华北平原冬小麦-夏玉米农田生态系统土壤自养和异养呼吸模型构建

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要过程,准确估算土壤呼吸对估算陆地生态系统碳源汇具有重要意义。通过在华北平原典型农田内开展土壤呼吸及其组分的原位观测实验,构建了适用于华北平原冬小麦-夏玉米轮种制农田生态系统的半经验半机理土壤异养呼吸和土壤自养呼吸模型。结果表明,冬小麦-夏玉米农田土壤异养呼吸模型可表达为土壤温度和土壤水分的函数,其中,土壤温度对土壤异养呼吸的影响适合用Arrhenius方程描述,而土壤水分的影响适合用对称的倒抛物线描述。验证表明,该模型的R^(2)和RMSE分别为0.68和0.52μmol m^(-2)s^(-1)。土壤自养呼吸模型包括维持呼吸和生长呼吸两个模块,其中,维持呼吸表达为土壤温度和叶面积指数的函数,其形式分别为Van′t Hoff指数方程和米氏方程;生长呼吸表达为总初级生产力与维持呼吸之差的线性函数。冬小麦季和夏玉米季土壤自养呼吸模型的结构相同,但是两种作物的模型参数差异较大。验证表明,冬小麦季土壤自养呼吸模型的R2和RMSE分别为0.64和0.50μmol m^(-2)s^(-1),夏玉米季土壤自养呼吸模型的R2和RMSE分别为0.67和0.37μmol m^(-2)s^(-1)。相比于不区分土壤异养呼吸和土壤自养呼吸的土壤总呼吸模型,本研究构建的土壤异养呼吸和土壤自养呼吸模型能够更加准确地模拟土壤呼吸的季节变化和年际变化过程,可为华北平原冬小麦-夏玉米轮种制农田生态系统的土壤呼吸估算提供方法依据。

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。

基于双作物系数法估算晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散量

冬小麦-夏玉米轮作系统是晋南地区常用的种植模式,为评估双作物系数法在冬小麦-夏玉米轮作系统应用的可靠性,掌握轮作系统耗水规律,通过双作物系数法模拟2016-2019年间冬小麦-夏玉米轮作系统蒸散量,以水量平衡计算结果为标准对其模拟结果进行评价,并区分植株蒸腾(T)和土壤蒸发(E)。该结果表明:在冬小麦-夏玉米轮作系统中,冬小麦初期、发育期、中期和后期的平均基础作物系数(Kcb)为0.2、0.59、0.98和0.15,夏玉米的为0.14、0.69、1.24和0.56;冬小麦的平均土壤蒸发系数(Ke)为1.24、0.63、0.07、0.42,夏玉米的为0.78、0.45、0.06、0.46。冬小麦全生育期内ETc为264.18~526.22 mm,夏玉米的为261.76~519.67 mm;发育期为耗水高峰期,冬小麦、夏玉米发育期蒸散量占各自生育期总蒸散量的比例分别为31.2%~51.3%和34.3%~58.2%;随着灌水次数的减少,冬小麦、夏玉米总蒸散量及植株蒸腾量均逐渐降低,土壤蒸发量也在灌水最少时达到最低,全生育期E/ETc,冬小麦为27.3%~46.4%,夏玉米为29.3%~44.2%。在冬小麦和夏玉米生长初期,80%以上的土壤水分以蒸发形式消耗,在中期时土壤蒸发占比最低,冬小麦为6.1%~13.4%、夏玉米为4%~7.6%。冬小麦、夏玉米各自蒸散模拟值(ETc-FAO)与实测值(ETc)呈现出较好相关性,R2为0.8~0.86,RMSE为0.5~0.6 mm/d,MAE为0.4~0.49mm/d,可见双作物系数法模拟晋南地区冬小麦-夏玉米轮作系统ETc具有较高精度,可为精确掌握冬小麦-夏玉米轮作系统耗水规律,进而制定合理的灌溉计划提供理论依据。

