玉米种植环境小斑病定量表达与验证

小斑病是玉米的重要胁迫之一,在中国频繁发生,尤以夏玉米产区为主。通过对黄淮海、东华北玉米产区国家区试点发病情况与气象因素的相关性分析,筛选出影响小斑病的气象因子,即6、7、8月的日均温度为25～27℃的天数DT及日降雨量为1～25?mm的天数DR。然后用多元回归方法建立玉米种植环境小斑病Y的定量表达式,初步研究结果为Y=0.05103DT+0.04333DR。运用该式计算气象站点的小斑病值,利用ArcGIS中的地理统计分析工具,插值估计整个研究区域的发病情况,并做县级区域统计,比较黄淮海、东华北两大玉米产区的小斑病分布情况,发现黄淮海发病严重,与统计结果和实际调查吻合。该研究提出的玉米种植环境小斑病定量表达方法,能提供精确到县级的环境胁迫模拟数据,可作为品种精准推广、试验环境筛选、环境评价等所需量化信息的一种来源。     

玉米倒伏胁迫影响因子的空间回归分析

为指导玉米新品种的推广,采用回归模型分析玉米主产区倒伏胁迫空间分布成因。该文用多元逐步线性回归法筛选黄淮海夏播玉米区的倒伏胁迫的决定因素,比较普通最小二乘法线性回归模型和地理加权回归模型的结果,以确定倒伏胁迫及其决定因素是否存在空间非平稳性和空间依赖性。结果表明：在探索倒伏的空间异质性时,地理加权回归模型显著优于普通最小二乘法线性回归模型;日降水量是玉米倒伏胁迫的主要环境成因,且倒伏程度随日降水量增加而加重;土壤含氮量、留苗密度和日平均风速与倒伏的关系随空间位置而发生正负向变化,因地制宜的分析倒伏成因才能客观有效的指导农民种植生产。     

基于Sentinel-1雷达影像的玉米倒伏监测模型

在玉米发生倒伏灾害后,为定量监测区域尺度下的玉米倒伏程度,该研究以2017年8月8日因强风和强雨造成大面积玉米倒伏的小汤山国家精准农业研究示范基地作为研究区,提取倒伏前后Sentinel-1A雷达影像的多种强度信息,与实测倒伏样本关联分析,筛选出玉米倒伏前后最佳敏感后向散射系数。采用自然高与植株高的比值作为倒伏程度评价指标并构建比值公式,最终得到倒伏监测模型。结果表明,倒伏前后玉米植株高度的最优敏感后向散射系数分别为σVH和σVV+VH。32个建模点的实测差值结果与模拟差值结果的R~2为0.896(P0.01)。15个检验样本点和总样本点的倒伏程度分类准确度均达到100%。模型求解的自然高与植株高的比值与实测的比值总体相关性达到0.899。其中,中度倒伏类型的相关性最好,严重倒伏次之,轻度倒伏最差。该研究结果表明,在倒伏发生后,基于Sentinel-1A雷达后向散射系数构建的倒伏监测模型能在区域尺度下有效的实现玉米倒伏程度的分级监测。     

华北平原夏玉米不同生育阶段大风灾害危险性评估

[目的]大风灾害是制约社会经济发展的主要气象灾害之一,科学评估大风灾害危险性对夏玉米生产防灾减灾具有重要意义。[方法]基于夏玉米拔节后不同生育阶段最大风速和大风日数的时空分布特征,筛选并利用历史倒伏案例验证区域适用的夏玉米大风倒伏判别指标,运用风险区划方法,评估了华北平原夏玉米不同生育阶段的大风倒伏危险性。[结果](1) 1980—2019年以来,华北平原夏玉米拔节后最大风速和大风日数均呈显著的波动式下降趋势,空间上由东部向中西部逐渐递减。(2)夏玉米拔节后以轻度倒伏为主,区域平均的倒伏发生概率为44.5%,重度倒伏发生概率最小,为7.8%;拔节—抽雄阶段最易发生倒伏。(3)夏玉米拔节后大风倒伏概率总体呈逐渐降低趋势,但2011年以后局部地区拔节—抽雄期大风倒伏有极端加剧的趋势。(4)夏玉米大风灾害危险性分布整体上呈现由东向西逐渐递减的趋势,东部为高风险地区,中部大部分地区为中风险区,北部和西部部分地区为低风险地区。[结论]尽管近年来最大风速和大风日数均呈下降趋势,但华北平原局部地区夏玉米大风倒伏有加剧趋势,需要加强防灾减灾相关建设。     

