农田水盐运移与作物生长对亏水滴灌的响应和模拟研究

为探究西北干旱地区农田水盐运移与作物生长对亏水滴灌的响应以及层状土壤中水分溶质运移和作物生长耦合模型(Layered soil water-solute transport and crop growth model,LAWSTAC)的适用性,设置3种水分处理W100、W70、W40,分别表示灌溉需水量的100%、70%和40%,于2018年在农业农村部作物高效用水武威科学观测实验站进行了大田试验。结果表明:在制种玉米生长苗期,单次灌水后,浅层(0~20 cm)土壤含盐量降低;经全生育期灌溉后,灌水量越大,浅层脱盐和深层积盐现象越明显。3种水分处理下灌水量越多的处理,制种玉米叶面积指数(LAI)和最终地上生物量越高,作物长势越好。LAWSTAC模型能较好地模拟农田水盐运移和制种玉米的生长过程;各处理LAI模拟值与实测值之间的决定系数R^2均为0.99,RMSE为0.20~0.87 cm^2/cm^2;各处理地上生物量的模拟值与实测值的R^2均为0.99,RMSE为1.62~3.57 t/hm^2,说明LAWSTAC模型可以较为准确地模拟制种玉米LAI、地上生物量的动态变化。0~80 cm土层贮水量的模拟结果表明,各处理R^2为0.41~0.61,RMSE为12~21 mm;0~80 cm土壤盐分质量浓度的模拟结果表明,各处理R^2为0.53~0.60,RMSE为1.37~2.56 g/L,效果较好。因此,LAWSTAC模型可为当地复杂土壤条件的农田进行生产力的初步预测与评估。

基于农田管理分区的制种玉米产量估算与限制因子评价

为了提升规模化农田不同管理分区的玉米产量,实现精准管理,该研究使用相关成分回归法(Correlated Component Regression,CCR),考虑地形因素(高程)、土壤理化性质(砂粒、粉粒、黏粒、容重、土壤含水率、土壤有机碳、全氮、全磷、速效氮、电导率)11个因子,评估规模化农田和聚类分析得到的3个管理区(M1、M2和M3)内产量的限制因子,并在不同分区内建立产量估算模型。模型验证结果表明:未分区的情况下,产量限制因子为土壤粉粒、砂粒、土壤有机碳、土壤含水率、速效氮和全氮,经验证,产量估算模型的决定系数(R^2)为0.70,标准均方根误差(Normalized Root Mean Square Error,nRMSE)为0.21。分区后,M1的产量限制因子为土壤粉粒、砂粒、黏粒、速效氮、电导率、全氮和全磷,M2的产量限制因子为土壤粉粒、砂粒和土壤含水率,M3的产量限制因子为高程、土壤砂粒、黏粒和电导率,产量估算模型的精度高(经验证,0.71<R2<0.83,0.16<nRMSE<0.18)。对农田进行分区管理,并根据各管理区内作物产量的限制因素制定分布式管理策略,可以更具针对性地提升作物产量。

咸水畦灌农田土壤水热盐动态及油葵生长的试验与模拟

为探究中国西北旱区咸水畦灌条件下农田土壤水热盐动态及其对作物生长的影响,采用大田试验和WASH-C模型(Layered Soil Water-Solute-Heat Transport and Crop Growth Model,土壤水热盐迁移和作物生长耦合的模拟模型)模拟相结合的方法,分析油葵全生育期内不同灌水量和矿化度处理下土壤剖面水盐分布特征、温度变化及油葵生长规律。试验设置包括2个灌水量水平(分别为油葵畦灌需水量的100%、50%)和3种畦灌水矿化度(分别为0.7、4.0、8.0 g/L)。结果表明,土壤剖面的水、盐、热分布在根区(0~40 cm)的变动幅度要大于深层(40~100 cm),灌水量越多,水分、盐分变幅越大。随着灌水次数的增加,土壤剖面在0.7 g/L矿化度下出现脱盐现象,4.0、8.0 g/L矿化度下出现积盐现象,并且灌水量越大,相应的脱、积盐率越高。试验前期各层地温变化幅度较后期大,温度变化幅度随土壤深度增加而减小。0.7g/L、100%油葵需水量下的作物LAI和产量最大,8g/L、50%油葵需水量下最小,两处理的LAI分别为8.41、3.80 cm^(2)/cm^(2),产量分别为5.49、3.08t/hm^(2),差异显著(P<0.05)。模拟结果表明,WASH-C能够较好地模拟各时期土壤中根区、深层含水率的分布特征,所有模拟结果的R2不低于0.53。在咸水矿化度小于等于3g/L的情景模拟下,作物根区不会产生明显的积盐现象。合理的咸水畦灌制度有利于充分利用咸水资源并提高油葵的水分利用效率和产量。