不同锌源叶面喷施对冬小麦和夏玉米产量及籽粒营养品质的影响

为探明不同锌源叶面肥喷施对小麦和玉米产量、籽粒矿质元素含量及锌、铁生物有效性的影响,对冬小麦-夏玉米轮作体系开展不同叶面肥喷施试验。小麦季设置去离子水(CK1)、尿素(CK2)、尿素+纳米氧化锌(U+ZnO)、尿素+壳聚糖纳米锌(U+ZnCNP)、尿素+普通七水硫酸锌(U+Zn)5种叶面肥处理;玉米季增加尿素与锌铁硒多元混合喷施处理(U+Zn/Fe/Se)。结果表明:各叶面肥喷施处理对小麦和玉米籽粒产量均无显著影响,但对籽粒微量元素含量有显著影响。不同锌源与尿素混合叶面肥对小麦籽粒锌含量强化效果由弱到强依次为U+ZnCNP<U+ZnO<U+Zn。与CK2处理相比,处理U+Zn使小麦籽粒锌含量显著提高77.7%(从22.80 mg·kg^(-1)增加至40.52 mg·kg^(-1))、籽粒植酸与锌(PA/Zn)摩尔比显著下降42.1%,使籽粒锌生物有效性(TAZ)显著提高74.5%。对于玉米,与CK2处理相比,处理U+Zn/Fe/Se使籽粒锌含量提高32.3%(从14.93 mg·kg^(-1)增加至19.60 mg·kg^(-1))、硒含量显著提高12.7倍(从17.66μg·kg^(-1)增加至242.04μg·kg^(-1))、籽粒PA/Zn摩尔比显著下降27.0%,使籽粒TAZ显著提高36.9%,使整个植株或玉米秸秆磷与锌(P/Zn)和磷与铁(P/Fe)摩尔比降低。研究表明,叶面喷施普通七水硫酸锌是提高小麦、玉米籽粒锌含量和生物有效性的最佳形式,其强化小麦籽粒锌效果优于玉米。叶面喷施尿素与锌铁硒混合溶液可同时提高玉米籽粒锌、硒含量及锌、铁生物有效性(籽粒、全株、秸秆),是解决人体或动物微量元素营养缺乏的有效农艺强化措施。

商丘地区不同降水年型冬小麦-夏玉米需水量和缺水量分析

【目的】研究不同降水年型下冬小麦、夏玉米的作物需水规律及成因。【方法】基于1954—2019年商丘市气象数据、1999—2019年河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站作物生育期观测数据和2011—2018年大型蒸渗仪观测数据,采用描述性统计和Mann-Kendall趋势检验方法,探究作物需水量和缺水量变化趋势,并通过主导分析法探索气象因子对作物需水量的影响。【结果】1954—2019年,周年有效降水量呈上升趋势,冬小麦季、夏玉米季有效降水量上升速率为3.09、5.23 mm/10a;仅丰水年下冬小麦季和周年有效降水量呈下降趋势。周年作物需水量呈极显著下降趋势(P<0.01),冬小麦季、夏玉米季作物需水量下降速率为6.72mm/10a(P<0.01)、18.47mm/10a(P<0.01);不同降水年型下冬小麦季、夏玉米季和作物周年需水量均表现为下降趋势。周年作物缺水量呈极显著下降趋势(P<0.01),冬小麦季、夏玉米季作物缺水量下降速率为9.81、23.70 mm/10 a(P<0.01);仅丰水年冬小麦季缺水量呈上升趋势。在平水年和枯水年,日照时间是影响冬小麦需水量的首要因子,但在丰水年相对湿度为影响冬小麦需水量的首要因子;夏玉米需水量的主要影响因子为日照时间、平均风速和最高温度,在3种降水年型下日照时间均为首要因子,其次是平均风速和最高温度。【结论】在丰水年型下,商丘地区冬小麦应在拔节—抽穗期灌溉,夏玉米季不灌溉;在平水年型下,冬小麦季应在拔节—抽穗期灌溉,夏玉米抽雄期灌溉;在枯水年型下,冬小麦和夏玉米在播前灌溉的基础上,还需分别在拔节—抽穗期和拔节—抽雄期进行灌溉。

