基于流域模型与遥感解译方法的农业面源污染精细化源解析技术研究

农业面源污染源解析是面源污染防治的基础。农作物种植是农业面源污染源的重要组成,然而传统的面源污染源解析方法不能量化不同农作物对农业面源污染负荷的贡献,其解析精度也难以满足环境管理部门精细化管理的客观需求。本研究以天津于桥水库上游沙河流域为研究区,采用流域模型与遥感解译的方法,解析流域总磷负荷来源与贡献,旨在建立一种农业面源污染源精细化源解析技术。研究结果显示:基于Google Earth Engine(GEE)平台的农作物遥感总体分类精度在88%以上,Kappa系数均大于0.81,整体分类结果可信。沙河流域主要作物类型包括冬小麦-夏玉米、板栗、果树与其他作物,其中冬小麦-夏玉米的种植面积最大,占比为44%~67%,板栗种植面积次之,占比为11%~29%。冬小麦-夏玉米种植面积总体呈下降趋势,板栗种植面积则呈快速上升趋势。沙河流域Generalized Watershed Loading Function(GWLF)模型对溪流量与总磷负荷的模拟表现良好,其模型校准期与验证期的NSE在0.59以上,R^(2)在0.79以上。耕地为沙河流域最大的面源总磷负荷来源,占总磷负荷总量的61%;在耕地中,冬小麦-夏玉米总磷负荷占比最大(52%),板栗次之(20%);考虑到板栗种植面积近年来不断上升,未来沙河流域面源总磷负荷仍有升高的风险。

气候变化对中国东北三省主要粮食作物影响研究综述

全球气候变化已经成为事实,并且导致全球粮食危机和饥饿风险增加。东北三省作为我国主要的粮食生产基地,对气候变化十分敏感。本文梳理了当前及未来气候变化对东北三省玉米、水稻和大豆生产影响的相关研究,概括了当前主要研究方法、东北三省主要作物对气候变化的响应以及应对措施,并进一步评述了当前主要研究方法和研究领域的不足:1)研究气候变化和极端气候事件对作物生长发育和产量影响的主要方法包括田间试验法、统计分析法以及作物模型法,其中田间试验法结果最直观,统计分析法可操作强、应用范围最广,作物模型法机理性强。2)东北三省气候变化明显,并且随着气候变化,干旱逐渐取代低温冷害成为当地主要灾害。3)气候变化对东北三省作物生产整体是有利的。气候变暖改善了东北三省热量资源,不仅使作物种植区域逐渐北移,作物品种也逐渐从早中熟向中晚熟转变。4)随着气候变暖不断加剧,未来东北地区作物应选择耐高温、抗旱和抗寒等抗逆性强的品种;加强农田水利设施建设,增强应对干旱洪涝灾害的能力;采用新的农业管理措施,保护土壤健康以及粮食生产安全。5)未来需要加强对CO_(2)补偿效应以及病虫害等的研究,加强对作物模型的完善,以更好地应对气候变化对粮食安全的不利影响。

京津冀地区农业生产与水资源利用:历史与适水转型

京津冀地区是资源型缺水地区,也是我国的主要农业区之一。本文对京津冀地区农业生产和灌溉水资源利用的历史阶段特征和适水转型进行了分析,对京津冀地区农业适水转型路线提出建议。1970年代末以来,井灌为主的灌溉体系基本覆盖平原农区,小麦玉米占优的作物结构形成,蔬果产能快速扩大。粮食产量从2136.2万t增加至3944.8万t,蔬菜产量从1093.7万t增加至5508.4万t,水果产量从144.0万t增加至1505.2万t。灌溉占地下水消耗的70%,是京津冀平原区地下水超采的主要原因。近40年来,京津冀三地农业的差异化发展强化了河北省在京津冀农业生产中的重要性和基础性功能,也加重了河北平原农业生产和资源节水压力。现有田间试验和作物模型研究结果表明,通过优化轮作模式,降低复种指数,将小麦-玉米一年两熟灌溉高产模式调整为两年三熟或者三年四熟,减少高耗水的小麦,适度增加杂粮、薯类或将夏玉米改为春玉米等措施,可在较小产量损失下,达到农业耗水与水资源条件的平衡。现有研究明确了通过压缩高耗水作物构建适水种植结构的总体方向,但对于不同适水轮作模式在中长期时间尺度上的产粮能力与耗水强度的交互关系仍不明晰,实用高效的适水田间管理与生产技术支撑体系也需不断完善。在政策层面,需健全京津冀地区农业综合规划与产业发展体系,统筹长期目标和短期措施,在保障区域粮食安全和农产品生产稳定的前提下,有序地推进京津冀地区农业生产的适水转型。

