数字图像技术在夏玉米氮素营养诊断中的应用

基于6个不同水平的氮肥田间试验,采用数码相机获取夏玉米6叶期和10叶期的冠层图像,分析了不同供氮水平下夏玉米冠层图像色彩参数指标与施氮量、叶片SPAD值、植株硝酸盐浓度、植株全氮含量、0～90cm土壤硝态氮含量之间的关系。结果表明:在6叶期,玉米冠层数字图像色彩参数指标B/(R+G+B)、G/B、R/B、B/L均与施氮量、叶片SPAD值、植株硝酸盐浓度、植株全氮含量、0～90cm土壤硝态氮含量存在极显著的线性相关关系,其中B/(R+G+B)与各营养参数的相关关系最好,其次是B/L。因此,运用数字图像技术进行玉米的氮素营养诊断是可行的。夏玉米6叶期冠层图像色彩参数指标与上述营养参数间的相关性明显高于10叶期,可作为应用数字图像技术进行氮素营养诊断的关键时期,而蓝光标准化值[B/(R+G+B)]是进行夏玉米氮素营养诊断的最佳冠层图像色彩参数指标。     

基于手机相机获取玉米叶片数字图像的氮素营养诊断与推荐施肥研究

本文利用手机相机获取玉米6叶期和9叶期的冠层图像,对图像进行色彩参数的提取与处理,分析了不同生长时期、不同品种间色彩参数的差异性,以及色彩参数与传统玉米氮素营养指标的相关性,选择出适宜的敏感色彩参数,对色彩参数与氮素营养指标进行拟合建模,建立了玉米氮素营养诊断体系,并推荐了不同产量目标下的施肥量,为实现利用智能手机田间拍照进行氮素营养诊断和精准推荐施肥提供参考。结果表明,在玉米6叶期,冠层图像色彩参数与传统氮素营养指标间的相关性优于9叶期,可作为应用数字图像分析技术进行氮素营养诊断的诊断时期;不同品种玉米的冠层图像色彩参数间无显著差异。B/(R+G+B)和G/(R+G+B)与传统氮素诊断指标——叶片SPAD值、第1完全展开叶叶脉硝酸盐浓度均显著相关,且B/(R+G+B)更为敏感,因此可作为玉米氮素营养诊断的色彩参数指标,诊断方程为:玉米叶脉硝酸盐浓度=1.73×10~(10)×[B/(R+G+B)]~(9.43)。并依此给出了不同B/(R+G+B)值下的玉米营养状况以及不同目标产量下的推荐施氮量。本研究结果可为基于手机相机开展玉米氮素营养诊断与推荐施肥技术的推广与应用提供技术支撑。     

基于无人机图像参数对滴灌条件下玉米氮素营养的动态诊断

于2018和2019年在宁夏平吉堡农场进行滴灌水肥一体化氮肥梯度试验，以天赐19为试验材料，设6个氮素水平，即 0 （N0）、90（N1）、180（N2）、270（N3）、360（N4）和450（N5）kg·hm⁻²，在玉米拔节期（V6）、小喇叭口期（V10）、大喇叭口期（V12）、吐丝期（R1）和乳熟期（R3）利用无人机搭载数码相机获取玉米冠层图像，利用Matlab编写代码开发的数字图像识别系统提取玉米冠层图像红光值R、绿光值G、蓝光值B，研究基于此计算的10个冠层图像参数指标与氮素营养指标间的相关性，筛选出稳定性好且敏感度高的图像色彩参数，构建玉米氮素营养诊断指标与图像参数间关系模型并进行验证，以探究利用无人机图像进行宁夏引黄灌区滴灌玉米拔节-乳熟期氮素营养动态估测的可行性。结果表明：冠层图像参数指标绿光与红光比值(G/R)、绿光标准化值（NGI）、红绿蓝植被指数(RGBVI)与植株氮含量和叶片氮含量相关性高且变异系数小，可作为氮素营养诊断的潜在最佳色彩参数；将最佳色彩参数与植株氮含量和叶片氮含量分别进行回归模型构建，幂函数模型可以更好地预估玉米氮素营养状况；利用2019年相同氮素试验进行模型验证，发现NGI与植株氮浓度和叶片氮浓度实测值与估测值的R2分别为0.738和0.689，检验指标RMSE为2.594和3.014，nRMSE为13.125%和13.347%，预测精度和准确性高于G/R和RGBVI。故选择NGI作为滴灌玉米拔节−乳熟期氮素营养动态诊断的最优参数，参数NGI与植株氮浓度的关系模型（N_P=4.967×106NGI^14.26）R²为0.707，与叶片氮浓度的关系模型（N_L=1.707×106NGI^12.88）R²为0.654。说明应用无人机图像技术可以较好地对宁夏引黄灌区玉米拔节−乳熟期氮素营养状况进行动态估测，构建的氮素营养诊断模型可为宁夏引黄灌区滴灌玉米氮肥精准配施提供理论依据。     