长期不同施氮量下冬小麦-夏玉米复种系统土壤硝态氮累积和淋洗特征

冬小麦夏玉米是华北平原主要的粮食作物,其集约化的农业种植体系虽然普遍实现了粮食的高产,但氮肥常年大量施用会造成土壤深层硝态氮累积、淋洗等问题.本文以河北清苑冬小麦-夏玉米复种体系为研究对象,设置不同施氮量(N_0、N_(100)、N_(180)、N_(255)、N_(330),分别表示施氮0、100、180、255、330 kg·hm^(-2)),于2010—2016年开展6个周期定位试验,研究不同施氮量对土壤硝态氮累积和淋洗的影响.结果表明:在12季冬小麦和夏玉米收获期各处理产量存在显著差异,土壤硝态氮含量表现为冬小麦季累积、夏玉米季淋洗的特点,且90和180 cm土层硝态氮累积量均表现为N_(330)>N_(255)>N_(180)>N_(100_)>N_0.从土壤剖面分布看,硝态氮可淋洗至990 cm的深层土壤中,且出现6个累积峰,同时土壤硝态氮累积峰随施氮量增加而下移,N330处理累积峰最深在840 cm处.从各土层累积量的分配看,5个处理0~90 cm硝态氮累积量占比在10%左右,大部分都在90 cm以下,不能被植物利用.可见,夏玉米季硝态氮淋洗严重,施氮量越高,土壤硝态氮残留量越大,向土壤深层淋洗量也越多,由此带来的对地下水的污染风险应该引起重视.从产量与硝态氮累积情况来看,N_(180)为最优处理.

引黄灌区夏玉米-冬小麦连作实时灌溉制度研究

为研究夏玉米-冬小麦连作模式下的节水灌溉制度,针对现有实时灌溉预报忽略了实际生产中复种连作的问题,统筹考虑复种连作时上下季作物生育期间隔时段内土壤水分的收支变化,建立了作物连作的实时灌溉预报模型,以三刘寨引黄灌区2014-2017年夏玉米-冬小麦连作为例进行模型的应用。结果表明:与传统灌溉制度相比,采用该模型所确定的实时灌溉制度其灌溉定额年均减少20.4%,灌区的灌溉用水量年均节省1470万m3,各年度夏玉米-冬小麦总产量分别增加2.4%、2.2%、0.8%,各年度水分利用效率分别提升13.6%、12.3%、18.3%。

基于Landsat 8影像提取豫中地区冬小麦和夏玉米分布信息的最佳时相选择

遥感技术对大尺度农业实时监测提供了一个理想的手段,遥感影像植被分类的最佳时相对作物种植面积遥感监测非常重要。本文选取2020年至2021年的6景Landsat 8影像,覆盖了夏玉米从乳熟到收获、冬小麦从越冬到成熟的生育期,以此分析不同时相的冬小麦-夏玉米与其他地类在光谱特征和NDVI上的差异,通过决策树的方法提取豫中地区冬小麦-夏玉米的空间分布情况。结果表明,冬小麦-夏玉米在不同生长发育时期,提取到的面积比有所不同,对于夏玉米而言,乳熟时期的提取效果要优于之后的时期,其在2020年8月26日的总体精度最高,为83.60%,Kappa系数为0.72,分类质量很好;对于冬小麦而言,最佳识别时期则处于冬小麦的越冬期,其在2021年1月1日的总体精度最高,为92.36%,Kappa系数为0.81,信息提取效果很好。除了作物自身生长过程的覆盖度变化,分类精度随成像时间而改变。多时相信息提取也发现,受到天气等环境条件限制,夏玉米和冬小麦的种植区域不完全重叠,山区冬季不适合冬小麦种植从而没有与夏玉米出现重叠分布。本研究有助于我们从宏观上对作物分布及生长状况作出及时有效的判断,对农业监测,特别是对轮作农田的信息管理和作物物候、种植面积等研究具有广阔的应用前景。

华北平原冬小麦-夏玉米种植体系周年水分高效利用研究进展

在保证周年较高产量的同时,进一步提高水分利用效率是促进华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植体系可持续发展的关键。从20世纪中晚期开始国内学者便从节水灌溉技术创新、灌溉制度优化、替代节水种植制度构建和节水抗旱新品种选育等方面开展了以冬小麦-夏玉米两熟种植体系为核心的周年水分高效利用途径的探索,取得了重要进展,显著提高了作物水分利用效率(WUE)。本文综述了华北平原冬小麦-夏玉米种植体系水分高效利用的研究进展,并提出了通过耕作或播/收期调控冬小麦-夏玉米周年降水与地下水平衡利用,促进周年水分(灌溉水和降水)高效利用的技术途径,以充分挖掘华北平原水分生产潜力,为该区冬小麦-夏玉米种植体系节水高产栽培及节水种植制度建立提供思路和依据。