不同播期春玉米生理成熟后倒伏特征及其影响因素

山西中南部光热资源丰富,适宜春玉米生产的播期范围较宽,如何通过播期调整适应区域气象及生产特点实现高产抗倒,是该区域推广应用玉米机械粒收技术的重要问题。为此,于2019年在山西省农业科学院东阳试验示范基地,以前期筛选出的密植高产宜机收玉米品种‘金科玉3306’和当地主栽玉米品种‘中地88’为材料,比较分析了5个播期(4月16日、4月23日、4月30日、5月7日、5月14日)下生育时期、生理成熟后倒伏及产量的变化情况,并探讨了影响倒伏的主要生物学及力学因素。结果表明:‘金科玉3306’生理成熟后倒伏率不同播期之间没有显著差异,其中后4个播期倒伏率始终为0;而‘中地88’随着播期推迟,生理成熟后倒伏率显著增加(P0.05)。根据拟合方程,‘中地88’ 4月30日、5月7日和5月14日播种,立秆脱水期每推迟10 d,倒伏率分别增加1.3、2.4和3.2个百分点。通过抗倒性能影响因素分析,第3～4节节长、穗位高系数、重心高度可作为评价抗倒性的负效应指标,第4节单位长度干重、第3节抗弯折强度和单位长度湿重可作为评价抗倒性的正效应指标。随着播期推迟,两个品种生物产量和经济产量都表现出先显著增加后降低的趋势。推荐4月30日左右为该区域实现高产抗倒,推广玉米机械粒收技术的适宜播种日期。     

春玉米拔节孕穗期倒伏发生特点及内在成因分析

适当提高玉米种植密度是目前挖掘我国玉米高产潜力的关键措施之一,但种植密度的提高增加了倒伏发生的风险。倒伏使玉米产量降低,品质变劣,并且给机械收获带来困难。本研究以春玉米为对象,针对玉米拔节孕穗期倒伏发生特点、抗倒伏植株和倒伏植株基部茎节及较高茎节上的次生根的相关力学特征开展研究。结果显示,调查区域内玉米倒伏严重。不同倒伏类型比较,根倒伏发生频率显著高于茎倒伏,二者分别占总数的90.4%和4.9%。根倒伏的发生以中度和重度为主,轻度倒伏发生频率较低。与不抗倒伏植株相比,抗倒伏植株基部茎节的节间直径、惯性矩以及抗弯截面系数高;同时抗倒伏植株较高茎节上的节根数量和最大拉力较倒伏植株高。     

晚播对春玉米倒伏及茎秆力学特性的影响

以玉米为研究对象,通过调查晚播春玉米倒伏发生类型、程度,同时测定与倒伏密切相关的性状。结果显示:晚播条件下,春玉米倒伏率显著增加,茎倒伏(SL)率高于根倒伏率;茎秆第2-7节间是茎折的主要发生部位,其中第3、4节间最为严重;晚播玉米株高显著降低(p<0.05,下同),穗位高和穗高系数显著增加;晚播玉米第2-4节间直径显著降低而长度显著升高,同时其惯性矩和抗弯截面系数显著低于适期播种玉米。     

