施氮水平对河套灌区套作小麦-玉米土壤微生物量碳、氮的影响研究

通过田间试验研究了河套灌区套作小麦(Triticum aestivum L.)-玉米(Zea mays L.)在不同施氮水平下(小麦N0 0 kg·hm^(-2)、N1 90 kg·hm^(-2)、N2 180 kg·hm^(-2)、N3 270 kg·hm^(-2);玉米N0 0 kg·hm^(-2)、N1 135 kg·hm^(-2)、N2 270 kg·hm^(-2)、N3 405 kg·hm^(-2))土壤微生物量碳、氮的变化规律,为农业生产中定量施氮提供有益的生物参数和指标。结果表明:小麦全生育期内土壤微生物量氮、碳含量呈现出"升-降-升"趋势,抽穗期土壤微生物量氮达到最大值,灌浆期的下降幅度最大,土壤中的养分被小麦大量吸收消耗,此时微生物矿化出一部分微生物量氮以供作物吸收利用,土壤微生物量含量大幅下降。玉米土壤微生物量氮、碳含量随生育期进程推进而先增加后降低,在抽雄期出现峰值,土壤中的有效养分充足,同时,根系代谢活动旺盛,分泌物增多,使微生物代谢加快,为微生物的生长和繁殖提供了充足的营养环境。套作小麦-玉米土壤微生物量碳、氮含量均随着施氮水平的升高呈现出先增加后降低的趋势,在N2(小麦180 kg·hm^(-2)、玉米270 kg·hm^(-2))水平下,土壤微生物量碳、氮含量最高。N2处理的小麦微生物量碳较N0增加了53.7%,微生物量氮则是N0的3.29倍;N2处理的玉米微生物量碳、氮分别是N0的2.61、5.38倍。回归分析表明,土壤微生物量与施氮量之间表现为显著的二次型回归关系,适宜的氮肥施用量对微生物量碳、氮的负效应较低;根据边际分析及综合土壤微生物量碳、氮,推荐小麦最佳施肥量为165.9~187.5 kg·hm^(-2),玉米最佳施肥量为227.5~287.9 kg·hm^(-2)。

小麦/玉米/大豆和小麦/玉米/甘薯套作对根际土壤细菌群落多样性及植株氮素吸收的影响

为探讨小麦/玉米/大豆和小麦/玉米/甘薯套作体系中根际细菌群落多样性与作物氮素高效吸收的差异特性及二者间的关系,应用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术研究了小麦-大豆(A1)、小麦-甘薯(A2)、玉米(A3)、小麦/玉米/大豆(A4)和小麦/玉米/甘薯(A5)5种种植模式的根际细菌群落多样性。结果表明,与A1、A2、A3及A5相比,A4套作提高了各作物在开花期(或吐丝期)与成熟期的籽粒吸氮量、地上部总吸氮量和Shannon-Weiner index多样性指数(H′)。处理间的吸氮量与H′的变化规律为套作>单作、大豆茬口>甘薯茬口,以A4处理最高。不同种植模式下DGGE图谱条带的数量及亮度有较大区别,且有几条特征性条带发生了明显变化。不同种植模式间的细菌群落结构相似性较低,群落相似度系数(Cs)表现为套作与套作间>套作与单作间;A4与A5间的Cs相对较小,二者间的细菌群落结构差异较大。A4模式有利于提高根际细菌群落多样性,增强植株对氮素的吸收能力。