秸秆还田量对川中丘陵冬小麦-夏玉米轮作体系土壤物理特性的影响

【目的】探明秸秆还田量对农田土壤物理特征的影响,为川中丘陵紫色土区建立“提升土壤质量、高效利用秸秆”的种植业副产物利用模式,同时为秸秆资源化利用提供科学依据。【方法】基于田间长期定位试验(2006—至今),采用原位监测和计算机断层微扫描技术(CT)相结合的方法,研究秸秆还田量(无秸秆还田(RMW0)、秸秆30%还田(RMW30)、秸秆50%还田(RMW50)和秸秆100%还田(RMW100))差异对冬小麦-夏玉米轮作体系耕层土壤物理特征的影响。【结果】(1)秸秆还田可明显改善土壤透气、持水和导水性能,随秸秆还田量增加改善效果明显增加。RMW30、RMW50和RMW100处理较RMW0处理土壤容重分别显著降低15.2%、11.7%和17.9%,土壤孔隙度则分别显著增加18.4%、13.7%和21.3%。另外,RMW100处理饱和导水率高达1.62 mm·min^(-1),导水性能优于其他处理。(2)秸秆还田促进已有孔隙发育成更大孔隙,且孔隙均匀性和孔隙间连通性明显改善,RMW100和RMW50处理对土壤大孔隙组成的改善优于RMW30和RMW0处理。RMW100处理平均孔隙直径趋大,孔隙间连通性最优。RMW50处理孔隙均匀性明显提高,大小孔隙配比较其他处理更合理。(3)与无秸秆还田处理相比,秸秆还田后>2 mm团聚体数量显著增加,0.25—2 mm团聚体数量显著减少,秸秆还田有利于形成土壤水稳性大团聚体,促进中团聚体向大团聚体转变,RMW50和RMW100处理改善效果均显著优于RMW30处理。(4)土壤容重、>0.25 mm团聚体和大孔隙特征是反映石灰性紫色土区耕层土壤物理特征的主要指标,第一主成分和第二主成分对土壤物理性质的解释度分别为57.8%和23.6%。RMW50与RMW100处理土壤物理特征接近,与RMW0和RMW30处理在PC1和PC2轴上出现明显离散。【结论】川中丘陵紫色土区在产量无显著差异的基础上,不同秸秆还田量对耕层土壤物理性质的影响存在差异,秸秆50%和100%还田效果无显著差异,但显著优于秸秆30%还田和不还田处理,宜因地制宜进行还田量选择。

冬小麦-夏玉米轮作系统化肥农药投入调查研究

采用随机问卷调查的方法调查了山东省桓台县唐山镇、陈庄镇、果里镇1996、2003年农业生产中化肥、农药投入及粮食产出的现状,分析探讨了该县化肥、农药投入的合理性以及对农村环境存在的潜在威胁。调查结果表明,桓台县施用的化肥品种以碳酸氢铵、尿素磷酸二铵和各种复混肥为主;农药以各种高毒、高残留杀虫剂为主,如敌敌畏、对硫磷等。其中2003年的化肥单位耕地面积施用量1233.93kg·hm-2,纯N施用量718.96kg·hm-2,农药(商品量)12.39kg·hm-2,粮食产量14690.40kg·hm-2,分别比1996年增长了44.87%、16.15%、63.24%、3.89%。经分析,桓台县目前化肥、农药投入水平过高,化肥对粮食的增产效应已经不显著,且投肥结构不合理,N用量过高,P2O5投入较为合理,K2O用量严重不足。化肥、农药的过量施用对环境存在着严重的潜在威胁。

