涝渍胁迫条件下Morgan模型的试验研究

涝渍胁迫条件下的作物水分生产函数对于正确评估减灾效益,合理制定涝渍灾害治理对策具有重要现实意义。作物水分生产函数按照模型形式可分为动态模型与静态模型,其中动态模型能模拟作物生长过程,具备一定的作物生理学基础,但鲜有见到关于涝渍胁迫条件下动态模型的研究。该文以水分亏缺条件下的作物水分生产函数动态模型(Morgan模型)为基础,通过利用涝渍指标进行转换,建立了适用于涝渍胁迫条件下的动态产量模型。该模型选用的指标包括常用的空间划分型涝渍分离指标(累积超标准地下水深SEW30、地面累积淹水深度SFW)与涝渍综合指标SFEW30,并为了克服前者在计算过程中涝害指标权重偏小的问题,引入时间划分型涝渍分离指标(累积超标准地下水深SEW30、受涝期间涝渍综合指标SWFDH)。根据连续多年的棉花涝渍胁迫试验数据对模型进行参数率定与验证,结果表明该模型预测效果良好,并推荐优先使用涝渍综合指标SFEW30。同静态模型相比,该模型参数在年际之间也表现出更好的稳定性。     

基于地下水埋深的江汉平原冬小麦防涝渍排水指标确定

2014—2015年在测坑(筒)分别开展孕穗期、灌浆期冬小麦遭受浅地下水埋深和先涝后渍胁迫试验,研究江汉平原冬小麦关键生育期适宜的地下水埋深。同时,构建不同排水标准计算方法,量化作物相对产量,提出先涝后渍胁迫下的排水指标。结果表明,孕穗期0、20和40 cm地下水位(持续受渍18 d)分别使小麦减产44.78%、17.31%和10.44%,而灌浆期相应减产67.72%、33.70%和10.34%。导致小麦减产的主要原因可能是穗粒数减少和千粒质量降低,建议江汉平原小麦田孕穗期和灌浆期地下水位维持在50 cm左右。先涝后渍过程中涝害使小麦减产幅度大于渍害,可以考虑以受涝历时和降渍历时为控制指标的排水模型、按时间划分涝害和渍害的排水模型,以及涝渍综合水深指标作为江汉平原小麦花后排除涝渍的排水模型。若允许小麦减产15%(即相对产量为85%)作为排水控制标准,建议小麦花后涝渍综合水深指标控制在275.6~283.6 cm·d。     

利用DRAINMOD模型模拟不同排水管间距下的作物产量

农田排水工程在防御涝渍灾害、促进农作物正常生长和改善田间耕作管理等方面起着积极的作用,通过合理的排水工程来减轻或消除涝渍灾害的影响是提高产量的主要途径.DRAINMOD模型适用于地下水位管理系统及地下排水水位和产量变化.该文结合淮北平原砂姜黑土地区实测土壤、气象、作物等资料,用DRAINMOD模型进行长序列模拟,得到不同排水管间距对作物产量的影响,结果表明,对于冬小麦来说,排水间距的大小对其相对产量的影响较小,棉花生长期出现涝渍的概率超过50%,若排水间距大于40 m,相对产量下降明显,在该试验区地下排水系统的设计应以棉花的设计指标作为设计参数,用于指导排水工程的设计.     

涝渍胁迫与大气温、湿度对棉花产量的影响分析

在多雨湿润地区，涝渍胁迫与大气温、湿度共同影响作物。研究发现：作物相对产量与涝渍胁迫指标和降渍过程的大气温、湿度指标之间有密切的相关关系，其中，涝对作物的影响是第一位的；作物关键生育期受单过程涝渍胁迫时，涝后10 d内不出现高温，渍对作物的影响居第二位，出现高温天气（日最高气温不低于35℃），则渍的影响小于高温天气的影响；在多个涝渍过程连续发生的条件下，涝后10 d内日最高气温≥35℃的天数对产量的影响大于地下水埋深小于80 cm的累积作用时间对产量的影响。     