不同施氮水平下小麦/玉米套作群体产量和水氮利用

通过2018—2020年连续两年田间试验,以小麦/玉米套作群体为试验对象,研究N0、N1和N23个水平下(施N量分别为小麦0、120 kg·hm^(-2)和240 kg·hm^(-2),玉米0、180 kg·hm^(-2)和360 kg·hm^(-2))小麦/玉米套作群体产量、土地当量比与土壤水分利用的差异。结果表明:小麦/玉米套作具有明显的产量与水分利用优势,与单作相比,套作小麦产量提高21.34%~27.80%(P<0.05),产量优势主要来源于边1行与边2行的增产,而套作玉米表现受氮肥供应的调控,在N0与N1水平下套作产量减少3.02%~11.43%,仅在N2水平下高于单作玉米;小麦/玉米套作群体的土地当量比(LER)在1.04~1.16,具有土地利用优势;在相同产量下小麦/玉米套作群体比单作群体的耗水量更少,水分利用效率更高,其中在N1水平下耗水量减少最为明显,两年内平均减少消耗47.30 mm的水分,而水分利用效率比单作系统提高2.77%~6.46%,小麦/玉米套作群体在3个施氮水平下均表现出节水与水分利用优势;套作种植还可以提高小麦和玉米的氮肥农学利用率及小麦的氮肥偏生产力,两年内套作小麦的氮肥偏生产力和氮肥农学利用率最高可达64.17 kg·kg^(-1)和11.17 kg·kg^(-1)。因此在半湿润区雨养条件下具有发展小麦/玉米套作种植模式的可行性。

小麦/玉米垄沟套作条件下施肥部位对土壤水氮分布的影响

通过旱棚小车模拟小麦／玉米垄沟套作种植试验，研究了3种不同垄沟部位（垄顶、垄底和沟中）施肥对小麦／玉米生长和产量及土壤水氮分布的影响。结果表明：相同灌水条件下，施肥部位对垄沟套作水分分布影响不显著，但土壤硝态氮的分布差异较大；垄顶施肥和垄底施肥处理下，由于水肥异区，其垄上小麦生长带的硝态氮主要分布在0～30 cm土层，有效地减少了硝态氮向土壤深层淋溶，而后期沟内玉米生长带的水氮处理相同，因此其硝态氮分布差异较小；在相同灌水条件下，垄沟套作可以有效降低水分流失，减少氮肥损失，因此较传统平作更有利于作物生长，提高小麦、玉米的产量，且以垄顶施肥和垄底施肥效果最显著，小麦产量较平作分别增加11．47％、10．81％，玉米产量较平作分别增加18．87％、22．70％。

小麦/玉米套作及其相应单作群体棵间土壤蒸发规律

通过大田实验,对比分析河套灌区小麦/玉米套作与单作小麦、单作玉米棵间土壤蒸发的差异及其规律。结果表明,单作小麦、小麦/玉米套作和单作玉米的棵间土壤蒸发量占总耗水量的比例分别为28.8%、38.6%和29.9%;套作群体全生育期的棵间土壤蒸发量显著高于单作,且日均棵间土壤蒸发量为1.06 mm/d,高于单作小麦0.85 mm/d和单作玉米0.90 mm/d。不同生育期棵间土壤蒸发的日变化规律基本一致,峰值出现在中午12：00~14：00之间,不同种植模式下棵间蒸发占蒸散发的比例与叶面积指数均呈良好的指数关系,同时棵间土壤蒸发与表层土壤含水率均呈脉冲波动变化,且灌溉后波动幅度增大。

施氮对单作和套作小麦产量和氮素利用特征的影响

小麦/玉米套作是四川主要的旱作模式,研究小麦的氮素吸收利用效率及套作玉米对小麦的影响有助于进一步提示套作小麦的增产优势、养分高效利用及了解玉米小麦间相互作用机理。本研究通过田间试验研究了不同氮水平下[0 kg(N)·hm-2、60 kg(N)·hm-2、120 kg(N)·hm-2和180 kg(N)·hm-2,分别记为N1、N2、N3和N4]小麦单作、小麦/空带和小麦/玉米套作3种模式中小麦的产量、氮素吸收利用特征和玉米对小麦的影响。结果表明:在不同的氮处理下,与单作小麦相比,小麦玉米套作的小麦始终表现出明显的产量优势,其生物量和籽粒产量比单作小麦平均增加15.7%和17.8%;套作小麦边行优势明显,其边行的地上部生物量、产量、吸氮量和氮肥偏生产力比单作行分别增加23.8%、27.3%、48.9%和19.1%,说明套作小麦比单作小麦对氮利用效率更高。不施氮(N1)和低氮(N2)处理小麦/玉米套作模式中小麦的生物量、产量比小麦/空带模式平均低6.5%和5.7%,但在中氮水平(N3)时小麦/玉米套作模式中小麦产量、地上部生物量、地上部吸氮量和氮肥偏生产力分别比小麦/空带模式高14.1%、5.0%、6.8%和4.5%。说明在小麦/玉米套作模式中套入玉米在施氮不足时小麦生长受到抑制,而在施氮充足时小麦生长得到促进。因此,套作小麦有边行优势和产量优势,小麦行间套作玉米时需要配施一定量的氮肥以消除小麦、玉米间的氮素竞争从而促进小麦的生长。