灌浆期风灾倒伏对玉米籽粒灌浆特性及品质的影响

为了评估风灾倒伏造成的玉米产量损失,采用田间试验的方法对灌浆期风灾倒伏后捆扶处理、未倒伏以及倒伏上层和倒伏下层玉米籽粒建成和品质形成规律进行研究。结果表明,倒伏后第6 d玉米倒伏覆盖下层植株籽粒灌浆速率和籽粒含水率分别是对照处理(未倒伏)的26.9%和136.0%,倒伏使籽粒灌浆速率显著降低,后期籽粒脱水速度减慢。在产量上,倒伏后捆扶、倒伏上层、倒伏下层单株产量分别比对照减产11.75%、10.51%和29.88%,倒伏对下层被覆盖玉米植株影响较大,倒伏减产原因主要是由于穗粒数的减少,其次灌浆速率降低造成百粒重下降。田间45个定位点,倒伏最高减产29.68%,平均减产14.75%,进一步验证了灌浆期风灾倒伏对玉米产量的影响较大。相关分析表明,籽粒建成过程中籽粒干重与淀粉、脂肪含量呈极显著正相关,相关系数分别为0.618~0.861和0.580~0.797(P<0.01),与蛋白含量呈极显著负相关,风灾倒伏对粗蛋白和粗脂肪含量影响较大,而对淀粉含量影响较小。在倒伏后及时进行捆扶处理对降低玉米产量与品质损失有一定的积极作用。     

不同生育期淹涝胁迫对杂交稻形态特征和产量的影响

以杂交晚稻湘丰优103为试材,在抽穗扬花期和乳熟期分别设计不同淹水深度及淹水时间的淹涝胁迫试验,通过测定淹水前后水稻绿叶数、气生根、倒伏状况、产量构成等因素的变化,分析不同生育期水稻对淹涝胁迫环境的敏感性。结果表明：（1）同一生育期相同淹水深度,不同生育期相同深度的淹涝处理,淹水时间与绿叶数变化量均呈极显著负相关关系。（2）同一生育期,产生气生根的茎的比率与淹水深度呈负相关关系,与淹水时间呈正相关关系;茎节越低,气生根现象越明显,抽穗扬花期气生根现象较乳熟期更明显。（3）抽穗扬花期发生的倒伏为茎倒伏,同一淹水深度,水稻植株的断茎百分率与淹涝时间呈极显著正相关关系。乳熟期发生的倒伏为根倒伏,淹水越深、淹水时间越长,根倒伏现象越明显。（4）产量结构方面,抽穗扬花期对淹涝胁迫较乳熟期更敏感,全淹5d以上,几乎绝收;乳熟期,淹水越深、淹水时间越长,对产量结构的影响越大。研究结果可为制定洪涝灾害对杂交稻致灾的评价标准,进行洪涝灾害致灾能力、致灾强度的鉴定提供理论依据。     

基于Worldview-2影像的玉米倒伏面积估算

为应用高分辨率遥感影像准确调查玉米倒伏面积,该文使用2012年9月14日获取的Worldview-2多光谱影像研究灌浆期倒伏玉米的光谱、纹理特征及其最优的面积估算方法。通过对影像进行大气校正后得到正常玉米和倒伏玉米的反射率,结果显示玉米倒伏后8个波段的反射率均升高,其中红边、近红外1和近红外2等3个波段的上升数值超过0.1。通过对反射率数据进行滤波得到正常、倒伏玉米的均值纹理特征,统计结果显示各波段纹理特征有差异,其中绿色、红边、近红外1及近红外2等4波段的均值纹理特征数值差距更明显。比较使用不同波段数量、特征及分类方法的倒伏面积估算值,结果表明基于最大似然分类法使用红边、近红外1和近红外2等3波段光谱反射率的倒伏面积估算方法最优,其最小误差为2.2%,最大误差为8.9%,平均误差为4.7%。该研究结果为应用高分辨率多光谱遥感数据调查玉米倒伏面积提供了相关依据。     