黄淮地区涝渍胁迫影响夏玉米生长及产量

在黄淮平原,夏玉米常因降水过多遭受涝渍害而减产,确定其能忍受的涝渍胁迫天数,可为该区减轻涝渍引起的夏玉米产量损失和农业生产防灾减灾管理提供依据。该研究在田间条件下以玉米品种浚单20为试验材料,分别于玉米拔节期和抽雄期设置持续淹水(3和5 d)和渍水(5、7和10 d)处理,旨在研究黄淮地区夏玉米拔节期和抽雄期持续涝渍胁迫对其生长及产量的影响。结果表明:玉米拔节期连续淹水3 d或拔节期、抽雄期连续渍水5 d夏玉米产量开始降低,产量损失率随涝渍时间延长而增加:拔节期淹水3 d、抽雄期淹水5 d,其产量损失率分别为28.4%和42.8%;拔节期或抽雄期渍水5 d的产量损失分别为13.8%和5.5%(2011年)和3.0%和3.4%(2012年);拔节期淹水5 d产量损失是淹水3 d的3.1倍;拔节期或抽雄期渍水10 d产量损失分别为渍水5 d的1.3和3.0倍(2011年)、2.4和3.2倍(2012年)。淹水天数相同时,拔节期淹水产量损失率大于抽雄期淹水。所有淹水处理都会降低每平方米有效株数,而抽雄期淹水5 d还影响秃尖比,拔节期淹水5 d影响所有测定指标如收获指数、果穗性状等。不同于淹水处理,所有渍水处理都不影响每平方米有效株数,但影响果穗长和秃尖比、收获指数(抽雄期渍水5 d除外)。涝渍胁迫的后续影响与胁迫生育期、及涝渍天数有关,如抽雄期淹水3~5 d和抽雄期渍水5 d只影响乳熟期地上部分干质量累积,而抽雄期渍水7 d会影响所有生育期干质量累积。拔节期淹水5 d和渍水10 d使玉米后期(吐丝后25~35 d)灌浆速度降低59.6%和28.9%。因此在玉米实际生产中出现连续强降水天气时,建议尽快采取排涝降渍措施减少以避免玉米拔节期连续淹水3 d或抽雄期连续渍水5 d,从而降低涝渍胁迫对玉米生长及产量的影响。     

棉花花铃期涝渍相随对棉花产量的试验研究

在南方易涝易渍地域，棉花花铃期适逢雨季，常受涝渍综合胁迫，对生长发育和产量均有较大影响。笔者利用测坑试验对该问题进行了研究，建立了涝渍灾害型农田4种排水控制指标模式，初步提出了棉花花铃期的涝渍综合排水控制指标，探讨了体现涝渍兼治的排水控制指标。     

涝胁迫对杂交中稻形态和产量的影响

湖北平原地区夏季降水多,水稻易受涝害,为了解涝对杂交水稻生长及产量的影响,以杂交中稻丰两优香1号为试材,在拔节期、孕穗期和灌浆期分别设计不同涝淹深度和受涝时间的胁迫试验。结果表明：杂交中稻受涝胁迫后,植株高度、节间长度均增长,灌浆期、孕穗期受涝胁迫后植株高度增长幅度大于拔节期,可用二元一次方程拟合水稻株高增长量（YPH）、节间长度（YIL）与受涝天数（D）和涝淹深度（H）之间的关系,涝淹深度对植株高度、节间长度的影响大于受涝天数。不同生育期受涝水稻减产顺序表现为孕穗期＞拔节期＞灌浆期,可用二元一次方程拟合水稻相对产量（Ry）与受涝天数（D）和涝淹深度（H）的关系,拔节期和灌浆期受涝天数对产量的影响大于受涝深度,而孕穗期涝淹深度的影响大于受涝天数。拔节期受涝胁迫结实率显著下降,孕穗期结实率和千粒重显著下降,灌浆期主要表现为结实率显著下降,其次是千粒重下降。拔节期、孕穗期和灌浆期受涝胁迫后,穗下部籽粒结实率的相对湿害指数分别为0.69%～44.01%、20.87%～71.14%（没顶淹9d为100%）、3.15%～81.84%;穗中部籽粒结实率的相对湿害指数分别为4.49%～32.36%、14.31%～62.21%（没顶淹9d为100%）、10.02%～66.89%;穗上部籽粒结实率的相对湿害指数分别为-0.77%～14.72%、7.64%～50.10%（没顶淹9d为100%）、2.75%～59.66%。     

棉花先涝后渍减产规律分析及排水指标确定

为探究棉花多生育期先涝后渍胁迫下的减产规律,于2008-2011年在武汉大学灌溉排水试验场开展了不同涝渍水平、涝渍发生生育期(蕾期、花铃期和吐絮期)和涝渍形式(单涝、单渍和先涝后渍)的测坑试验。分析了2类排水指标的合理性,量化了多生育期先涝后渍胁迫下不同涝渍形式及涝渍发生生育期的减产作用,提出了棉花多生育期先涝后渍排水指标。结果表明:在先涝后渍胁迫下,基于淹水和受渍时间划分的涝渍指标(淹水期间地表及地下累计超标准水深和受渍期间地下累计超标准水深)比基于地表和地下水动态划分的涝渍指标(地表、地下累计超标准水深)更为合理;单渍的减产作用是单涝的0.759倍;先期的涝会增强棉花对后续渍的适应性,先涝后渍胁迫下渍的减产作用是涝的0.293倍;花铃期、蕾期和吐絮期的减产作用之比为1:0760:0.220;多生育期地表及地下累计超标准水位与棉花减产率之间呈极显著的线性关系(R2=0.629,P0.001)。研究成果可为多生育期先涝后渍胁迫下棉田排水标准的制定提供参考依据。     