“23·7”特大暴雨对河北平原玉米产量的影响研究

洪涝是一种破坏力巨大的自然灾害,对粮食生产构成严重威胁。受台风“杜苏芮”和“卡奴”的影响,2023年7月29日至8月1日京津冀地区出现百年一遇的特大暴雨洪水灾害,给京津冀地区造成了重大损失,导致部分农田几乎绝收。为评估极端暴雨事件对当地粮食产量的影响,本研究使用MODIS MOD09GQ数据分析了暴雨前后的归一化植被指数(NDVI)变化,据此划定了本次暴雨造成的受灾农田区域(主要在河北平原)及其受灾程度,同时结合2016—2020年玉米种植空间分布、农业统计数据和NDVI数据,估算了受灾农田区域未发生暴雨和发生暴雨后两种情景下的玉米产量,进而评估了本次暴雨造成的玉米产量损失。主要得到以下结果:1)暴雨发生后,河北平原受灾农田区域的NDVI普遍减少0~0.35,相比之下,未受灾农田区域的NDVI均有所增加。2)本次强降雨导致河北平原约24万hm^(2)农田受到影响,绝产面积约13万hm^(2),减产面积约11万hm^(2)。3)蓄滞洪区周边的22个县(市、区)是本次暴雨的主要受灾区域,据回归分析结果,本次暴雨可能造成的玉米产量损失多达22万t,且92%的产量损失是由作物绝产所致。本研究为遥感手段估算极端降雨导致的粮食减产提供了一个快速且可靠的计算框架,同时强调了极端降雨对粮食安全的巨大威胁。

基于METRIC模型的巴基斯坦农业区蒸散量估算

蒸散量是水分循环和能量循环的重要载体,精确估算农田蒸散量对农业水资源管理具有重要意义。巴基斯坦农业区是世界上重要的灌溉农区之一,如何基于遥感技术估算区域实际蒸散量成为农业水资源精细化管理的基础和前提。本文利用MODIS数据、气象数据以及DEM数据,采用METRIC模型,估算了2019—2020年巴基斯坦农业区的实际蒸散量,并分析了不同作物生育期蒸散量的时空分布特征,以期为巴基斯坦农业水资源合理利用提供科学依据。研究结果表明:1)比较基于METRIC模型在日尺度和月尺度的蒸散估算结果与农业站点蒸渗仪的实际观测数据发现,二者的均方根误差分别为1.2 mm∙d^(−1)和25 mm∙month^(−1),相关系数分别为0.65和0.84;在空间上,与ETMonitor产品比较,METRIC模型估算结果的空间分布和量级更为合理。2)巴基斯坦农业区蒸散量的空间分布与种植结构密切相关,蒸散量自北向南总体呈阶梯递减格局,小麦、棉花、水稻和甘蔗生育期累积蒸散量分别为392 mm、652 mm、745 mm和1224 mm;就同一种作物来说,旁遮普省作物生育期累积蒸散量高于信德省。3)小麦生育期内月蒸散量呈先下降再上升后下降的变化特征;旁遮普省棉花生育期内月蒸散量呈“单峰”变化特征,信德省棉花生育期内月蒸散量呈“双峰”变化特征;水稻和甘蔗生育期内月蒸散量呈“单峰”变化特征。本研究实现了METRIC模型在巴基斯坦农业区的参数本地化应用和适用性分析,为基于遥感手段估算区域或农作物尺度蒸散量提供了方法借鉴,对揭示不同作物蒸散耗水的时空特征和区域农业水资源管理具有重要意义。

