冬小麦-夏玉米周年“四密一稀”浅埋滴灌水肥药一体化绿色生产技术

本研究针对黄淮海冬小麦-夏玉米两熟区面临的出苗质量、播种—出苗期水分供应、灌溉施肥及时性及技术粗放等问题,并就进一步提高光温水肥资源利用效率是实现该区域粮食单产提升和绿色发展的重要途径等,从2018年起开展了一系列创新研究。通过实施冬小麦“四密一稀”条带种植配套卫星导航播种技术、冬小麦-夏玉米周年浅埋滴灌水肥药一体化技术等关键核心技术,结合配套现代化农机与信息技术装备,形成了一套集成的“冬小麦-夏玉米周年‘四密一稀’浅埋滴灌水肥药一体化绿色生产技术”。2010—2023年田间示范表明,该技术有效解决了上述生产难题,达到了小麦玉米周年增产和水肥资源高效利用的目标。与农民传统相比,小麦增产9%~17%,玉米增产12%~14%,周年节水450~750 m^(3)/hm^(2),节肥20%,节约人工成本2250~3000元/hm^(2)。该技术为黄淮海区冬小麦-夏玉米周年绿色高产提供了新的可行性方案。

基于无人机高光谱影像的黑土区玉米农田土壤有机质估算

土壤有机质(SOM)作为土壤的重要组成部分,其含量高低能够反映土壤的肥力和质量状况。相较于传统SOM的测定方法,利用无人机高光谱影像可快速、精准获取田块尺度的SOM含量。为探究基于高光谱数据建立的线性和非线性模型对作物覆盖下土壤有机质估算精度的差异,以东北黑土区的玉米试验田为研究区,分别采集了拔节期和吐丝期的土壤样本及同时期无人机高光谱影像作为数据源,分析作物覆盖条件下土壤光谱反射率与有机质含量的相关关系,并根据其响应波段构建光谱指数。以施肥量和光谱指数作为自变量,通过特征变量的筛选分别建立多元逐步线性回归模型(SMLR)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和eXtreme gradient boosting(XGBoost)模型,并验证比较各模型的精度(选用R 2和RMSE为评价指标)。结果表明,作物覆盖条件下土壤有机质含量的响应波段为450~640 nm。多年长期施用化肥对SOM含量有着显著影响,将其作为协变量引入模型明显提高了对SOM的估算精度。4种模型检验精度的对比结果为:XGBoost>RF>SMLR>SVM,其中以拔节期XGBoost的估算结果最好(建模集和验证集的R 2、RMSE分别为0.516、0.253和0.590、0.222)。可以利用无人机高光谱技术快速估算田块尺度玉米农田的土壤有机质含量,且XGBoost模型是估算作物覆盖条件下土壤有机质含量的较优选择。

不同耐密性玉米品种地上部与根系性状的协同效应

【目的】阐明不同玉米品种在增密种植条件下地上部性状和根系构型的协同响应,为耐密性玉米的遗传改良提供理论支撑。【方法】以我国18个主栽玉米品种为试材,设置2个种植密度(6万株/hm^(2)和7.5万株/hm^(2)),分别在吐丝期和成熟期测定14个地上部农艺性状和8个根系构型性状,利用方差分析与回归分析等统计方法解析耐密高产品种的地上地下协同关系。【结果】随着种植密度的增加,玉米单株地上部和根系生物量及籽粒产量等指标下降,群体地上部生物量和籽粒产量显著提高。根据两个种植密度下的群体产量,受试品种中6个被划分为高低密度下均高产的双高型(DH);3个品种为仅高密度下高产的高密高产型(HH);7个品种为高低密度下均低产的双低型(DL);2个品种为仅低密度下高产的低密高产型(HL),供试品种主要为双高型(DH)和双低型(DL)。在高密度下,DH品种比DL品种具有更多的吐丝前干物质累积量和更高的收获指数,DH品种在减少根系干重、节根数和根系宽度的同时,保持了较高的根系表面积与总根长。综合两个种植密度下地上部与根系性状对产量的贡献,发现吐丝期茎秆干物质、成熟期籽粒干物质、收获指数对产量具有正向贡献效应,根系的节根数对于产量具有负向贡献。【结论】耐密高产的双高型玉米品种可有效协调地上部和地下部的关系,使根中的有限碳资源合理分配,通过减少节根数、增加根系长度和根系吸收表面积,合理分配有限的碳资源,提高养分吸收能力以满足地上部需求;同时,通过增加地上部吐丝前干物质积累及其吐丝后干物质向籽粒的分配,协同植株源库关系,进而提高产量。