历史时期黄淮海平原农作制度变迁与农业生产环境演变

一定地域内的农业发展与其自然条件、社会经济和技术条件紧密相关, 而农业不同发展阶段对环境的影响深受所采取的农作制度的影响, 这恰恰是传统研究中重视不够的地方。基于文献回顾, 本文以不同农业发展阶段农作制度的变迁及其对农业环境的影响为切入点, 论述了历史时期黄淮海平原农业不同发展阶段农作制度演变的主要特点, 以及农作制度的变迁对农业生产环境的影响。黄淮海平原的农业发展与黄河下游河道的稳定与否密切相关。南宋黄河改道以前, 黄河下游在河北平原长期摆动, 加上战争的破坏, 导致河北平原农业发展大部长期落后于黄淮平原。黄淮平原则在黄河南流的漫长时期内深受河患影响。在现代农业科技光临黄淮海平原以前, 黄淮海平原的农作制度深受自然环境的影响, 只是在对环境适应的前提下的细微改进,其对环境的作用主要体现于平原自然植被被人工植被安全替代后, 因林木需求而导致山地植被的破坏、山地土壤侵蚀加剧, 从而导致下游地区的河道淤塞、湖泊消失、排水不畅和大面积的盐碱地出现, 最终恶化了农业生产环境, 使得农业生产水平长期维持较低水平。     

基于潜力衰减模型的东北-华北平原旱作区耕地生产力评价

在中国耕地资源日益紧缺、粮食安全问题愈发严峻的背景下,耕地生产力研究具有重要的现实意义。该研究以东北-华北平原旱作区为研究区域,以主要粮食作物玉米的光温生产潜力空间分布数据及相关县域统计数据为基础,结合土地利用、降水、土壤、社会经济等数据,运用潜力衰减模型,研究评价了东北-华北平原旱作区1995-2015年耕地生产力时空格局及其影响因素。结果表明:研究区光温-水生产力、光温-水-土生产力、光温-水-土-社会经济生产力均整体呈现东北平原旱作区高于华北平原旱作区的空间格局,且在东北平原旱作区和华北平原旱作区内部也均表现出南高北低的宏观趋势;通过分析各环境因子的订正系数发现,人为社会经济投入对当前耕地生产力的保障极为重要,特别是在耕地自然条件逐渐变差的华北平原旱作区表现的尤为显著;水分因子产量差在空间上整体呈现南低北高、东低西高的分布格局,土壤因子产量差明显呈现南高北低的空间格局,社会经济因子产量差呈现明显的北高南低空间格局,这与中国水热条件的地带性分布、东北平原地区优质的土壤条件及较高的自然禀赋等因素有关;研究区社会经济因子产量差>土壤因子产量差>水分因子产量差,且社会经济因子产量差在华北平原旱作区整体较小、土壤因子产量差在东北平原旱作区整体较小,进一步说明了社会经济投入是维系华北平原旱作区耕地生产力的最重要因素,而耕地本身的立地条件是保障东北平原旱作区耕地生产力的最主要原因。潜力衰减模型的应用对大尺度区域耕地生产力研究的方法创新方面有所裨益,评价结果可为不同农业区保持高产、稳产及耕地保育等方面提供科学参考。     

基于人地关系的黄淮海平原土地整治策略

为了整体优化土地利用,解决当前土地供需矛盾,该文基于人类活动和土地利用环境两个子系统,从人口分布、人口迁移、生产环境、生计环境、生活环境、生态环境6个方面构建人地关系综合评价指标体系,利用熵值法确定权重并计算出各县域综合评价分值,采用人地协调发展度模型测算各县市区人类活动与土地利用环境的协调发展度,根据测算结果将黄淮海平原划分为4种整治类型。研究表明,将人地协调发展度＞0.60～0.80的县市区划分为良好协调发展类,即优化整治型;人地协调发展度＞0.40～0.60的县市区划为勉强协调发展类,即优先整治型;人地协调发展度＞0.20～0.40的县市区划为轻度失调衰退类,即重点整治型;人地协调发展度0～0.20的县市区划为重度失调衰退类,即适度整治型。同时结合区域人地系统协调发展现状和土地综合整治内涵提出与各类型对应的整治策略。研究结果符合实际,为黄淮海平原制定土地整治规划提供科学决策依据。     

