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。     

华北平原水氮优化条件下不同种植制度的水分效应研究

以华北平原冬小麦夏玉米一年两熟制、冬小麦夏玉米春玉米两年三熟制和春玉米一年一熟制轮作体系为对象,研究了不同种植制度下作物的产量、根层土壤水分动态变化和水分利用效率。结果表明,不同种植制度对产量、耗水和水分利用方面影响显著。一年两熟制下作物的产量、耗水量和水分利用效率均显著高于两年三熟制和一年两熟制,但是降雨量仅能满足总耗水量的72.9%,仍需较多地下水补充灌溉。两年三熟制降雨量能够满足作物耗水量80.4%,产量、耗水量和水分利用效率较一年两熟制分别减少23.1%,12.0%和15.8%。一年一熟制降雨量能够满足作物耗水量的89.2%,产量、耗水量和水分利用效率较一年两熟制分别减少45.2%,27.3%和30.7%。一年两熟制和两年三熟制的各层土壤水分在两年内呈现波浪型变化趋势,一年一熟制各层变化趋势较为平缓。两年三熟制和一年两熟制有利于提高土壤蓄水量,减少灌溉量,进而减少对地下水资源的抽取。两年三熟制降雨量能够较好地满足作物耗水量,产量和水分利用效率介于其它两种种植制度之间,与其它两种种植制度相比;能够兼顾水资源的可持续利用和粮食安全。春玉米高产的适宜栽培措施有待于进一步研究。     

华北典型区域农田耗水与节水灌溉研究

本文总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心围绕华北典型地区冬小麦-夏玉米一年两熟开展的节水灌溉研究。在位于华北中北部的中国科学院栾城农业生态系统试验站的定点试验结果显示,从1980年到2017年,在充分灌溉条件下冬小麦产量增加55.7%、夏玉米产量增加59.7%。冬小麦生育期耗水(ET)从400 mm增加到465 mm;玉米耗水年平均稳定在375 mm左右;年耗水量从777.0 mm增加到834.4 mm;满足冬小麦、夏玉米生育期耗水条件下,年灌溉需水量平均300 mm,必须减少灌溉用水和田间耗水,才能解决区域地下水超采问题。研究发现在限水灌溉条件下,冬小麦拔节期1次灌溉可显著促进作物营养生长和根系生长,利于后期土壤水分高效利用,在维持作物稳产基础上,比充分灌溉年节水165.2 mm。研究发现进一步利用小定额灌溉技术,通过增加灌水频率、缩减次灌水量,可增加有限水对作物的有效性,实现作物根系、土壤水分和养分在空间上的耦合,进一步提升有限灌溉对作物的增产作用。只考虑维持播种时良好土壤水分条件、生育期不进行灌溉的最小灌溉模式,与充分灌溉模式相比,产量减少28%,但可节约灌溉水69%,田间耗水减少43%,水分利用效率提高13%,年耗水量维持在560 mm左右。相对于减熟制节约灌溉水措施,冬小麦-夏玉米一年两季最小灌溉模式总产量高于两年3作5.5%~12.0%,年耗水量低于两年3作10%~13%,可显著消减减熟制带来的休闲期土壤蒸发损失。因此,实施冬小麦、夏玉米生育期节水灌溉,如最小灌溉、关键期灌溉,可大幅度降低灌水量和作物生育期耗水量,同时又能维持一定的生产能力,是华北实施地下水限采措施下应优先考虑的技术选择。     

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。     

华北平原不同降水年型和作物种植模式下的产量和耗水模拟

华北平原是中国重要的粮食生产基地,在国家粮食产业中地位较高,但长期灌溉造成了华北平原地下水资源的严重亏损,地下水位持续下降。该研究利用APSIM模型对华北平原1986－2015年不同种植模式下的产量和耗水情况进行模拟研究,为华北平原调整作物种植模式、农业水资源管理以及农业发展政策的制定提供科学依据。研究结果表明：APSIM模型能够较好地模拟冬小麦和夏玉米的生育期、产量及水分利用特征,其中生育期模拟结果的误差在5 d之内,产量、ET和下渗量模拟结果的R2均在0.84以上,表明该模型在华北平原具有较好的适用性;在华北平原地区,冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式（M2Y1）年均产量（13 445 kg/hm2）最高,但耗水量（724 mm）也是最大,水分亏损（233 mm）最为严重;一年一熟种植模式（M1Y1）年均耗水量（534 mm）较小,水分亏损量（43 mm）最少,但产量（9 215 kg/hm2）较低;两年三熟种植模式（M3Y2）兼顾产量和耗水,在保证一定产量的前提下减少了耗水量,产量耗水综合效果最好,适合在华北平原推广实行。此外,该研究对栾城站丰水年、平水年和枯水年等不同降水年型下的3种种植模式产量耗水特征进行了对比分析,研究表明在华北平原降水资源对于作物生长有重要意义,年降水量越大,作物产量越高,水分亏损量越少。     