秸秆覆盖条耕模式下不同玉米品种的产量差异及其生长适应特征分析

【目的】东北地区推广的秸秆覆盖条耕模式(简称“条耕”)加剧了土壤温度的异质性,可能影响玉米出苗和根系发育。研究当地主栽玉米品种在条耕和传统耕作方式下的产量差异,并通过Logistics方程模拟评价不同适应性品种的生长特征,为玉米高产稳产栽培及适应性品种选育提供理论依据。【方法】于2020和2021年在吉林省梨树县开展玉米田间试验,采用裂区设计,主因素为耕作方式:条耕(ST)和常规旋耕起垄(CT);副因素为当地10个主栽玉米品种。监测两种耕作方式下玉米季的土壤温度、出苗时间和出苗率,调查玉米生育阶段干物质积累量、产量和产量构成因素,并用Logistics模型模拟了各品种不同生育期的生长特性。ST处理下各品种的产量及其构成因素相对于CT的变化率用以下公式计算:(ST−CT)/CT,以相对变化率对玉米品种进行适应性分类。【结果】与CT处理相比,ST处理下玉米苗带和行间的土壤温度均较低,尤其在行间位置(秸秆覆盖处),这种差异一直持续到播种后50~70天。ST处理下两年苗带土壤温度累积量分别减少305℃和107℃,行间土壤温度累积量分别减少450℃和355℃;ST处理下各品种玉米的出苗时间均受到抑制,但不影响最终出苗率。不同品种产量及穗粒数对耕作方法的响应不一致。ST处理下强适应性品种有郑单958、迪卡M753、迪卡M751,平均产量分别较CT处理增加8.4%、3.5%、2.1%;弱适应性品种有迪卡517、良玉99、富民58、宏硕899、铁研58,平均产量分别减少6.6%、6.0%、3.3%、1.5%、0.7%;其他品种表现出中适应性。从产量组成因素分析,强适应性品种的单位面积穗数、穗粒数、百粒重平均分别比CT处理增加1.2%、4.3%、0.5%,中适应性品种分别比CT处理减少0.0%、1.1%、2.4%,弱适应性品种分别比CT处理减少1.7%、3.9%、0.0%。Logistic生长拟合曲线分析结果表明,ST处理降低了玉米渐速生长期(V1—V14阶段)的生长速率,加速了在快速生长期(V14—R3阶段)的生长速率,强适应性品种比其他品种表现出更强的“补偿生长能力”,其快速生长期的平均生长速率比CT处理高6.1%,平均穗粒数高4.3%。相关性分析结果表明,籽粒产量与穗粒数(r=0.65~0.66)、成熟期地上部干重(r=0.57~0.80)、最大生长速率(r=0.72~0.84)、快速生长期的生长速率(r=0.69~0.83)均呈显著正相关(P<0.05)。【结论】东北地区主要玉米品种对条耕存在适应性生长差异。与传统耕作相比,条耕降低了玉米播种后前两个月的土壤温度,推迟了出苗,但提高了吐丝前关键生长期的干物质积累速率,促进了穗粒数形成,稳定了产量。强适应性玉米品种在快速生长期具有更强的“补偿性生长能力”,因此,选择强适应性玉米品种可以作为条耕的配套措施。