不同种植密度和土壤水分条件下大田玉米冠层光结构分析

以石羊河流域普遍种植的玉米品种先玉335为供试材料,设置7万株·hm^-2和10万株·hm^-2两种种植密度,充分灌水(W1)、轻度亏缺(W2)、中度亏缺(W3)3种水分条件,测定不同层次冠层光合有效辐射的分布并分析冠层光结构指标在生育期的变化。结果表明:大田玉米下部冠层光分布较优,光结构指标数值约为上部冠层的1.1倍,整体而言,增大种植密度(10万株·hm^-2)增强了冠层光能截获能力,光合有效辐射截获量(IPAR)在34.02~39.38 MJ·m^-2·d^-1,光合有效辐射截获率抽穗期~灌浆期较低密度条件下升高0.40%~4.67%;种植密度增大(10万株·hm^-2)引起群体尺度上光结构的明显劣化,消光系数(K)约为低密度条件下的83%,光合有效辐射在冠层内的衰减不均衡;拔节期低密度种植(7万株·hm^-2)促进光结构指标的改善,随生育期推进,尤其在抽穗期密植(10万株·hm^-2)时下部冠层的光合辐射利用效率降低约50%,这与作物自下而上的叶片衰老及光衰减不均衡有关;密植条件下(10万株·hm^-2),水分亏缺处理导致辐射利用率平均降低3%,冠层各项指标受水分条件的影响较大。因此,为改善大田玉米冠层光结构,在密植条件下确保生育期中后期的充分供水十分重要。

玉米冠层辐射分布和产量对种植密度和水分的响应研究

【目的】探究玉米冠层光分布和产量对种植密度和水分条件的响应。【方法】试验选用石羊河流域普遍种植的先玉335为供试品种,设置D1(7万株/hm^(2))和D2(9万株/hm^(2))2个种植密度,以及充分灌水(W1)、轻度亏缺(W2)、中度亏缺(W3)3个水分梯度,共6个处理。观测各生育期的叶面积指数、相对叶绿素量、辐射截获率、干物质积累以及产量等指标的变化。【结果】相对叶绿素量受水分影响显著,随灌水量减少而降低,但受密度影响不显著;D2密度较D1密度有更大的叶面积指数(LAI),能显著提高玉米群体对辐射的截获率,改善群体的光能利用,增加群体的干物质积累量,促进冠层辐射利用率(RUE)的提高。2个密度下,产量均随灌水量减少而降低,但D2密度下的降幅小于D1密度。在D1密度下,充分灌溉的产量为13.39 t/hm^(2),轻度亏水和中度亏水分别降低2.63%和7.03%。在D2密度下,充分灌溉的产量达到了16.39 t/hm^(2),轻度亏水和中度亏水分别降低2.37%和6.73%。在3个水分条件下,D2密度较D1密度分别增产了22.44%、22.76%和22.84%,D2密度水分利用效率显著高于D1密度;在相同密度条件下,水分利用效率都呈W2处理>W3处理>W1处理;在低密度下轻度亏缺的收获指数最大,而高密度下,中度亏缺的收获指数要大于其他处理。【结论】适度提高种植密度有利于构建合理高效的光合群体结构,增加玉米群体干物质积累、产量和WUE。适度亏缺灌溉可以在不明显减产的情况下有效提高水分利用效率。

东北春玉米单株茎流变化规律及其农田尺度提升方法

为揭示春玉米单株茎流速率规律,明确单株茎流提升至群体蒸腾的尺度转换因子,2017和2018年连续在东北典型黑土区开展了春玉米田间试验,对春玉米灌浆期内茎流速率、气象数据、棵间蒸发及土壤剖面含水率进行观测和分析。结果表明:春玉米茎流速率有明显的昼夜变化规律,降雨对玉米茎流有较强的抑制作用,降雨后茎流速率明显升高;在晴、阴、雨天气情况下玉米白天茎流差异较大,且在阴雨天气情况下,茎流曲线呈多峰曲线,峰值较低。玉米茎流的变化是各种环境因素综合作用的结果,其中茎流速率与空气温度、光合有效辐射、相对湿度间相关系数的绝对值皆在0.8以上,表明他们是影响东北黑土区茎流速率的主要环境因素。以茎粗、茎干截面面积、叶面积为尺度转换因子将单株茎流尺度提升得到春玉米农田尺度群体蒸腾量,将2 a灌浆期春玉米群体蒸腾量与棵间蒸发之和,与水量平衡法计算得到的蒸发蒸腾量进行比较,误差均在20%以内。3种尺度提升方法和水量平衡法得到2 a春玉米灌浆期内日均蒸发蒸腾量分别在4.22~4.78、3.91~4.56 mm/d范围内。其中以叶面积为尺度转换因子计算的蒸发蒸腾量与水量平衡法的结果最为接近,相对误差在5%左右,表明东北高寒黑土区春玉米农田适合采用叶面积作为单株向农田尺度提升的转换因子。

