华北高产粮区基于种植制度调整和水氮优化的节水效应

冬小麦/夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物主要的种植方式。冬小麦生育期降水少,春季灌溉是保证其高产的必要措施。基于上述问题,在华北平原高产粮区设置田间试验,研究了调整种植制度和水氮优化等措施下的节水效应。结果表明,将一年两熟的冬小麦套种夏玉米调整为冬小麦直播夏玉米,并结合水氮优化等措施,能降低作物耗水15%,提高灌溉水利用效率52%～54%,而产量并没有下降;而将一年两熟调整为两年三熟和一年一熟,尽管能降低作物耗水24%～31%,且能提高灌溉水利用效率58%～172%,但产量却下降16%～27%。综上所述,该区将现行的一年两熟制中的套种调整为直播,并加以水氮优化等措施,是目前较为适宜的种植方式。考虑到该区水资源严重短缺的现实,两年三熟制可能是未来的种植趋势,但需要挖掘其产量潜力。     

‘小偃60’在不同水氮条件下的用水特性

以过筛土壤为培养基础,以圆形桶为容器,设置了3个水分梯度(W0、W1、W2,分别为田间持水量的50%、65%、80%)、4个氮素梯度(N0、N1、N2、N3,施氮量分别为每桶0 g·kg?1、0.10 g·kg?1、0.20 g·kg?1、0.29 g·kg?1),探究冬小麦新品系‘小偃60’干物质积累与分配、水分利用效率、光合参数的变化规律,为其推广及高产高效栽培提供依据。结果表明,水、氮均对冬小麦生物量及产量、叶片叶绿素含量、叶水势、叶片净光合速率等有显著影响,且水对籽粒产量的主效应大于氮肥。水分和氮肥适宜处理(W2N2)比水分和氮肥轻度亏缺处理(W1N1)增产66.03%,W1N1比水分和氮肥严重亏缺(W0N0)增产153.30%。在相同水分处理下,冬小麦叶绿素SPAD值随着施氮量的升高而升高,而在相同施氮量条件下,水分严重亏缺处理(W0)和水分适宜处理(W2)的冬小麦叶绿素SPAD值均低于水分轻度亏缺处理(W1)。水分对叶片水势为正效应,表现为随着土壤含水量的增加显著升高到不明显升高趋势。光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、瞬时水分利用效率(WUEi)均随着施氮量的增加而升高,Pn、Tr随土壤水分提高而上升,WUEi却随土壤水分提高而下降。在低氮(N1)或者不施氮肥(N0)条件下,产量水分利用效率(WUEy)随水分的增加表现先升高而后变化不明显的变化趋势;在适宜氮肥(N2)和高氮(N3)条件下,WUEy随着水分的增加而升高。通过对试验结果的分析得出如下结论:1合理的水氮管理使‘小偃60’的籽粒产量及水分利用效率(WUE)维持在较高水平,过多水肥均引起产量及WUE下降;2不同水氮下籽粒产量、水分利用效率均与叶片净光合速率显著正相关;3‘小偃60’在河北环渤海地区更适合在低水中肥条件下种植。     

水氮调控对冬小麦根冠比和水分利用效率的影响研究

通过田间和桶栽试验研究了水、氮调控对冬小麦根冠比和水分利用效率的影响。田间试验结果显示,土壤水分条件对冬小麦根冠生长影响显著。当冬小麦生育期60 cm土层土壤水分维持在田间持水量的60%以上时,根冠比维持稳定状态,不随灌溉次数的增加而变化;当冬小T麦生育期60 cm土层土壤水分低于田间持水量的60%时,土壤越干旱,根冠比越大。桶栽试验结果显示,氮素水平对冬小麦根冠比影响显著,而水氮互作效应对根冠比影响不显著。在所有水分处理条件下,随着施氮量增加,冬小麦根量减少。施氮对冬小麦地上部分和地下部分的影响不同。在水分亏缺条件下,随着氮用量增加,冬小麦经济产量呈增加趋势,水分利用效率与施氮量存在明显正相关关系;而在充分灌溉条件下,产量随着施氮量的增加表现出先增加后降低的趋势,存在一个氮肥用量阈值。因此,水氮通过调控地上地下干物质分配而影响作物产量和水分利用效率,在水分供应受限制条件下,增施氮肥会降低根冠比,更利于地上干物质的积累和经济产量形成。田间试验和桶栽试验均表明,冬小麦根冠比与水分利用效率呈负相关,根冠比大不利于地上部分干物质的积累和作物产量的形成,导致水分利用效率降低。     