冀北高原农业种植结构的演变

冀北高原是京津冀地区的重要生态屏障和农业产区,分析该地区作物种植结构的时空格局变化,明确其种植结构演变规律对破解区域水资源匮乏与农业可持续发展至关重要。本研究基于MODIS NDVI数据对冀北高原2000年、2010年、2020年3期主要种植作物麦类(莜麦、春小麦)、胡麻、蔬菜、马铃薯的种植面积进行分类提取,并分析了该地区农作物种植结构的时空格局变化规律。研究结果表明:1)遥感监测与农业统计数据相关性的决定系数为0.61,混淆矩阵验证Kappa系数为0.84,总体分类精度为87.65%,分类精度较高。2)2000—2020年,冀北高原总耕地面积有所下降,其中传统作物(麦类、胡麻)种植面积下降约50.7%,经济作物(马铃薯、蔬菜)种植面积增长约211.4%。3)2000—2020年间,麦类种植面积有所下降,2020年约51%的麦类集中在康保县北部,胡麻分布逐渐迁移至尚义县北部,蔬菜分布区域趋于分散化,马铃薯种植范围扩大,集中在尚义县北部、沽源县北部及张北县西北部安固里淖附近。以上研究结果可为冀北高原种植结构调整、水资源合理配置提供科学数据支撑。

河北平原农业灌溉以电折水系数影响因素研究

“以电折水”是一种农业灌溉用水的间接计量方法,通过建立灌溉耗电量与取水量之间的定量关系,实现利用灌溉耗电量数据间接求算灌溉用水量。以电折水系数是灌溉取水量与耗电量的比值,其准确性是影响该方法进行灌溉用水间接计量的主要因素。本研究基于县域农业灌溉以电折水系数与地下水位监测结果,分析了河北平原区以电折水系数的区域特征以及地下水埋深对以电折水系数的影响;选择位于山前平原区的中国科学院栾城农业生态系统试验站为典型地点,开展了机井用电量和抽水量关系的灌溉试验研究,分析了灌溉时长、灌溉方式和季节等要素对以电折水系数取值的影响规律。本研究发现:1)同等地下水埋深条件下,山前平原区以电折水系数高于中东部平原区,且随着地下水位埋深增加,以电折水系数降低。地下水埋深每增加10 m,山前平原区深层井以电折水系数降低0.42 m^(3)∙kWh^(−1),中东部平原区深层井降低0.15 m^(3)∙kWh^(−1)。2)灌溉试验结果表明,机井的灌溉耗电量与取水量关系较为稳定,同一机井不同次灌溉之间的以电折水系数波动幅度为5.7%;受地下水水位季节性变化的影响,3月上旬到6月中旬的灌溉季内以电折水系数季节性变化幅度约为±10%;管灌、喷灌等不同灌溉方式对实际以电折水系数具有显著影响,管灌比喷灌的以电折水系数高28.8%。3)目前的河北平原县域以电折水系数测算结果尚不能满足农户灌溉用水计量和水权、水资源税核定的需求,应考虑地下水季节性变化、灌溉技术类型差异和非灌溉用电的影响,进一步提高以电折水方法的计量精度。

抗蒸腾剂研究及其在农业中的应用

作物应对干旱胁迫时,气孔在协调蒸腾和光合作用方面起到了关键作用。越来越多的研究者们开始关注气孔行为与植物抗旱能力之间的关系。在农业生产上,研究者们通过不同方式调节气孔运动和改善气孔微环境,在提高作物抗旱性的同时促进作物产量形成。其中提高作物抗旱能力的一种有效方式就是使用抗蒸腾剂。本文介绍了近些年研究较多的成膜型抗蒸腾剂和代谢型抗蒸腾剂的作用机理,并对两类抗蒸腾剂的应用效果进行了比较。最后提出了抗蒸腾剂研究新动向,一是数学模型在抗蒸腾剂研究中的应用,将抗蒸腾剂对植物作用分解为环境因子变化并引入光合作用-蒸腾作用-气孔导度耦合模型,从而建立抗蒸腾剂新品种快速筛选与适用性评估机制的可能性;二是通过红外测温法评估抗蒸腾剂效果,红外测温法能够快速获得大面积植被蒸腾瞬时信息且测温仪便于携带,在田间试验中可用于喷施抗蒸腾剂后作用效果连续观察,并且基于测定数据计算作物水分亏缺指数(CWSI)在抗蒸腾剂改变作物抗旱能力研究方面具有较高应用价值。最后指出未来抗蒸腾剂研究应针对作物不同生育阶段特点与生产要求,建立包括多种抗蒸腾剂品种在内的组合使用方法,进一步扩大抗蒸腾剂应用范围,优化其使用效果。

