基于叶片干物质的冬小麦临界氮稀释曲线模拟研究

过量施氮现象在陕西省关中平原非常突出,采用简单有效的作物施氮量估算技术,可实现生产成本降低和生态环境改善的双重目的。临界氮浓度可用于诊断作物氮营养状况,前人多基于地上部干物质建立临界氮素稀释曲线,而本研究以叶片干物质建立该曲线。试验设6个冬小麦品种和4个氮素(N0、N1、N2和N3)水平,以两季(2013—2015年)田间数据构建和验证了基于叶片干物质的冬小麦营养生长期临界氮稀释曲线,经拟合,叶片的临界氮浓度与叶片最大干物质符合负幂函数关系,依据临界氮稀释曲线推导的氮营养指数可评价冬小麦的氮营养状况。结果表明,氮营养指数随施氮量的增加而增加,其值介于0.57~1.21之间,建立的相对产量与氮营养指数关系表明,关中平原适宜的施氮量介于105~210 kg/hm2之间。基于叶片干物质的临界氮稀释曲线模型可以很好地评估植株体的氮营养状况,用以指导该区域冬小麦的科学施氮。     

水氮耦合条件下冬小麦生长和氮素营养诊断

基于2年大田试验,对比研究了不同施氮量(N1:80 kg/hm2,N2:160 kg/hm2,N3:240 kg/hm2)和水分(W1:拔节期和抽穗期分别补灌30 mm,W0:不灌溉)处理对冬小麦地上部生物量累积、产量和水氮利用效率的影响。此外,构建了2种水分条件下的冬小麦临界氮浓度稀释曲线模型,并据此建立氮营养指数模型对冬小麦进行氮素营养诊断。结果表明,一定水分条件下,中氮处理的地上部生物量显著高于低氮处理,且与高氮处理差异不显著;一定施氮水平下,适当补充灌溉可提高冬小麦地上部生物量累积。2种水分处理的冬小麦地上部最大生物量与临界氮浓度间符合幂函数关系,拟合度均达到极显著水平,且在年际间具有较好的稳定性。综合氮营养指数和施氮量与产量的拟合曲线得出,W0和W1条件下,冬小麦获得最高产量时对应的施氮量分别为171和186 kg/hm2。2个冬小麦生长季,W1N2处理的平均水分利用效率分别较W0N2和W1N3处理提高10.57%和14.01%;平均氮肥利用效率分别较W0N2和W1N3处理提高10.97%和55.77%,是合理的灌水施肥处理。     

基于叶面积指数的夏玉米叶片临界氮浓度稀释曲线研究

为构建基于叶面积指数（LAI）的夏玉米叶片临界氮浓度稀释曲线，于2018、2019年在关中地区进行了不同水氮供应的田间试验，试验设置了3个水分水平：雨养（RF）、亏缺灌溉（DI）和充分灌溉（FI），4个氮肥水平：0、90、150、210kg/hm2，研究基于LAI的夏玉米叶片临界氮浓度稀释曲线对不同水分供应的响应，分析氮营养指数（NNI）与相对产量的定量关系。结果表明：夏玉米LAI与叶片氮浓度之间符合幂函数关系。基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线在RF处理下年际差异显著（P<0.05），但在DI和FI处理下年际差异不显著（P>0.05）。在RF处理下基于LAI的叶片临界氮浓度稀释曲线的稀释速率显著高于DI和FI处理（P<0.05），但DI和FI处理间无显著差异（P>0.05）。将DI和FI处理的临界氮稀释曲线并置拟合，得到灌溉处理下基于LAI统一的叶片临界氮浓度稀释曲线（R2=0.90，P<0.01）。在试验施氮量区间，氮营养指数NNI随施氮量的增加而增加，变化范围为0.62~1.16。当NNI大于等于0.97时，夏玉米产量不再随NNI的增加而增加，此时RF处理的产量为最大产量的85%，DI和FI处理的产量均高于最大产量的99%。因此，该地区推荐的水肥一体化水氮用量为灌水75% ETc（ETc为夏玉米需水量）和施氮150kg/hm2。     

