黄淮海平原南部不同种植体系周年气候资源分配与利用特征研究

探明不同种植体系周年产量、气候资源分配及其利用效率特征,建立周年气候资源优化配置的定量指标,为进一步提升黄淮海区域周年产量潜力和资源利用效率提供理论依据。本研究利用2011—2015年河南新乡定位试验数据,定量分析了冬小麦–夏玉米、冬小麦–夏大豆、双季玉米和一季春玉米4个种植体系产量、生物量、干物质产能、光温资源分配及其利用效率。结果表明,冬小麦–夏玉米和双季玉米体系4年产量、生物量和干物质产能差异均不显著,但显著高于冬小麦–夏大豆和一季春玉米体系,平均增幅分别为45.4%～61.5%、37.3%～71.3%和35.7%～70.7%;双季玉米和一季春玉米体系周年辐射生产效率、籽粒及总生物量光能利用效率均显著高于冬小麦–夏玉米和冬小麦–夏大豆体系,其中周年辐射生产效率平均增幅为11.8%～66.7%,籽粒及总生物量光能利用效率分别提高0.13～0.42和0.18～0.69百分点。进一步分析周年气候资源分配特征,冬小麦–夏玉米体系两季积温分配率分别为45.6%和54.4%,积温比值为0.8,双季玉米两季积温分配率为51.4%和48.6%,积温比值为1.1。综合分析产量和资源利用效率,冬小麦–夏玉米和双季玉米种植体系可作为黄淮海区种植模式优化布局和农业生产可持续发展的重要支撑,而明确主要种植体系积温分配率和积温比值等定量指标可为进一步优化周年气候资源配置,挖掘黄淮海两熟区周年产量潜力和资源利用效率提供重要参考。     

氮肥运筹对苗期受渍夏玉米干物质和氮素积累与转运的影响

以玉米品种郑单958为试验材料,研究不同氮肥运筹方式[氮肥全部基施(N1)、基肥70%+拔节肥30%(N2)、基肥50%+拔节肥50%(N3)和基肥30%+拔节肥50%+大喇叭口肥20%(N4)]对苗期受渍夏玉米叶面积指数(LAI)、干物质积累、氮素吸收积累及产量的影响,以期为苗期受渍夏玉米合理施肥提供理论依据。结果表明,苗期渍水7 d降低夏玉米产量,降幅达24.2%~25.7%,氮肥后移能够减轻苗期渍害对产量的影响。玉米产量与穗粒数的相关性大于与千粒重的相关性;吐丝期最大LAI和收获指数与产量存在极显著相关性,但粒叶比与产量间无显著相关性。苗期渍水7 d降低群体LAI,氮肥后移能增大穗位层和穗上层叶片的LAI以弥补穗下层LAI降低导致的群体LAI下降,且弥补的效应大于渍害导致穗下层LAI降低的效应,进而使得苗期渍水7 d下氮肥后移的群体LAI较氮肥前移增大。苗期渍水7 d显著降低吐丝后干物质积累量,渍水使营养器官干物质积累转运量增大;氮肥前移处理使营养器官干物质向籽粒的转运量增大,但不利于吐丝后籽粒干物质积累,氮肥后移处理则显著提高了吐丝后籽粒干物质积累量及其对籽粒产量的贡献率。苗期渍水7 d使夏玉米各器官氮素积累量下降,吐丝后营养器官贮藏氮素向籽粒的转运量和吐丝后籽粒氮素积累量低于对照,表明苗期渍水7 d处理不利于籽粒中氮素的积累。氮肥后移能够提高成熟期籽粒及营养器官氮素积累量。渍水7 d处理使氮素吸收效率和偏生产力显著低于对照,随着氮肥后移,氮素吸收效率提高0.9%~18.2%、偏生产力提高1.0%~17.5%。     