麦/玉/豆周年套作体系氮素积累分配及转运

【目的】四川盆地特殊的高温寡照气候,使得作物间套作十分广泛。"麦/玉/豆"体系有利于资源循环高效利用和农业可持续发展。本项目研究了"麦/玉/豆"周年套作体系中各作物的氮素积累分配和花后氮素转运特征,旨在明确体系各作物的氮素营养吸收特性,为该体系的氮肥合理施用及高产高效提供理论依据。【方法】通过2011、2012连续两年田间定位试验,研究了"小麦/玉米/大豆"套作体系在不同氮用量下(小麦设N 0、60、120、180、240kg/hm2,分别表示为WN1、WN2、WN3、WN4、WN5;玉米设N 0、97.5、195、292.5、390 kg/hm2,分别表示为MN1、MN2、MN3、MN4、MN5;大豆不施肥,依前作的施氮处理依次记为SN1、SN2、SN3、SN4、SN5)各作物的氮素积累分配、花后氮素的转运。【结果】1)小麦各部位氮积累量都随氮用量增加而增大,籽粒、茎鞘、叶片和颖壳穗轴分别占地上部总氮积累量(平均为218.6 kg/hm2)的71.5%、12.2%、9.2%和7.1%;小麦花后从营养器官向籽粒转移的氮量及其贡献率随施氮量增加而增大,但转移率在不同氮处理下差异不显著,平均为61.5%;随氮用量增加,籽粒的氮分配比例逐渐减少,而非籽粒部分的氮分配比例则随之增大;小麦籽粒产量随施氮量增加而增大,但WN3~WN5处理间差异不显著。2)玉米各部位氮积累量随氮用量增加而增大,籽粒、叶片、茎鞘和苞叶芯分别占地上部总氮积累量(平均为108.1 kg/hm2)的67.2%、3.9%、11.8%和7.0%;玉米花后从营养器官向籽粒的氮素转移量、转移率和贡献率均随施氮量的增加呈先增加后降低的变化趋势,都以MN3处理最大;玉米各部位的氮积累比例在叶片、茎鞘中以MN1处理最大,MN2~MN5处理明显降低,在苞叶芯中不同氮处理间无明显变化,在籽粒中表现为施氮处理显著高于不施氮处理,而施氮处理间差异不显著;玉米籽粒产量随施氮量增加而增大,但MN4、MN5处理间差异不显著。3)大豆收获期茎秆、荚皮、籽粒的氮积累量都有随施氮量增加而逐渐增大的趋势,以SN4和SN5两个处理显著高于另外三个处理,而在SN1~SN3、SN4与SN5间无显著性差异;籽粒、茎秆、荚皮的氮积累比例在5个处理间无显著变化,平均分别为82.2%、5.2%、12.6%;大豆花后从营养器官向籽粒转移的氮量从SN1~SN5处理有先显著降低后又逐渐升高的变化趋势,而氮素转移率和转移氮素的贡献率在各处理之间无显著差异,平均分别为80.8%和26.6%;大豆籽粒产量以SN4和SN5两个处理显著高于另外三个处理,而在SN1~SN3、SN4与SN5间无显著性差异。【结论】低氮处理显著影响套作小麦、玉米、大豆3种作物的产量及氮素的积累,高氮投入会促使氮素滞留在营养器官中,阻碍其花后向籽粒中转移;体系全年施N量在255~382.5 kg/hm2为宜,其中小麦120~180 kg/hm2,玉米195~292.5 kg/hm2,大豆不施或依苗情适当追施氮肥。

