改进CERES-Rice模型模拟覆膜旱作水稻生长

覆膜旱作是节水稻作生产体系的重要措施之一,采用CERES-Rice模型模拟覆膜旱作水稻生长需另外考虑覆膜的增温效应和根系层土壤水分布差异及由此所带来的影响。该文借鉴部分旱地作物的相关研究成果,对原CERES-Rice模型中的积温和土壤温度、蒸发和土壤水分胁迫等模拟计算过程进行了改进,并进一步通过2个水稻生长季的田间试验予以验证。试验于2013、2014年在湖北房县进行,共涉及淹水(对照)、覆膜湿润栽培和覆膜旱作共3个水分处理,采用原模型和改进模型分别对2个生长季、2个覆膜处理的生育期、叶面积指数与地上部干物质质量的变化过程及产量进行模拟。结果表明:原CERES-Rice模型难以准确刻画覆膜旱作水稻的生长发育过程,经改进后,模拟效果大大改善,可有效反映环境变化(水分、温度)对覆膜水稻生育进程的影响和产量形成,维持生育期与产量模拟的相对误差在15%以内;覆膜水稻叶面积指数的动态模拟基本满足要求,其均方根差≤1.54 m^2/m^2、相对均方根差≤27%、建模效率≥0.85;对覆膜水稻地上部干物质质量变化过程的模拟也呈现出较好的效果,均方根差和相对均方根差分别小于1 490 kg/hm^2、16%,建模效率则高于0.95。总体而言,经改进后的CERES-Rice模型基本可满足要求,较好地用于模拟覆膜旱作水稻的生长发育规律。

基于CERES-Rice模型的覆膜旱作稻田增温效应模拟

水稻覆膜旱作技术具有显著的节水、增温、防污和减排效应,是节水稻作技术体系的重要措施之一,将CERES-Rice模型用于覆膜旱作条件时,必须首先解决覆膜增温效应的准确模拟问题。该文拟应用热量传输理论及目前旱地作物生产系统中采用的覆膜增温效应模拟方法,来模拟水稻覆膜旱作生产体系中的增温效应,从而为完善CERES-Rice模型并使其能用于覆膜旱作水稻的生长模拟奠定基础。参数调校与模型检验验证通过2013、2014年在湖北房县开展的2 a水稻覆膜旱作田间试验来进行,共涉及淹水(对照)、覆膜湿润栽培和覆膜旱作共3个水分处理,分别对2个生长季、2个覆膜处理地表5 cm及地下10、20 cm处温度的变化过程进行了模拟,结果表明:经过参数调校后,所建立的覆膜增温模型可较好地模拟覆膜稻田地表和剖面上土壤温度的变化规律,地表5 cm处土壤温度模拟值与实测值的均方根差、相对均方根差分别低于1.8℃和10%,相关系数在0.89以上(P<0.01);尽管地下10、20 cm处的模拟误差稍大,也基本可满足要求,相应的均方根误差<3.2℃,相对均方根差<15%,相关系数>0.65(P<0.01)。

根系吸水模型模拟覆膜旱作水稻气孔导度

为构建覆膜旱作水稻根系吸水模型,进一步改进气孔导度模型,该文在湖北十堰开展包含3个水分处理(淹水、覆膜湿润和覆膜旱作栽培)的田间试验,分析覆膜旱作水稻蒸腾(根系吸水)与根长之间的关系,在此基础上建立覆膜旱作水稻根系吸水模型,并将其代替彭曼(Penman-Monteith,PM)方程来估算蒸腾强度,进而与脱落酸(abscisic acid,ABA)参与调控的气孔导度模型耦合,模拟覆膜旱作条件下水稻气孔导度的日变化过程。结果表明,水稻蒸腾与根长呈线性正比关系(R^2=0.96,P<0.05),据此建立的根系吸水模型可以较好地模拟覆膜旱作水稻的蒸腾(根系吸水)规律,使蒸腾强度模拟值和实测值间的相对误差基本控制在15%以内;经改进后的Tardieu-Davies气孔导度模型(TD模型)可有效描述不同土层根系吸水流中的ABA浓度及不同根系层ABA的合成对木质部蒸腾流中总ABA含量的贡献,可较好地模拟气孔导度的日变化过程。改进TD模型大大提高了模拟精度,使相对误差不超过7.0%。该研究可为覆膜旱作水稻生理节水机理和水分利用效率评估提供一定的理论依据。

施氮量对覆膜旱作水稻产量形成和冠层光谱特性的影响

试验共设5个氮肥施用量(0,60,120,180,240 kg/hm^2),测定籽粒产量、产量构成因子、水稻冠层6种高光谱指数,并将高光谱指数与产量和产量构成因子进行回归分析.获得如下主要结果:①增加施氮量,显著提高了覆膜旱作水稻籽粒和秸秆产量;②覆膜旱作水稻的有效穗和穗粒数,随着施氮量增加呈增长趋势;③水稻冠层比值植被指数(RVI)与覆膜旱作水稻产量、产量构成因子以及氮肥利用效率呈显著正相关关系.