东北玉米化肥减施增效技术途径探讨

减肥增效是提高我国玉米竞争力、保护生态环境的重大需求。论文重点以东北玉米为研究对象,从玉米养分需求规律、养分高效品种的节肥潜力、化肥高效施用的4R技术、化肥的有机替代技术等方面论述减肥增效的技术途径。研究表明,东北地区每生产100 kg玉米籽粒产量的平均N、P_2O_5、K_2O的需求量范围分别为1.56—1.89、0.60—0.88和1.27—2.30 kg;吐丝后对氮磷的需求量分别占全生育期需求量的20%—30%和20%—40%,对籽粒氮磷的贡献率分别为20%—30%和30%—38%。在目前东北土壤生产力状况下,实现玉米12 000 kg·hm^(-2)的产量水平平均氮肥投入量约为180 kg·hm~(^(-2))。应用不同类型新型肥料的节约氮肥潜力为9—25 kg·hm^(-2),应用磷酸二铵和硫酸铵+过磷酸钙做启动肥可以促进苗期生长。应用高地隙追肥机可以有效延长追肥的适宜期,有利于使"养分供应匹配养分需求"。滴灌施肥技术适宜在风砂质地土壤及干旱频繁发生地区推广,实现增产19%—128%,产量可达12 000—13 000 kg·hm^(-2)。地下滴灌施肥技术增产效果相同,应该大力推广。利用主动冠层传感器Greenseeker,可以在春玉米V5-V8期很好地估测叶面积指数、地上部生物量以及植株吸氮量,并应用于变量、精准的氮肥推荐。因地制宜地应用秸秆还田技术,可以节省肥料投入,提升土壤质量。其中秸秆覆盖条耕技术(Strip-till)可以协调传统耕作与免耕的优点,有很好的应用前景。未来应该从农民实际应用的角度出发,将技术研究与技术推广相结合,针对不同的栽培耕作技术模式,建立农民可应用、或在不久的将来可应用的技术规程,实现大面积应用,达到区域性减肥增效的目标。

玉米氮高效品种的生物学特征

提高氮肥利用率依赖于氮肥优化管理及作物氮素营养效率的遗传改良。本文分析了作物氮高效的定义,并以玉米为例,分析了氮高效的生物学机制,提出了玉米氮高效品种的生物学特征。本文认为,玉米氮高效品种的生物学特征为:(1)在开花前,维持稳定的氮吸收,并将所吸收的氮素高效利用于穗的发育,提高小花结实率,为产量形成过程中的碳、氮积累提供较大的库;根系生长发育能力强,能建成较大的根系,以满足籽粒生长期氮素吸收的要求;有较强的叶片扩展能力,保持较大的叶面积。(2)在开花后,充分利用前期建成的根系,高效吸收土壤中的矿化氮,用于籽粒生长所需,从而减少叶片中氮素的输出,减缓叶片衰老(保绿性强),维持叶片较高的光合效率,为籽粒灌浆提供碳化合物。因此,在氮高效育种中,应注重穗部性状(大穗,结实能力强)、根系性状(发达的根系,功能期长)与叶片性状(保绿性好)的结合。

玉米苗期根系生长与耐低磷的关系

在田间筛选试验的基础上,利用两个磷高效(181和186)、两个磷低效(153和197)玉米自交系,进一步研究了这些自交系苗期耐低磷能力差异及其与根系生长的关系。结果表明,在低磷胁迫(P 5.78 mg/kg)下,所有自交系玉米地上部重量、初生根重、次生根重及磷累积量降低,但磷高效自交系181和186受影响程度显著小于153和197。在试验所处的玉米生育时期(6叶龄),磷对所用自交系的初生根及次生根数量没有影响。比较181和197的根系形态,在低磷胁迫下,磷低效自交系197的初生根侧根长、轴根长均显著下降,磷高效自交系181则下降幅度很小。而且,低磷使181初生根的侧根/轴根比值、根长度/根重比值较高。说明低磷胁迫下,181自交系可以将根中的有限的养分及干物质作更合理的分配,促进细根的生长,从而获得较长的根系。

玉米杂交种的氮农学效率及其构成因素剖析

选择我国近十几年来育成的38个杂交种(组合),在高氮(N225kg/hm^2)、低氮(N112.5kg/hm^2)两个水平下,研究了它们的氮农学效率(产量/施氮量)表现,并探讨了氮素吸收与利用在氮效率中的相对作用。结果表明,氮农学效率、氮吸收效率及氮利用效率在玉米品种(组合)间表现出明显差异。在低氮水平下,供试材料的平均氮农学效率为47.37kg/kg,变幅为15.68～74.95kg/kg。在高氮水平下,供试材料的平均氮农学效率为33.13kg/kg,变幅为10.67～45.37kg/kg。通径分析表明,氮素吸收与利用对于氯农学效率的形成均有直接作用,然而,在低氮条件下,氰吸收效率的作用要明显大小氮利用效率(通径系数分别为0.9347和0.6104),在高氮条件下,则二者的作用相近(通径系数分别为0.8609和0.7499)。