施磷对麦/玉/豆套作体系土壤磷素变化的影响

小麦/玉米/大豆带状套作是四川省丘陵低山区主要旱地作物生产体系,了解该体系磷养分变化对优化磷肥管理和促进可持续生产有重要意义。本研究通过连续3年（2011—2013年）田间定位试验,设置P0、P1、P2、P3和P4共5个磷（P2O5）水平（玉米带分别为0 kg·hm^-2、37.5 kg·hm^-2、75 kg·hm^-2、112.5 kg·hm^-2、150 kg·hm^-2,小麦-大豆带分别为0 kg·hm^-2、45 kg·hm^-2、90 kg·hm^-2、135 kg·hm^-2、180 kg·hm^-2）,探讨该体系中土壤全磷、速效磷、水溶性磷的变化规律和速效磷的年际变化。结果表明：在麦/玉/豆套作体系中施磷165 kg（P2O5）·hm^-2（玉米带75 kg·hm^-2,小麦-大豆带90 kg·hm^-2）,可以满足体系作物对磷的需求,基本达到磷的表观平衡,维持土壤速效磷含量在20 mg·kg^-1左右。3年后5个磷水平下体系耕层土壤（0~20 cm）全磷变化量分别为-0.024 g·kg^-1·a-1、-0.016 g·kg^-1·a-1、0.016 g·kg^-1·a-1、0.11 g·kg^-1·a-1、0.15 g·kg^-1·a-1,速效磷变化量依次为-1.2 mg·kg^-1·a^-1、-0.9 mg·kg^-1·a^-1、0.2 mg·kg^-1·a^-1、2.0 mg·kg^-1·a^-1和2.7 mg·kg^-1·a^-1。通过线性平台函数的模拟,该体系中玉米、小麦、大豆产量的土壤速效磷临界值分别为16.5 mg·kg^-1、12.6 mg·kg^-1和8.8 mg·kg^-1。当土壤全磷含量低于0.55 g·kg^-1时,土壤全磷每增加0.1 g·kg^-1,土壤速效磷增加1.70 mg·kg^-1;当土壤全磷大于0.55 g·kg^-1,全磷每增加0.1 g·kg^-1,土壤速效磷增加6.49 mg·kg^-1。当土壤速效磷含量在40 mg·kg^-1以下时,速效磷每增加1 mg·kg^-1,水溶性磷增加0.017 mg·kg^-1。综上,在麦/玉/豆体系磷肥管理中应该维持土壤全磷含量低于0.55 g·kg^-1,同时速效磷含量在20 mg·kg^-1左右,这样既可以保证作物产量和系统生产力又不会产生较大的环境威胁。

河套地区小麦/玉米套作群体光能瞬时传输的数学模拟

作物间套作群体冠层中叶片水平向和垂向分布的不均匀性给其光能截获的连续测定带来了很大困难.为了量化小麦/玉米套作群体不同生长阶段的光能吸收,本文建立了模拟该套作群体光合有效辐射(PAR)瞬时传输的几何模型,并用大田实测值对模型进行验证.结果表明:几何模型可有效地模拟小麦/玉米套作群体冠层底部的PAR强度.小麦/玉米62套作(I62)群体模型估算结果与实测值的线性回归方程的决定系数为0.947,小麦/玉米124套作(I124)群体模拟结果与实测值的线性回归方程的决定系数为0.950.2012和2013年I62套作群体截获的PAR分别为1061.4和924.3 MJ·m-2,在所有处理中最高.2012年I62和I124套作群体相对于单作的PAR截获比率分别为1.29和1.19,2013年I62和I124套作群体相对于单作的PAR截获比率分别为1.21和1.16.

套作小麦/玉米不同施氮水平对土壤养分与微生物数量的影响

通过田间试验,研究了河套灌区套作小麦/玉米不同施氮水平下土壤微生物数量及土壤养分的动态变化规律。结果表明:小麦带土壤有机质含量随着生育期的推进逐渐下降,在灌浆期降到最低值,土壤碱解氮、速效磷含量从苗期到拔节期呈上升趋势,拔节期至灌浆期迅速下降,在灌浆期降到最低;玉米带土壤有机质、碱解氮、速效磷含量均呈降-升-降的趋势。小麦带细菌、真菌数量随着生育期的推进先增加后降低,抽穗期数量最多,放线菌数量呈现降-升-降的变化趋势;玉米带细菌、真菌、放线菌数量随着生育期的推进呈先减少后增加再减少的趋势,在灌浆期达到最高。与不施氮相比,施氮明显增加了土壤养分含量和土壤微生物数量,各施氮处理均达5%显著差异水平,且随着施氮水平的提高,土壤养分含量和土壤微生物数量也随之先增加后降低,N2水平时土壤养分含量达到最高,土壤微生物数量出现峰值,当施氮水平过高(N3)时,土壤养分和土壤微生物数量不再增加反而减少,说明适宜的施氮量(N2)更能促进土壤中养分和微生物数量的增加。

