记录器和传感器将有助于我们更好地了解 PCU 的氮释放调节条件。

我们希望将 METER 数据与土壤样本中的氮提取物结合使用,将氮释放模拟为水分和温度的函数,并量化导电率与氮释放之间的关系。 这些信息将有助于为蔬菜种植者设计既有利可图又环保的养分管理计划。

2012 年获奖者

克里斯蒂娜-霍普金斯
匹兹堡大学

评估绿色雨水基础设施对城市水文的影响

需要澄清城市水文预算,以改善复杂城市系统的水资源管理。 这项研究的目的是澄清城市化集水区水输入和输出的变化,并评估绿色基础设施在将水引向流速较慢的地下水流路径方面的有效性。

绿色基础设施利用植被和土壤改良剂从源头减少雨水径流,促进渗透和蓄水。 土壤湿度传感器水深记录仪将安装在位于宾夕法尼亚州匹兹堡市菲普斯保护区的两个雨水花园和一个对照地点。传感器将持续监测每个地点的土壤湿度、水深、温度和电导率。收集到的数据将用于描述土壤水动态和雨水花园的蓄水情况。 这项研究的结果将阐明绿色基础设施作为雨水管理方法的益处。
艾莉森-多尼格
俄勒冈州立大学

建立玉米百合灌溉标准

近年来,玉米百合(Veratrum californicum)因其抗癌特性而越来越受到医学界的关注。基于玉米百合的药物 IPI-926(Infinity Pharmaceutical 公司)对人体进行的初步试验在治疗基底细胞癌和胰腺癌方面取得了非常喜人的成果。为了保证 IPI-926 的稳定供应,制定玉米百合的种植标准至关重要。

俄勒冈州立大学马尔希尔试验站 (MES) 在过去的两个生长季节对玉米百合进行了滴灌试验,目的是确定能使玉米百合生长最大的土壤水分张力范围。METER 仪器将用于测量灌溉试验地块五个处理中每个处理的土壤水分张力土壤含水量
埃莉塞-怀根特
乔治亚大学

研究抗旱性和最高生产力之间缺乏权衡

据预测,全球降水模式的变化将影响世界各地自然和农业系统中的植物生产力。这些降水变化的一个主要问题是,一些物种将面临更多的水分限制,导致植物生产力下降。

有研究表明,抗旱性较强的物种在水分充足的条件下生长时,其最大生产力往往较低。不过,初步证据表明,在美国东南部炎热干燥的花岗岩露头上生长的一种植物 Helianthus porteri 并没有表现出这种权衡。比较波特利草(H. porteri)与它的两个近亲--栖息在潮湿土壤中的 Agrestis 和 carnosus--的抗旱反应,可以为未来的农业生产提供有用的信息。

我对这些物种(尤其是H. porteri)的评估,将扩大为农业目的挖掘野生Helianthus物种抗旱特性的工作。我的目标是深入了解哪些性状可能有助于提高未来水资源限制地区的农业生产力。
凯特-卡西迪
乔治亚大学

校准叶片湿度传感器以测量表面施用肉鸡粪便的氨挥发研究中的露水量

商业养鸡业每年都会产生大量的肉鸡粪便。 肉鸡粪通常用作肥料,是牧场和农作物中植物可用氮的良好来源。 植物可利用的氮量和通过氨挥发到大气中的氮损失量取决于土壤特性、施用量和环境因素。 了解雨水、相对湿度、温度土壤湿度露水沉积对挥发和垃圾中其他氮转化的重要性,将有助于更好地了解施用于牧场的氮,并为更精确的施用率建立模型。

了解有关叶片湿度传感器和露水沉积的更多信息
科尼利厄斯-阿德瓦莱
华盛顿州立大学

监测有机农场管理下的沥滤

氮是农业系统中使用的最重要的养分,对经济可行性、可持续性和改善世界各地的耕作系统做出了巨大贡献。然而,氮的管理却与无数全球性问题有关,包括氮渗出根系外造成的地下水污染、氮在地表径流/侵蚀中流失造成的富营养化,以及氮20排放对全球气候变化的巨大影响。

