耕作方式对小麦-玉米两熟农田生态系统碳足迹的影响

农田生态系统碳足迹分析有利于找出问题,为低碳农业提供支撑。本文基于碳足迹全循环指标系统,以山东省泰安、滕州、龙口三地的中高产田为例,研究了耕作方式对中高产田耗碳足迹、固碳足迹、净耗碳(△GHG)、单位产值碳足迹(CFv)及单位产量碳足迹(CFy)的影响。结果表明:农田生态系统耗碳足迹中,化合物耗碳中N肥和土壤N_2O耗碳占了79.69%~92.53%,其中仅N肥就占了53.82%~62.49%;机电油耗碳的80%以上是灌溉、耕作、播种和收获产生的;有机耗碳中98.83%以上是秸秆耗碳。农田生态系统中主要是籽粒与秸秆固碳,籽粒固碳占总固碳的39.05%~52.64%;滕州的总固碳比其他两个城市高出196.3~7 801.5 kg CO_2/hm^2(旋耕除外);三地农田生态系统的ΔGHG值在-3 524.7^-8 774.3 kg CO_2/hm^2,均表现为碳汇;夏玉米季的净固碳高于冬小麦季;翻耕的净固碳量明显高于旋耕和耙耕。在冬小麦-夏玉米一年两熟条件下,夏玉米的CFv和CFy均显著高于冬小麦;CFv和CFy均表现为冬小麦翻耕-夏玉米免耕>冬小麦旋耕-夏玉米免耕>冬小麦耙耕-夏玉米免耕;地区间的CFv和CFy规律性不明显。因此,提高农业机械作业效率、减少机电油耗,提高氮肥和水分利用效率,建立合适的土壤耕作制度,提高作物产量,是山东省提高净固碳能力的重要突破方向。同时,继续挖掘夏玉米的固碳潜力、提高冬小麦的固碳能力,是作物育种与栽培应该重点解决的问题。

轮耕对小麦–玉米两熟农田耕层构造及作物产量与品质的影响

为了解不同轮耕模式对小麦-玉米两熟制耕层构造、作物产量和品质的影响,从2009年小麦季开始至2012年玉米生长季结束连续3个种植周期设置小麦季免耕、深松或翻耕＋玉米季免耕或深松的6种耕作模式组合,研究其对农田土壤孔隙度和水分含量、作物产量、以及籽粒蛋白质含量、油分含量和容重的影响。结果表明,与免耕相比,玉米季深松大幅度提高0~40 cm土壤的周年总孔隙度,小麦季深松或翻耕改善了土壤孔隙状况。小麦季耕作和玉米季耕作的交互效应是各层次土壤毛管孔隙度的决定因素,而玉米季耕作的独立效应是土壤各层次非毛管孔隙度的决定因素。小麦季深松和翻耕促进小麦生育后期对土壤水分的吸收,深松较翻耕和免耕处理的小麦产量显著升高。玉米季深松比免耕提高了玉米在灌浆阶段对水分的吸收,有利于提高玉米产量,同时对后茬小麦有积极作用。从全年产量与品质看,6种耕作模式组合中,全年两季深松效果最佳,其次是小麦季深松＋玉米季免耕,这两种轮耕模式均适合在华北平原推广应用。

年内轮耕对小麦—玉米两熟农田土壤水稳性团聚体碳、氮分布的影响

在华北平原小麦—玉米两熟区,设置6种年内轮耕模式,即小麦季免耕玉米季免耕（WZ-MZ）、小麦季免耕玉米季深松（WZ-MS）、小麦季深松玉米季免耕（WS-MZ）、小麦季深松玉米季深松（WS-MS）、小麦季翻耕玉米季免耕（WC-MZ）、小麦季翻耕玉米季深松（WC-MS）,探讨年内轮耕模式对土壤水稳性团聚体碳、氮分布的影响。结果表明,MS的年内轮耕模式比MZ有利于0~40 cm土层微团聚体聚成更大粒级的团聚体和保护大团聚体免受破坏;无论玉米季免耕还是深松条件下,与WZ、WC相比,WS能提高10~40cm土层〉0.25 mm粒级的大团聚体含量;WZ和WS比WC能显著提高土壤表层有机碳及全氮,使更多的碳、氮在土壤表层聚集;MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm土层团聚体中有机碳及全氮含量;WZ能显著提高土壤0~10 cm土壤团聚体中C/N;无论小麦季采用哪种耕作方式,MS比MZ能降低0~10 cm和提高10~40 cm土层团聚体中C/N。