基于空间平滑法的旱作区粮食产量时空变化与影响因素研究

在中国北方水资源约束愈发严峻的情境下,旱作区粮食产量格局及其驱动因素研究具有重要的现实意义。以1995—2015年县域粮食统计数据为基础,结合土地利用栅格数据等资料,应用空间平滑法,对东北及华北平原旱作区粮食产量的空间格局与演化过程进行了研究。在此基础上,分析了不同农业区影响粮食产量的自然及社会经济驱动因素。结果发现:1)近20a东北-华北平原旱作区粮食产量整体稳步提高,高产区范围逐渐扩大,具有明显的空间集聚特征,且华北平原旱作区粮食总产高于东北平原旱作区;2)粮食产量增速以中速增产为主,其次依次为慢速增产、高速增产、绝对减产,且东北平原旱作区粮食增产速率高于华北平原旱作区;3)东北平原旱作区粮食单产整体高于华北平原旱作区,且经过空间平滑处理后粮食单产栅格像元频率分布基本呈高斯分布,与客观规律相契合;而随着时间演替,直方图像元的峰值逐渐右移,且单产栅格呈逐渐分散的趋势,表明耕地生产力水平整体提升的同时差距也随之扩大;4)自然因素中的年均气温与燕山-太行山山麓平原农业区的粮食单产的相关性最高,年降水量及汇流能力与冀鲁豫低洼平原农业区的粮食单产的相关性最高,土壤类型与松嫩-三江平原农业区的粮食单产的相关性最高;5)粮食单产与社会经济因素的分析结果表明,粮食生产由劳动密集型逐渐向技术密集型方向转变,农业机械化的投入对研究区特别是东北平原旱作区的贡献尤为明显,化肥投入对研究区粮食增产始终发挥着巨大作用,而灌溉条件对于华北平原旱作区粮食生产的保障起到重要作用。研究结果可为粮食产量时空格局研究的方法创新方面有所裨益,并对不同农业区保持高产、稳产及耕地保育等方面提供参考。     

推迟灌拔节水条件下种植模式对冬小麦抗倒伏特性和产量的影响

华北平原冬小麦在粮食生产中占据重要地位,受到灌溉用水短缺影响以及生育后期易倒伏减产的制约,冬小麦供需矛盾日益突出。该研究探究了推迟灌拔节水条件下不同种植模式对冬小麦抗倒伏特性的影响,设置宽幅精播(W)与常规种植(C)2种种植模式,每种种植模式设置灌拔节水60 mm(I1)和推迟10 d灌拔节水60 mm(I2)2种灌溉处理,研究冬小麦关键生育期茎秆物理指标,倒数第2节间茎杆力学、抗倒伏指数、蠕变变形量、产量及其组成等指标,探究冬小麦抗倒伏特性综合调优的种植模式和灌溉制度。结果表明,宽幅精播模式下推迟灌拔节水对抽穗期倒数第2节间茎杆抗折力有显著提升的趋势,显著提高了抗弯刚度,显著降低了蜡熟期倒数第2节间茎杆抗折力和抗弯刚度,以及植株蜡熟期鲜质量;宽幅精播模式下推迟灌拔节水显著提高了抽穗期抗倒伏指数,并提升了灌浆期抗倒伏指数,该处理在抽穗期、灌浆期和蜡熟期的抗倒伏指数平均值分别为2.03、1.58和1.87 N/(m·g)。冬小麦倒数第2节间茎杆在施加小于其极限抗折力的不同比例荷载时具有蠕变特性,宽幅精播模式下推迟灌拔节水茎杆蠕变极值平均值在抽穗期最大,灌浆期表现仍然较好,均由减速蠕变过渡到稳定蠕变阶段,蠕变极值范围介于0.6%～3.7%,蠕变极值平均值介于0.7%～2.5%。综合考虑抗倒伏指数和蠕变试验结果,冬小麦在宽幅精播模式下结合推迟10 d灌拔节水处理的抗倒伏特性最优。研究结果可为华北平原冬小麦节水高产提供理论依据和技术支持。     