无人机搭载数码相机航拍进行小麦、玉米氮素营养诊断研究

精准施肥是减少农业面源污染的重要技术之一,而土壤养分测试与作物营养诊断是其实施的技术保障,特别是在农业规模化经营方式下,急需发展快速、经济、无损的作物氮素营养诊断技术。本文在应用数字图像进行冬小麦、夏玉米氮素营养诊断研究的基础上,将数码相机搭载到无人机上,利用无人机航拍技术采集作物冠层数字图像,研究不同航拍高度下冠层图像相关色彩参数反演冬小麦和夏玉米氮素营养状态的差异,以确定适宜的航拍高度与敏感的色彩参数,建立利用无人机航拍数字图像诊断冬小麦和夏玉米氮素营养状态模型。研究结果表明:在冬小麦拔节期适宜的航拍高度是16 m,敏感的色彩参数是可见光大气阻抗植被指数(VARI),诊断模型为:冬小麦茎基部硝酸盐浓度=2.103 4e18.874VARI;夏玉米大喇叭口期适宜的航拍高度是50 m,敏感色彩参数是蓝光标准化值[B/(R+G+B)],诊断模型为:夏玉米第1完全展开叶叶脉硝酸盐浓度=1.526?1032?[B/(R+G+B)]50.445。依据建立的航拍方法与诊断模型,分别对冬小麦、夏玉米进行了氮素状态监测的验证,结果表明诊断结果与冬小麦、夏玉米实测数据的决定系数分别为0.80和0.85,且均在P0.01水平显著相关。最后将研究结果进行应用,生成了冬小麦、夏玉米氮肥追肥作业图。利用无人机搭载数码相机对冬小麦、夏玉米进行氮素营养诊断简单、可行,但仍有一些技术细节需要完善,以提高该技术的实用性。     

数字图像诊断技术在冬小麦氮素营养诊断中的应用

本文应用数码相机获取冬小麦冠层图像并对其进行相应色彩参数处理, 结合土壤、植株快速测试技术, 分析了色彩参数与传统氮素营养参数之间的数量关系, 研究了应用数字图像技术进行冬小麦氮素营养诊断的可行性, 建立了应用数字图像技术诊断冬小麦氮素营养状况的图像获取方法, 筛选出了适宜于冬小麦氮素营养诊断的最佳色彩参数以及最佳诊断时期, 建立了冬小麦氮素营养诊断指标体系和推荐施肥方程。研究结果表明, 数字图像技术可以作为冬小麦氮素营养诊断的方法。数字图像获取时, 可将数码相机与冬小麦冠层呈30°~60°角度进行拍摄。在冬小麦拔节期和孕穗期多数冠层图像色彩参数与施氮量、叶片SPAD 值、植株硝酸盐浓度、植株全氮含量、0~90 cm 土壤硝态氮含量之间存在显著或极显著相关关系; 在众多色彩参数中, 拔节期冠层图像绿光标准化值G/(R+G+B)与各项氮素指标的相关性最好, 可作为冬小麦氮素营养诊断的最佳色彩参数指标;拔节期可作为应用数字图像技术进行氮素诊断的关键时期。     

应用数字图像进行小麦氮素营养诊断中图像分析方法的研究

简便、快速、经济地诊断作物氮素营养状况是实施氮肥用量调控的关键。利用数码相机对作物冠层进行拍照, 通过图像处理软件获得作物色彩参数, 根据色彩参数与作物氮素营养状况的关系可以对其氮素丰缺进行诊断。针对作物数字图像色彩参数的获取方法, 结合小麦多水平氮肥试验, 采用遥感软件PCI Geomatics的非监督分类功能, 将小麦图像分为土壤、反光叶面和不反光叶面, 与Adobe Photoshop 软件普通图像处理方法对照, 比较分析了小麦图像不同类别叶片的8 种色彩参数与SPAD 值及植株全氮的相关性。结果表明, 返青期小麦反光叶面的G/R 与R/(R+G+B)色彩参数能较好地反映小麦的氮素营养状况; 拔节期不反光叶面和反光叶面的R/(R+G+B)色彩参数与植株全氮相关性较好。利用普通图像处理软件获得色彩参数的方法有待改进, 图像分类后能够提高其色彩参数对作物氮素营养诊断的准确性。     