太行山前平原夏玉米-冬小麦轮作生态系统碳截存及其气体调节价值

应用静态明箱-气相色谱法对4个施氮肥水平N0(0kgN·hm-2),N200(200kgN·hm-2),N400(400kgN·hm-2),N600(600kgN·hm-2)的夏玉米-冬小麦季CH4、N2O排放进行了研究,同时估算了其年季净固碳量及其O2气体调节价值,计算了年综合气体调节价值。结果表明,夏玉米-冬小麦农田生态系统为CH4吸收汇和N2O排放源,随着氮肥施入量的增加,其对CH4吸收能力减弱,其N2O排放量增加。夏玉米季N400和N600的CH4平均排放速率显著高于N0和N200(P<0.05);冬小麦季N0处理CH4平均排放速率显著低于N600处理(P<0.05),冬小麦季N600的N2O平均排放速率显著高于N0处理(P<0.05)。夏玉米-冬小麦轮作农田生态系统N0、N200、N400和N600处理CH4排放总量分别为-2.55、-1.99、-0.94和-0.47kg·hm-2·a-1;其N2O排放总量分别为1.05、1.45、1.67和2.22kg·hm-·2a-1。随着氮肥施用量的增加,夏玉米季和冬小麦季转化为NPP的碳量和净固碳量均增加;夏玉米-冬小麦轮作农田生态系统N0、N200,N400和N600处理年季净固碳量分别为6224.29,13885.05,14554.35和14521.10kg·hm-2·a-1;其中N200,N400和N600分别比N0处理增加了123.08%、133.83%和133.30%。夏玉米-冬小麦轮作农田生态系统N0,N200,N400和N600处理综合气体调节价值分别为10560.19、23602.64、24727.78和24634.24yuan·hm-2·a-1;N200、N400和N600分别比N0处理增加了123.51%、134.16%和133.27%,以N400处理年固碳量最高。

陕西关中地区冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期评价

应用生命周期评价方法分别对陕西关中地区耕作方式存在差异的富平和杨凌两地的冬小麦-夏玉米轮作系统进行评价,分析了轮作系统生命周期对能源消耗、土地资源利用、水资源消耗、全球变暖、环境酸化、富营养化、水体毒性、土壤毒性和人体毒性的影响,得到两地的生态环境综合影响指数分别为0.166 9和0.378 8。富平县小麦、玉米秸秆皆还田,而杨凌区仅小麦秸秆还田,两地的主要环境影响潜在因素不同,分别是富营养化和水体毒性,在冬小麦-夏玉米轮作系统下,富营养化、水体毒性和环境酸化对整个生命周期的生态环境影响较大,富平、杨凌两地的生态环境影响指数分别是0.078 3、0.020 2、0.016 4和0.110 5、0.214 1、0.023 2。农作系统产生了大量引起环境酸化和富营养化的污染物,主要是由于施肥方式不科学和农药施用过量,化肥、农药利用率低,造成了严重的环境负担,因而实施配方施肥、推广低毒农药是降低关中地区冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期的生态环境影响的关键。

太行山山前平原近50年气候变暖特征及其对冬小麦-夏玉米作物系统的影响

气候变暖及其对作物系统的影响是农业应对全球变化领域的主要研究命题之一。本文以河北省石家庄为例,通过对近50年气温数据以及作物系统热量资源变化特征的分析,探讨了太行山山前平原区气候变暖对冬小麦-夏玉米作物系统的影响。山前平原区近50年来明显变暖,增温速率为0.35℃.10a-1,其中冬季增温幅度最大,为0.51℃.10a-1。气候变暖对作物的影响主要体现在有效积温的增加。近20年来,>10℃积温较基准时段增加明显,农业热量资源条件改善,相当于农作物有效生育期延长10-20 d。由于较大的增温幅度及季节不均衡性,冬小麦-夏玉米作物系统受到显著影响:1990年以来,冬小麦生长季积温较基准时段上升幅度超过10%,冬前生长期积温增加易造成旺长,影响其安全越冬能力,需推迟冬小麦播种期以适应气候变暖导致的不利影响;气候变暖改善了夏玉米生育期热量条件,综合考虑其收获期因小麦晚播而相应推迟的影响,夏玉米生长季>10℃积温可超过2 900℃,满足中晚熟玉米品种平播的热量条件。

基于模型的冬小麦-夏玉米两熟数字化种植设计系统构建

构建基于模型的定量化和数字化种植设计系统。以农业系统学理论和模拟模型为基础,运用知识工程和信息技术原理,总结并提炼黄淮海粮食生产区冬小麦-夏玉米一年两熟制种植模式关键技术,形成了冬小麦和夏玉米生长模拟模型、水分与养分动态平衡模型以及生产管理技术设计动态知识模型,构建了冬小麦-夏玉米两熟数字化种植设计系统。该系统采用面向对象的程序设计方法,在.NET平台上运用C#语言进行开发。该系统具有7大功能模块:文件管理模块、参数管理模块、生长模拟模块、实时管理模块、方案设计模块、专家咨询模块和系统帮助模块。该系统界面友好,易于使用,具有较强的机理性,同时兼顾应用性需求,基本实现了作物生产力与效益品质的相互平衡。