盐渍化土壤团聚体和微生物与有机质关系研究进展

土壤有机质是耕地质量的核心,不仅促进土壤团聚体形成,也为植物和微生物提供养分。土壤有机质的形成和分解过程都离不开微生物的参与,而土壤团聚体不仅为微生物提供了栖息环境,也对有机质进行物理保护。在高盐分含量的土壤中,有机质的积累和分解过程变得更加复杂,因此本文总结了土壤盐渍化及其危害,分析了土壤盐分对土壤团聚结构和微生物特征的影响、盐碱土壤有机质特征及积累规律,进而综述了土壤盐分对土壤有机质影响规律的研究进展,旨在揭示盐碱土壤碳封存的潜在机理。以往研究表明盐渍化土壤有机质含量低、团聚结构差、微生物活性低,这些都与土壤盐分含量高和外源有机物质输入量低有关。恶劣的土壤结构导致盐渍化土壤有机质暴露而较易分解,低量的外源有机物质输入导致盐渍化土壤有机质较难积累。可见,盐渍化土壤是潜在的碳库,适宜的措施可以显著提高盐渍化土壤有机质含量。在此基础上,提出未来盐渍化土壤有机质积累的研究方向:1)不同盐分环境下土壤团聚结构和土壤微生物在有机质分解过程中的响应规律;2)外源有机物料添加下土壤团聚结构和土壤微生物在有机质积累过程中的响应规律;3)土壤有机质提升后盐碱地生产力特征。以上研究不仅可以阐明盐碱土壤有机质的周转机理,为盐碱地“固碳封存”提供理论依据,还可以有针对性地提供盐碱耕地质量提升措施,推进盐碱地绿色可持续发展。

玉米高温胁迫研究热点及前沿探究

玉米作为全球第一大粮食作物,在维护全球粮食安全方面具有至关重要的地位。然而,全球气候变暖导致高温天气频发,对玉米的生长和产量造成了严重限制。因此,深入探究全球玉米高温胁迫领域的研究热点和前沿趋势,有助于应对气候变化带来的高温挑战,促进玉米产业的可持续发展。本文利用CiteSpace软件,对1990-2023年间Web of Science核心数据库收录的4255篇玉米高温胁迫的相关论文进行关键词共现、聚类和突现分析。结果表明,玉米高温胁迫领域的研究热点主要集中在4个方面:玉米在高温胁迫下的生长与产量变化、生理响应、分子机制和应对策略。深入探索这4个方面的研究进展,发现不同生育期的高温胁迫对玉米生长发育和产量形成构成不同程度的伤害,各生育期高温胁迫引发的产量损失减产幅度由高到低表现为花期>灌浆期>穗期>苗期;高温胁迫还会引起玉米多个生理生化特征的变化,包括光合作用受损、生物膜透性增加、活性氧过度积累和激素失衡等;玉米响应高温胁迫的分子机制研究,重点关注基因表达和热休克蛋白运作,但耐热机制仍未明晰;通过综合运用农艺措施与育种技术,包括播期调整、科学水肥管理和生长调节剂的合理施用以及耐热品种的培育,可以有效缓解高温胁迫,促进玉米高产稳产。此外,玉米响应高温胁迫的转录调控机制是该领域的关键研究前沿,也将是未来较长时间内研究的热门课题。本文全面回顾了过去34年玉米高温胁迫领域的文献,为玉米耐高温研究及缓解措施的制定提供了有益参考。