江苏沿海垦区暗管排水农田轮作对土壤有机碳的影响模拟

针对江苏沿海垦区地势平坦、降雨量大,农业生产易受涝渍灾害影响,而新开垦农田土壤贫瘠、有机质含量极低的问题,该研究基于江苏省东台市内省水科院农田暗管排水试验基地的气象、土壤、作物等数据,联合运用田间水文模型-DRAINMOD和土壤有机碳模型-DNDC（Denitrification-Decomposition Model）,研究了轮作和秸秆还田方式对暗管排水农田土壤有机碳（Soil Organic Carbon,SOC）累积过程的影响。结果显示：对于地下水位埋深较浅的沿海垦区,在DRAINMOD准确预测暗管排水农田地下水位动态的基础上,运用DNDC模型可以更好的预测土壤有机碳的累积过程;以现有土壤有机碳含量（2.95 g/kg）为初始值,DNDC模型32 a长序列模拟发现,冬小麦-玉米轮作配施全量秸秆还田措施效果最佳,可提升耕层土壤有机碳含量至17.85 g/kg;冬小麦-玉米-冬小麦-绿肥（紫花苜蓿）轮作配施全量秸秆还田措施可提升耕层土壤有机碳含量至16.12 g/kg,具有很好的固碳效果。与研究区现有明沟排水系统相比,暗管排水可快速降低地下水位,减少涝渍胁迫,作物产量提升3.9%,耕层固碳速率提升39.39%。暗管排水条件下,湿润年频繁降雨造成了土壤干湿交替变化,由此激发了高强度土壤的呼吸作用,导致了一定程度的SOC损失;建议采用农田控制排水措施来抑制过度排水,减少高强度土壤呼吸对SOC累积过程的不利影响。研究成果可为沿海垦区农田地力提升和农业碳中和提供参考。     

油菜持续受渍试验研究

为了探索易涝易渍地区油菜田的排水管理,利用测坑进行了油菜持续受渍试验.研究表明1)油菜花期和花果期持续受渍对产量影响最为敏感;2) 花果期持续受渍胁迫影响油菜正常开花结实,导致有效角果数减少、产量下降;3)春季短期(7d以内)受渍对油菜产量影响不大,减产小于10.0%,当连续发生2～3个受渍过程时则对产量有显著影响,减产幅度达15.4%～36.8%.搞好春季排水管理对油菜生产具有重要意义.     

江苏沿海垦区暗管排水对冬小麦产量的影响模拟

江苏沿海垦区农田地下水位埋深较浅,冬小麦生长易受到渍害的影响;为探究不同暗管排水条件影响下冬小麦产量的变化,该研究根据在江苏东台试验站实测的气象、土壤、地下水埋深等数据,联合运用田间水文模型DRAINMOD和作物模型AquaCrop模拟不同暗管排水条件对冬小麦产量的影响.结果显示:DRAINMOD模型可准确模拟研究区地...     

Strategy for long term use of saline drainage water for irrigation in semi-arid regions

In arid and semi-arid regions, effluent from subsurface drainage is often saline and in the absence of a natural outlet, its disposal is a serious environmental threat. A field experiment was conducted for 7 years using drainage water of different salinity levels (EC_iw=6, 9, 12 and 18.8 dS/m) for irrigation of wheat during the dry winter season. The objective was to find whether crop production would still be feasible and soil salinity would not be increased unacceptably by this practice. The experimental crop was wheat during the winter season and pearl-millet and sorghum in the rainy season, grown on a sandy loam soil provided with subsurface drainage system. All crops were given a pre-plant irrigation with non-saline canal water and subsequently, saline drainage water of different salinity levels was used for the irrigation of wheat as per the treatment. On an average, the mean yield reduction in wheat yield at different EC_iw was 4.2% at 6, 9.7% at 9, 16.3% at 12 and 22.2% at 18.8 dS/m. Pearl-millet and sorghum yields decreased significantly only where 12 dS/m or higher salinity water was applied to previous wheat crop. The high salinity and sodicity of the drainage water increased the soil salinity and sodicity in the soil profile during the winter season, but these hazards were eliminated by the subsurface drainage during the ensuing monsoon periods. The results obtained provide a promising option for the use of poor quality drainage water for the irrigation of winter wheat without undue yield reduction and soil degradation.     