基于水氮管理与种植结构优化的作物丰产高效管理策略

河西走廊农业生产受到水资源短缺与农业资源利用效率低的限制,制约着该地区的种子、粮食生产与农业可持续发展战略。该研究构建了考虑作物水氮需求量、降雨量、土壤初始含氮量的水氮管理制度优化方法,并结合所构建的考虑空间尺度作物产量与水氮利用效率的多目标种植结构优化方法,为河西走廊制种玉米、大田玉米和小麦制定丰产高效的水氮管理与种植结构调整策略,从而实现作物产量和水氮利用效率的协同提升。结果显示：优化的水氮管理制度相比管理现状可减少单位面积灌水量9.1%～27.3%、施氮量26.6%～50.0%;以作物产量和水氮利用效率最大为目标,以种植面积、产量需求和水氮投入量为约束,调整制种玉米、大田玉米和小麦的种植面积与空间分布,优化后制种玉米和小麦种植面积减少、大田玉米种植面积增加,总种植面积减少4 874.8 hm2,且作物种植空间分布较优化前差异明显;水氮管理与种植结构优化协同作用可以在水氮用量分别减少0.29×109 m3和3.36×107 kg的情况下,作物总产量提升0.16×109 kg,区域灌溉水生产力和氮肥利用效率分别提升0.62 kg/m3和18.97 kg/kg。该研究可以为产粮区和缺水区的作物丰产高效和农业可持续发展提供科学指导与决策参考。     

河北低平原区春玉米一熟替代麦玉两熟制的 水生态与粮食安全分析

本研究针对河北低平原区水资源日益短缺的现状,于2011—2014年在河北省吴桥县开展田间试验,以小麦?玉米两熟制(WS)为对照,设置零灌溉春玉米一熟制(SMRF)和适水条件下春玉米一熟制(SMSW)2种种植模式,共3个处理,研究该区改传统高耗水的小麦?玉米两熟制为春玉米一熟制的可行性。结果表明:周年耗水量SMSW、SMRF较WS分别降低48.4%和54.2%;冬小麦耗水主要来自灌溉水和土壤储水,试验年间降雨仅能满足冬小麦耗水总量的32.9%,春玉米生育期内耗水主要来自降雨,试验年间SMSW和SMRF生育期内有效降雨总量分别满足春玉米耗水总量的91.9%和94.9%。SMSW和SMRF周年产量平均较WS分别降低24.4%和45.8%。SMSW和SMRF水分利用效率较WS平均分别高24.8%和0.3%。SMSW和SMRF的经济效益较WS平均分别减少5.2%和36.8%。经济水分利用效率SMSW和SMRF较WS平均分别高56.7%和17.5%。当下WS较SMSW仍具有一定的产量和效益优势,但WS对地下水灌溉依赖严重;而SMSW的水分利用效率和经济水分利用效率显著高于WS,未来随着春玉米高产技术体系的成熟,春玉米产量的进一步提高,在我国粮食总产、库存、进口"三增"的"新常态"下,该区改小麦玉米两熟为春玉米一熟具有兼顾水生态和粮食安全的可行性。     