由于对氮的高度敏感性以及有机肥和土壤有机质对氮矿化的不可预测性,优化有机系统中的氮管理是一项挑战。此外,有机系统中普遍使用堆肥和有机肥来增加土壤肥力,这可能会增加硝酸盐沥滤对地下水造成意外污染的可能性。因此,有必要评估有机耕作法对土壤有机质、温室气体排放和养分归宿的影响。

使用 METER Drain Gauge G3,我将监测从渗隙带排出的水和氮的通量,以帮助确定养分的可用性,以及位于华盛顿州不同地区的五个有机重点农场所使用的常见投入、作物和耕作方法对氮沥滤的影响。这项研究的数据将帮助我们建立参数和评估预测模型,以改进有机肥料管理。
蒂姆-阿斯顿
怀俄明大学

改善干旱条件下的作物生长:利用遗传学和精确测量与控制土壤湿度的方法

通过育种或基因工程开发出具有在干旱条件下生长更快特性的作物,是一种潜力和动力。水在植物体内流动时,大部分阻力来自通过叶片和根部的薄膜。植物可以通过制造蛋白质(称为水蒸发蛋白)来减少水流的总体阻力,这种蛋白质可以插入这些膜中,起到水通道的作用。利用这些蛋白质减少水流总体阻力的能力较强的作物基因型,每天在其水势达到需要关闭气孔的程度之前,可能能够吸收更多的碳。

一种重要作物--油菜(Brassica rapa)的基因型已被鉴定出具有不同程度的水汽蛋白功能。这些基因型将在一个定制的、使用 METER 土壤水分探头的自动化系统中,在土壤和大气干旱的精心控制组合下生长,以确定这种特性是否能使经历干旱的作物固定更多的碳,从而更快地生长。
艾因-霍索恩
英属哥伦比亚大学

生物炭对杜格拉斯冷杉林土壤水动态和沥滤的影响

生物炭是生物质热解产生的一种非常稳定的有机碳 (C)。有人建议在农业土壤中使用生物炭,以减少养分沥滤损失和温室气体排放,同时提高作物产量和土壤碳储量。

我试图评估从花旗松中提取并应用于花旗松森林土壤的生物炭在改善土壤水动态和土壤碳储存方面的潜在用途。将在一个成熟的研究基地安装 METER水势传感器和GS3传感器,以测量四种处理方法的土壤水分特征:

5 吨/公顷生物碳、200 千克/公顷氮(尿素)肥料、

从生物炭处理过的田间土壤中提取的土芯将被送往METER 实验室(华盛顿州普尔曼),在那里使用 METER 和 GS3 传感器测定土壤水分特征曲线。 HypropWP4C.通过重点研究道格拉斯冷杉,我们代表了北美所有商品针叶林中纬度范围最大的森林类型。通过评估在现有管理林区内提高花旗松生产可持续性的策略,这项研究的结果预计将有助于引导森林采伐,使其远离日益减少的原始森林区域。

生物碳和肥料各按上述施用量施用

对照组
泰尔-B-帕特罗斯
圭尔夫大学

分析和改进地下水补给量的地下水位波动估算方法

城市和农村地区的地下水补给(GWR)测量对于许多应用都至关重要,包括了解地下水可用性的时空动态和制定源水保护指南。我们对地下水补给量的认识还存在很大差距,而准确的估算对水文预算的特征描述至关重要。

目前正在开发一种新技术,以便利用地下水位波动法(WTF)结合土壤水预算监测,全年在局部范围内对补给量(R)进行 5 分钟(平均每小时)的精确量化。由于大量的 R 通常发生在短时间内的强动态范围内,因此能够在全年多年间频繁测量 R 至关重要。该项目的预期成果和意义如下