华北平原不同种植制度对粮食作物氮素利用和土壤氮库的影响

冬小麦-夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物的主要种植制度,存在氮肥利用率低、土壤氮素过量累积问题。为探索华北平原氮素高效利用的适宜种植制度,采用15N示踪技术,基于3 a田间定位试验,对一年两熟冬小麦-夏玉米的常规水氮和优化水氮、两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米与冬小麦-夏大豆-春玉米及一年一熟春玉米3种种植制度的作物产量、15N利用率、氮素去向和土壤氮库表观平衡进行研究。结果表明,两年三熟的冬小麦-夏玉米-春玉米产量为32 248.52 kg/hm2,分别比一年两熟和一年一熟提高22.16%和52.88%;15N利用率为33.36%,比一年一熟提高26.12%。3种种植制度的氮肥去向最高为土壤残留,其次为作物吸收和损失,两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米的作物吸氮量最高为151.82 kg/hm2,土壤氮库表观盈余量为21.22 kg/hm2,显著低于其他种植制度。综合分析,冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟在稳产高产和提高氮素利用率上具有可持续的潜力,是华北平原未来较为理想的种植制度。     

华北平原农田水、氮优化管理

以华北平原为研究区域，根据第二次全国土壤普查资料，应用地理信息系统的方法 (ARC/INFO)，得出了以72个典型土壤剖面为代表的华北平原土壤类型分布的概化图。在区域农田土壤水、氮素行为的模拟计算的基础上，以水、氮补充量为决策变量，以作物产量、1 m土体氮素淋洗量、水分利用效率和氮素利用效率为目标，建立多目标混合最优化模型，采用线性加选择法优选水氮处理。通过模型计算，获得了研究区域内六类主要质地、不同降雨年型、冬小麦-夏玉米轮作条件的较优水氮处理。     

晋南旱垣种植制度及土壤耕作方式对麦田周年土壤水分动态和水分利用效率的影响

为了高效贮蓄利用夏季降水资源,明确不同种植制度及土壤耕作方式的麦田周年土壤水分动态变化规律,在山西临汾采用大区对比方法研究了麦茬复播谷子、休闲期土壤耕作方式对麦田周年土壤水分动态及水分利用效率的影响。结果表明:在夏季降雨较少年型,在小麦播种期0—200cm土层贮水量为休闲制少耕休闲制传统耕作休闲制免耕麦茬复播谷子,麦茬复播谷子全生育期0—200cm土层的耗水量高于休闲制的3个不同土壤耕作方式。在小麦生育期降水较多年型,0—200cm贮水量在小麦返青期和拔节期谷子茬口低于休闲茬口少耕和传统耕作,灌浆期和成熟期高于休闲茬口少耕和传统耕作。播种—返青阶段,谷子茬口各土层的耗水量均小于休闲茬口少耕和传统耕作;返青—拔节阶段谷子茬口、休闲茬口少耕和传统耕作在100—200cm土层水分由积蓄变化为拔节—灌浆阶段、灌浆—成熟阶段的亏缺;在播种—成熟全阶段0—200cm土层的总耗水量为休闲茬口传统耕作休闲茬口少耕谷子茬口。周年0—100cm土层土壤水分谷子茬口、休闲茬口少耕和传统耕作均有不同程度的积蓄,100—200,0—200cm土层谷子茬口水分积蓄,而休闲茬口少耕和传统耕作水分均为亏缺。水分利用效率为谷子茬口休闲茬口少耕休闲茬口传统耕作。研究结果为该区域正确选择种植制度及夏季休闲制土壤耕作方式提供了理论和技术支撑。     