应用数字图像技术进行水稻氮素营养诊断

【目的】研究田间试验条件下水稻不同生育期冠层图像色彩参数(G、NRI、NGI、NBI、G/R和G/B)及植株氮素营养指标(叶片含氮量、植株全氮含量、生物量、氮素累积量和冠层NDVI值)的时空变化特征,并分析两者间的相关性,确立水稻氮素营养诊断的最佳色彩参数和方程模型,为探明数码相机在水稻上的适宜性及精确诊断水稻氮素营养状况提供理论基础。【方法】于2013年5月9月在湖北省武汉市华中农业大学试验基地(30°28'08'N,114°21'36'E)采用不同施氮处理的田间试验,以籼型两系杂交稻"两优6326"为供试作物,设置4个施氮水平:0、75、150和225 kg/hm2(分别以N0、N75、150和N225表示),3次重复,随机区组排列。分别在水稻分蘖期、拔节期、孕穗期和灌浆期采用数码相机(Nikon-D700,1200万像素)获取水稻冠层图像,应用Adobe photoshop7.0软件直方图程序提取图像的红光值R、绿光值G和蓝光值B,研究数码相机进行水稻氮素营养诊断色彩参数,确定植株氮素营养指标诊断模型。【结果】较对照(N0)相比,分蘖期、拔节期、孕穗期和灌浆期3个施氮处理水稻地上部生物量、叶片含氮量、植株全氮含量、氮素累积量、冠层NDVI值和成熟期产量增幅分别平均为40.7%98.0%、42.4%72.4%、36.2%85.3%、125.5%209.1%、51.3%60.6%和60.1%117.0%,差异显著。水稻不同生育期各冠层数字化指标G、NRI、NGI、NBI、G/R和G/B与上述氮素营养参数相关性差异较大,且以数字图像红光标准化值NRI表现最佳,建议作为应用数码相机进行水稻氮素营养诊断的最佳冠层图像色彩参数指标。进一步分析表明,可以用统一的线性回归方程来描述不同生育期、不同氮素水平下水稻植株氮素营养指标随冠层色彩参数NRI的变化模式。【结论】数码相机进行水稻氮素营养诊断测试结果稳定,具有快速、便捷、非破坏性等优点,冠层色彩参数NRI与水稻氮素营养指标和产量之间均表现出较好的相关性,满足氮素营养无损诊断的需求,对实时、快速监测水稻长势状况及氮素营养丰缺水平具有较高的可行性,有望发展成为新时期作物氮素营养无损诊断技术的潜力。     

基于有效积温的玉米冠层图像特征参数分析

为揭示滴灌水肥一体化玉米冠层图像颜色特征参数随有效积温的动态变化规律,明确有效积温对玉米冠层图像三基色RGB的动态变化影响机理,比较图像特征参数的拟合精度。以宁夏主栽品种天赐19为试验材料,于2018年在宁夏平吉堡农场开展6个不同氮素处理的小区试验,利用防抖手持云台搭载手机相机遥控获取玉米冠层垂直地面图像,提取图像色彩特征参数,以有效积温为自变量,对玉米冠层数字图像特征参数进行拟合分析并比较,并分析图像参数与叶片氮浓度的相关性。结果表明:有效积温与红光值(R)符合有理函数关系,与绿光值(G)和蓝光值(B)符合对数函数关系,通过比较可以看出,各图像特征参数中R拟合效果最好,B和G次之,均达到显著水平,图像参数与叶片氮浓度十叶期的相关系数高于六叶期。因此,数字图像参数R的拟合效果最好,可作为宁夏滴灌玉米图像监测指标和群体结构分析的参考依据,十叶期可作为该地区滴灌玉米氮素营养诊断的关键生育时期。     

基于手机相机获取冬小麦冠层数字图像的氮素诊断与推荐施肥研究

本文利用不同型号手机、通过不同拍摄角度获取冬小麦拔节期冠层图像,并对其图像进行色彩参数的提取、处理与分析,与传统小麦氮素营养指标进行相关性分析,筛选出敏感色彩参数,对二者进行拟合建模,建立了冬小麦氮素营养诊断指标体系和推荐施肥指标体系,为作物精准施肥提供参考。研究结果表明,在获取冬小麦冠层图像时,适宜从逆光俯视的角度拍摄,不同型号的手机拍照获取的冠层图像色彩参数没有明显差异,冠层图像色彩参数中可见光大气阻抗植被指数(VARI)及红光标准化值[R/(R+G+B)]与传统诊断指标叶片SPAD值、茎基部硝酸盐浓度均有显著的相关关系;其中VARI最为敏感,可作为冬小麦氮素营养诊断的色彩参数指标,诊断方程为冬小麦茎基部硝酸盐浓度=1.481×106×VARI4.987,依据此给出了不同VARI值下的冬小麦营养状况以及推荐施氮量。并基于此研究成果进行了手机软件开发,建立了一款针对冬小麦氮素营养诊断与推荐施肥的软件,为基于手机相机开展冬小麦氮素营养诊断与推荐施肥技术的推广与应用提供了技术支撑。     