华北冬小麦-夏玉米系统有机态氮替代的产量及肥料效应

通过多年定位试验,探讨了秋施基肥有机态氮替代化肥态氮对冬小麦-夏玉米轮作系统粮食产量的影响,为华北地区冬小麦-夏玉米轮作合理施用氮肥提供理论依据。试验开始于2010年6月,只对秋施基肥进行有机态氮替代化肥态氮。试验处理如下:CK,不施肥处理;M_0C_(100),零有机肥替代;M_(20)C_(80),20%有机肥替代;M_(50)C_(50),50%有机肥替代;M_(100)C_0,100%有机肥替代。试验结果显示,与M_0C_(100)相比,不同量有机态氮替代对冬小麦产量没有显著差异,产量均处在6 633.3~7 600 kg/hm^2之间。但是,有机态氮替代对夏玉米产量影响较显著,M_(100)C^0夏玉米产量最高,为7 416.7~9 575 kg/hm^2,M_0C_(100)最低,只有6 583.3~7 060 kg/hm^2,M_(20)C_(80)和M_(50)C_(50)夏玉米产量处在两者之间。同时,有机态氮替代提高了夏玉米的氮肥贡献率、偏生产力以及农学效率。在冬小麦-夏玉米轮作系统中,秋施基肥有机态氮替代提高了整个轮作系统的粮食产量,尤其对下茬作物夏玉米产量影响较大,因此,秋施基肥有机态氮替代在华北冬小麦-夏玉米轮作系统中是可行的。

免耕条件下秸秆还田对冬小麦-夏玉米轮作系统土壤呼吸及土壤水热状况的影响

【目的】研究免耕条件下秸秆还田对旱地冬小麦-夏玉米轮作系统土壤呼吸及土壤水热状况的影响。【方法】2011年10月至2014年9月,在陕西杨凌设置秸秆全量还田+施肥(S1F1)、秸秆全量还田+不施肥(S1F0)、秸秆半量还田+施肥(S1/2F1)、秸秆半量还田+不施肥(S1/2F0)、秸秆不还田+施肥(S0F1)、秸秆不还田+不施肥(S0F0)6种不同耕作处理的3年定位试验,测定并分析不同耕作处理下土壤呼吸、土壤水热状况、作物产量、土壤耕作层有机碳含量的差异。【结果】在冬小麦生育期内,各处理土壤呼吸速率均呈先下降后升高再下降的趋势;在夏玉米生育期内,各处理土壤呼吸速率均表现为先升高后下降的趋势。同一生育期内各处理土壤呼吸平均速率及呼吸总量依次为S1F1>S1/2F1>S1/2F0>S0F1>S1F0>CK,同种作物不同生育期之间,各处理土壤生育期呼吸总量有逐年降低的趋势。整个研究周期内,土壤温度的变化趋势与每月平均气温的变化趋势相似,不同处理在同一生育期内的土壤温度变化趋势相近,且各处理生育期土壤平均温度均随土壤深度的增加而降低;不同秸秆还田处理冬季土壤温度均高于对照,但生育期土壤平均温度均低于对照。土壤含水量随土壤深度的增加而降低,但受降雨影响,不同轮作周期之间的土壤含水量波动较大,各处理同一生育期的土壤平均含水量均表现为S1F0>S1F1>S1/2F0>S1/2F1>CK>S0F1,且不同秸秆还田处理的土壤含水量与对照间的差异均显著(P<0.05);土壤温度能够解释土壤呼吸速率变化的32.5%—60.4%,土壤含水量能够解释土壤呼吸速率变化的38.4%—82.5%,不同土层深度间,5 cm土层的温度与土壤呼吸的拟合度性最高,而10—20 cm土层的含水量与土壤呼吸的拟合度最高。相同年份内,不同处理冬小麦和夏玉米产量均表现为S1F1>S1F0>S1/2F1>S0F1>S1/2F0>CK,这个研究周期内,冬小麦产量逐年增加,夏玉米在前两季表现为增产,但受极端炎热天气的影响,第三季的产量明显降低。单季作物收获后,各处理同一土层深度的有机碳含量均表现为S1F1>S1/2F1>S1F0>S1/2F0>S0F1>CK。且不同秸秆还田处理的土壤有机碳含量逐年升高。【结论】长期免耕秸秆还田能够有效降低农田土壤碳排放、提高农田土壤水分利用率及冬季土壤温度、提高作物产量及土壤有机碳含量。不同秸秆还田处理间以S1F0处理的效果最优。