河北省北部森林植被碳储量和固碳速率研究

为了了解河北省北部森林植被固碳能力,本文以该区域阔叶林、针叶林、混交林、经济林和灌丛为研究对象,基于政府间气候变化专门委员会(IPCC)推荐采用的加拿大林业碳收支模型(CBM-CFS3),利用第7次全国森林资源连续清查数据和野外森林植被调查样地数据,拟合出研究区的蓄积-生物量转换参数和林木器官生物量比例参数,建立研究区内不同森林植被类型的蓄积生长方程、蓄积-干材生物量转换方程、生物量组分比例方程,采用这些方程评估了2010年河北省北部森林生态系统植被碳储量、碳密度和固碳速率。结果表明:拟合的不同森林植被蓄积生长方程的决定系数均大于0.7,蓄积-干材生物量转换方程的决定系数均大于0.8,生物量组分比例方程拟合效果较好,可用于评估该区域森林植被碳汇功能和潜力。2010年河北省北部森林植被碳储量为59.66 Tg(C),平均森林植被碳密度为25.05 Mg(C)×hm^(-2),森林植被固碳速率为0.07~1.87Mg(C)×hm^(-2)×a^(-1);其中阔叶林、针叶林、混交林、经济林碳储量和碳密度分别为30.97 Tg(C)、12.36 Tg(C)、15.73Tg(C)、0.60 Tg(C)和26.09 Mg(C)×hm^(-2)、26.14 Mg(C)×hm^(-2)、24.50 Mg(C)×hm^(-2)、7.53 Mg(C)×hm^(-2)。河北省北部森林植被碳密度与固碳速率均从西北到东南呈升高趋势。造林后森林面积增加6 400 km2,森林植被碳储量增加19.54 Tg(C)(不包括灌丛);林龄结构以中幼龄林为主,未来森林固碳潜力巨大。说明造林在增加森林植被碳储量和提高森林的固碳速率中起到了重要作用。

华北平原冬小麦-夏玉米农田蒸散观测对比研究

华北平原是我国的粮食主产区之一,然而该地区水资源非常短缺,精准测算农田蒸散量(ET)对于该地区合理配置水资源、提高农业用水效率具有非常重要的科学意义和实践价值。本研究利用涡度相关法、水量平衡法和蒸渗仪法对2013年10月—2018年9月的华北平原典型冬小麦-夏玉米一年两熟农田生态系统ET进行了连续的观测对比研究。结果表明:3种方法测定的ET季节变化趋势基本一致,且不同方法间ET变化显著正相关,相关系数r>0.90;总体表现为蒸渗仪法最高,水量平衡法和涡度相关法较低,水量平衡法计算的ET与蒸渗仪法和涡度相关法相关性均为在0.94,因此其更适于不同尺度ET变化的验证研究。全年来看,水量平衡法测得的平均年ET为788.6 mm,比涡度相关法(717.9 mm)高9.8%,蒸渗仪法测得的年ET为906.4 mm,比涡度相关法高26.2%。冬小麦关键生育期(拔节期、抽穗期、灌浆期)的ET占生育季总ET的57.3%~61.5%,夏玉米关键生育期(抽穗期、开花期、灌浆期)的ET占生育季总ET的58.5%~61.6%。综上,在ET变化及其影响等研究中可以根据研究内容及情况结合各种方法优缺点,选择适宜的观测方法。

高产抗旱节水高水效冬小麦品种鉴选研究

为明确鉴选指标并筛选出适宜缺水地区种植的高产抗旱节水高水效小麦品种,在雨养旱作和常规灌溉条件下对56个河北小麦品种的产量(GY)、耗水量(ET)、水分利用效率(WUE)和农艺性状进行了比较分析。结果表明,河北冬小麦品种的GY、ET和WUE表现稳定,未见极高或极低品种。联合使用产量-水分高效利用指数(YH WUE I)、GY-ET-WUE指数对参试品种进行筛选,可将小麦品种划分为产量-高水效组、高产抗旱低耗水高水效组2个优势组。对2个优势组的品种取交集,最终筛选出5个具有高产、抗旱节水、高水效特征的品种,分别为衡444、衡H116021、科农1223、石麦28和中信麦15。这5个品种的典型特征是株高60~65 cm,穗下节间长度15~20 cm,穗粒数28~35粒,每穗不孕小穗数2~4个。