氮肥后移满足绿洲灌区全膜覆盖玉米的氮素需求

【目的】 在水热资源有限区,地膜覆盖使得玉米对氮素的需求前移,容易造成后期脱肥。本研究在河西绿洲灌区通过田间试验,探讨氮肥后移对全膜覆盖玉米产量、氮素积累特征和氮肥利用率的影响,以期为优化地膜覆盖栽培玉米的施氮制度提供理论依据。 【方法】 试验为单因素试验,在施氮量450 kg/hm2水平下,基肥和大喇叭口期追肥分别占总施氮量的20%和40%,其余40%的氮追施时期和比例分为3个处理:N1 (拔节肥10% + 花粒肥30%),N2(拔节肥20% + 花粒肥20%),N3 (传统方式,拔节肥30% + 花粒肥10%),此外,还设定了不施氮肥空白对照。调查了玉米氮素积累动态及氮素利用状况。 【结果】 氮肥后移对玉米生育前期植株氮素的积累影响不显著,但能显著提高生育后期的氮素积累量。与N3相比,N1处理玉米植株氮素积累量在成熟期提高10.0%,籽粒吸氮量提高44.6%;氮肥后移对玉米籽粒产量和收获指数均有显著影响,N1处理籽粒产量较N3提高15.8%,收获指数提高12.2%,N2处理的籽粒产量与收获指数与N3处理差异不显著。N1处理的玉米氮素收获指数较N3处理提高31.0%,氮肥利用率 (NUE)、氮肥农学效率 (NAE) 和氮肥生理利用率 (NPE) 分别提高15.1%、79.4%和55.7%,N2处理与N3处理间则无显著差异。 【结论】 在总施氮量为450 kg/hm2的水平下,玉米拔节期追施45 kg/hm2、大喇叭口期追施180 kg/hm2、花后10 d追施135 kg/hm2氮肥,可有效提高地膜覆盖玉米的氮素供需吻合度,增加玉米生育后期氮素积累量,提高产量、氮素收获指数和氮肥利用率,是河西绿洲灌区实现玉米增产和提高氮肥利用率的一项有效措施。      

施氮量和密度互作对玉米产量和氮肥利用效率的影响

【目的】施氮量、种植密度等主要栽培措施的互作效应,往往使氮肥利用效率难以估计和评价,定量分析施氮量和密度互作下玉米产量和氮肥利用效率 (NUE) 响应的生理过程,对玉米高产氮高效栽培具有参考价值。 【方法】以郑单958为材料,在3个种植密度 (4.5、7.5和10.5万株/hm2) 和3个施氮量 (N 0、150和300 kg/hm2) 条件下进行田间试验。在14叶展期 (V14)、吐丝期 (R1)、灌浆期 (R3) 和成熟期 (R6) 取样,采用长宽系数法测定叶面积后,将样品分为叶片、茎秆 (含叶鞘、雄穗) 和雌穗 (R1、R3);在成熟期,将样品分为茎秆 (包括叶片、茎鞘、苞叶、穗轴) 和籽粒两部分,记录干质量,测定植株及籽粒全氮含量。分析了玉米碳氮积累与产量形成和氮肥吸收利用的关系。 【结果】与N150相比,N300既没有提高玉米群体碳氮积累总量,也没有提高个体生产能力,氮肥利用效率较低;N150和D10.5条件下,玉米产量和氮肥利用效率最高,说明减氮增密是协同提高玉米产量和氮肥利用效率的重要途径。施氮和增密的氮素积累优势主要受V14—R3阶段干物质积累的驱动,且这种关系在花前V14前后就已经建立。V14—R3阶段干物质积累速率与氮素积累速率呈显著正相关,施氮和增密明显促进氮素积累对干物质积累的响应强度。施氮和增密下玉米以花前较低氮浓度获得较高氮积累量,也说明其花前氮积累是以花前大量茎叶干物质积累为前提,花后氮积累则主要取决于雌穗干物质积累。氮密互作对氮收获指数 (NHI) 无显著影响,而适宜施氮和增密显著提高HI,说明减氮增密获得较高的氮肥利用效率,而与籽粒中氮素分配多少无关,主要取决于籽粒中干物质分配的多少。 【结论】施氮量和密度互作通过影响干物质积累量、产量和氮积累量影响氮肥利用效率。合理减氮增密通过促进V14—R3阶段作物生长率和花后物质生产,驱动充足的氮素积累和干物质分配,实现产量与氮肥利用效率的协同提高。     

