优化管理对小麦-玉米轮作系统植株干物质积累、转运与产量的影响

针对小麦-玉米轮作种植系统中因秸秆处理不当、肥料施用不合理造成的农田土壤退化、作物减产等问题,本研究设置6种水肥结合秸秆优化管理模式,探究其对小麦、玉米干物质积累、转运和产量的影响,以期为改善小麦-玉米轮作系统田间管理提供科学依据。试验以农民常规管理模式(漫灌+常规施肥+秸秆还田)为对照(CK),设两种水肥优化方案———滴灌+增效复混肥+稳定尿素(水肥优化Ⅰ,SS)、水肥一体+增效复混肥(水肥优化Ⅱ,SF),每种水肥优化方案下设3种秸秆处理方式———秸秆还田、秸秆还田+腐解剂(D)、秸秆不还田+秸秆炭(C),共组合为6个处理,分别标记为SS、SSD、SSC、SF、SFD和SFC。研究发现,SSC处理可有效提升玉米干物质积累和转运,花前干物质转运量、转运效率和花前干物质对籽粒的贡献率较CK分别显著提高56.6%、7.14个百分点和10.93个百分点;SS处理下小麦干物质积累量最高,其花后干物质积累量较其他处理显著增加23.2%(SSD)~115.1%(SF);SFD处理可有效促进干物质转运,其花前干物质转运效率、对籽粒的贡献率分别较CK显著提高3.04个百分点和7.08个百分点。SSC、SFD处理的玉米、小麦产量均显著高于其他处理,分别较CK显著提升21.8%、16.2%(SSC)和14.2%、23.6%(SFD)。综上,各优化措施处理中,SSC和SFD模式均能有效提升植株干物质积累并协调其向籽粒转运,提高成熟期籽粒干物质分配比例,提升小麦-玉米轮作系统下作物产量,可在生产中推广应用。

华北平原小麦-玉米轮作系统碳中和潜力及固碳措施

农业碳中和是将工业生产的二氧化碳(CO_(2))用于农业生产的有效手段。针对国家提出的CO_(2)排放于2030年前达到峰值(碳达峰), 2060年前实现碳中和目标,我们利用“静态箱-涡度相关-生物量监测法”明确了华北平原农业非能源碳平衡;同时结合农户抽样调查和农事活动碳排放系数明确了农业能源碳排放,进而计算出该区域农田的碳中和潜力。结果表明:小麦-玉米轮作农田净截存的有机碳量小麦季和玉米季分别为604 g(C)·m^(-2)和540 g(C)·m^(-2)。考虑农田生态系统的呼吸损耗,该区域小麦季和玉米季非能源碳净碳固存量分别为-359 g(C)·m^(-2)和-143 g(C)·m^(-2)。通过对农地投入中能源碳排放的研究发现,冬小麦季农药、化肥、农用机械消耗柴油及农地灌溉的碳排放分别为3.74 g(C)·m^(-2)、90.70 g(C)·m^(-2)、5.68 g(C)·m^(-2)和2.05 g(C)·m^(-2),玉米季分别为2.89 g(C)·m^(-2)、53.70 g(C)·m^(-2)、10.20 g(C)·m^(-2)和2.05 g(C)·m^(-2)。综合非能源(包括籽粒固碳)和能源碳观测,华北平原冬小麦季和夏玉米季均为碳汇,其强度分别为-257 g(C)·m^(-2)和-74 g(C)·m^(-2)。以华北平原典型集约高产粮区——河北栾城为例,其每年冬小麦和夏玉米农田的碳中和潜力分别为3.8×10^(10)g(C)和9.4×10^(9)g(C)。此外加强耕地管理,推广农业低碳化和发展富碳农业均可作为该区域有效的固碳措施。总之,本研究明确了华北平原小麦-玉米轮作农田的碳汇强度,估算了该农田系统在河北栾城的碳中和潜力,并提出了有效的固碳措施。

华北平原种粮大户小麦-玉米轮作系统能值分析--以山东省滨州市为例

基于我国农业经营主体变化的背景,本研究以山东省滨州市为例,采用能值分析方法研究了华北平原种粮大户冬小麦-夏玉米粮食生产系统的效率和可持续性。结果表明,山东省滨州市种粮大户麦玉生产系统全年能值总投入平均为2.21×10^(16)sej/hm^2,表现出对经济系统反馈资源和不可更新资源较强的依赖程度;系统能值转换率和不可更新能值利用率比河北省小农户模式、家庭农场和规模化农场中的麦玉生产系统低7.0%~50.1%,反映出较高的资源利用效率;其可持续指标为0.13,低于其他经营模式,说明系统可持续发展能力有进一步优化提升的空间。未来,以种粮大户为代表的华北平原适度规模化新型农业经营主体,应该针对该地区麦玉生产模式高资源消耗、高环境负载的特征,围绕化肥投入、机械化应用等关键技术环节,充分发挥新型农业经营主体优势,优化种植模式,应用绿色农艺技术,促进华北平原粮食生产进一步向绿色、高效、可持续转型。