基于临界氮浓度的滴灌棉花氮素营养诊断模型研究

在新疆滴灌棉田,选择新陆早45号作为试验材料,设置5个施氮水平(0、120、240、360、480 kg/hm2),研究滴灌棉花各器官氮素吸收分配规律及生物量和氮浓度的动态变化,并建立滴灌棉花的临界氮浓度稀释模型,确定临界氮营养指数,实现对滴灌棉花氮素营养丰缺程度的诊断。结果表明,滴灌棉花生物量随施氮量的增加而增加,氮浓度随滴灌棉花的生长进程而降低;滴灌棉花临界氮浓度与地上部生物量间符合幂函数关系,其相关系数为0.906。通过均方根误差RMSE对模型进行验证,验证结果表明,所得模型的模拟性能较好。基于临界氮浓度建立的氮素营养指数模型(NNI)可作为滴灌棉花氮素营养状况的判别指标,由氮营养指数得到滴灌棉花的适宜施氮量为240~360 kg/hm2。     

基质栽培番茄临界氮浓度和氮营养指数研究

为了确定番茄的需氮量以及利用氮营养指数估测番茄氮盈亏水平的可行性,分别建立了基质栽培番茄临界氮浓度、氮营养指数和氮亏缺模型,为番茄精确施肥提供理论依据。采用基质栽培番茄,营养液氮素形态设置3个硝铵比为100∶0、75∶25和50∶50,标记为N100、N75+A25和N50+A50;氮素水平设置为Hoagland氮浓度(15mmol/L)的1/4、1/2和3/4。实验采用完全随机区组设计,共9个处理,每个处理15个重复。分别构建了不同氮源下番茄地上部生物量的临界氮浓度稀释曲线模型。结果表明,不同氮源处理番茄临界氮浓度和地上最大生物量间均符合幂指数关系,不同氮源模型间存在一定差异,参数ac(ac为地上部生物量为1g/株时的临界氮浓度)差异表明对于相同的地上部生物量,N75+A25处理番茄的氮累积能力高于N100和N50+A50;b值(b为曲线斜率)不同说明N75+A25处理植株衰老缓慢,叶氮浓度下降较N100和N50+A50慢,因而其曲线斜率低。基于临界氮浓度的氮营养指数(NNI)和氮亏缺模型Nand对番茄的适宜氮源和浓度诊断结果一致,均以N75+A25(1/2)s为最佳施氮组合。根据模型推算的NNI与相对地上部生物量、相对氮累积量和相对产量均呈显著相关性。临界氮稀释模型具有明确的生物学意义,该模型得出的分析结果是合适和可靠的。     

氮肥运筹对夏玉米氮素盈亏与利用的影响

基于2年田间试验,确立了尿素(纯氮0、80、160、240 kg/hm2,基追比为2∶3)和控释氮肥(纯氮0、60、120、180、240 kg/hm2,一次性基施)运筹下夏玉米临界氮浓度稀释曲线模型,据此构建氮素吸收模型、氮素营养指数模型和氮积累亏缺模型进行夏玉米氮素营养诊断,并比较不同氮肥运筹的氮素利用效率。结果表明,夏玉米临界氮浓度与地上部最大生物量间符合幂函数关系。利用独立试验数据对模型进行验证,结果表明该模型可靠性较高(相对误差为0.46%~4.08%)。氮素营养指数模型和氮积累亏缺模型可用于诊断植株氮素营养并定量调控氮肥管理。尿素和控释氮肥的适宜施氮范围分别为160~174 kg/hm2和120~150 kg/hm2。与尿素相比,控释氮肥的氮肥利用率显著提高,获得理论最高产量时,可节省氮肥用量约14%。     

基于临界氮浓度的宁夏玉米氮吸收与亏缺模型研究

以宁夏回族自治区当地玉米主栽品种天赐19为试验材料,设置6个氮素水平(0、90、180、270、360、450 kg/hm~2),研究滴灌玉米地上部生物量和氮累积动态变化,构建玉米临界氮稀释曲线模型,在此基础上构建氮吸收模型和氮累积亏缺模型,实现对滴灌玉米氮素营养状况的快速诊断。结果表明,滴灌玉米地上部干物质量增长和氮吸收累积均受施氮水平的影响,且随生育进程的推进呈上升趋势,氮累积量过高或过低均不利于产量形成,玉米植株存在氮奢侈消费现象;滴灌玉米临界氮浓度、最高和最低氮浓度与地上部干物质量之间均可用幂函数方程表示,其平均决定系数R~2分别为0. 976、0. 903和0. 941,均达到极显著水平;基于临界氮浓度构建的氮吸收模型和氮累积亏缺模型对滴灌玉米生育期内氮素营养诊断结果一致,综合施氮量与产量的拟合曲线,推荐宁夏引黄灌区滴灌玉米施氮量以270～311 kg/hm~2为宜。研究结果可为宁夏引黄灌区滴灌玉米实现精准施肥和优化氮素管理提供理论参考。     