不同覆膜处理下春玉米叶面积指数高光谱估算

为实现快速、无损、实时监测不同覆膜处理下春玉米的叶面积指数(Leaf area index,LAI),研究覆膜因子对LAI及冠层反射率的影响,借助高光谱遥感技术获取了各生育期春玉米的冠层反射率,在对光谱数据进行预处理后,经相关性分析提取各覆膜处理LAI的敏感单波段、敏感植被指数和特征指数,据此构建了全生育期各覆膜处理下LAI的高光谱估算模型。结果表明,覆膜对LAI的影响主要在抽雄期之前,相同施肥水平下覆膜与无覆膜处理之间LAI的差异随生育期的推进呈先减小、后增大的趋势,其中苗期差异最大,覆膜比无覆膜处理LAI增加78%以上;各覆膜处理冠层反射率之间的差异由大到小为生育中期、生育末期、生育初期,覆膜主要影响玉米对绿光和红光的吸收。基于3个指标构建各覆膜处理下LAI的估算模型,以特征指数为因变量建立的模型对LAI的反演结果精度较高,其拟合和验证决定系数R^(2)均在0.8以上,均方根误差RMSE为0.45~0.65 cm^(2)/cm^(2),剩余预测偏差RPD均大于2,由于覆膜的影响,无覆膜处理LAI反演精度高于覆膜处理。以特征指数NI(722,731)为自变量建立的所有处理的混合LAI估算模型表现了反演的优越性,能降低覆膜对LAI反演的影响。

不同滴头流量和灌水频率对玉米产量、耗水及水分利用效率的影响

针对河西走廊地区水肥利用效率低、膜下滴灌灌水技术参数尚待改进的现状,在河西走廊地区进行了不同灌水技术参数下的玉米田间试验,探究不同灌水技术参数下玉米耗水量、产量及水分利用效率的变化规律,试验设置了不同的滴头流量(2.0、2.5、3.0 L/h)和灌水频率(6、8、10、12、14 d)。通过试验研究发现,玉米耗水量随着灌水频率的降低呈现先增大后减小又增大的趋势,大滴头流量低频灌溉会使耗水量有所增加。耗水量随着滴头流量的增大呈现先增大后减小的趋势。玉米产量和水分利用效率随着灌水频率的降低呈现先增大后减小的趋势,在8~10 d的灌水频率时达到最大值。玉米产量和水分利用效率在2.5 L/h滴头流量下均处于较低水平,水分利用效率随着滴头流量的增大呈现先减小后增大的趋势。因此,在灌水频率较高(6~8 d)或较低(14 d)时,宜选用2.0或2.5 L/h的滴灌带,在中等频率(10~12 d)灌溉时,宜选用3.0 L/h的滴灌带。

不同水钙处理对甜瓜生长、品质形成及产量的影响

【目的】确定甜瓜适宜的水钙管理模式。【方法】以"亭林雪瓜"为试验材料,设3个灌水量水平,分别为高水W1(220.45mm)、中水W2(灌水量为W1的2/3,171.05mm)和低水W3(灌水量为W1的1/2,146.45mm),2个钙处理水平,分别为喷钙Ca1(总喷钙量为0.68L/株)和不喷钙Ca0,采用完全随机区组设计,共6个处理,并在果实生长过程中测定了相关的生长生理指标,探究果实生长和糖分积累动态过程及产量品质对不同水钙处理的响应。【结果】雪瓜属高蔗糖积累型甜瓜品种,果径呈单"S"曲线生长,不同水钙处理下果实生长和糖分积累趋势一致。高水条件下果径增长量、果径大小以及果实产量最大,但单株灌溉水生产生产率IWP最低,且高水处理不利于果实糖分累积、降低了果实品质;中水处理下的IWP和果实品质最优,低水处理对果实生长有延缓影响并且降低了果实最终的产量。与不施钙处理相比,施钙处理产量和单果质量及IWP都得到了提高,同时施钙提高了果实硬度,降低了可滴定酸量(其中,单株产量、单果质量从高到低的顺序均为W1Ca1处理>W2Ca1处理>W1Ca0处理>W2Ca0处理>W3Ca1处理>W3Ca0处理,IWP从高到低的顺序为W2Ca1处理>W1Ca1处理>W2Ca0处理>W1Ca0处理>W3Ca1处理>W3Ca0处理)。【结论】不同水钙处理能影响果实生长及糖分积累过程且导致最终产量和品质的差异,中水施钙为甜瓜水钙管理的适宜模式。