华北平原冬小麦-夏玉米种植模式碳足迹研究

农业碳足迹理论可以系统评价农业生产过程中人为因素引起的碳排放,是构建低碳农业的理论基础,对实现低碳农业具有重要的指导意义。为探明农业生产中的碳足迹,本文基于河北吴桥县农户生产调查数据,利用农业碳足迹理论及研究方法,评价了华北平原冬小麦-夏玉米两熟种植模式的碳足迹。结果表明:冬小麦-夏玉米种植模式碳足迹的大小为1 737.37±337.02 kgCe/hm2.a,生产1 kg粮食的碳成本是0.12±0.03 kgCe,其中冬小麦的碳足迹是1 101.3l±251.91 kgCe/hm2.a,小麦的碳成本是0.16±0.04kgCe/kg,夏玉米的碳足迹是636.06±163.90 kgCe/hm2.a,玉米的碳成本是0.08±0.02 kgCe/kg。冬小麦-夏玉米种植模式碳足迹的组成中,化肥占总量的61.76%,电能占25.03%,柴油占7.44%,种子占4.75%,农药占1.02%。同时,发现N肥的施用量和电能消耗量均与碳足迹有正相关性,种植规模与碳成本有负相关性。因此,构建节肥、节水及规模化的低碳种植模式是实现华北平原农业节能减排的重要途径。

河北低平原区春玉米一熟替代麦玉两熟制的水生态与粮食安全分析

本研究针对河北低平原区水资源日益短缺的现状,于2011—2014年在河北省吴桥县开展田间试验,以小麦?玉米两熟制(WS)为对照,设置零灌溉春玉米一熟制(SMRF)和适水条件下春玉米一熟制(SMSW)2种种植模式,共3个处理,研究该区改传统高耗水的小麦?玉米两熟制为春玉米一熟制的可行性。结果表明:周年耗水量SMSW、SMRF较WS分别降低48.4%和54.2%;冬小麦耗水主要来自灌溉水和土壤储水,试验年间降雨仅能满足冬小麦耗水总量的32.9%,春玉米生育期内耗水主要来自降雨,试验年间SMSW和SMRF生育期内有效降雨总量分别满足春玉米耗水总量的91.9%和94.9%。SMSW和SMRF周年产量平均较WS分别降低24.4%和45.8%。SMSW和SMRF水分利用效率较WS平均分别高24.8%和0.3%。SMSW和SMRF的经济效益较WS平均分别减少5.2%和36.8%。经济水分利用效率SMSW和SMRF较WS平均分别高56.7%和17.5%。当下WS较SMSW仍具有一定的产量和效益优势,但WS对地下水灌溉依赖严重;而SMSW的水分利用效率和经济水分利用效率显著高于WS,未来随着春玉米高产技术体系的成熟,春玉米产量的进一步提高,在我国粮食总产、库存、进口"三增"的"新常态"下,该区改小麦玉米两熟为春玉米一熟具有兼顾水生态和粮食安全的可行性。