华北平原旱地不同熟制作物产量、效益和水分利用比较

针对华北平原地下水超采严重,通过研究雨养旱作条件下不同熟制的产量、投入产出和水分利用效率,探索华北平原缺水区雨养旱作条件下的节水种植制度,可为地下水超采提供技术支撑。以当地主栽种植模式冬小麦和夏玉米一年2熟种植和春玉米一年1熟种植为研究对象,通过大田试验对雨养旱作条件下冬小麦、夏玉米和春玉米3种作物构成的2种种植制度的产量、耗水、投入、产出进行分析。试验于2007—2013年在中国科学院栾城农业生态系统试验站进行,该站为华北平原高产农区的典型代表。试验共设2个处理,T1为冬小麦-夏玉米一年2熟制,T2为春玉米一年1熟制。T1中的冬小麦生育期为每年的10月中上旬至翌年的6月中旬,夏玉米为6月中下旬至10月上旬,冬小麦品种大部分年份为‘科农199’,夏玉米品种为‘郑单958’。T2中春玉米的生育期为每年的5月中下旬至当年的9月上中旬,品种为‘农大108’、‘浚单20’、‘郑单958’和‘先玉335’。试验区从2007年9月至2013年6月一直未灌溉,为雨养旱作条件。研究结果表明,雨养旱作条件下,冬小麦产量基本稳定;夏玉米和春玉米产量随年型不同波动较大,尤其是夏玉米产量受播种时土壤含水量的影响较大,很多年份由于干旱少雨,玉米出苗时间推迟,导致玉米产量大幅度降低。T1比T2虽然具有明显的产量优势,增产34.1%,但由于冬小麦生产投入较高,T1的净收益比T2低279.97元·hm-2。3种作物的生产投入中,农资和机械投入比例最大,劳动力投入占很小比例,农资投入中,化肥投入最高;3种作物的产投比分别为1.42、2.66和3.42,雨养旱作条件下冬小麦的产投比最低,春玉米最高。从作物的耗水结构分析,冬小麦生育期降雨较少,以消耗雨季储存于土壤中的土壤水分为主,春(夏)玉米生育期降雨较多以消耗降雨为主。目前,生产上正在自发地压缩冬小麦的种植面积,春玉米一年1熟种植面积迅速增加。因此,在保证区域粮食安全的条件下,通过调整农业种植结构可以控制水资源的过度开采,保证农业持续发展。     

土壤水氮资源的利用与管理Ⅲ.冬小麦夏玉米水氮管理措施的优化

本文应用了非线性目标规划模型 ,用线性化逼近法求解 ,对冬小麦 夏玉米种植制度下 ,不同降雨年型的水氮管理措施进行了优化。以灌水和施氮总量为决策变量。以产量和土壤水和氮资源利用效率为优化目标 ,其中以经济产量为第一优先层 ,以土壤水、氮资源利用效率为第二优先层。根据作物 土壤联合模型模拟所得的目标函数 ,得到了不同降雨年型下小麦和夏玉米单季和中等降雨年型小麦 夏玉米周年的优化水氮管理措施方案。     

基于密切值法和水氮管理模型的华北平原农田水氮优化管理

优化农田水氮管理措施可为实现粮食高产、资源高效及环境友好的目标提供科学依据。该研究以华北平原泰安地区为例,利用农田生态系统水热碳氮过程耦合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)分别对冬小麦季设置的165个水肥组合和夏玉米季设置的55个水肥组合进行了情景模拟分析,在综合考虑农学、环境和经济效益的基础上,采用密切值法优化了农田水肥管理方案。结果表明:受到华北地区年内降雨分配不均的影响,冬小麦产量随着灌水量的增加呈先增加后稳定的趋势;而夏玉米产量与灌水量没有明显的关系。冬小麦和夏玉米产量均随着施肥量的增加而增加,后保持稳定。水分渗漏和氮素淋洗量均随着灌水量或施肥量的增加而显著增加。在研究区作物秸秆全部还田及高累积氮的条件下,冬小麦季灌水240 mm和施肥60 kg/hm~2(以N计,下同),夏玉米季不灌溉和施肥90 kg/hm~2分别为研究区当年冬小麦季和夏玉米季最佳的水肥管理方案。在所有水肥组合情景中,优化的水肥管理方案不仅能保证冬小麦-夏玉米最大周年产量的97%、具有较高的水氮利用效率和最佳的产投比,而且氮素淋洗和气体损失分别比最大值降低了77%和71%。因此,该方法可以用来优化华北平原农田的水肥管理措施。     