河南小麦-玉米轮作系统热量利用率时空分布

为研究河南省小麦、玉米及其轮作系统热量利用率的时空变化规律,因地制宜地提出挖掘河南省不同区域热量潜力和提升热量利用率的有效措施,本文利用河南省17个农业气象观测站1981—2014年的气象资料及小麦和玉米的生长发育资料,统计分析了河南省不同区域小麦、玉米及小麦-玉米轮作系统的热量分布及其利用率的时空变化特征,剖析了其区域差异及形成原因。结果表明:1981—2014年,不同年代小麦-玉米轮作系统生育期在豫北略增加、在豫东呈增—减—增变化特征、在豫西缩短、在豫南则先减后增;河南省各区域小麦和玉米生育期所需有效积温均呈增加趋势,是各区域适应气候变化、提高热量利用率而选用中晚熟品种的结果;小麦和玉米潜在与实际有效积温差南高北低,且小麦有效积温差升高,玉米有效积温差降低,表明玉米热量利用程度高于小麦热量利用程度;在小麦和玉米潜在与实际有效积温的共同变化下,小麦-玉米轮作系统有效积温差在豫南和豫东大部较高,而热量利用率北高南低,东高西低,但均呈升高趋势,表明河南大部分地区小麦-玉米轮作系统热量利用率有明显提升,但在豫南和豫东仍存在较大的提升潜力,今后应着重提高该区的热量利用率。

河南省小麦-玉米轮作系统有效积温、热量利用率及其潜力数据集(1981-2014)

作者利用河南省1981-2014年17个研究站点的气象资料(逐日平均气温)及农业气候资料(逐年小麦、玉米实际播种和成熟日期、实际产量),经过Matlab编程计算统计、回归分析及显著性检验,再运用反距离权重插值法将站点数据插值到河南省区域尺度,得到河南省小麦-玉米轮作系统有效积温、热量利用率及其潜力数据集(1981-2014)。该数据集存储为地理信息系统空间数据和表格数据。空间数据包括:(1)河南省小麦-玉米轮作种植区域和17个研究站点分布数据;(2)小麦-玉米轮作系统的有效积温和热量利用率的空间分布;(3)1981-2014年小麦-玉米轮作系统的有效积温和热量利用率变化趋势的空间分布。表格数据存储为4个Excel文件:文件1包括2个表格,分别存储四个区域不同品种小麦和玉米的生育期所需有效积温;文件2包括3个表格,分别存储基于研究站点的小麦、玉米及其轮作系统的实际生育期及其长度;文件3包括3个表格,分别存储基于研究站点的小麦、玉米及其轮作系统有效积温及其变化率;文件4包括3个表格,分别存储基于研究站点的小麦、玉米及其轮作系统热量利用率及变化趋势。该数据集存储为.xlsx,.shp和.tif格式,由56个数据文件组成,数据量为4.26 MB(压缩为1个文件,1.40 MB)。

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。

小麦-玉米轮作田与菜地N_2O排放的对比研究

应用静态箱/气相色谱法对旱地小麦-玉米轮作田和种菜历史超过20a的菜地进行了N2O排放的定位观测,分析了旱地和菜地生态系统N2O排放特征的差异,及施氮、土壤温度、土壤湿度和作物参与对两种农田系统N2O排放的不同影响。结果表明,不施氮情况下,旱地和菜地N2O排放通量分别为17.8±5.6和50.7±13.3μg m-2h-1,菜地N2O排放通量是旱地农田的3.1倍。在施氮(N 150 kg hm-2)情况下,菜地N2O排放系数较旱地高39.0%。粮食作物参与和蔬菜作物参与对增加各自农田生态系统N2O排放量的贡献无明显差异。旱地和菜地不同作物季N2O排放量的差异主要是由于作物生育期长短不同造成单位时间施肥强度存在差异。所以,根据作物生育期特点调节施肥量可能会减少农田生态系统N2O排放量,并且由于菜地各蔬菜生育期长短的差异更大,因此,菜地若能实现精量施肥,其N2O减排的潜力可能大于旱地农田。