利用该数据库来校准和测试区域尺度(流域尺度)全球升水速率的空间和时间变异性估计值,这些估计值来自近似统计技术或确定性方法,例如使用降水和土壤质地。指导内容可包括需要安装多少个地下水位井、压强计、土壤含水量 和温度传感器、张力计和排水仪,才能在所需的置信区间内估算出全球降水量。

2011 年获奖者

米歇尔新人
旧金山大学

低影响设计雨水花园下的补给率和厄尔尼诺南方涛动对城市沿海地下水资源的影响

城市沿海环境中的全球地下水资源极易受到人类压力增加和气候多变性的影响。建筑物、道路和停车场等不透水表面阻碍了渗透,减少了对地下蓄水层的补给,并增加了地表径流中的污染物,这些污染物经常溢出下水道系统。

为了减轻这些影响,世界各地的城市都在采用低影响设计(LID)方法,将径流导入天然植被系统,如雨水花园,以减少、过滤和减缓雨水径流,并假设它能提高渗透率和含水层的补给率。LID 对补给率和补给质量的影响尚不清楚,尤其是在太平洋沿岸城市因厄尔尼诺南方涛动(ENSO)的年际变化而发生强降水事件时。

我将使用 METER水势土壤水分传感器收集和监测土壤、水力和地球化学数据,以量化加利福尼亚州旧金山的一个 LID 雨水花园和传统草坪环境下的加利福尼亚沿海含水层系统的渗透和回灌率及质量。

这些数据将用于校准 HYDRUS-1D 模型,以模拟厄尔尼诺/南方涛动历史和未来变化下的补给率。了解这些过程对于管理城市和沿海环境中的地下水资源具有重要意义。
埃里克-兰德里
华盛顿州立大学

覆盖作物对冬季硝酸盐沥滤的影响

华盛顿州斯卡吉特山谷的马铃薯生产需要使用化肥才能盈利。冬季降雨可能导致易溶养分沥滤,从而引发环境问题。覆盖作物可以通过增加有机结合元素来减少养分沥滤。

这项研究将采用5TE土壤水分、温度和导电率传感器,结合 FullStop 润湿前探测器,测量播种或未播种冬季覆盖作物混合物的土壤的水分和溶质通量。我们的使命是为当地的有机和传统生产者提供因地制宜的可持续生产选择。确定哪些覆盖作物最适合作为捕获作物,将消除种植者的疑虑,促进有效利用。
萨拉-巴古斯卡斯
加州大学圣塔芭芭拉分校

了解加利福尼亚沿海松树林树木死亡的基本过程

加利福尼亚多雾海岸线上的森林在未来可能会变得更加温暖,雾也可能会减少。 由于夏季的雾可以在一年中气候温暖干燥的时期增加森林的供水量,因此雾水输入的减少可能会使树木面临更大的水压力和干旱引起的死亡风险。

本研究旨在了解雾水输入的变化如何影响位于海峡群岛国家公园圣克鲁斯岛的毕夏普松(Pinus muricata D.Don)林木的生理状态。 萨拉将进行一项田间试验,通过调节土壤表面的雾滴来改变这些树木可利用的土壤水分。 这项研究的目的是更好地了解雾水输入如何影响沿海森林的水分预算,从而提高我们预测沿海森林如何应对气候变化的能力。
卡丽-伍兹
克莱姆森大学

附生蕨类植物对营养供应的生理和形态反应

养分和水分的供应在很大程度上决定了植物的分布。 能在各种养分和水分水平下茁壮成长的植物具有更高的形态和生理可塑性,因此其分布范围要比专一于特定条件的植物更广。 Pleopeltis polypodioides 是一种附生蕨类植物(即非寄生在树冠上的植物),其分布范围包括美国东南部的硬木森林以及中美洲和南美洲的热带雨林。 这种植物之所以能分布如此广泛,可能是因为它能忍受不同程度的营养和水分供应。