玉米子粒铁含量的基因型差异

铁是影响动物及人类健康的重要微量元素之一。玉米作为重要的粮、饲兼用作物,其子粒铁含量是决定其子粒营养价值的一个重要指标。调查了24个杂交种及78个玉米自交系的子粒铁营养状况。结果表明,杂交种子粒铁含量在穴40.1±5.0雪mg/kg,变异幅度较小。其中W5017、唐抗5号和高油115的子粒铁含量较高。自交系子粒的铁含量在穴32.9±7.4雪mg/kg,变异幅度较大。其中鲁原92子粒的铁含量较高,达到61.4mg/kg。子粒铁含量与产量之间相关性很低,说明通过选育既高产、铁含量又高的新品种是可行的。

玉米氮效率生理生化基础及遗传改良进展

近20多年来，基于经济效益和环境保护的考虑，国际上对玉米氮素营养效率形成的生理生化基础及遗传改良进行了较深入的研究，并初步用于育种实践。本文对这一方面的进展作一综述。

氮素调节玉米幼穗及籽粒发育的生理机制

选用高效吸收利用氮素的氮高效品种,是在适当降低施氮量的条件下维持较高产量水平的重要途径之一。国内外有关氮高效生理、遗传基础研究方面已经开展了多年的工作,在硝酸盐和铵转运蛋白基因克隆与功能分析、氮素调节根系发育、氮素诱导的基因表达谱、氮高效性状QTLs定位等方面都取得了重要进展,但这些研究集中于营养器官,很少涉及到作物产量器官——穗和籽粒。以玉米为例,综述了氮素供应不足对穗、籽粒发育的影响,并重点从氮素代谢相关酶及细胞分裂素信号互作的角度,论述了氮素调节玉米穗和籽粒发育的可能生理机制,提出了一个理论假设。图2,参36。

玉米氮素吸收的基因型差异及其与根系形态的相关性

采用溶液培养的方法 ,选用在田间、土培试验中对氮反应有典型差异的玉米自交系 :478、H2 1、Wu31 2、Zong31、Baici,在 4个供 N水平 ( 0 .0 4、0 .4、2、4mmol/ L)下 ,研究了玉米苗期氮素吸收、分配的基因型差异以及与根系形态之间的相关关系 ,结果表明 :在一定的 NO- 3 浓度范围内 ( 0 .0 4～ 2 mmol/ L ) ,根系生物量随 N水平的提高而增加 ,而高 N不同程度地降低了 5个自交系根系干重。低 N下 ( 0 .0 4 mmol/L ) ,与其它自交系相比 ,N高效基因型 478具有较大的根系生物量 ,其根系干重分别为 H2 1、Wu31 2、Zong31、Baici的 1 .1、1 .74、1 .6、1 .1 8倍 ,并往根系分配了较大比例的 N素 ,根系 N累积量占总 N量的百分率比 Wu31 2、Zong31分别高 1 8.34%、1 7.0 8% ,而 N低效基因型 Wu31 2、Zong31则往地上部分配了较大比例的氮素。随 N水平的增加 ,显著促进了地上部的生长 ,并在地上部分配了较大比例的 N素。当 N水平增至 4mmol/ L时 ,地上部 N素分配的基因型差异减小。低 N下 ,5个自交系根系干重、总根长、根轴总长与总吸 N量显著线性相关 ,而高 N下不表现相关关系 ,说明在 N素胁迫的条件下 ,根系形态对 N吸收效率起重要作用。