倒伏对夏玉米叶面积、产量及其构成因素的影响

黄淮海地区夏玉米生长后期受气候因素易发生倒伏,严重影响了玉米高产性能的发挥。以‘郑单958’夏玉米为试材,通过田间试验,研究了抽雄期不同倒伏程度对夏玉米叶面积指数(LAI)、产量及其构成因素的影响。结果表明:随生育期推移,LAI逐渐减小,各处理差异显著,严重倒伏的A00处理后期LAI一直最小。随倒伏程度加重,穗长、穗粒数减少,百粒重下降,产量和生物产量降低;同时减产幅度增加,与未倒伏对照处理比较,A60、A45、A30和A00处理分别减产5.8%、24.3%、52.2%和89.9%。研究结果可为夏玉米高产栽培提供参考依据。     

基于MODIS-NDVI的春玉米叶面积指数和地上生物量估算

为了构建春玉米叶面积指数和地上生物量的估算模型,基于辽宁省大田条件下9个站点春玉米不同生育期叶面积指数LAI和地上鲜生物量数据,利用MODIS提取的10种植被指数NDVI、RVI、DVI、PVI、EVI、GNDVI、RDVI、SAVI、OSAVI和NLI反演春玉米LAI和地上鲜生物量。结果表明：10种植被指数与春玉米LAI和地上鲜生物量相关性显著,采用植被指数反演春玉米LAI和地上鲜生物量是可行的;分别基于回归分析法和人工神经网络法,利用10种植被指数反演春玉米LAI和地上鲜生物量,利用回归分析法结合OSAVI和NDVI反演春玉米LAI和地上鲜生物量效果较好;利用人工神经网络法进行模拟反演采用RVI、DVI和EVI效果最佳,反演精度高于回归分析法。     

WOFOST模型对山东省夏玉米发育期与产量模拟的适用性评价

夏玉米作为山东省最主要的粮食作物,其生长发育与产量变化,对保障地区乃至全国的粮食安全具有举足轻重的作用。不同生育期内气象要素的不同组合对夏玉米发育进程与产量形成等将产生重要影响。WOFOST作物模型机理性较强、定量水平高,且更为高效,能够为客观、定量、动态地评估气象要素对夏玉米生产的影响提供技术支撑。为提高作物模型模拟的准确性,将山东省分为鲁西北、鲁中、鲁西南、鲁东南与半岛5个调参区域,并结合山东省10个夏玉米观测站2012-2014年玉米主栽品种的生长发育数据,开展模型的调参验证与适用性评价。研究结果表明,WOFOST模型对山东省各观测站点所有年份出苗期的模拟误差均不超过4d,决定系数（R ²）在0.43~0.99,归一化均方根误差（nRMSE）为0.3%~1.9%;针对开花期和成熟期,各观测站点绝大多数年份模拟误差均不超过5d,大多数观测站点R ²分别在0.77~0.99与0.51~0.99,各观测站点nRMSE分别在0.4%~2.3%与0.7%~3.2%;绝大多数观测站点产量模拟R ²在0.68~0.99,相对误差为0.8%~16.7%,绝大多数观测站点相对误差小于10%;nRMSE在1.2%~19.5%,均小于30%,大部分观测站点nRMSE小于10%。各评价指标均在可接受的范围内,WOFOST模型能够对山东省夏玉米发育期与产量进行较准确的模拟。     

水肥耦合对夏玉米不同生育期叶面指数和生物量的影响

为了探明水肥耦合对玉米生长发育的影响,以‘青农8号’玉米品种为试验材料,研究了不同生育期玉米的叶面积指数及其生物量。结果表明：水肥耦合对夏玉米叶面积指数(LAI)的影响很大,灌水是对其影响作用最大的因素,其次是施氮肥和施钾肥。过高的水肥施用量都会引起夏玉米LAI的降低。氮钾施肥量均在2水平时,灌水使LAI最大提高47.46%;水钾均为2水平时,施氮肥使LAI提高的最大值达到37.75%;水氮均在2水平时,施钾使LAI最大提高9.62%。根干重、次生根条数、根平均直径、根系总体积、根系总表面积、根系总长与地上部的籽粒重、苞叶及穗轴重、茎杆重、叶干重均呈显著或极显著相关关系,其中籽粒重和根干重的相关系数达0.97**。合理的水肥耦合对于减少水资源浪费,提高水肥利用率具有重要的理论和实践意义。     