我建议在南卡罗来纳州和哥斯达黎加研究多足金龟子对不同程度的养分和水分的形态和生理特征。 在之前的实验中,我发现当多刺蕨在没有添加养分的高水位环境中生长时,植物会出现光抑制现象,导致生长和光合速率降低。 当添加营养物质时,没有光抑制的迹象;相反,光合作用和生长速度都有所提高。

我打算验证一个假设,即在潮湿环境中,P. plypodioides 被限制在冠层土壤等养分含量高的生境中,以减轻光抑制的影响。 我将测量 P. plypodioides 对不同养分和水分供应的形态和生理特征,如气孔导度、比叶面积以及叶组织中的氮和磷浓度。 鉴于 P. polypodioides 能够栖息于从南卡罗来纳州的橡树到哥斯达黎加的新兴树冠树等多种栖息地,这表明它在蕨类植物中具有潜在的独特能力,能够耐受多种环境条件。
彼得-邦普斯
南佛罗里达大学

评估天坑中的间歇流和覆盖喀斯特地貌的补给模式

更好地了解地下水流对于改善复杂的盖层喀斯特环境中的水资源管理至关重要。 流经垂直充沙塌陷柱的水量可以决定湿地是否会排水,或者湖泊水位和地下水位是否会下降,尤其是在含水层被大量抽水的地方。 争夺水资源的冲突此起彼伏,因此,更好地了解天坑行为和近地表地下水流的有效监测方法是非常必要的。 据推测,自电势测量结果反映了三种水流状态之间的转换:快速流动、深层堵塞、浅层堵塞。

要验证这种间歇流假设,需要测量 SP 波动期间的水汽流动和母质电位变化。 我们将制定一套有效的方案,利用水文传感器和 SP 来监测与天坑有关的水流。 此外,导管和关键水文、地形、植被和日照位置的土壤水分传感器将从蒸散发、根吸力和各向异性地形效应中分离出流势信号,并确认或否定 SP 在分析地下水运动方面的有用性。

在 21 世纪,了解水的运动就像在 20 世纪寻找石油一样重要。 这不仅是保护湿地、湖泊和溪流的问题,也是管理一种资源的问题,这种资源将被竞争性地用于运输(燃料电池)、营养和娱乐。 这项工作还涉及到排泄场和井场的定位,并可能有助于区分作为沉降源的天坑和收缩井土壤。 这项研究将对 SP 作为绘制地下渗流图的工具进行实际评估。
亚当-霍华德
北卡罗来纳州立大学

北卡罗来纳州两个葡萄栽培品种对压力诱导的环境和生理反应

随着北卡罗来纳州酿酒葡萄生产的加强,必须重视水分管理的重要性。 葡萄的产量和成分,进而葡萄酒的质量,都会受到葡萄生产时的水分制度的深刻影响。

尽管水管理非常重要,但在北卡罗来纳州的主要酿酒葡萄产区亚德金山谷产区,与该主题相关的研究却很少。 该地区拥有独特的土壤和气候,可能与其他已完成水资源管理研究的成熟葡萄酒产区有很大不同。 初步研究结果表明,该地区的降水量超过了蒸腾作用的需求量,但由于过多的可用水量会对葡萄质量产生负面影响,因此对优质葡萄而言,一定程度的用水压力是可取的。

这项研究的主要目的是确定关键环境和生理变量的状况,在这些变量的作用下,两个水力不同的葡萄品种(格雷纳德和西拉)可以达到理想的压力水平。 我们将从这两个栽培品种的葡萄藤中排除水分,并使用 METER 的含水量传感器数据记录器和稳态孔隙度计来监测诱发水分胁迫时的土壤和植物参数。 这些信息将有助于种植者做出水分管理决策,并将用于评估在该地区为优质葡萄生产达到适当压力水平的可行性。
娜塔莉-朗斯伯里
马里兰大学学院公园