不同水分状况下施氮对夏玉米水分利用效率的影响

通过盆栽试验采用五因素五水平通用旋转组合设计(1/2实施)方案,研究了不同水分状况下氮肥的用量和施用时期对夏玉米水分利用效率的影响。结果表明,施氮对夏玉米水分利用效率的影响大于土壤含水量,但子粒产量和生物产量水分利用率(WUE子粒和WUE生物)对施氮时期的要求不尽相同,苗期和灌浆期施氮对WUE子粒的影响较显著,而苗期和拔节期施氮对WUE生物的影响则更显著。从单因素效应看,并非施氮量和土壤含水量越高越好。水氮高效配合的关键期是拔节期,且存在阈值反应,其阈值是N0.2g/kg,土壤含水量为21%。低于阈值水平,水氮交互作用不明显,高于阈值水平,水氮互作效应显著。     

不同种植制度与土下微膜覆盖的小麦玉米水分利用效果

针对华北平原北部水资源极度稀缺与小麦-玉米一年两熟生产水资源高耗的矛盾,在河北省平原代表性区域采用大田试验方法,在常规露地(-PM)和土下微膜覆盖(+PM)条件下设置冬小麦-夏玉米一年两熟(W-M)、冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟(W-M-M)2种种植制度,分析了不同种植模式的产量、水资源利用效果与土壤水分的时空变化动态。结果表明:土下微膜覆盖的冬小麦平均产量较露地降低3.9%~4.8%,夏玉米产量提高5.1%~6.0%,覆盖与露地的周年产量无显著差异;春玉米较夏玉米产量提高16.9%~24.6%,但两年三熟较一年两熟产量在2年周期内平均降低了13.4%。常规一年两熟平均年耗水量859.9mm,两年三熟周年比一年两熟平均减少耗水15.5%,因产量降低水分利用效率(WUE)未能显著提高;土下微膜覆盖可减少周年耗水200mm,WUE提高28.4%~36.0%,覆盖的节水效果冬小麦季好于夏玉米季,两年三熟下减少非生育期(上年夏玉米收获至翌年春玉米播种)耗水是节水的关键所在。常规露地条件下一年两熟农田水分亏损两年累计616.6~799.0mm,两年三熟比一年两熟可减少农田水分亏损38.6%~55.8%,覆盖比露地减少56.8%~73.5%,在年均降水560mm条件下土下微膜覆盖结合两年三熟基本可实现地下水和农田水分的平衡。土下微膜覆盖和减少熟制可有效平衡土体水分垂直分布、减少土壤表层水分损失。实施周年农田土下微膜覆盖结合小麦玉米两年三熟种植,是有效缓解华北水资源危机与稳定粮食生产的新型实践方法。     

不同水分条件下旱稻水分利用效率的研究

田间试验研究不同水分条件下旱稻水分利用效率结果表明 ,“旱稻 50 2”、“津稻 3 0 5”拔节期和开花期净光合速率、蒸腾速率及水分利用效率日变化规律一致 ,叶片净光合速率和蒸腾速率均呈中间高、两头低变化趋势 ,水分利用效率均呈“L”型趋势。充分灌溉和水分胁迫处理“旱稻 50 2”叶片水分利用效率均大于“津稻 3 0 5”。“旱稻50 2”和“津稻 3 0 5”农业用水 (灌溉 降水 )水分利用效率均低于灌溉水水分利用效率 ,2品种水分胁迫处理下灌溉水水分利用效率均高于充分灌溉处理 ,“津稻 3 0 5”农业用水和灌溉水水分利用效率均低于“旱稻 50 2”。     