冬小麦-夏玉米复种连作体系下氮肥周年运筹对其产量及构成要素的影响

在大田试验条件下,研究了在冬小麦-夏玉米复种连作体系下氮肥周年运筹对其产量以及关键构成要素的影响,分别对两季作物中各产量构成要素。穗部性状和关键农艺性状进行了相关以及通径分析。结果显示,在冬小麦-夏玉米复种连作体系下,中高氮肥水平对冬小麦产量关键性构成要素穗粒数、穗粒质量和每穗结实小穗数的影响均较对照和低氮肥水平有所提高,千粒质量下降;对夏玉米百粒质量、果穗粗、果穗长的影响具有显著提高,但中高氮肥之间差异不显著。本研究认为,华北地区冬小麦-夏玉米复种连作模式下,对冬小麦季灌拔节水和开花水,氮肥施用量为210～270 kg/hm2,采用基施和拔节施,对夏玉米季氮肥施用量为240～300 kg/hm2采用拔节施和大喇叭口施的栽培措施,可以使产量最优。

基于生命周期评估的冬小麦-夏玉米种植系统碳足迹核算——以山东省高密地区为例

粮食生产过程中的原材料生产、能源消耗、氮肥施用以及农机作业等过程均会排放大量的温室气体。本研究通过对山东省高密市冬小麦-夏玉米种植系统粮食种植过程的原材料投入和农业管理措施等进行问卷调查,采用生命周期评估(Life cycle assessment,LCA)方法学核算当地小麦和玉米生产过程的碳足迹(Carbon footprint,CFP)。结果表明,高密市小麦、玉米生产和冬小麦-夏玉米种植系统单位面积的碳足迹分别为5 183.33、3 778.09 kg CO_2-eq·hm^(-2)和8 961.42 kg CO_2-eq·hm^(-2),单位产量的碳足迹分别为0.69、0.40 kg CO_2-eq·kg^(-1)和0.53 kg CO_2-eq·kg^(-1),单位净现值的碳足迹分别为1.82、0.40 kg CO_2-eq·元^(-1)和0.44 kg CO_2-eq·元^(-1)。冬小麦-夏玉米种植系统粮食生产的碳足迹主要来自氮肥的生产(48.30%)和氮肥施用(12.04%)、灌溉耗电(12.94%)和农业机械耗油(11.20%)等方面。综上可知,优化肥料施用、减少氮肥用量和节水灌溉等措施是实现当地粮食清洁生产的重要途径。

应用农业生产系统模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率Ⅱ:模型的模拟验证与情景分析

应用经过参数灵敏度分析与标定后的农业生产系统模型(APSIM),以北京市海淀区东北旺试验站为背景,探讨了不同灌溉、施肥、种植日期和种植密度等农艺措施下冬小麦和夏玉米的产量、水分利用效率及氮肥偏生产力的变化,以期探寻适合当地特定气候、土壤条件下的既能保证粮食稳产高产又能达到资源高效利用的田间管理措施。首先根据所搜集的1985—2005年统计年鉴中的产量数据对参数标定后的模型作了进一步的验证,结果表明:冬小麦和夏玉米产量的模拟值与年鉴统计值之间的平均相对误差分别是43%和21%。运用验证后的模型,基于所设计的9种不同的水氮管理情景进行了模拟分析,结果表明:冬小麦在播前、拔节期和开花期灌溉75mm;丰水年和平水年夏玉米在播前灌溉31mm,枯水年夏玉米在播前和抽穗分别灌溉20mm,特枯水年夏玉米在播前和抽穗分别灌溉84mm;冬小麦在播前和拔节期分别施入氮肥43kg/hm2和87kg/hm2,夏玉米在苗期和大喇叭口期分别施入氮肥40kg/hm2和80kg/hm2。这样的节水省氮灌溉施氮方案不仅能够获得较高的粮食产量,还能获得较高的水分利用效率和氮肥偏生产力。