用于免耕蔬菜种植的低残留冬枯覆盖作物

尽管已知覆盖作物和减少耕作对土壤质量和环境都有好处,但在美国东北部和大西洋中部地区,将覆盖作物和免耕结合起来种植最早的春季蔬菜仍然是个问题。 许多传统的高残留覆盖作物加剧了春季凉爽潮湿土壤的问题,并可能固定氮素,影响后茬作物的生长。 替代性的低残留物冬季杀虫作物有可能带来环境和土壤质量方面的好处,如捕获养分、防止水土流失和增加有机质,同时有利于春季提早播种而无需耕作。

这项研究将调查替代性覆盖作物的使用情况,如饲料萝卜、法桐、黑燕麦和马唇豆,用于春季免耕种植蔬菜。 我们将使用 METER5TE传感器监测土壤湿度和温度,以确定适当的种植日期,并努力建立孔隙水导电率和硝酸盐浓度之间的关系,以监测覆盖作物的分解情况及其为后续作物提供氮的能力。
费利佩-巴里奥斯-马西亚斯
加州大学戴维斯分校

测试创新灌溉方法以提高用水效率

用水量少但产量高的替代灌溉方法有助于农业的可持续发展。本项目重点研究在实践中作为替代沟灌使用的根部部分干燥(PRD)技术,以减少用水量并提高加利福尼亚州加工番茄的作物水分利用效率(产量/用水量,WUE)。

目前已有关于作物对 PRD 技术的一般生理反应的信息,但可靠的管理策略还需要对个别作物进行测试。交替沟灌是有选择地每隔一条沟浇一次水。每畦只浇一面水,每次灌溉交替浇水。使用田间一半的沟渠可以减少施水量,而且可能不会减产。

土壤水分和植物水分状况监测对确定每次灌溉的时间至关重要,可防止严重的水分胁迫和减产,但受限于以非破坏性方式频繁测量的能力。使用 METER EC-5土壤水分传感器在不同种植者的田间进行即时读数,以监测两个不同深度的土壤水分供应情况。这些数据将与来自SC-1 leaf porometer 的叶片电导率测量值相关联,以显示用水效率高、产量高的灌溉处理方法。我们还将分析土壤水分如何影响氮沥滤、冠层生长和截光、WUE、产量和果实质量。

2010 年获奖者

姜艾林顿
圣路易斯大学

土壤特性对荒漠化逆转的影响

全世界干旱草原的荒漠化被认为在很大程度上是不可逆转的。 然而,最近的研究表明,在四个荒漠化地区的长期牲畜圈养区内,多年生牧草得到了恢复。 在其中一个地点,植被的变化伴随着水分渗透和土壤养分的增加。

根据这些数据,我提出了以下逆转荒漠化的机制:在长期没有牲畜的情况下,水的渗透率通过压实释放而增加,从而减少了水土流失,并使土壤养分积累到有利于多年生草重新生长的水平。

为了验证这一模型,我正在有草地恢复和没有草地恢复的地方收集更多长期牲畜圈养地的数据。 这些数据将使我们能够对荒漠化系统的动态以及干旱牧场的恢复潜力得出更全面的结论。
肯达尔-德容
科罗拉多州立大学

灌溉农业消耗性使用和回流的量化

随着科罗拉多前沿山脉和美国其他限水地区市政建设的快速发展,农民面临着越来越大的水权转让压力。 作为永久性水权转让的替代方案,肯德尔的研究调查了生产者减少季节性消耗性用水和选择性将未使用的水出租给城市的能力。

Kendall 将使用 METER 流域特征软件包来监测沟灌玉米田中的三个传感器阵列。 在这些地点收集的数据将有助于计算水平衡的所有组成部分。 这种取样方法有可能被个体生产者用作一种低成本的方法来量化蒸散量和回流量。
MICHAEL WINE
俄克拉荷马州立大学