Effect of Limited Single Irrigation on Yield of Winter Wheat and Spring Maize Relay Intercropping

A field experiment was conducted during the 2002/2003 cropping season of winter wheat （Triticum aestivum） and spring maize （Zea mays） to evaluate the effect of limited single drip irrigation on the yield and water use of both crops under relay intercropping in a semi-arid area of northwestern China. A controlled 35 mm single irrigation, either early or late, was applied to each crop at a certain growth stage. Soil water, leaf area, final grain yield and yield components such as the thousand-grain weight, length of spike, fertile spikelet number, number of grains per spike, and grain weight per spike were measured, and water use efficiency and leaf area index were calculated for the irrigated and non-irrigated relay intercropping treatments and sole cropping controls. The results showed that yield, yield components, water use efficiency, and leaf area index in the relay intercropping treatments were affected by limited single drip irrigation during various growth stages of wheat and maize. The total yields in the relay intercropping treatment irrigated during the heading stage of wheat and the heading and anthesis stage of maize were the highest among all the treatments, followed by that irrigated during the anthesis stage of wheat and silking stage of maize; so was the water use efficiency. Significant differences occurred in most yield components between the irrigated and non-irrigated relay-intercropping treatments. The dynamics of the leaf area index in the relay-intercropped or solely cropped wheat and maize showed a type of single-peak pattern, whereas that of the relay intercropping treatments showed a type of double-peak pattern. Appropriately, limited single irrigation and controlled soil water content level could result in higher total yield, water use efficiency, and leaf area index, and improved yield components in relay intercropping. This practice saved the amount of water used for irrigation and also increased the yield. Therefore, heading stage of wheat and heading and anthesis stage of maize were suggested to be the optimum limited single irrigation time for relay-intercropped wheat and maize in the semi-arid area.

不同种植模式对土壤氮素转化及酶活性的影响

采用两年大田试验,研究了小麦-大豆(A1)、小麦-甘薯(A2)、玉米(A3)、小麦/玉米/大豆(A4)和小麦/玉米/甘薯(A5)5种种植模式下,小麦/玉米/大豆套作体系的土壤酶活性变化特征及其对土壤氮素转化的影响.结果表明:与A1、A2、A3和A5相比,A4提高了各作物在开花期(或吐丝期)和成熟期的土壤总氮含量及脲酶和蛋白酶活性,处理间表现为套作>单作、大豆茬口>甘薯茬口、边行>中行;降低了小麦、玉米土壤的NO3--N、NH4+-N含量及小麦土壤的硝酸还原酶活性.玉米土壤的硝酸还原酶活性在玉米、大豆共生前的拔节期为单作>套作,在玉米、大豆共生后的吐丝期和成熟期为套作>单作、大豆茬口>甘薯茬口;大豆土壤的NO3--N、NH4+-N含量及硝酸还原酶活性在分枝期为单作>套作,在开花期和成熟期为套作>单作、大豆茬口>甘薯茬口、中行>边行.

不同种植模式对作物根系生长、产量及根际土壤微生物数量的影响

采用多年大田试验研究了小麦-大豆(A1)、小麦-甘薯(A2)、玉米(A3)、小麦/玉米/大豆(A4)和小麦/玉米/甘薯(A5)5种种植模式的根际环境变化特征和根系生长特性.结果表明:与A1、A2、A3和A5相比,A4提高了小麦、玉米、大豆在开花期和成熟期的生物量、根系活力和根干质量,提高了各作物根际土壤细菌、真菌和放线菌数量.各种植模式之间,植株生物量和根际微生物数量的变化规律为套作>单作、大豆茬口>甘薯茬口、边行>中行.小麦/玉米/大豆(A4)套作模式通过改善3种作物的根际环境,促进了作物地下部根系生长和地上部生物量的增加,从而实现作物增产.