华北平原灌溉农田的土壤水量平衡和水分利用效率

华北平原农业面临的主要问题是水资源短缺,地下水位持续下降。通过一维土壤水量平衡模型模拟了华北平原不同灌溉方式下农田耗水量和土壤水分深层渗漏的变化,并分析了作物的产量和水分利用效率。结果显示在正常的灌溉条件下,冬小麦季地下水的采补差额超过了200mm,某生育期一定程度的水分亏缺(返青期、拔节期或灌浆期)能明显减少冬小麦的耗水量,但没有明显减少作物的产量。因此,在一定程度上减少灌溉是可行的,但仍不能达到地下水资源的采补平衡。从长远来看,华北平原维持可持续的地下水灌溉开采,应减少冬小麦的种植面积、增加低耗水经济作物的比例。     

耕作方式对农田土壤水分变化特征及水分利用效率的影响

探讨耕作方式对土壤含水量及水分利用效率的影响,对于高效利用自然降水,提高自然降水利用效率,增加作物产量具有重要的理论与实践意义。因此,采用铝盒称重法测定不同年份、季节、土壤剖面及冻融前后土壤含水量,研究不同耕作方式对土壤含水量及作物水分利用效率的影响。结果表明:在特定时期内土壤含水量随土层深度的增加而减少,特别是土层40cm以下尤为明显,而且随季节呈波动性变化且受降雨影响较大;季节冻融作用明显降低土壤含水量,但深松较其他处理土壤含水量增幅为0.93%~2.23%;土壤贮水量随季节呈先增后降的趋势变化,且生育前期明显高于生育后期;不同耕作方式对田间耗水量和耗水系数无显著影响,但深松耕作显著提高作物水分利用效率,并且水分利用效率与产量的相关性达到极显著水平(r=0.76**)。综合分析认为,保护性耕作结合深松是有效改善耕层结构,增加土壤含水量,提高自然降水利用效率的有效耕作方法。因此,该研究可为东北雨养农业区留茬深松保护性耕作技术的推广提供理论依据。     

黄土高原水蚀风蚀区坡地土壤水分季节变化及水分利用效率

通过建立径流小区对黄土高原水蚀风蚀交错区3种典型植被措施下水量平衡进行定位观测研究,分析3种植被措施对土壤水分的季节变化与水分利用效率的影响。结果表明,整个生长季节内3种植被措施下土壤表层5cm温度显著低于空气温度;土壤表层0-6cm水分季节性波动受到降雨的强烈影响。3种植被措施对剖面土壤水分季节变化产生显著影响,5-7月份为土壤水分消耗期,8-10月份为土壤水分补偿期。土壤垂直剖面含水量从表层到深层表现为先增加后减小再增加的趋势。3种植被措施对相同地形部位土壤水分所造成的差异不同,同一植被的土壤水分在不同地形部位也有差异。坡耕地(当年种植绿豆)径流系数为0.238,显著高于撂荒地与苜蓿地。3种植被措施下生物产量、水分利用效率均达到显著差异水平(p<0.05)。紫花苜蓿水分利用效率分别是绿豆、绿豆籽粒水分利用效率的1.9倍和8.3倍。坡耕地退耕还草或者建设人工植被等措施增强了对径流的拦蓄作用,具有较好的水土保持效应,同时提高了植物水分利用效率。     

果树蒸腾光合及水分利用率与土壤含水量关系研究

以山西省吉县地区幼龄苹果、梨为研究对象,在盆栽实验的基础上,研究了不同土壤含水量条件下两种果树蒸腾速率、光合速率日变化规律,得出苹果、梨的蒸腾速率在土壤含水量6%～10%时呈现双峰曲线,中午出现低谷区;而在土壤含水量12%～20%时,呈现正午峰值型的单峰曲线。在此基础上研究了蒸腾、光合及水分利用率与土壤含水量的关系：蒸腾速率、水分利用率与土壤含水量相关关系可用三次四项式描述,而光合速率与土壤含水量呈二次相关关系。黄土高原半干旱区适宜苹果生长的土壤水分范围为12%～14%,最佳土壤含水量为12.37%;适宜梨树生长的土壤水分范围为12%～16%,最佳土壤含水量为15.19%。     