边际土地转化为生物能源原料生产对水循环的影响

最近,政府强制要求增加生物燃料的生产,以提高国家燃料供应的可持续性并减少碳排放,这可能会在能源作物种植期间和之后影响水循环。 作为生物质生产的主要选择,Switchgrass(开关草)的根系比草原上的主要杂草物种更深。

我们将利用俄克拉荷马州伍德沃德的配对流域来确定开关草的种植和生产将如何影响水循环的各个组成部分。 G.A. Harris 奖学金将提供 METERDrain Gauge 测渗仪,以确定每个流域的深层排水情况,并加深我们对该地貌的基线水循环以及与开关草单一种植相关的水预算的了解。
吉尔-谢伍德
爱荷华州立大学

气候变化对山地草甸系统营养相互作用的影响

气候变化可能会影响许多生物系统。 本研究将量化关键生物事件发生时间的变化对山地草甸生态系统的影响。 在这个项目中,吉尔将操纵雪盖和温度,以模拟预测的气候变化影响。 然后,她将测试土壤湿度土壤温度空气温度对 Parnassius clodius 蝴蝶及其寄主植物 Dicentra uniflora 的出现和存活的相互作用。 研究结果将有助于深入了解蝴蝶与其寄主植物之间的相互作用,并可用于了解气候变化对其他生态系统的影响。
卡米拉-特乔-哈里斯托伊
华盛顿大学

华盛顿州古老西特卡云杉林树冠土壤的持水量和温度模式

西特卡云杉的树冠上有大量有机物质堆积,被称为 "树冠土壤"。 这些堆积物为众多植物、昆虫和其他树栖物种提供了基质和栖息地。 我们将利用爬树技术,在华盛顿州奥林匹克半岛一片古老林地的云杉树冠土壤中安装湿度和温度传感器

这项研究将首次描述与云杉树冠内土壤垫相关的环境条件,为了解附生植物的分布和活动、养分动态和相关树冠生物提供一个框架。
特蕾西-罗兰森
爱荷华州立大学

田间露水空间变异性调查

露水的时空变异性调查对植物病害管理和土壤水分遥感都有影响。 在这项研究中,将通过确定冠层中露水量最高和最低区域的 LAI 对冠层总 LAI 的贡献,研究露水点测量到冠层尺度的缩放过程。 将使用叶片湿度传感器来确定大豆冠层中露水持续时间(和露水量)最长的区域。 将对田地周围的地点进行调查,以了解田地内露水的变化情况。
尼基-伍德沃德
威斯康星大学

可持续能源实践中压实填料的热传导现象

要在压实的工程沟槽回填土中实现高效的循环加热和冷却过程,就必须最大限度地提高风能集热器沟槽和浅层地热交换沟槽中高压、大容量电缆周围的热流量。 在非饱和状态下,对压实填土的物理结构以及与热输入率和热驱动水分流动相关的理论限制的研究十分有限。 为了从根据经验法则确定设计用土壤热值过渡到使用基于科学和热测量的经验相关值,我们将为各种类型的土壤在不同的压实条件下建立一个热特性测量数据库,并研究土壤热特性与物理特性之间的相关性。
拉菲-康纳
杨百翰大学

测量土壤深层排水对放牧和降雨控制的影响

据预测,美国西部的气候变化将导致降雨事件之间的间隔时间更长,单次降雨量更大。 放牧可能会与气候变化相互作用,影响土壤水分平衡。 本项资助提供的仪器将测量与放牧和非放牧配对处理中的降雨操纵有关的深层排水变化。 降雨控制和放牧可能会导致更多水分通过深层排水流失,也可能会改善根区的水分供应。 即使年降水总量保持不变,植物和土壤生物地球化学过程在一年中可利用的水量也可能发生变化。
SRUTHI NARAYANAN
堪萨斯州立大学