中国食物链养分流动与管理研究

为寻求食物生产与消费系统中粮食安全、资源高效和环境友好的协调和农业绿色发展途径,研究团队构建了"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"(简称食物链系统)研究体系,运用物质流动和养分代谢理论方法创立了养分流动模型,深入研究了该系统养分流动规律及调控机理,经过近十多年系统研究,获得结果如下:(1)提出食物链养分流动金字塔概念模型,创建了食物链系统养分流动模型。通过分析养分在"土壤-作物-畜牧-家庭-环境"系统的行为特征,发现养分从"土壤-作物-畜牧"向"家庭"的流动呈金字塔状,其形状决定了系统生产力、养分效率和环境效应。处于金字塔顶端的"家庭"消费驱动了系统养分流动,决定了养分效率;"土壤-作物-畜牧"位于金字塔底层,支撑顶层"家庭"消费,决定了系统养分通量,也是养分调控的核心。在此基础上,开发了食物系统养分流动模型——UFER,构建了参数体系,实现了国家和区域尺度食物链氮磷流量、利用效率和环境排放的定量分析。(2)揭示了食物链系统氮磷养分流量、利用效率及其资源环境代价的时空变化特征。阐明了我国土壤-作物系统、农牧系统和整个食物链系统氮磷养分流量、养分效率和环境排放的时空分异特征;明确了土壤作物、畜牧和家庭各子系统对整个食物链养分环境排放的贡献;提出了食物氮(磷)代价概念,发现我国食物生产和消费的资源环境代价增速很快,已远远超过发达国家。(3)明确了食物链系统养分流动的驱动因素,阐明了提高养分效率和降低环境排放的调控机理。明确了决定食物链系统养分效率的关键环节,发现城镇化、食物结构变化和畜牧业发展是食物链养分流动加速的主要驱动因子;阐明了增加粮食和饲料进口、优化膳食结构和改善农牧业养分管理技术等对食物链系统优化的效应及作用机制。发现农牧结合和粪尿资源化利用是大幅度减少化肥需求和环境排放的关键途径,是实现农业绿色发展和食物链养分优化管理的重要突破口。

冬小麦产量差和资源利用效率差及调控途径研究进展

缩减作物实际产量与潜在产量之间的差距是当前作物科学研究的热点之一,对保障国家粮食安全有重要意义。研究冬小麦产量差和资源利用效率差形成机制及缩差增效途径,是大面积持续提高冬小麦现实生产力的迫切需求。本文概述了国内外作物产量差和效率差及调控技术途径的研究进展,重点综述了冬小麦产量差和资源利用效率差异及调控途径研究进展。指出造成冬小麦产量差和效率差的五大因素为:品种因素、气候因素、土壤因素、人为管理措施和技术因素以及农户决策因素。最后提出了我国冬小麦产量差和资源利用效率差异及调控技术途径的发展方向:建立基于云数据分析的区域化冬小麦产量差和资源利用效率差异智慧调控途径;拓展冬小麦轮作系统下产量差和资源利用效率差异及调控途径的研究;创建区域模式化简化冬小麦缩差增效技术途径。冬小麦产量差和资源利用效率差异缩减技术创建是我国农业通向精准农业、绿色农业、均衡农业、高产高效农业的必由之路。以上研究进展为我国冬小麦缩差增效提供了理论依据和技术支撑。