谷子不同栽培模式对土壤水温环境及水分利用效率的影响

通过大田试验研究了山西中部地区谷子不同栽培模式(覆膜穴播、精量条播、传统穴播)对土壤水温环境、谷子叶片及群体水分利用率的影响。结果表明:覆膜穴播处理与不覆膜的精量条播和传统穴播处理相比,全生育期土壤平均含水量分别增加1.59%和1.84%,土壤平均积温增加182.3℃,为谷子生长提供了良好的土壤环境条件。覆膜穴播与2个不覆膜处理相比,显著提高了谷子各生育阶段的叶片水平水分利用效率(WUEl)和群体水平水分利用效率(WUEc),促进了谷子的生长发育,产量显著增加。精量条播处理与传统穴播处理相比,在部分生育期的WUEl、群体WUEc、部分生长指标及产量上有着更好的表现。不同栽培模式之间的水分利用差异,WUEl提高的主要原因是净光合速率的显著增加,而WUEc提高的主要原因则是产量的显著增加。综合试验研究结果,可以确定覆膜穴播是山西中部地区谷子最适宜的高产高效栽培模式,而在不使用地膜覆盖的条件下,则应当优先选择精量条播栽培模式。     

滴灌条件下免耕对复播油葵土壤水分利用及产量的影响

通过田间试验分析比较滴灌免耕、滴灌翻耕、漫灌免耕和漫灌翻耕4种处理措施对土壤含水量、土壤水分入渗率、土壤贮水量以及复播油葵水分利用效率的变化情况,以了解滴灌免耕技术对绿洲农田水分动态变化及水分利用效率的影响。结果表明,滴灌免耕栽培技术与常规翻耕漫灌相比,滴灌、免耕,特别是两者的叠加效应使耕层土壤长期保持浸润状态,可改善根层内的土壤水分分布;同时可减少水分过度蒸发,增加0-30cm土层土壤贮水量及含水量,提高土壤入渗能力,但耕层以下土壤水分变幅相对较小。滴灌免耕产量较常规翻耕漫灌增加11.9%,生育期耗水量节省了31.8%,水分利用效率提高了64.2%。采用滴灌免耕技术可以提高复播油葵产量以及水分利用效率、促进农田生态系统的良性循环。     

黄土半干旱区不同土壤水分条件下刺槐蒸腾速率的研究

2004年夏在山西方山北京林业大学试验基地,采用L I-1600稳态气孔仪,对不同土壤水分条件下盆栽刺槐的生理指标进行了观测。比较分析了不同水势梯度下、不同时间段刺槐蒸腾耗水速率的变化规律,结果表明:刺槐的蒸腾速率tη(μg/(s.cm2))与生理辐射强度I(μm ol/(s.m2))成幂函数关系;蒸腾速率tη(μg/s.cm2))、气孔阻力Rs/(s.cm2)和土壤体积含水量(W%)之间存在着密切的关系;蒸腾速率一般随光强的增强和土壤水分的提高而增大,刺槐蒸腾速率与土壤水分含量的相关系数平均可达0.882 5。通过研究不同土壤水分条件下刺槐蒸腾速率的差异,提出了刺槐水分利用效率的合理供水范围在10%~15%之间,为干旱半干旱地区提高林木的水分利用效率提供了理论依据。     