海河平原小麦-玉米节水灌溉制度优化模拟

利用典型气象站点长时间序列数据,和不同水分处理的作物生物量、叶面积指数(LAI)、产量和周年土壤水分动态数据,对APSIM模型小麦-玉米遗传参数和土壤水分动态等相关参数进行了校准和验证,并模拟了不同降水年型海河平原不同灌溉情景下作物产量、耗水量和水分利用效率(WUE)。结果表明:经过校准和验证的APSIM小麦-玉米模型能较为准确地模拟作物生长发育及产量对不同水分处理的响应,在该区域有较好的适应性。从全年作物产量、水分利用效率及对地下水位影响等综合考虑,此区全年灌溉3水,可以保证小麦、玉米苗期和小麦拔节期水分需求。年总灌水量为225 mm的灌溉措施下,多雨年可获得小麦玉米总产量17 948.4kg/hm^2,WUE为25.2kg/(hm^2·mm);平水年可获得小麦玉米总产量16 941.1kg/hm^2,WUE为24.0kg/(hm^2·mm);少雨年虽然作物产量和水分利用效率比灌溉4水产量降低11.9%,WUE下降5.2%,但地下水位可累计减少下降15.5m。因此,在未来水分亏缺加剧背景下,保障小麦、玉米苗期和小麦拔节期需水,即全年灌溉3水总灌水量为225mm为兼顾产量和水分利用效率的有效灌溉措施。

耕作方式对华北冬小麦?夏玉米周年产量和水分利用的影响

在冬小麦季设置秸秆不还田翻耕（CT）、秸秆还田翻耕（CTS）、秸秆还田旋耕（RTS）和免耕秸秆覆盖（NTS）4种处理，研究耕作方式对华北小麦一玉米两熟区作物周年产量和水分利用的影响。结果表明：耕作方式对当季冬小麦产量和水分利用影响显著，对夏玉米产量和水分利用影响不大，但秸秆还田提高了夏玉米产量。RTS、CTS、CT3个处理小麦季产量差异不显著，而NTS由于有效穗数不足，产量显著低于其他处理；与CT相比，NTS周年产量平均减产5．13％，RTS增产2．69％，CTS增产2．33％。耕作方式对当季小麦土壤水分含量影响大，而对后茬夏玉米土壤水分含量的影响较小。NTS提高了小麦季土壤水分含量，增加了土壤储水量，与CT相比，0～60cm土壤储水量2010年和2011年分别增加39．07mm和26．65mm。从耗水构成来看，土壤水在冬小麦耗水中所占比例最大，其次为灌水和降水；而夏玉米耗水以降水为主，且降水中有一部分转化为土壤水储存起来。NTS提高了冬小麦季土壤储水量，降低了土壤水分的消耗，冬小麦季耗水最少。与CT相比，NTS小麦季平均节水22．40mm，周年耗水量也以NTS最少；但NTS冬小麦产量降低导致其小麦季和周年水分利用效率均最低。从作物周年产量和水分利用的角度来看，如何提高免耕秸秆覆盖小麦季产量，进而提高周年产量，发挥其节水优势，是该耕作模式在华北地区冬小麦一夏玉米两熟区推广应用亟需解决的关键问题。

北京都市农业种植制度的发展方向——春玉米一熟制

选择合理的种植制度,可使北京市种植业既能克服水资源限制,又能更好地发挥农业抑制扬尘的生态服务功能,兼顾农民兼业增收的要求,从而满足北京市种植业发展的需要。本文采用文献研究、试验和调研相结合的方法,对北京市种植制度调整的必要性和不同种植制度的效益进行探讨。对春玉米一熟制和冬小麦-夏玉米两熟制多种效益的比较表明,春玉米一熟制虽比冬小麦-夏玉米两熟制经济效益略低,但具有较好的环境效益、较低的水资源消耗,且有利于农民兼业增收,是更符合北京市都市农业发展要求的种植制度。

华北平原小麦一玉米两熟作物区土壤培肥途径研究

研究了华北平原冬小麦、夏玉米轮作制度下不同施肥方式对土壤培肥的作用,进行了不同的秸秆、有机肥和无机化学肥料之间平衡配施的田间试验,结果表明,平衡施肥同时施用秸秆或有机肥后当年能显著增加土壤有机质、速效磷、速效钾含量。在较高肥力地块中"化肥平衡施肥+秸秆还田"的处理,土壤有机质比"不施肥、不还田"的对照增加最多,增加1.9gkg-1,增加率达8.9%;"平衡施肥+秸秆+快速腐解菌"的处理,土壤速效钾含量最高,为202.50gkg-1,比对照增加28.6%;在较低肥力地块中以"化肥平衡施肥+有机肥"土壤有机质、速效磷、速效钾增量最多,分别增加1.5gkg-1、6.9mgkg-1和32.5mgkg-1,增加率分别达11.7%、39.8%和36.1%。