近30年吴桥县冬小麦生育期水分亏缺变化趋势分析

为了给地处黑龙港地区的河北省吴桥县制定冬小麦稳产灌溉制度提供理论依据,本文利用1981—2013年吴桥县的气象数据和SIMETAW模型,分析了冬小麦全生育期及播种—返青期、返青—拔节期、拔节—开花期、开花—成熟期4个生育阶段的降水量、需水量、耗水强度及水分亏缺指数(CWDI)的变化趋势;同时利用5年滑动平均法将分析年份冬小麦实际产量分为趋势产量和气象产量,计算了不同降雨年型下冬小麦减产率的变异系数。结果表明,近30年河北省吴桥县冬小麦生育时期的水分亏缺指数和需水量均呈现轻微的上升趋势;冬小麦发生干旱的概率为93.75%,其中,中旱和重旱发生概率为65.52%。冬小麦生育时期的平均日降雨量呈现从冬小麦生育中期向后期转移的趋势,日耗水强度表现为从生育后期向生育中期移动的趋势,这是导致返青—拔节期和拔节—开花期水分亏缺指数较大的重要原因。冬小麦减产率的变异系数的绝对值在缺水年最大,为154.241;在丰水年最小,为1.999;正常年份为24.776。因此,冬小麦拔节—开花期的及时灌溉对于保障冬小麦的稳产增产具有重要作用。建议在缺水年份调整冬小麦的水分管理制度,在冬小麦拔节初期一次性充分灌溉或在拔节初期和中后期分次进行少量灌溉。     

基于基因表达式编程的作物水分生产函数构建

作物水分生产函数的确定是农业水资源优化配置的关键。该研究采用农业水文生态系统模型（Agro-Hydrological & Chemical and Crop systems simulator, AHC）与基因表达式编程（Gene Expression Programming, GEP）相结合的方法构建作物水分生产函数。以河套灌区3种主要作物（葵花、玉米、小麦）为研究对象,采用AHC模型模拟作物产量等,构建基于GEP算法的作物水分生产函数,探讨考虑盐分胁迫的作物水分生产函数构建的思路与方法。结果表明：1）作物模拟产量与地下水埋深、地下水矿化度和灌水量等因素有关。2）构建作物水分生产函数的最优输入因子组合为地下水埋深、灌溉量、蒸散发、地下水矿化度、土壤根层盐分对作物胁迫因子、土壤根层含水率。3）应用作物水分生产函数估算不同灌溉定额条件下作物产量（预测产量）,并与AHC模型计算的产量（模拟产量）进行比较,玉米、葵花、小麦预测产量与模拟产量具有很好一致性,其决定系数分别是0.96、0.93、0.96,平均相对误差均小于5%,满足计算精度要求。因此,该研究所构建的作物水分生产函数可以较准确地估算盐分胁迫下作物产量,为农业节水与灌溉水高效利用提供科学参考。     

石河子地区冬小麦生育期需水量变化特征及其气候成因

[目的]探究作物生育期需水量的变化趋势及其与气象因子的关系,为气候变化下农作物灌溉排水决策提供理论基础。[方法]基于联合国粮农组织(FAO)推荐的参考作物蒸散计算方法和相关作物系数,利用石河子地区1954—2012年逐日气温、降水、日照时数、风速、相对湿度等资料,计算石河子地区冬小麦近59a作物需水量和灌溉需水量,并探究其气候趋势变化的影响。[结果](1)过去50a,石河子垦区冬小麦需水量总体呈增加趋势,越冬—返青期增势最为明显(气候倾向率为2.65mm/10a);拔节—抽穗期冬小麦需水量最大,为130.23mm。(2)灌溉需水量总体呈减少趋势,其中拔节—抽穗期灌溉需水量最大(平均值为88.65mm)且减少趋势最为明显(气候倾向率为-3.11mm/10a)。(3)气象因子对冬小麦不同生育期的需水量和灌溉需水量有很强的相关性,其中冬小麦生育后期需水量与气象因子有极强的相关性;气象因子中,降水对于灌溉需水量影响最大。[结论]气候变化下,石河子地区冬小麦作物需水量呈增加趋势,但降雨量的增加趋势下,灌溉需水量总体呈减少趋势。     