水氮耦合对冬油菜氮营养指数和光能利用效率的影响

于2012—2013年和2013—2014年在冬油菜蕾薹期,设置3个施氮水平0、80、160 kg/hm2(分别记为N0、N1和N2)和3个灌溉水平0、60、120 mm(分别记为I0、I1和I2),探究蕾薹期不同灌溉、施氮量对冬油菜氮营养指数(NNI)、光能利用效率(RUE)、产量、水分利用效率(WUE)和氮肥偏生产力(NPFP)的影响。2 a田间试验结果表明,灌水且施氮能明显提高冬油菜地上部干物质量、光能利用效率和产量。I1N1处理的地上部干物质量比I1N2、I2N1和I2N2分别低0.80%、9.18%和11.12%。冬油菜在I0N1、I0N2、I2N1和I2N2处理下,均会出现氮素亏缺状况,不利于油菜生长;在I1N1和I1N2处理下,不同时期的NNI均大于1,I1N1的NNI在1附近波动,I1N2的NNI则远大于1,表明氮素过剩。2 a施氮和灌水处理对RUE的影响有显著的交互作用(P0.05),I1N1无论在干旱年(2012—2013年)或降水量较多年份(2013—2014年)均能显著提高冬油菜的RUE,而过量灌溉或施氮对冬油菜RUE促进作用不明显,甚至有下降趋势。2 a灌溉和施氮处理对冬油菜籽粒产量、耗水量、WUE和NPFP影响的交互作用均达显著水平(P0.05),2 a中灌水量为120 mm、施氮量为80 kg/hm2(I2N1)处理的产量最高,平均产量为3 385 kg/hm2,平均耗水量374 mm,平均WUE为9.1 kg/(hm2·mm),而2 a中灌水量为60 mm、施氮量为80 kg/hm2(I1N1)处理的WUE最高,其平均WUE比I2N1提高8.79%,平均耗水量减少42.5 mm,仅减产3.57%。从节水和生态可持续发展角度出发,灌水60 mm、施氮80 kg/hm2为冬油菜蕾薹期较优的灌溉施氮策略。     

玉米叶绿素CCI值及氮营养指数在氮诊断中的研究与应用

叶绿素仪因其方便、快捷、非破坏性的优点而被越来越多的运用在作物氮营养诊断上。通过分析叶绿素CCI值与氮营养指数NNI之间的相关性,可以把两者的优点结合起来,达到准确方便检验作物氮营养状况的目的。本研究以河套灌区典型作物玉米为研究对象,设置5个氮肥处理(0、135、180、225、280kg/hm~2),通过田间试验,研究了河套灌区玉米叶绿素CCI值和NNI在氮营养诊断上的可行性。结果表明,叶绿素仪的测定值与施氮量、产量和氮营养指数之间均有较好的相关性。本研究叶绿素测定值推荐玉米的适宜施氮量为225kg/hm~2。     

不同喷灌施氮频率下冬小麦产量和氮素利用研究

为了研究圆形喷灌机水肥一体化条件下不同施氮频率对冬小麦生长、产量、植株氮素利用及土壤硝态氮含量变化的影响,试验设置4个施氮频率(拔节期1次,拔节期和灌浆期2次,返青期、拔节期和灌浆期3次,返青期、拔节期、开花期和灌浆期4次施肥),开展2年田间试验。试验结果表明:施氮频率从1次增加至4次对冬小麦产量影响显著,其中4次处理产量最高(分别为9 128.5、9 092.3 kg/hm2);对不同生育阶段的生物量分配有显著影响,同时冬小麦收获指数、蛋白质产量和氮肥偏生产力有显著提高;此外0~40 cm土层土壤的硝态氮含量在冬小麦生育期保持较高水平。综合来看,建议冬小麦圆形喷灌机水肥一体作业时采取基肥和4次追氮的施肥管理方案。     

基于时序NDVI的关中地区冬小麦种植信息遥感提取

快速而准确地获取和掌握冬小麦在我国西北干旱半干旱地区的种植信息对该区域粮食生产安全及其可持续发展具有重要意义。以陕西省关中地区为研究区域,采用迭代滤波技术重建MODIS NDVI时序序列,结合当地典型地物的NDVI曲线特征和二次差分技术,建立冬小麦像元的识别规则,提取了该地区2014年冬小麦种植信息。结果显示2014年关中地区冬小麦集中分布于渭河两岸的河谷地区以及泾河以东的渭北平原,北部黄土台塬则呈星状散布。总体种植面积8.882×10~5hm~2,与统计资料相比,各地市遥感提取结果的相对误差绝对值在1.08%~9.02%之间,总体误差为3.70%。抽样验证结果显示分类精度为90.28%。该研究为关中地区制订种植计划和相关政策等提供了客观的数据参考,同时也为西北地区的农作物种植监测提供了技术支持。     