2050年农田土壤温室气体排放及碳氮储量变化SPACSYS模型预测

【目的】 优化华北平原农田土壤的施肥措施,实现维持农田作物产量、提升土壤肥力的同时减少温室气体排放。 【方法】 基于长期定位试验观测数据,选取氮磷钾化肥 (NPK)、有机肥配施化肥 (NPKM) 和单施有机肥 (OM) 三个试验处理来评价和验证过程模型 (SPACSYS) 对不同施肥措施下的作物产量、土壤有机碳 (SOC) 和土壤全氮 (TN) 储量及土壤CO₂和N₂O排放动态变化的模拟效果,并预测至2050年不同施肥情景和肥料配施情景下作物产量、SOC、TN储量及土壤CO₂和N₂O排放量。 【结果】 统计分析结果表明,SPACSYS模型的小麦和玉米产量模拟值与实测值的相关系数R2为0.63～0.78,RMSE为3.78%～4.86%,EF为0.59～0.73;土壤有机碳和全氮储量模拟值与实测值的R2为0.73～0.89,RMSE为2.69%～3.79%,EF为0.67～0.82;土壤CO₂和N₂O排放量模拟值与实测值的R2为0.16～0.80,RMSE为4.03%～9.99%,EF为0.24～0.78,相关性均达到显著水平,表明SPACSYS模型模拟值的可靠性和准确性较高。利用该模型进行预测,结果显示到2050年,在当前施氮水平下,减氮50%会显著降低玉米产量约9%;减氮25%,与单施化肥处理相比,有机肥配施化肥处理和单施有机肥处理分别显著提高SOC年均储量约31%和62%,提高TN年均储量约18%和6%,而CO₂和N₂O年均排放量均没有显著增加。 【结论】 SPACSYS模型可以模拟中国华北平原典型农田冬小麦?夏玉米轮作体系的农作物产量、SOC和TN储量以及土壤CO₂和N₂O的排放情况。但是模型低估了OM处理的全氮储量,下一步研究需对模型做相应改进。至2050年,施用化肥和有机肥均可不同程度地提高有机碳和全氮储量,且该地区可适当降低氮肥施用量 (减氮25%),并采用有机肥配施化肥或单施有机肥的方式来维持作物产量、提升土壤肥力,同时降低温室气体排放。      

基于主成分和聚类分析的黑土肥力质量评价

【目的】 以吉林省农业科学院 (公主岭) 国家黑土长期定位试验基地为研究平台,定量评价不同施肥措施对土壤肥力质量的影响,为建立东北黑土区合理施肥模式和土壤肥力质量定量评价体系提供科学依据。 【方法】 通过主成分和聚类分析,综合评价了长期不同培肥措施的土壤肥力质量差异。以欧氏距离作为衡量不同处理肥力差异的大小,采用最短距离法对各定位施肥处理进行系统聚类。 【结果】 长期不同施肥处理的玉米产量与土壤酶活性、土壤全量养分、速效养分、有机质、微生物碳和微生物量氮都表现出显著或极显著正相关,与土壤pH值表现出负相关趋势。玉米产量与土壤硝态氮、铵态氮没有明显的相关性。土壤生物肥力与化学肥力呈极显著的正相关关系。土壤肥力质量排序为 1.5 (NPK + M1) > NPK + M2 > NPK + M1 > NPK + M1 (R) > NPK + S > NPK > CK,其中R表示轮作。不同培肥措施的土壤肥力质量可聚为4类, 1.5 (NPK + M1) 和CK单独聚为一类,分别为土壤肥力质量最好 (一等) 和最差 (四等); NPK + M2、NPK + M1、NPK + M1 (R) 三个处理聚为一类,土壤肥力质量为二等; NPK + S和NPK聚为一类,土壤肥力质量为三等。 【结论】 长期有机肥与化肥配施土壤肥力质量明显优于秸秆还田和单施化肥处理,秸秆还田的土壤肥力质量优于化肥单施。因此,应提倡长期有机无机肥配施以提高土壤肥力质量,实现农田的可持续利用。      