中国冬小麦主产区气候变化及其对小麦产量影响研究

气候变化对农业生产具有重要影响,明确影响作物产量的关键生育期和限制性气象因子对保障粮食安全具有重要意义。本文基于气象站点和农业站点的观测数据及产量数据,采用趋势分析法和线性回归法分析了1960—2019年我国冬小麦主产区气象因子的时空分布特征,解析了产量与气象因子间的回归关系,确定了典型低产年影响产量的关键生育期和限制性气象因子。结果表明:1)1960—2019年,冬小麦主产区平均温度、有效降水和冷积温(日最低气温低于0℃的积温)的分布大致呈南高北低,而日照时数、气温日较差和热积温(日最高气温高于30℃的积温)为北高南低;平均气温和冷积温呈显著上升趋势,日照时数和气温日较差显著下降,有效降水和热积温的变化趋势无明显特征。2)2000—2019年,中国冬小麦主产区小麦年均单产为3426~5910 kg∙hm^(−2),各省(市)冬小麦产量均呈显著上升趋势(P<0.05);气象因子对产量贡献率的排序为气温日较差>日照时数>有效降水>冷积温>平均气温>热积温。3)典型低产年,抽穗至成熟期是气候因子影响产量的关键时期,限制性气象因子为有效降水、日照时数和气温日较差。综上,中国冬小麦主产区气候因子的分布特征和变化趋势存在空间异质性,在气候变化背景下,应关注气温日较差、日照时数和有效降水对冬小麦生长的影响,同时重点关注冬小麦抽穗至成熟期上述气象因子对产量的不利影响。

咸水灌溉影响耕地质量和作物生产的研究进展

水资源是基础性自然资源和重要的战略资源。盐碱地多分布于干旱半干旱地区,淡水资源短缺是盐碱区农业可持续发展的主要限制因素。同时盐碱区较为丰富的咸水微咸水资源、土地资源和光热资源等为盐碱区农业可持续发展提供了可能。本文针对咸水灌溉影响耕地质量、作物生长、产量和品质等问题,综述了基于水质的咸水分类、咸水灌溉制度与灌溉方式和地下水埋深等影响咸水在农业生产中安全利用的因素,阐述了不同矿化度咸水灌溉,土壤水力特性、理化性质、温室气体排放等土壤质量变化情况和对作物生长发育、产量和品质的影响,明确了有机物料、咸水灌溉制度、覆盖和耕作等农艺措施、水肥盐多因素调控和耐盐作物适盐种植等农业措施的作用。咸水灌溉下土壤质量呈下降趋势,有机物料的施用、秸秆还田和合理的耕作等调控措施通过影响土壤质量保证咸水的安全利用。与旱作相比,咸水灌溉可以起到明显的增产作用,在合理的咸水范围内还能提升品质。在新形势下,未来将面向国家粮食安全重大需求,以协同提升土壤质量、作物产量和品质为多目标,系统开展咸水非充分灌溉、水肥盐综合调控、咸水灌溉对土壤质量和作物咸水精准灌溉机理过程研究、技术研发和模式示范工作,为缺水盐渍区农业可持续发展提供理论依据和技术支撑。

海河流域水资源演变与驱动机制

海河流域含京津冀及周边三省,是我国水资源短缺和用水矛盾最突出的地区。中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心团队围绕不断加剧的水资源短缺,研究了流域水资源演变的关键驱动机制:山区径流变化、农业需水和虚拟水外输,分析了流域水资源演变的主要原因,并对未来的可能调控提出了建议。研究首先选取海河流域的八大山区子流域,分析了20世纪60年代以来的径流变化,确认70年代开始山区来水逐渐减少,径流减少的关键时期是1978—1985年,推断农业用水增加是径流减少的核心驱动因素;其次,基于作物模型、作物系数法和遥感等手段,量化了海河平原农业用水的时空格局和区域水量平衡,通过对比农业耗水量、地下水水位变化和南水北调中线供水量,确立了山前平原区南水北调实施后为实现水量平衡需控制用水的进一步扩大、低平原区仍然亏缺的未来水资源态势;最后,通过粮食贸易的虚拟水分析,指出本地区外输虚拟水达90亿m^3,是造成水资源短缺的重要原因,减缓虚拟水外输或输入一定虚拟水是缓解区域水资源压力的可选方案。