基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析

近几十年来随着全球变暖的不断加剧,中国多地频繁发生干旱灾害,经济损失也越来越大,因而研究干旱的时空演变对社会经济发展具有重要的现实意义。论文基于改进帕默尔干旱指数(sc PDSI)分析了1961—2009年间年和四季干湿变化,并利用旋转经验正交函数(rotated empirical orthogonal function,REOF)探讨了中国气象干旱的时空演变特征。结果表明:1)近49 a来,整体上中国年和四季均呈显著变湿趋势,且均在20世纪70年代初期发生了由干变湿的突变;2)年及四季均存在2~8 a的振荡周期,其中夏季主周期为4.4 a,其余主周期均为6.2 a;3)根据REOF时空分解的前8个空间模态,将中国划分成8个干湿特征区域,其中大兴安岭地区、东南地区、西北地区和青藏高原南部地区有变湿趋势,后两个区域变湿趋势显著;东北—内蒙古高原区、青藏高原北部地区、中部地区和黄淮海平原地区呈变干趋势,前3个区变干趋势显著,黄淮海平原分区干湿变化不明显;各分区普遍具有2~9 a的振荡周期;4)极涡指数、印度洋偶极子和太平洋涛动与部分地区气象干旱有较好的相关关系。研究结果可为研究区防旱、抗旱与干旱预测提供参考依据。     

近30年中国玉米气候生产潜力时空变化特征

气候变化背景下中国玉米气候生产潜力变化趋势及其空间差异值得关注。在1981年-2010年日气象数据、玉米生育期数据和土壤数据基础上,该文采用GIS技术和AEZ模型结合的方法,模拟了30a平均中国玉米生产潜力和中国玉米生产潜力变化趋势。研究得出:近30a中国春玉米气候生产潜力变化趋势为每5a变化-887～1689kg/hm2,空间差异明显,东北地区西部、黄淮海平原北部和黄土高原部分地区气候生产潜力呈降低趋势,黄淮海地区南部和南方绝大部分地区呈增加趋势。中国夏玉米气候生产潜力变化趋势为每5a变化-589～1768kg/hm2,除黄淮海平原北部呈降低趋势外,其他地区夏玉米气候生产潜力呈增加趋势。中国春玉米、夏玉米气候生产潜力呈下降趋势地区玉米光温生产潜力在近30a显著增加,气候干旱化是主要影响因素。该研究可为中国玉米生产宏观决策提供支持。     

黄淮海平原粮食均衡增产潜力及空间分异

在当前区域发展和保障粮食安全的双向压力下,为了了解粮食主产区增产潜力、区域内部差异及空间分布特征,该文以土地利用现状数据为基础,通过空间均衡增产途径分析,初步研究了黄淮海平原均衡增产潜力及其空间分布;运用空间自相关分析方法结合GIS技术,分析了黄淮海平原增产潜力空间分布模式。结果表明:黄淮海平原粮食增产潜力达到3 304.57万t,空间上表现为南部平原区高于西北部平原区;黄淮海平原粮食增产潜力的空间分布存在正的空间自相关性,空间集聚类型主要为高高集聚型和低低集聚型;在增产潜力及增产潜力空间分布模式引导下,黄淮海平原土地整治类型区划可分为中低产田改造区,包含258个区县;农用地整理区包含24个区县;农村居民点整治区,包含20个区县;土地开发区,包含7个区县。通过均衡的思想,对进一步提高粮食主产区的产量,保护国家粮食安全有重要意义,同时可为因地制宜制定区域均衡增产方向和途径提供支撑。     

作物茎秆抗倒伏的力学分析及综合评价探讨

建立了农作物茎秆的力学模型,利用力学理论和方法,给出了农作物茎秆临界力的具体表达式,该表达式对于多种农作物例如:玉米、水稻、小麦、谷物等都是适用的。根据该表达式,可对农作物的抗倒伏能力进行综合评价,临界力越大,抗倒伏能力越强。临界力可以作为农作物抗倒伏能力评价的通用指标。对于同一种作物品种,种植密度不同,或肥力不同,其抗倒伏能力不同,茎秆系数越小,抗倒伏能力越强。茎秆系数可作为同一品种作物间,抗倒伏能力的评价指标。文中给出了农作物倒伏与茎秆各物理量之间的关系,为作物抗倒品种的选育、收获机械的设计、桔秆的综合利用提供参考。