基于最佳经济效益的冬小麦–夏玉米轮作体系有机肥氮替代率的长期演变

【目的】 探索长期不同有机无机肥配施方式下,小麦、玉米周年产量、经济效益及有机肥料氮和化肥氮配比变化规律,为小麦–玉米轮作体系氮肥资源管理提供技术支撑。 【方法】 长期定位田间试验(2007—2017年)在山东德州进行,种植方式为冬小麦–夏玉米轮作,2007—2009年小麦品种为烟农19、玉米品种为浚单20,2010—2017年小麦品种为济麦22、玉米品种为郑丹958。试验设4 个有机肥(牛粪)氮用量(N 0、45、120、240 kg/hm2)和6个化肥氮用量(N 0、45、90、120、180、240 kg/hm2),完全区组设计,三次重复。化肥氮50%用作基肥,50%在小麦拔节或玉米大喇叭口期做追肥。有机肥或只在冬小麦基施,或分为两份,分别在冬小麦、夏玉米基施。磷、钾肥(P₂O₅ 300 kg/hm2、K₂O 300 kg/hm2)在小麦或玉米播种前一次性基施。小麦、玉米收获期测产,采集植株样品。根据每年小麦、玉米总产出效益计算最经济的有机肥氮与化肥氮配比,分析有机肥氮与化肥氮配比随时间的演变规律。 【结果】 1)关于10年小麦和玉米周年平均产量,单施化肥、单施有机肥处理均低于化肥有机肥配施处理。氮用量低于180 kg/hm2的单施化肥处理小麦和玉米周年产量都随着时间的推移逐年下降,氮用量高于180 kg/hm2 的处理产量基本保持稳定;有机肥料氮配合化肥氮,随着时间推移产量逐年升高。2)最大产值目标下,10年来有机肥氮的比例从60%左右下降到50%,有机肥氮和化肥氮的配比接近于1∶1;最佳经济效益目标下(边际产投比5∶1),当有机肥氮和化肥氮等价格时,最佳有机肥氮的比例从2007、2008的0%上升到2017年的50%左右;按实际肥料价格(有机肥氮是化肥氮的2倍)计算的最佳有机肥料氮比例,2007—2009年的最佳有机肥氮比例为0%,以后逐年上升,2017年提高到30%左右。 【结论】 长期定位试验结果表明,有机肥氮与化肥氮配施能获得比化肥氮或有机肥氮单施更高的产量和经济效益。按照有机氮的价格是化肥氮的2倍计算,有机无机肥配合施用时间越长,实现最佳经济效益目标的有机肥氮占的比例越高,在本试验条件下,有机无机配施10年后,有机肥氮的最高比例为34%。      

不同土壤水分状况下实现夏玉米高产及氮素高效的控释尿素用量研究

【目的】 水分和氮肥运筹是提高玉米产量的重要措施。本文研究了不同土壤水分状况下适宜的控释尿素用量,为控释肥大面积高效应用和玉米轻简化栽培提供科学依据。 【方法】 本研究以‘郑单958’为试验材料,采用旱棚土柱试验,两因素裂区设计。主区为水分处理:重度水分胁迫 (最大田间持水量的35%±5%,W1),轻度水分胁迫 (55%±5%,W2),正常水分 (75%±5%,W3)。副区为控释尿素处理:不施氮 (N0),低氮 (施纯氮105 kg/hm2,N1) ,中氮 (施纯氮210 kg/hm2,N2),高氮 (施纯氮315 kg/hm2,N3)处理。分别在吐丝期 (R1)、籽粒建成期 (R2)、乳熟期 (R3)、蜡熟期 (R5) 和完熟期 (R6),取植株样,称量茎鞘、叶片、籽粒和穗轴的生物量,在收获期测产。采用CAIPOS土壤墒情监测系统控制土壤水分,每天早晨和傍晚各读取一次以确定每天的浇水量。 【结果】 相同水分条件下,夏玉米产量随着控释尿素施氮量的增加而增加,相同氮素水平,各处理产量呈现随着土壤水分含量的增加而增加的趋势。重度水分胁迫下,植株干物质和氮素积累整体水平较低,尤其是花后干物质和氮素的积累所占比例较低;2014年N1、N2和N3之间的产量差异不显著,2015年氮素籽粒生产效率和氮肥利用率随施氮量增加而显著降低。轻度水分胁迫下,夏玉米干物质、氮素积累和产量随着施氮量的增加呈显著增加的趋势,花后干物质和氮素的积累所占比例较高;N3处理产量和氮素积累量与正常水分条件下N3处理差异不显著;2014年N3与N2处理之间氮素籽粒生产效率和氮肥利用率差异均不显著,2015年N3处理的氮肥利用率显著高于N2处理。正常水分条件下,N3与N2处理产量差异不显著,但显著高于N1处理;N2处理的花后干物质与氮素积累所占比例、氮肥农学效率、氮肥利用率和氮肥生理效率显著高于N3处理。 【结论】 水氮互作对夏玉米产量和氮肥利用具有显著影响,轻度水分胁迫下,适当提高氮肥用量 (W2N3),或者正常供水下配合适量氮肥 (W3N2),水氮互作效应最显著,能够保持氮素的高效释放,有利于花后植株中干物质与氮素的积累,从而提高夏玉米产量和氮肥利用率。本试验条件下,在土壤水分含量为最大田间持水量的75% ± 5%时,控释尿素施氮量以纯氮210 kg/hm2为最佳;在土壤水分含量为最大田间持水量的55% ± 5%时,控释尿素施氮量以纯氮315 kg/hm2为宜。      