基于CiteSpace的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析

为探究华北地区冬小麦-夏玉米一年两熟制周年优化灌溉制度的节水潜力,基于文献计量学方法,系统梳理了1995—2020年有关华北地区冬小麦-夏玉米一年两熟制周年优化灌溉制度的文献发文量、被引量、高影响力期刊、作者、研究单位、高频词、试验站点,以分析其研究态势,并利用CiteSpace进行了可视化与关联分析。在此基础上,进一步整理了该模式中高灌溉需水量作物冬小麦的关键节水技术,包括了工程节水技术(喷灌、滴灌、微喷灌)、生物节水技术(品种选育)与典型农艺节水技术(优化灌溉制度)等,系统分析了各节水技术对冬小麦产量、耗水量、水分利用效率的影响。结果表明:1)华北地区冬小麦-夏玉米一年两熟制周年优化灌溉制度研究的相关发文量在近年来呈明显增加趋势,发展态势良好,但同时缺乏高被引论文。中国农业大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心、河南农业大学发文数量排在前三位,分别占总发文数的27%、10%和10%,在该领域具有较高的活跃度;2)从高频词来看,该领域主要聚焦于水分利用效率、产量、光合特性、生长特性、模型模拟等。但相关领域也存在问题,如主要作者、一些研究机构间合作不够密切,田间实验站点分布不均匀且缺少长期稳定的定位观测试验等;3)对于高灌溉需水量作物冬小麦的文献计量研究表明,喷灌、滴灌、微喷灌、选用抗旱节水品种等技术,可降低田间耗水量7%~13%、产量不同程度增加2%~10%,水分利用效率提高约5%~28%。优化灌溉制度,减少灌溉次数,且根据不同降水年型保证冬小麦关键生育期的需水,可降低田间耗水9%~25%,产量降低2%~18%,水分利用效率提高约6%~9%。综上,为进一步保证粮食生产与水资源安全,应将冬小麦-夏玉米一年两茬作为一个整体来充分考虑周年的水分利用,合理优化周年的灌溉制度,构建整合配套的农艺节水技术体系和灌溉设备与技术。

秸秆和有机肥配合替代部分化肥提高作物水分利用率减少土壤硝态氮残留

【目的】研究长期秸秆和有机肥配合替代部分化肥对小麦玉米一年两熟种植制度下农田生产力及氮肥残留的影响,为改善旱地土壤肥力,提高作物产量,降低环境风险提供科学依据。【方法】依托中国农业科学院洛阳旱农试验基地始于2007年的长期定位培肥试验,选取不施肥对照(CK)、常规氮磷钾化肥(NPK)、秸秆和有机肥配合替代1/3的氮磷钾养分(SOR)3个处理。调查了2015—2020年度夏玉米、冬小麦及周年产量、生育期耗水量、水分利用效率;分析了2020年冬小麦收获期0—60 cm土层土壤养分含量,以及硝态氮在0—380 cm土层剖面的分布积累量。【结果】与2007年试验开始时相比,2020年CK处理0—20 cm土层土壤养分(除速效钾外)含量显著下降,而NPK和SOR处理不同程度地提高了土壤养分含量。与NPK处理相比,SOR处理0—60 cm土层土壤有机质含量显著提高了10.4%~16.4%,0—40 cm土层全氮含量显著提高了16.7%~20.0%,0—20 cm土层土壤速效磷和速效钾含量分别显著提高了12.9%和15.4%。与NPK处理相比,SOR处理夏玉米产量在干旱年(2015和2017年)及5年平均分别显著提高了35.3%和10.1%,水分利用效率在干旱年、平水年(2016年)及5年均值分别显著提高了42.7%、12.3%和18.5%,周年产量和水分利用效率在干旱年分别显著提高了20.5%和23.5%;冬小麦产量在不同降水年型下均未显著降低,但水分利用效率在平水年(2015—2016、2016—2017、2019—2020)及5年均值较NPK处理分别显著降低了9.8%和7.9%。NPK处理的硝态氮总累积量为732 kg/hm^(2),其中68.2%积累在100—230 cm土层;SOR处理的硝态氮总累积量为833 kg/hm^(2),其中74.8%积累在80—200 cm土层。与NPK处理相比,SOR处理显著降低了200—380 cm土层土壤硝态氮积累量,在200—230、260—290、320—350和350—380 cm土层分别显著降低了54.9%、21.1%、25.0%、57.9%。【结论】无论降雨多寡,秸秆和有机肥配合替代1/3氮磷钾肥均未降低冬小麦产量,但显著提高了干旱年夏玉米及周年产量及水分利用效率,并提高了0—60 cm土层土壤有机质和全氮含量,提高了0—20 cm土层土壤速效磷和速效钾含量,同时较常规氮磷钾处理显著降低了200—380 cm土层土壤硝态氮积累量,是旱作麦玉两熟区兼顾产量、效率和环境的施肥模式。