甘肃省冬小麦水分盈亏指数的改进及其应用

冬小麦是甘肃省主要粮食作物,水分是限制该省旱作冬小麦生产最主要的因素,降水时空分布不均造成冬小麦干旱常年发生,因此准确监测甘肃省冬小麦干旱及定量评估灾害损失可为决策部门制定农业防灾减灾措施及保障区域粮食安全提供科学依据。利用甘肃省1981—2014年3个农业气象观测站土壤水分和冬小麦生育状况观测资料,38个冬小麦种植县气象资料、产量资料及干旱灾情资料,考虑冬小麦休闲期土壤储水及生育期水分盈亏量修订了作物水分盈亏指数,修订后作物水分盈亏指数与土壤储水、冬小麦产量要素和产量损失相关性较高,能客观、准确、定量地反映干旱对甘肃冬小麦产量的影响;利用水分盈亏指数分别建立冬小麦产量要素和产量损失评估模型。结果表明:产量要素评估模型均通过0.01水平显著性检验,产量损失评估模型大部分通过0.05水平显著性检验。产量要素评估模型回代结果与冬小麦产量要素实测值间均通过0.01水平的F检验;产量损失评估模型验证结果表明,68.4%种植县通过0.05水平F检验,基本能准确评估全省大部分地方干旱对冬小麦产量造成的损失。修订后作物水分盈亏指数能客观反映甘肃省冬小麦干旱,建立的评估模型能准确评估干旱对冬小麦造成的损失,具有一定的应用价值。     

基于节水高产优质目标的冬小麦适宜水分亏缺模式

为了探讨不同生育期水分亏缺对冬小麦产量和蛋白质形成的影响,同时确定出节水、高产、优质目标下冬小麦各生育期适宜的水分亏缺水平,开展了防雨棚下的冬小麦人工控水试验。该研究在返青期、拔节期、抽穗扬花期和灌浆成熟期设置2个水分亏缺水平即轻度亏水L(含水率控制在55%~60%田间持水量,相应土壤水吸力为375~448 k Pa)和中度亏水M(含水率控制在45%~50%田间持水量,土壤水吸力为586~687 k Pa);另设全生育期不亏水对照处理CK(含水率控制在65%~70%田间持水量,土壤水吸力为256~305 k Pa)。研究结果显示,同CK相比,亏水处理使得灌浆持续期缩短2.72%~15.78%,达到最大灌浆速度的时间提前2.33%~14.58%;除灌浆成熟期轻度亏水、中度亏水处理外,其他处理均使得最大灌浆速率和平均灌浆速率增加,其最大值分别为15.77%和12.09%。亏水处理没有改变蛋白质形成的基本趋势,均呈"V"字形;但亏水程度不同,蛋白质含量及产量不同,在拔节期、抽穗扬花期和灌浆成熟期,随着亏水程度加重,蛋白质含量升高,蛋白质含量最高为灌浆成熟期中度亏水处理(质量分数为14.33%),最低为拔节期轻度亏水处理(质量分数为12.88%);蛋白质产量最高为全生育期不亏水对照处理CK(1047.30 kg/hm2),最低为拔节期轻度亏水处理(802.77 kg/hm2)。结果表明,兼顾冬小麦产量与蛋白质产量的适宜亏水模式依次为:返青期轻度亏水、返青期中度亏水、灌浆成熟期轻度亏水、抽穗扬花期轻度亏水、拔节期中度亏水、拔节期轻度亏水。研究结果为相关区域冬小麦高产、优质栽培和水分调控提供理论依据和数据支持。     

不同地下水埋深条件下再生水灌溉对冬小麦生长的影响

为给地下水浅埋区再生水作物安全灌溉提供科学指导，该文利用地中渗透仪控制地下水位，研究不同地下水埋深条件下再生水灌溉对冬小麦生长的影响。结果表明：灌水量相同时，地下水埋深对作物生长影响顺序为:埋深2 m>埋深3 m>埋深4 m；灌水量不同时，地下水埋深为2 m的处理，低水处理较高水处理更能促进冬小麦干物质量和产量的增长；地下水埋深为3 m和4 m时，高水处理较低水处理更能促进冬小麦干物质量和产量的增长。再生水灌溉对冬小麦生长有一定的促进作用。     

霍泉灌区冬小麦夏玉米高产节水灌溉制度

根据山西省霍泉灌区李堡试验区1996年10月～1999年9月3年的试验资料,分析建立了冬小麦与夏玉米的耗水量估算模型及产量与水分关系的数学模型;以1998年10月～1999年9月冬小麦、夏玉米连作为例,对两种作物的需水规律进行了分析,并利用所建模型,分析给出了冬小麦、夏玉米连作套种的高产节水灌溉定额。最后用动态规划法分析提出了有限水量在作物生育期内的最优分配方案