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     

不同矿化度微咸水灌溉冬小麦对下季作物产量和周年土壤盐分平衡的影响

冬小麦夏玉米一年两熟是环渤海低平原主要粮食作物种植模式,该区淡水资源匮乏,但浅层微咸水相对丰富,在降水较少的冬小麦生长季,适当利用微咸水代替淡水灌溉对维持冬小麦稳产高产有重要作用。冬小麦季实施微咸水灌溉后土壤盐分累积如何影响下季作物夏玉米生长以及对土壤周年盐分平衡影响,是微咸水能否长期安全利用的关键。为探究上述问题,于2015—2019年连续4年在环渤海低平原中国科学院南皮生态农业试验站进行冬小麦季不同矿化度微咸水灌溉定点试验,共设置含盐量为1 g·L~(-1)淡水(F)、3 g·L~(-1)微咸水(S3)、4 g·L~(-1)微咸水(S4)、5 g·L~(-1)微咸水(S5) 4个梯度,在拔节期灌水1次,灌水量均为70 mm;另以生育期不灌水作为对照(旱作, CK)。结果表明,不同矿化度微咸水灌溉处理间冬小麦产量没有显著差异,但平均比CK显著增产31.6%。同时,冬小麦生长季微咸水灌溉均增加了收获时1 m以上土层的含盐量,并随灌溉水含盐量增加而增加;对1 m以下土层含盐量影响不明显。夏玉米播种时灌溉70 mm淡水不仅解决了土壤墒情不足问题,并可使0～20 cm土层盐分控制在1 g·kg~(-1)以下,保证夏玉米出苗和群体建立,对夏玉米产量没有显著影响。经过夏季降雨的淋洗, S3、S4和S5处理0～40cm土层含盐量降低幅度超过30%,深层土壤含盐量变化不明显,1m以上土层可以实现周年盐分平衡。本研究表明冬小麦-夏玉米一年两季种植,冬小麦耐盐能力较强的特征使其生育期可以通过不大于5g·L~(-1)的微咸水灌溉维持稳产,在保证夏玉米出苗水进行灌溉的条件下,夏玉米季通过雨季降水淋盐维持0～1m主要根层土壤不发生明显积盐过程,可实现长期微咸水灌溉下土壤和作物安全。     

冬小麦-夏玉米轮作产量与氮素利用最佳水氮配置

【目的】华北太行山前平原高产限水区冬小麦-夏玉米轮作体系中灌水施肥不合理的现象普遍存在,水资源浪费和农业面源污染严重。长期定位研究水氮配置对小麦玉米产量和氮素利用影响,可为该区优化水氮管理模式,充分发挥水氮协同增效作用提供依据。【方法】2006~2014年进行大田试验,采取裂区设计,灌水量为主区,施氮量为副区。小麦季灌水设春灌一次水(W1, 拔节水)和两次水(W2, 拔节水+开花水)两个处理; 玉米季在小麦灌一次水基础上设限水处理(WL),在两次水基础上设适水处理(WS),限水和适水的灌水次数根据降水年型而定。两种灌水条件均设置6个施氮水平,分别为0(N0)、 60(N60)、 120(N120)、 180(N180)、 240(N240)、 300(N300)kg/hm2。连续8年定位测定了小麦玉米产量、 植株吸氮量。【结果】小麦玉米产量和植株吸氮量年际间差异均较大,相对而言,W2(WS)产量和吸氮量的年际波动较小,一定程度上降低了不同年型气象因素的影响,达到稳产的效果。两种水分条件下N0 和N60处理的作物产量和吸氮量除个别年份外都显著低于其余施氮处理。本研究的产量水平下(冬小麦7000~9500 kg/hm2,夏玉米8500~11000 kg/hm2)小麦玉米产量与其吸氮量呈显著线性正相关。小麦玉米8年平均产量和吸氮量在一定施氮范围内均随施氮量的增加而显著增加,但施氮达到120 kg/hm2后产量不再显著增加,达到180 kg/hm2后吸氮量不再显著增加,同一施氮水平的作物产量和吸氮量都表现W2(WS)高于W1(WL)。两种水分条件下小麦玉米的氮肥偏生产力、 氮肥农学效率和氮素生产效率都随施氮量的增大而显著减小,但对同一施氮水平W2(WS)高于W1(WL)。冬小麦-夏玉米整个轮作体系氮肥累计表观利用率(一段时期内作物对肥料氮的累计吸收量与该时期施氮总量的比值)同样随施氮量的增加显著减小,一次水+限水条件下从N60+60的51.8%下降到N300+300的22.3%,两次水+适水从N60+60的57.4%下降到N300+300的24.6%。同一施氮水平的氮肥累计表观利用率两次水+适水都高于一次水+限水。【结论】冬小麦春灌两次水、 施用N 120 kg/hm2,夏玉米适水灌溉、 施N 120 kg/hm2的产量和吸氮量都达到最高水平,氮肥偏生产力、 农学效率、 累计表观利用率以及氮素生产效率也比较高,因此在一定时期内可作为当地小麦-玉米轮作体系适宜的水氮配置,周年产量可维持在16~19 t/hm2。     