环渤海低平原农田多水源高效利用机理和技术研究

淡水资源严重匮乏是影响环渤海低平原粮食生产可持续发展的重要限制因素。本文针对该区粮食生产中水分利用效率低、提升潜力巨大,同时该区浅层微咸水资源和降水资源较丰富的现状,以中国科学院南皮生态农业试验站最近3年试验研究结果为基础,综述了在挖掘咸水利用潜力、提高雨水和灌溉水利用效率方面研究工作进展。针对冬小麦夏玉米一年两作种植,研究结果显示品种间产量和水分利用效率(WUE)差异显著,最高和最低品种差异达20%左右,通过选用节水高产品种可显著提升产量和WUE;冬小麦通过拔节期灌溉关键水,在促进地上部生物量积累同时,显著促进地下根系生长,使冬小麦充分利用土壤储水,实现限水灌溉下稳产高效;夏玉米通过缩小行距增大株距的缩行匀播,可提升夏玉米苗期单株作物根系所占土壤体积空间,增加水分养分对作物的有效性,提高夏玉米成苗率和苗期所截获辐射量,比常规种植产量提高10%左右;冬小麦在拔节期利用含盐量不大于4 g×L^(-1)的浅层微咸水替代淡水灌溉,产量与淡水灌溉相同;浅层微咸水替代淡水灌溉并配套土壤有机质提升技术和利用夏季降水淋盐,可实现微咸水灌溉下周年土壤盐分平衡。通过上述措施实施,实现以咸补淡、以淡调盐、多水源互补高效利用,在不影响作物产量条件下可节约深层淡水资源,促进区域灌溉农业可持续发展。

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。

河北平原麦玉两熟轮耕模式对土壤特性及作物产量的影响

于2016-2017年冬小麦-夏玉米一年两熟生长季,设小麦季深松+玉米季免耕(S-N)、小麦季旋耕+玉米季深松(R-S)和小麦季深松+玉米季深松(S-S)处理,以常规耕作方式小麦季旋耕+玉米季免耕(R-N)为对照,在河北平原中部南和县对不同轮耕模式下土壤理化性状、微生物特性、水热状况、产量及水分利用效率进行研究。结果表明,对比小麦播种前,R-S和S-S处理土壤非毛管孔隙度均有显著上升,0~15和15~30cm土层分别平均提高15.2%和18.0%;R-N处理0~15和15~30cm土层非毛管孔隙度比小麦播前分别下降11.3%和7.3%。单季或两季深松可显著提高农田土壤碱性磷酸酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶和脲酶活性,其中R-S和S-S处理提高最明显。单季深松或两季深松均可显著提高微生物生物量碳和活跃微生物量,0~30cm土层分别平均提高6.3%和20.6%。两季深松土壤呼吸平均提高12.4%,且呼吸速率变幅增大。深松可增大土壤周年温度变幅,提高水分利用效率,两季深松可显著提高周年作物产量达8.62%。深松可改善土壤物理性状,提高作物产量,提高土壤关键酶活性和呼吸速率,扩大土壤温度日变幅,优化土壤微生物环境。