小麦玉米一体化氮肥运筹对小麦产量和氮素利用的影响

【目的】 综合研究氮肥的产量效应、氮肥利用率以及土壤–作物体系中的氮素平衡,始终是评价氮肥合理施用与否的关键。本试验在小麦、玉米一体化施氮肥条件下研究了周年氮肥用量及其分配比例对小麦产量与氮素利用的影响。 【方法】 试验采用裂区设计,主区为2个小麦品种新麦21和宛麦20,裂区设小麦–玉米两熟制周年3个氮肥用量300、450和600 kg/hm2,次裂区设小麦、玉米作物间3个氮肥分配比例4∶6、5∶5、6∶4,3年定位研究不同施氮量下产量、氮肥利用效率和0—100 cm土壤硝态氮的变化。 【结果】 氮肥用量和分配比例对两个品种产量及产量构成因素均有显著影响,新麦21在年施氮量450 kg/hm2且分配比例为5∶5、6∶4和年施氮量600 kg/hm2,且分配比例为4∶6时产量较高,处理间差异不显著。宛麦20在年施氮量450 kg/hm2,且分配比例为5∶5、6∶4时产量较高,处理间差异不显著。年氮肥用量600 kg/hm2,且分配比例为4∶6和年施氮量450 kg/hm2,且分配比例为4∶6、5∶5时全年产量较高,处理间差异不显著。通径分析表明,成穗数对新麦21产量影响最大,穗粒数对宛麦20产量影响最大。新麦21、宛麦20氮肥利用率最佳的处理分别为年施氮量450 kg/hm2,且分配比例5∶5和年施氮量600 kg/hm2且分配比例为4∶6。年氮肥用量450 kg/hm2,且分配比例为5∶5时0—100 cm土层硝态氮含量增加不明显;除年氮肥用量300 kg/hm2处理,其他处理土层硝态氮均有不同程度的增加。 【结论】 综合考虑周年产量和氮素利用,本试验条件下周年施氮肥450 kg/hm2,小麦、玉米为5∶5分配比例有利于作物全年高产高效。      

基于DNDC模型的冬小麦?夏玉米农田滴灌施肥优化措施研究

【目的】滴灌施肥是一种具有节水、节肥等优点的水肥一体化田间管理措施,然而其对N₂O排放和经济效益的影响仍存在不确定性。针对我国重要的粮食生产方式—冬小麦?夏玉米轮作,优化设计适宜的滴灌施肥管理制度,对于提高水肥资源利用效率,减少环境污染,提高经济效益具有重大的实际意义。 【方法】在山东桓台冬小麦?夏玉米典型农田上设置试验,进行不同灌溉系数和不同施氮量处理对农田土壤N₂O排放和作物产量影响的研究。根据田间实测数据对DNDC模型进行校正和验证,利用验证后的模型定量评估滴灌施肥对N₂O排放的影响,综合考虑作物产量和N₂O减排效果和经济效益,最终提出华北平原冬小麦?夏玉米体系的优化滴灌施肥措施。 【结果】DNDC模型具备模拟滴灌施肥一体化管理措施下冬小麦、夏玉米生长情况和产量的能力,模型校正后能较好地模拟滴灌施肥条件下冬小麦/夏玉米农田土壤N₂O排放特征。在田间试验筛选出的最佳滴灌量和施氮量的基础上设置不同的滴灌量、施氮量以及玉米季施氮次数、施氮时间模拟情景,经过模型情景模拟最终筛选出的最优滴灌施肥措施是冬小麦季分4次滴灌施肥,滴灌量130 mm,随水施N 189 kg/hm2,夏玉米避开雨季分4次滴灌施肥,滴灌量19 mm,随水施N 231 kg/hm2。该模型模拟出的最优措施能够在不影响作物产量的基础上比田间试验筛选出的最佳滴灌和施氮量处理减少16%的N₂O排放。 【结论】与当地习惯漫灌撒肥措施相比,优化后的滴灌施肥管理全年共节水58.6%、减氮30.0%、减少50% N₂O排放,同时净收益增加了1336.41元/hm2,增加投资部分的收益率为230.34%,远大于部分预算法中100%的新技术采用标准。研究结果可为滴灌施肥技术在华北农田推广应用提供实际参考。     