黄淮海平原冬小麦对盐分胁迫的响应研究

针对黄淮海平原地区淡水资源匮乏的问题,以当地浅层地下水配置不同矿化度的微咸水进行盐分胁迫实验,对冬小麦主根区土壤含盐量、冬小麦产量以及叶面积指数对盐分胁迫的响应进行了分析。结果表明,在不同的生育期降水量条件下,冬小麦对盐分胁迫有着不同的响应。为获得满意产量,在当地的土壤条件下,生育期一般年和湿润年可以采用的最高矿化度为3g/L,而在生育期偏旱年,如果不采取其他措施的条件下,可以采用的最高矿化度为2g/L,该结果为合理开发利用当地的地下咸水资源提供了一定的依据。     

淮北平原冬小麦作物系数的变化规律研究

【目的】研究淮北平原冬小麦作物系数的时空变化规律。【方法】采用水量平衡法、涡度相关法和Bouchet互补关系理论,结合Penman-Montieth方程,计算得到1991—2018年淮北平原冬小麦的作物系数;采用线性拟合法、Mann-Kendall趋势检验法和突变检验法滑动t检验法,结合ArcGIS,研究了作物系数在淮北平原的时空变化规律,并对影响因素进行分析。【结果】①淮北平原冬小麦全生育期的实际蒸散量的多年平均值为429.3 mm,参考作物蒸散量为541.3 mm,作物系数为0.79;②作物系数在不同生育阶段的变化为先减小后增大再减小;③作物系数在淮北平原全生育期由西北角向周围逐渐增大,高值中心呈现北移趋势;④作物系数与气候因子紧密相关,其中气温的影响最为显著,相对湿度和降水次之,风速最不显著。【结论】作物系数存在显著上升趋势,与气候因子关系紧密,需要关注作物需水量的变化。     

水氮耦合对冬小麦生长的影响

小麦生育期内的水氮供应情况直接影响小麦的生长,为了研究小麦种植的合理水氮配比,本试验通过对大田和盆栽控制灌水量和施氮量两个因素对冬小麦的株高、叶绿素含量以及地上部的干物质累积量进行研究,得出各个不同水氮配比处理之间植株生长的差异。结果表明,株高随着灌水量的增加而增加,土壤总氮量在超过0.87g/kg时株高会随着施氮量的增加而下降。而对于叶绿素含量而言,各处理之间的差异不显著,对于同一处理的不同生育期,叶绿素呈现先增大后减小的趋势。干物质的累积量在生育期内的增长速度呈现＂慢-快-慢＂的趋势,且高水、高氮处理的干物质累积量大于低水、低氮处理。基于综合因素以及经济性考虑,大田中选择120kg/hm2的施氮量,在盆栽中选用0.2g/kg的施氮量较佳。     

冬小麦生长及根系吸氮的动态模拟研究

建立了冬小麦生长、根系吸氮耦合模拟模型。冬小麦生长动态受到气象、土壤水分、氮肥等外界因素和作物吸氮能力等内在因素的影响 ,而作物吸氮量与干物质增长量和土壤水分、氮肥条件也有着密切的关系。模拟结果表明 :该模型能够较好的反映冬小麦生长动态、叶面积指数变化及作物吸氮过程     

施氮对缓解冬小麦盐分胁迫的影响

氮素是影响作物生长发育和产量的重要因素。【目的】研究氮素对缓解冬小麦盐分胁迫的作用。【方法】通过盆栽实验,分别设置土壤含盐量为4、6、8 g/kg(轻度S0、中度S1、重度S2),施氮量为150、200和250 kg/hm~2(低氮N150、中氮N200、高氮N250),进行正交试验,共9个处理,分析了相同盐分胁迫下不同施氮量对冬小麦株高、叶面积指数(LAI)、SPAD值、干物质及千粒质量的影响。【结果】S2处理中株高呈:N200>N250>N150,成熟期时N200较N150高出9.53 cm;S0、S1和S2处理的叶面积指数均呈:N250>N200>N150,且不同施氮量下差异显著;S0处理的千粒质量呈:N200>N250>N150,S1和S2处理的千粒质量呈N250>N200>N150,N250比N150分别增长了11.64%和52.61%。【结论】适宜的土壤施氮量可以缓解盐胁迫对冬小麦株高、叶面积及千粒质量的影响,其中缓解盐胁迫叶面积的作用较为显著。S0下最佳施氮量为200 kg/hm~2,S1、S2下最佳施氮量均为250 kg/hm~2。     