微咸水灌溉对土壤盐分平衡与作物产量的影响

河北低平原淡水资源短缺,微咸水资源丰富,合理开发利用微咸水已经成为缓解水资源供需矛盾的重要途径之一。本研究于2011—2015年在河北省沧州市中国科学院南皮生态农业试验站进行,以冬小麦和夏玉米一年两熟种植体系为研究对象,开展了河北低平原区实施微咸水灌溉对冬小麦及下茬作物夏玉米产量及灌溉对土壤盐分周年平衡的影响。2013—2014年冬小麦灌溉处理设雨养旱作处理(CK)、拔节期淡水灌溉1水(F1)、拔节期用2 g·L~(-1)、3 g·L~(-1)、4 g·L~(-1)、5 g·L~(-1)的微咸水灌溉1次(B21、B31、B41、B51)、拔节期和灌浆期用淡水灌溉(F2)、拔节期用3 g·L~(-1)的微咸水+灌浆期用淡水灌溉(B31F1)、拔节期用淡水+灌浆期用3 g·L~(-1)微咸水灌溉(F1B31)、拔节期和灌浆期都用3 g·L~(-1)的微咸水灌溉(B32)、拔节期、抽穗期和灌浆期都用淡水灌溉(F3)。2014—2015年根据上年度的试验结果对试验处理进行了精简,冬小麦灌溉处理设CK、F1、B31、B41、B51、B42(拔节期和灌浆期都用4 g·L~(-1)的微咸水灌溉)。结果表明,一般年型下冬小麦生育期灌溉2水就能获得高产和稳产,平均产量为6 593.4 kg·hm~(-2)。利用小于5 g·L~(-1)的微咸水灌溉,与淡水灌溉相比,不会造成冬小麦产量降低,灌溉1次微咸水比雨养旱作处理增产10%~30%,可用微咸水替代1次淡水。微咸水灌溉条件下冬小麦收获时土壤盐分有所积累,表层土壤含盐量大于1 g·L~(-1),影响下茬玉米的出苗和生长,但夏玉米播种后用675~750 m3·hm-2淡水灌溉可满足耕层淋盐需求,达到玉米生长的安全阈值,与淡水灌溉处理的玉米产量相比不减产。利用夏季降雨,可使土壤盐分得到淋洗,当夏季降雨量大于300 mm时,冬小麦微咸水灌溉下土壤盐分达到周年平衡。沧州地区73%以上的年份,夏季降雨量大于300 mm,为土壤淋盐创造了条件,保证了微咸水替代一次淡水灌溉的安全性。     

耕作方式与水肥组合对小麦-玉米田温室气体排放的影响

气候变化是当前人类社会面临最为严峻的全球环境问题之一。中国作为当前全球温室气体排放的第一大国家,实现碳中和是应对气候变化的最根本举措。该研究以河北省晋州市周家庄乡为研究区域,以冬小麦-夏玉米轮作体系为例,通过对不同灌溉技术、灌溉方法和灌溉制度下的冬小麦-夏玉米农田开展耕作试验,结合作物产量和土壤CO2、N2O排放通量的测定,分析在保证作物不减产的情况下不同耕作方式和水肥组合下土壤CO2、N2O排放通量变化特征及其规律。结果表明：1）在当地传统灌水量和施肥量的基础上适当增大或减小,都会显著影响作物产量、水分利用效率;2）耕作方式与灌水量、施肥量三者间存在显著的交互作用（P<0.05）,共同影响土壤二氧化碳当量的排放。与深耕相比,旋耕方式下的冬小麦-夏玉米土壤N2O排放通量依次降低21.19%、16.29%（P<0.05）;土壤CO2排放通量依次降低15.33%、8.29%（P<0.05）;3）优化水肥模式,适当减少灌水量和施肥量,可以在保证作物产量不低于当地传统产量的情况下兼顾节水与减排,从而降低农业温室气体排放,为碳中和做出贡献。