氮肥与氮转化调控剂配施降低夏玉米-冬小麦农田N_2O排放

针对农业生产中氮肥施用不合理导致氮肥利用率低、N_2O排放增加及经济效益下降等问题,采用田间试验法研究了不同氮肥与氮转化调控剂配施模式的夏玉米-冬小麦一年两作农田N_2O排放特征及经济效益。结果表明:与农民施氮肥处理(FN)相比,各推荐施氮处理在夏玉米季和冬小麦季的N_2O平均排放通量分别降低29.2%~65.4%(P<0.05)和26.9%~74.9%(P<0.05),N_2O排放总量分别降低1.05~2.72(P<0.05)和1.10~2.47(P<0.05)kg/hm^2;整个轮作季纯收益增加967.5~3 887.0元/hm^2。同等施氮量条件下,与推荐施氮处理(RN)相比,夏玉米季推荐施氮配施双氰胺处理(RN+DCD)和推荐施氮配施吡啶处理(RN+CP)分别使N_2O平均排放通量降低41.5%(P<0.05)和31.2%(P<0.05);而在冬小麦季则分别下降63.0%(P<0.05)和65.7%(P<0.05);整个轮作季RN+DCD和RN+CP处理N_2O排放总量分别降低了52.5%(P<0.05)和49.0%(P<0.05),纯收益分别增加312.6和708.9元/hm^2。夏玉米季,土壤N_2O阶段排放峰值出现在三叶期-拔节期和大喇叭口期-抽雄期;而冬小麦季土壤N_2O阶段排放峰值出现在播种-冬前苗期和返青-拔节期。考虑作物产量、N_2O排放以及经济效益,RN+DCD和RN+CP处理经济效益较高,N_2O排放总量较少,是兼顾作物产量、农民收入及大气环境的推荐氮肥管理措施。

氮素配施双氰胺对冬小麦-夏玉米轮作系统N_2O排放的影响及效益分析

针对目前集约化农业生产中氮肥用量盲目偏高、氮素利用率低、土壤及肥料中氮素以温室气体N2O形式的排放量增加等问题,采用田间试验研究了不同氮肥水平（150、225、300kg·hm-2）配施双氰胺（DCD）对华北地区集约化农田冬小麦-夏玉米轮作系统N2O排放的影响,并分析了其经济效益.结果表明：在整个轮作系统中,不同氮水平配施DCD处理的N2O排放通量减小25.6%~32.1%,N2O年度累积排放量降低23.1%~31.1%.土壤N2O排放通量与表面温度和湿度均呈显著指数相关,且湿度对小麦季N2O排放的影响大于玉米季,而温度对玉米季的影响大于小麦季.施用DCD后,小麦、玉米产量分别增加16.7%~24.6%和29.8%~34.5%,两季作物经济收益平均增加7973.2元·hm-2.因此,合理氮肥用量配施DCD既可以保证作物产量、提高经济效益,又可以减少N2O排放.综合考虑环境效益与经济效益,本试验条件下中量氮肥配施双氰胺（N总量225 kg·hm-2）是一种适宜在华北地区推广的优良氮肥管理模式.

施氮和灌溉管理下作物产量和土壤生化性质

氮和水对作物生长非常重要,研究施氮和灌溉管理下作物产量、土壤性质以及它们的关系对我国农业科学有重要意义。本文以中国科学院封丘农业生态试验站为平台,研究了施氮（每季施氮150 kg·hm-2、190 kg·hm-2、230 kg·hm-2、270 kg·hm-2,以不施氮为对照）和灌溉（灌溉量达到0-20 cm、0-40 cm、0-60 cm土壤的田间持水量,以雨养为对照）管理下小麦-玉米轮作系统作物产量和土壤生化性质,以及它们之间的关系。研究结果表明,150-270 kg·hm-2施氮量对2008年、2009年玉米产量和2009年、2010年小麦产量无显著影响；灌溉对2010年玉米产量无显著影响,而2008年、2009年玉米产量随灌溉量增大而增加。尽管2008-2011年小麦产量随灌溉量变化趋势不一致,但与雨养相比灌溉提升了小麦产量。施氮在不同程度上提升了土壤全氮和速效氮含量、脱氢酶和脲酶活性、微生物生物量碳、基本呼吸和硝化势,稍微降低了土壤pH并大幅降低了速效磷含量（降幅48.7%-51.6%）；灌溉提升了土壤全氮含量和脱氢酶活性,降低了全钾含量、脲酶活性、基本呼吸、硝化势。多元回归分析显示,某些土壤生化性质（全氮、溶解性有机碳、速效磷含量及微生物生物量碳氮、呼吸熵、硝化势）与2009年、2010年玉米产量很好地线性拟合。综上,土壤生化性质因施氮和灌溉发生不同程度的分异,因施氮和灌溉而分异的土壤生化性质能部分地鉴定作物产量。本研究方法可为产量主导因子的筛选及产量估算模型的建立提供一定参考依据。