高粱的冠层结构和辐射利用效率

本研究调查了冠层结构对高粱辐射利用效率的影响。 辐射利用效率的计算方法是地面生物量积累与累计截获光合有效辐射(IPAR)之比。 ACCUPAR LP-80 作物冠层上方和下方的 光合有效辐射截获量(PAR测量可用于测量 IPAR 和leaf area index 。 初步结果显示

表观 RUE 随平均节间长度的增加而增加,各品系之间存在差异 RUE 与水分利用效率(单位作物用水量产生的生物量)之间呈正相关。
安德烈斯-奥利沃斯
加州大学戴维斯分校

杏树根系分布和养分吸收建模

为了优化施肥杏树的养分利用效率,必须以最佳浓度和时间将肥料注入灌溉系统,以确保肥料沉积模式与根系对养分的最大吸收相吻合。 该项目的目标是在杏树上安装5TE含水量装置,监测离子和水分的移动,以提供杏树的具体数据,输入 Hydrus 2D/3D 模型。 目标是确定根系分布、水和溶质运动以及植物养分吸收动态。 这些参数以及随后的 Hydrus 性能优化将用于为杏仁种植者开发最佳施肥管理工具。

2009 年获奖者

劳伦-科尔布
缅因大学,奥罗诺

有机谷物的替代杂草管理策略:强化作物-杂草界面和物理除草

在谷物种植中,有两种创新的、对立的策略可以改善杂草管理,即尽量少用或不用除草剂:

加强作物竞争,通过增加植物数量和以更均匀的模式播种来实现 加强物理除草,通过比通常更宽的行播种来实现,以允许行间扫除(即种植行间作物)。

劳伦希望通过测量作物冠层在生长季节的发展情况,来描述不同种植策略下leaf area index (LAI)的动态变化,并确定这与杂草抑制之间的关系。
基尔-索德伯格
弗吉尼亚大学

纳米布沙漠中的雾、气溶胶和养分循环

非洲西南海岸的纳米布沙漠降雨量极少,但经常出现沿海大雾。 有人认为,雾为纳米布特有的某些植物提供了充足的水分,其中一些植物只出现在雾区(长达 60 公里的内陆地区)。 将利用 G.A. Harris 研究金,沿纳米布中部的气候梯度建立五个雾监测站,利用叶片湿度空气温度和相对湿度测量以及太阳辐射和土壤参数(湿度、温度和导电率)。 还将对样本进行稳定同位素分析,以帮助量化植物利用的雾、地下水和土壤水的数量。
LYNETTE LAFFEA
科罗拉多大学

利用无线传感器阵列测量亚高山森林的碳封存过程

土壤呼吸速率建模的规模很重要。 本研究在 Niwot Ridge AmeriFlux 研究基地部署了一套土壤呼吸和环境传感器,以探索土壤呼吸的驱动因素在何种尺度(时间和空间)上影响林地的二氧化碳呼吸通量。 该项目将检验我们在小空间尺度和高时间频率下测量土壤环境动态的能力。 我们将开发新的传感器部署策略,并利用无线技术在偏远地区持续进行高频数据收集和存档。
荣誉奖
SARA BAGUSKAS,加州大学圣巴巴拉分校

加利福尼亚州圣克鲁斯岛附生大丽花(Ramalina mensiesii)与雾之间的生态相互作用

更多信息

明尼苏达大学 Justin Bechnell

恢复热带干旱森林的土壤湿度和碳吸收

罗伯特-基弗,爱达荷大学

基于模型的种子萌发时间优化

托尼-史密斯,博伊西州立大学

半干旱山麓流域土壤水的时空变化及其对碳储存和碳循环的影响

James Parejko,华盛顿州立大学

确定小麦根圈中产生酚嗪的荧光假单胞菌属的生态学和生物地理学

JONGYUN KIM,乔治亚大学

为高效灌溉建立温室作物水肥利用模型
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