水稻覆膜节水种植对NO排放的影响

为保障粮食安全和节约水资源,水稻覆膜节水技术正越来越多地被农业生产部门运用到水稻生产中。但是,与传统种植模式(采用淹水与烤田相结合的间歇灌溉)相比,水稻覆膜节水种植模式通过改变土壤条件,引起稻田生物地球化学过程变化,进而使得大气环境污染性气体一氧化氮(NO)的排放发生变化。为了定量研究两种种植模式的NO排放差异及其关键控制因子,采用静态暗箱—化学发光法,对不同种植模式下两种施肥条件(常规施肥与无氮肥对照)的水稻—休耕系统NO排放通量及其环境因子进行了原位周年观测。结果表明,水稻生长季NO排放主要发生在中期烤田阶段,覆膜节水种植模式的NO通量多高于常规淹水种植模式,水稻生长季NO排放系数分别为0.12%和0.016%,主要原因是覆膜节水种植模式提高了土壤温度和氧化还原电位。在休耕季,两种种植模式的NO排放都与土壤湿度呈显著负相关。覆膜节水种植模式全年NO排放有大于传统种植模式的趋势,其排放系数分别为0.15%和0.032%,但需时间更长地点更多的试验研究加以证实。

水稻覆膜湿润栽培体系中的作物生长速率和氮素吸收速率

湖北省十堰市地处秦巴山区,水稻是该地区十分重要的粮食作物。季节性缺水和生长前期低温是制约当地水稻生产的主要因素,覆盖地膜是解决上述问题的常用方法。然而,由于覆膜后追肥困难,生产上往往采用一次性基施氮肥,由此可能造成覆膜水稻前期生长过旺,后期出现缺氮的现象,该体系内的氮素吸收利用规律报道较少。2004—2006年,在湖北省十堰市布置了田间试验,研究覆膜湿润栽培体系中水稻生长速率、产量形成和氮素吸收的基本规律,为进一步优化水稻覆膜湿润栽培体系提供理论基础。试验共包括4个处理:1)常规淹水种植,不施氮肥;2)覆膜湿润栽培,不施氮肥;3)常规淹水种植,一次性基施氮肥150kg/hm2;4)覆膜湿润栽培,一次性基施氮肥150kg/hm2。测定了水稻鲜干重、分蘖动态、叶面积、籽粒产量及其构成因子、作物生长速率和氮素吸收速率。研究结果表明:不施用氮肥条件下,与常规淹水处理相比,覆膜湿润栽培显著地提高了水稻地上部生物量、有效穗数、穗实粒数、结实率和籽粒产量,收获指数无显著差异。一次性基施氮肥后,覆膜水稻前期的生长速率和氮素吸收速率显著高于相应的淹水处理,表现出旺长趋势;而后期则低于淹水处理,且穗实粒和收获指数均有下降的趋势,进而造成覆膜水稻籽粒产量增加不显著。总之,覆膜后一次性基施氮肥导致水稻生长前期大量吸收氮素、生长过旺,而后期缺氮、分蘖成穗率和结实率下降,影响了水稻覆膜湿润栽培增产潜力的发挥。

覆膜旱作稻田水均衡及蒸腾耗水规律分析

水稻覆膜旱作（GCRPS）因具有显著的节水、增产效应而备受关注,但有关覆膜旱作稻田的水均衡关系及蒸腾耗水规律仍然还难以被准确刻画。为此,在湖北省十堰市开展了为期2年的田间试验,并在水稻6个主要生育阶段内对3个灌溉水平（TPRPS,传统淹水种植;GCRPSsat,薄膜覆盖并保持根区土壤接近饱和;GCRPS80%,薄膜覆盖并保持根区平均土壤含水量介于田持的80%-100%）、3个施氮水平（N0,不施氮;N1,150 kg N/hm2尿素;N2,75 kg N/hm2尿素＋75 kg N/hm2鸡粪）共9个处理进行了水量平衡和蒸腾耗水分析。试验研究结果表明：（1）在不减产甚至增产的情况下,覆膜旱作不仅可以抑制深层渗漏与蒸发等非生理耗水,同时还能减少蒸腾耗水,节水效应非常显著,尤其是GCRPS80%;（2）水稻全生育期内的蒸腾耗水变化规律不受水分与氮素处理的影响,总体均表现为生育前期较低,盛期较高,至扬花期达到峰值,之后逐渐衰减;（3）最大分蘖期之前,覆膜增温效应显著促进蒸腾耗水,之后水分胁迫导致情形逆转;（4）扬花期之前,与不施氮相比,施氮可显著促进蒸腾耗水,但两个施氮处理之间的蒸腾耗水差异不大。

基于高光谱技术的覆膜旱作水稻植株氮含量及籽粒产量估算

为建立利用光谱技术快速诊断覆膜旱作水稻植株氮营养和产量的估算模型,应用高光谱技术分析了长江中下游覆膜旱作区水稻拔节期和抽穗期内5种不同施氮水平(0、60、120、180和240kg/hm^2(N))下植株冠层光谱特征及其与植株氮素含量和产量的关系,并分别构建了植株含氮量和产量的估算模型。结果表明:拔节期和抽穗期内不同供氮水平下冠层光谱的变化规律基本一致,均随着供氮水平的增加,反射率在可见光区降低、在近红外区增大。覆膜旱作水稻植株氮含量与552和890nm 2个敏感波段构成的比值(RVI)和绿色归一化植被指数(GNDVI)的关系最佳。构建的水稻关键生育期植株全氮含量及水稻产量的估算模型预测效果均较好,其中植株全氮含量拟合方程的决定系数为0.730~0.808,采用拔节期的RVI对覆膜旱作水稻进行估产的决定系数达到0.724。本研究构建的模型可以用来估计该地区覆膜旱作水稻的氮素营养状况和作物产量。