基于多源光学雷达数据融合的黄淮海平原冬小麦识别

遥感技术能够快速准确地获取农作物空间分布信息，为探究2021年黄淮海平原冬小麦空间分布信息，基于Google Earth Engine（GEE）云平台，以Sentinel-1 SAR雷达影像和Sentienl-2光学遥感影像为数据源，通过计算极化特征、光谱特征和纹理特征，运用随机森林等4种机器学习方法和深度循环神经网络模型，对研究区冬小麦空间分布信息进行提取，并对比各分类器和网络架构的分类精度。结果表明，黄淮海平原冬小麦总面积约为16226667hm2，占研究区总面积的49.17%，其中冬小麦种植面积最大的是河南省，约为4647334hm2，研究区冬小麦种植分布呈现由东向西、由南向北递减的趋势；随机森林是4种机器学习方法中识别精度最高的分类器，总体分类精度为94.30%；在随机森林算法中仅使用Sentinel-1雷达数据总体精度为87.38%，仅使用Sentinel-2光学数据总体精度为93.95%，而融合时序Sentinel主被动遥感数据总体精度为94.30%；在大范围的冬小麦分类上，深度学习模型的泛化性高于机器学习方法。     

冬小麦冠层光谱与土壤供氮状况相关性研究

通过设置2个冬小麦品种不同氮素水平的完全随机区组试验,获取冬小麦关键生育期(返青期、拔节期、孕穗期、灌浆期)的土壤氮素、植株氮素和冠层光谱数据,通过分析土壤氮素与植株氮素间的相关关系,间接构建土壤氮素状况的光谱诊断模型。结果表明,不同施氮水平冬小麦各生育期冠层光谱与麦田土壤氮素含量差异显著,土壤硝态氮、碱解氮含量与冬小麦植株氮素含量的相关系数达到0.72以上,相关系数分别在0.72~0.84和0.75~0.82之间,均达极显著水平,而土壤全氮含量与冬小麦植株含氮量的相关性相对较差;研究证实土壤调节植被指数SAVI(1040,680)和比值植被指数RVI(1040,680)分别与土壤硝态氮、碱解氮含量具有重要的关系。另外,基于光谱参数SAVI(1040,680)的土壤硝态氮估算模型(R~2≥0.739 6)和基于RVI(1040,680)所构建的碱解氮含量估算模型(R~2≥0.810 0)具有较好的估测能力,可以实现利用冠层光谱对土壤氮素状况的实时、快速估测。     

不同氮肥增效剂和水氮用量对冬小麦产量的影响

为研究不同氮肥增效剂及水氮用量对冬小麦产量的影响，采用裂-裂区设计进行了田间试验。其中，主区设3个灌水水平（W1:30mm、W2:60mm和W3:90mm），副区设3个施氮水平（N1:75kg/hm2、N2:150kg/hm2和N3:225kg/hm2），每个主区下各设一个不施氮处理为对照（CK），副-副区为脲酶抑制剂（NBPT）和双效抑制剂（NBPT+DCD）两种氮肥增效剂处理，以传统施肥处理（CO）为对照。结果表明：灌水水平、施氮水平及氮肥增效剂类型均对冬小麦产量产生极显著影响（P<0.01）；随着灌水量/施氮量的增大，不同氮肥增效剂下冬小麦产量都呈现出先增加、后减小的趋势。NBPT和NBPT+DCD处理均在灌水量60mm、施氮量75kg/hm2时较CO的增产率达到最大，分别为20.23%和38.96%。回归分析和频率分析表明，NBPT处理在施氮量139~183kg/hm2、灌水量47~67mm的范围内，冬小麦可获得较高产量，在施氮量162kg/hm2、灌水量为48mm时，理论最高产量为7409kg/hm2；〖JP3〗NBPT+DCD处理在施氮量149~185kg/hm2、灌水量为50~65mm时，冬小麦可获得较高产量，在施氮量为158kg/hm2、灌水量51mm时，理论最高产量为8329kg/hm2；CO处理获得最高产量时的灌水量、施氮量区间分别为49~63mm、143~247kg/hm2，相应产量为5912~6443kg/hm2。综上，脲酶抑制剂和双效抑制剂均有明显的增产节肥效果，且以双效抑制剂效果更优。