气候变化和品种更替对东北地区春玉米产量潜力的影响

东北地区是中国重要的粮食生产基地。近50 a中国东北地区正经历着一次显著的增温过程,年平均气温每10a增加0.38℃。明确气候变化对东北春玉米产量的影响以及新品种对产量的贡献对实际生产有重要的指导意义。该文利用通过参数调试与验证后的APSIM-Maize模型,对吉林梨树县春玉米的产量潜力进行模拟分析,解析了不同年代育成的玉米品种的产量潜力,明确了气候变化对春玉米产量潜力的影响以及品种对增产的贡献。结果表明,假设1961-2010年种植的玉米品种不改变,种植20世纪60年代的农家种50 a平均产量潜力为7 879 kg/hm^2,种植70年代育成品种50 a平均产量潜力为11 482 kg/hm^2,种植80年代育成品种50 a平均产量潜力为12 148 kg/hm^2,种植90年代育成品种50 a平均产量潜力为13 400 kg/hm^2,种植2000年以后育成的玉米品种50 a平均产量潜力为14 139 kg/hm^2,随玉米品种育成年代的后移而增大;1961-2010年随着新品种的育成而不断更替品种时,产量潜力50 a平均值为11 537 kg/hm^2。在栽培管理措施不改变的条件下,1961-2010年种植同一品种,产量潜力呈下降的趋势,气候变化对玉米产量潜力的影响表现出负效应,减产率在22%~26%,生育阶段内日照时数的下降是产量潜力下降的主要气候因素;当品种不断更替时,玉米的产量潜力呈上升的趋势,新品种的增产贡献率为46.1%~79.0%,品种的改良对气候变化的负效应有一定的补偿作用;新玉米品种从开花到成熟生育阶段天数延长,成熟期生物量和收获指数增大有利于产量的提高。

华北区部分主栽玉米杂交种的氮效率分析

玉米生产中氮肥的过量施用,不但导致氮肥利用率下降,生产成本提高,而且还会造成地下水污染,因而越来越受到人们的重视。选用氮高效作物品种是解决这些问题的重要途径。本试验利用华北地区主栽的8个杂交种在高、低氮条件下研究了产量、吸氮量、氮效率及其生理基础。两年结果表明,不同玉米杂交种的产量、氮效率和不同生育期吸氮量都存在显著的基因型差异。农大108高、低氮条件下都有较高产量,且吸氮量高,成熟期茎秆氮残留多。中单2996在两个氮水平和两种土壤条件下,吸氮量相对较高,茎秆残留少,氮转移率较高。通径分析表明,吸收效率对氮效率的直接作用大于利用效率的直接作用,是氮效率的主要来源。

玉米氮效率性状的配合力分析

在筛选氮高效自交系工作的基础上 ,利用NC Ⅱ设计 ,在两个氮水平下 (2 0 0kg·ha-1和不施氮 ) ,对 18个自交系配合力作出评价。结果表明 ,高氮条件下 ,氮效率受非加性效应控制 ,对氮高效育种有价值的自交系有2 199+ 、河农 7、河农 11;而在低氮条件下 ,氮效率受加性效应控制 ,792 2、2 199+ 、河农 7、河农 9、115 4在耐低氮育种中利用价值较高。在两个氮水平下 ,组合F1代产量与配合力总效应呈极显著正相关。氮吸收效率的遗传力大于氮利用效率。

不同耐密性玉米品种的根系生长及其对种植密度的响应

根系形态和分布对土壤中养分和水分的吸收有重要影响。增加耐密性是现代玉米(Zea may L.)育种的主要方向,而耐密性与根系的关系尚了解不多。本文以70年代主推的2个不耐密型品种(中单2号与丹玉13)和2个当代耐密型现代品种(先玉335和郑单958)为材料,将田间试验和室内水培试验相结合,在3个密度水平下,研究了不同耐密性玉米品种的根系差异及其对种植密度的响应。结果表明,目前推广的耐密型品种的根系要小于不耐密的老品种。不同耐密性品种之间的差异主要表现在0—40 cm。随着密度的增加,根显著变小、变细。密度主要降低0—20 cm土层中的根系生长,对深层根系影响较小。先玉335和中单2的根系长度对密度的反应较弱,郑单958和丹玉13较强。这说明先玉335主要依靠其小根系适应高密度,而郑单958既依靠较小的根系,同时依靠较高的根系反应性适应高密度。