河北低平原区冬小麦夏玉米产量提升的理论与技术研究

作为渤海粮仓主要增粮区的河北东部低平原中低产农田,冬小麦夏玉米的产量主要受制于土壤肥力水平低、淡水资源短缺和气候异常造成产量的大幅波动。通过选择适宜的品种、播期与收获期的合理搭配、优化的种植方式和配套的耕作与田间管理技术,提高作物生育期内对地上光热资源和地下水肥资源的利用潜力和效率,平抑气候变化带来不利影响,有着巨大的增产空间。该研究通过田间小区试验,结合示范区试验示范,研究了冬小麦与夏玉米生育期的优化、夏玉米种植方式调整、夏玉米深松播种、夏玉米增施钾肥与冬小麦增施磷肥及有机肥等措施对冬小麦、夏玉米产量的影响。主要研究结果如下:冬小麦适期晚播(不迟于10月15日),同时适当增加播量,不影响生育期群体构建和产量水平。早熟品种‘小偃81’提早进入灌浆期,受后期干热风的危害小,在不降低品质的同时粒重与产量稳定。夏玉米提早播10 d(6月10日与6月20日相比)平均增产17.2%,晚收获8 d(10月2日与9月24日相比)粒重增加19.5%。根据冬小麦和夏玉米的品种特性,合理搭配生育期,在实现冬小麦稳产提质的同时,使充分发挥夏玉米的产量潜力成为可能。改变夏玉米的种植方式,适当增加种植密度,明显地改善和提高了夏玉米产量,更为适宜的种植方式是40 cm与80 cm大小行种植和38 cm等行距种植,不适宜的是20 cm与100 cm大小行种植,更为适宜的种植方式下产量提高15%以上。长期旋耕机械压实了犁底层,通过夏玉米深松播种种植,产量提高达31.3%,后茬小麦增产5.6%,但连续深松没有明显的增产效果。夏玉米播种时增施钾肥产量提高2.6%。冬小麦增施磷肥产量提高7.4%,增施有机底肥增产6.8%,增施有机底肥和施磷肥产量提高8.8%,但无明显的累加效果。因此,通过适宜的品种选择与适期的生育期搭配、种植方式调整、适时深松打破犁底层的耕作措施、速效肥与有机肥合理施用等栽培和管理技术,可实现冬小麦夏玉米产量的逐步提高和稳定,充分利用玉米生长季丰富且集中的降水与光热资源,挖掘夏玉米产量,稳夏增秋的粮食增产模式更符合该地区未来发展需求。

华北典型区域农田耗水与节水灌溉研究

本文总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心围绕华北典型地区冬小麦-夏玉米一年两熟开展的节水灌溉研究。在位于华北中北部的中国科学院栾城农业生态系统试验站的定点试验结果显示,从1980年到2017年,在充分灌溉条件下冬小麦产量增加55.7%、夏玉米产量增加59.7%。冬小麦生育期耗水(ET)从400 mm增加到465 mm;玉米耗水年平均稳定在375 mm左右;年耗水量从777.0 mm增加到834.4 mm;满足冬小麦、夏玉米生育期耗水条件下,年灌溉需水量平均300 mm,必须减少灌溉用水和田间耗水,才能解决区域地下水超采问题。研究发现在限水灌溉条件下,冬小麦拔节期1次灌溉可显著促进作物营养生长和根系生长,利于后期土壤水分高效利用,在维持作物稳产基础上,比充分灌溉年节水165.2 mm。研究发现进一步利用小定额灌溉技术,通过增加灌水频率、缩减次灌水量,可增加有限水对作物的有效性,实现作物根系、土壤水分和养分在空间上的耦合,进一步提升有限灌溉对作物的增产作用。只考虑维持播种时良好土壤水分条件、生育期不进行灌溉的最小灌溉模式,与充分灌溉模式相比,产量减少28%,但可节约灌溉水69%,田间耗水减少43%,水分利用效率提高13%,年耗水量维持在560 mm左右。相对于减熟制节约灌溉水措施,冬小麦-夏玉米一年两季最小灌溉模式总产量高于两年3作5.5%~12.0%,年耗水量低于两年3作10%~13%,可显著消减减熟制带来的休闲期土壤蒸发损失。因此,实施冬小麦、夏玉米生育期节水灌溉,如最小灌溉、关键期灌溉,可大幅度降低灌水量和作物生育期耗水量,同时又能维持一定的生产能力,是华北实施地下水限采措施下应优先考虑的技术选择。