有机和无机肥配比对黄褐土硝化和反硝化微生物丰度及功能的影响

【目的】 土壤硝化与反硝化作用是氮循环的两个关键环节,本文研究不同比例的有机、无机肥配施对硝化和反硝化进程产生的影响,为高效施肥提供理论基础。 【方法】 在安徽农业大学农翠园试验基地的黄褐土上进行了小麦–玉米轮作田间试验。试验以不施氮肥为对照 (CK),在小麦、玉米总施氮量相同的条件下,设置5个处理,分别为单施无机肥 (T1)、无机肥∶有机肥 = 2∶1 (T2)、无机肥∶有机肥 = 1∶1 (T3)、无机肥∶有机肥 = 1∶2 (T4)、单施有机肥 (T5)。在小麦拔节期,取0—20 cm土壤样品,利用荧光定量PCR技术测定反硝化和氨氧化微生物丰度,并结合反硝化能力、N₂O/(N₂O+N₂) 产物比、土壤呼吸、硝化势和氨氧化细菌 (AOB) 与古菌 (AOA) 对硝化势相对贡献率的测定,分析江淮地区长期有机和无机肥配施对黄褐土硝化、反硝化微生物丰度及其功能的影响。 【结果】 单施无机肥或有机肥处理的硝化势均高于不同配比处理。与添加有机肥相比,增施无机肥会显著增加AOA的丰度和硝化贡献率。在反硝化方面,反硝化能力和土壤呼吸随着有机肥投入量的增加而增加,单施有机肥处理显著高于其它处理。nirS和nosZ型反硝化菌丰度随着有机肥的增加而增加,而nirK型反硝化菌丰度呈减少趋势。相关分析表明,反硝化能力与nirS型、nosZ型反硝化菌丰度、有机质和可溶性有机碳含量极显著正相关,与nirK相关性不强。 【结论】 与单施无机肥或有机肥处理相比,有机和无机肥适当配施可降低土壤硝化势,并能调控AOA和AOB在硝化过程中的作用,有效地降低土壤反硝化损失。      

紫云英与化学氮肥配施对双季稻田CH4与N2O排放的影响

【目的】 冬季种植紫云英翻压还田对促进稻田养分循环和提高氮素利用效率具有重要意义,本文重点研究了紫云英还田与氮肥配施对稻田温室气体排放的影响。 【方法】 盆栽试验条件下,设置紫云英与氮肥配施6个处理:不施肥 (CK);单施尿素 (CF);单施紫云英 (MV);1/4紫云英+3/4尿素 (1/4 MV+3/4 CF);1/2紫云英+1/2尿素 (1/2 MV+1/2 CF) 和3/4紫云英+1/4尿素 (3/4 MV+1/4 CF),除CK外,所有处理的施氮 (N) 量均为111.4 mg/kg干土。采用静态暗箱–气相色谱法,监测双季稻季节内稻田CH₄和N₂O排放特征及其全球增温潜势 (GWP) 与单位粮食产量温室气体排放强度 (GHGI)。 【结果】 1) 不同处理稻季CH₄排放规律基本一致,早稻和晚稻生长季各处理CH₄排放均集中在分蘖期与抽穗期,其中早稻季CH₄没有明显的排放峰,其最大值为5.69 mg/(m2·h);晚稻季有两个较为明显的排放峰,出现在水稻移栽初期以及晒田期,最大峰值分别为13.33 mg/(m2·h) 和8.83 mg/(m2·h);稻田CH₄累积排放量随紫云英施用比例的增加而增加。2) 不同施肥处理下N₂O排放通量有较为明显的季节变化规律。早稻季N₂O最大峰值出现在播后第3天,为1092.2 μg/(m2·h);晚稻季N₂O排放主要集中在分蘖期和后期干湿交替阶段,最大峰值为795.7 μg/(m2·h);N₂O累积排放量随紫云英施用比例的增加而减小,且MV的N₂O累积排放量为负值。3) CF处理双季稻产量最高,显著高于CK、1/4 MV+3/4 CF和MV;1/2 MV+1/2 CF处理双季稻产量显著高于CK和1/4 MV+3/4 CF;各处理对稻田GWP及GHGI的影响均不显著。 【结论】 通过不同配比紫云英与氮肥配施盆栽试验发现,与CF相比,紫云英与氮肥不同配比对于稻田GWP及GHGI并无显著影响。