不同施肥方式对东北黑土春玉米连作体系土壤氮素平衡的影响

通过三年定位试验,在东北春玉米连作区比较了农民习惯(一次性施肥)与优化施肥条件下土壤-作物系统的氮素表观平衡及氮素在土壤中的残留特征,以期评价两种施肥方式对黑土氮素矿化、残留及氮素平衡的影响。结果表明,优化施氮(根据土壤无机氮测试推荐追肥量,Opt)处理玉米产量、生物量、吸氮量最高。农民习惯施肥1(氮肥85%基肥+15%种肥,Tra1)和农民习惯施肥2(氮肥全部作为基肥施入,Tra2)处理土壤残留无机氮含量变化受降水量影响较大,残留硝态氮下移明显。与Opt处理相比,三年连作后30—60 cm土层硝态氮含量增加约2.0倍,60—90 cm硝态氮含量增加约2.4～3.3倍。Opt处理可显著降低肥料氮在土壤中的残留。在氮素输出项中,作物携出量因施肥方式不同而差异显著,氮盈余量随施氮量的增加而急剧增加,最高达400.9 kg/hm2。Tra2处理氮盈余最小,但以残留Nmin为主。氮肥一次性基施使氮素在土壤中累积较多,且易导致土壤残留硝态氮下移,从而对东北黑土地区的生态环境造成一定的威胁。而在基肥的基础上,根据土壤无机氮测试推荐追肥可以提高氮肥利用率,减少氮损失。

玉米叶片SPAD值、全氮及硝态氮含量的品种间变异

研究比较两种土壤肥力条件下,4个春玉米品种在喇叭口期至成熟期间叶片SPAD值、全氮及硝态氮含量的变异程度、及其与氮素积累和产量形成的关系,以期为不同品种植株的氮素营养测试指标的优化提供依据。结果表明,叶片SPAD值与产量、吸氮量及生物量呈显著相关,该值主要受氮肥水平影响,并因土壤肥力而变异。从喇叭口期至灌浆期间平均变异幅度为17.7%,但品种间变异很小,平均仅为4.3%。说明利用SPAD值诊断玉米氮素营养时,其诊断指标不需要因品种而调整,但需要因不同肥力而调整。在新立城低肥力条件下,喇叭口期(V12)和抽雄期(VT)的SPAD临界值指标分别为46.1和57.8;在德惠高肥力条件下,两个时期的SPAD值临界值较为接近,分别为59.9和60.3。植株叶片硝态氮含量在土壤肥力间及品种间变异均较大,变异幅度分别为43.1%和29.3%,且与产量、吸氮量及生物量的相关性均较差,不适于在大面积范围内单独作为玉米氮素营养状况的评价指标。

玉米杂交种氮效率遗传相关与通径分析

玉米过量施用氮肥可导致经济效益下降和硝酸盐向地下水淋失 ,因而受到人们越来越多的重视。选育氮高效杂交种可以降低生产成本和减少环境污染。本试验选用 8个玉米杂交种 ,在高氮 (纯N 2 0 0kg/hm2 )、低氮(不施氮 )条件下分析了农艺性状决定氮效率高低的作用。结果表明 :在氮高效杂交种选育中 ,高氮条件下选育高产品种 ,应注意对穗行数、行粒数、百粒重、吐丝期生物量、穗三叶面积的选择 ,而对其它性状的要求放宽 ;低氮条件下选育耐低氮的高效品种 ,更应注重选择大穗型、穗行数多 ,且有较大成熟期生物量。

玉米自交系耐低磷胁迫的基因型差异

土壤缺磷是农业生产中普遍存在的限制因素,植物在磷的吸收利用方面存在着基因型差异。我国玉米种质资源丰富,但我国玉米自交系的磷吸收利用效率性状的差异报道较少。本研究利用磷肥长期定位田,通过两年试验,鉴定了100份自交系对低磷胁迫的反应,以产量和苗期缺素症为指标,选出部分磷高效玉米自交系,其中早熟型的有45(小白磁)、90(97-42-1)、46(早27)、33(陕综3号)和24(原黄81),中熟的有15(原引1号)、14(许1)和87(齐205)。同时,初步探讨了玉米自交系成熟期、株型和耐低磷的关系。