有机无机不同用量配施对煤矿复垦土壤氮素利用及矿质氮含量的影响

采煤塌陷新复垦土壤有效氮含量低而有机无机培肥过程中氮有效性变化尚不明确,依托定位培肥试验基地(山西省孝义市水峪煤矿采煤塌陷复垦土壤),设置8个不同处理包括3个有机无机不同用量配施处理(鸡粪与化肥1∶1氮量在100,150,200 kg/hm~2配施,表示为MF100、MF150、MF200),与单施不同用量化肥氮(0,100,150,200 kg/hm~2,表示为IF0、IF100、IF150、IF200)相比较,以不施肥为对照(CK)。通过测定玉米产量、植株吸氮量、氮肥利用率及作物收获后土壤剖面矿质氮含量,确定适合该矿区复垦土壤施肥处理和最佳氮肥用量,从而为高产高效培肥矿区复垦土壤提供科学理论依据。结果表明:(1)施氮量为150 kg/hm~2的等养分条件下,MF150比IF150玉米籽粒产量提高了12.45%,差异显著(P0.05);同时MF150处理与IF200、MF200处理间差异均不显著(P0.05)。(2)玉米地上部吸氮量随施氮量的增加而增加,且等氮量条件下,鸡粪和化肥配施能显著提高玉米吸氮量(P0.05),增幅为39.45%～41.46%。(3)等氮量条件下,鸡粪和化肥配施较单施化肥处理能显著提高氮肥回收率;不同施肥模式的氮肥偏生产力均随施氮量的增加呈现下降趋势;IF100处理氮肥农学利用率最高为24.08 kg/kg,并且该处理与MF150无显著差异,而等氮量下MF150较IF150处理的氮肥农学效率显著增加(提高了49.56%)。(4)作物收获后0—40 cm土壤剖面矿质氮含量随土层深度而增加,但是等氮量各施肥处理间无显著差异,40—60 cm剖面中单施化肥氮各处理矿质氮残留量较配施各处理提高了约18%。总之,MF150施肥处理不仅提高作物产量、吸氮量和氮肥利用率,而且土壤剖面矿质氮残留较少,可作为培肥该矿区复垦土壤或与本试验土壤类型相似的低产农田的推荐施肥量。     

坡耕地不同种植模式对农田水土保持效应及土壤养分流失的影响

针对云南彝良地震灾区灾后坡耕地水土流失的现状,进行了不同种植模式的水土保持效应的研究。通过对试验小区不同种植模式下的径流小区的监测,以探明不同种植模式对农田水土和养分流失及对收获期作物粒重的影响,寻求控制和减少农田水土流失及增产的有效种植模式。结果表明,不同种植模式3次地表总径流量顺序为黄豆单作(17.0 m~3·hm~(-2))马铃薯单作(15.9 m~3·hm~(-2))玉米单作(13.7 m~3·hm~(-2))玉米∥马铃薯顺坡种植(12.6 m~3·hm~(-2))玉米∥黄豆(12.3 m~3·hm~(-2))玉米∥马铃薯(11.7 m~3·hm~(-2));土壤总侵蚀量顺序为马铃薯单作(930.15 kg·hm~(-2))黄豆单作(821.70 kg·hm~(-2))玉米单作(739.05 kg·hm~(-2))玉米∥马铃薯顺坡种植(716.70kg·hm~(-2))玉米∥马铃薯(651.90 kg·hm~(-2))玉米∥黄豆(620.10 kg·hm~(-2));在地表径流量方面,最好模式玉米∥马铃薯间作,比最差模式黄豆单作削减地表径流量31.2%,比马铃薯单作、玉米单作分别削减地表径流量26.4%、14.3%;在土壤侵蚀量方面,最好模式玉米∥黄豆间作,比最差模式马铃薯单作削减土壤侵蚀量33.3%,比黄豆单作、玉米单作分别削减土壤侵蚀量24.5%、16.1%。在土壤养分流失方面,玉米∥黄豆间作比马铃薯单作削减总氮流失30.6%;玉米∥黄豆间作比马铃薯单作削减氨氮流失22.2%,并有显著差异。可见,在彝良地震灾区玉米∥马铃薯和玉米∥黄豆间作种植模式在减少水土养分流失方面有一定效果。