基于WOFOST模型的2014年河南省干旱对夏玉米产量的预估

为了定量化预估干旱持续一段时间而未解除下对夏玉米气象产量的影响,采用预估日前气象数据与预估日后近5年平均值气象数据组成完整序列,设计3种情景4种处理方式,利用WOFOST作物模型预估干旱对夏玉米气象产量的影响。结果表明：在干旱预估当日,仅依靠自然降水条件,不同干旱区夏玉米减产率变化较大,重旱区47%~64%,中旱区28%~50%,轻旱区14%~47%;有灌溉条件下夏玉米减产率大幅下降,干旱影响小;灌溉充足的情景下,轻旱区几乎无减产,重旱区减产率仅在10%~38%之间。利用实况气象数据检验发现,预估方法对中旱区和轻旱区模拟较准确,重旱区模拟效果一般。利用作物模型可以定量化地预估干旱持续一段时间未解除情况下对夏玉米产量的影响。     

黄淮海地区夏玉米高产栽培技术

黄淮海地区是我国夏玉米最大集中产区,位于北方春玉米区以南,淮河、秦岭以北,是我国重要的粮食生产基地。但是,依照传统的栽培方式,该地区夏玉米平均单产较低,高产玉米的增产潜力还没有发挥出来。因此,在黄淮海地区推行夏玉米高产栽培技术,有利于充分发挥良种的高产优势。     

APSIM玉米模型在东北地区的适应性

利用东北地区6个典型农业气象试验站的玉米田间试验数据和同期逐日气象数据对APSIM模型(农业生产系统模型)在东北玉米产区的适应性进行了初步研究。先依据各站第一组玉米试验数据对模型相关参数进行调试、确定,再利用另一组试验数据检验模型模拟玉米生育期、叶面积指数、地上部总生物量和产量的可靠性。结果表明,APSIM模型模拟的播种至出苗、开花和成熟各阶段天数与实测天数有较好的一致性,其误差分别为0~2.0、0.7~2.0和0.7~2.3 d;哈尔滨地区模拟的叶面积指数和地上部总生物量相对均方根差分别为33%和11%,模拟效果较好;黑龙江哈尔滨、海伦、泰来,吉林桦甸、通化和辽宁本溪的模拟产量与实际产量的NRMSE分别为18%、13%、4%、4%、5%和2%。说明APSIM模型对东北地区玉米生育期、叶面积指数动态变化过程、地上部总生物量动态变化过程和最终产量具有较好的模拟结果,验证后的APSIM模型在东北地区具有较好的适应性。以上结果为今后在东北地区深入开展玉米生产潜力以及解析产量形成的限制因素等研究提供了技术平台与支撑。     

基于无人机高光谱影像的玉米地上生物量反演

【目的】研究以玉米地上干生物量为研究对象,探讨基于无人机高光谱数据利用人工神经网络法反演生物量的可行性。【方法】在吉林省蔡家镇开展玉米氮肥梯度试验,并进行无人机高光谱数据和地上干生物量获取,共获数据30组。随机选22组数据用于建模,剩下8组用于模型的外部验证。分别基于光谱指数法和BP神经网络算法构建反演模型,比较分析各种方法反演玉米生物量的优劣。【结果】结果表明：和基于光谱指数构建的生物量反演模型相比,BP神经网络模型取得了更好的反演结果。其建模时决定系数为0.99均方根误差为0.08 t/ha,相对均方根误差为3.39%；外部验证时,决定系数为0.99,均方根误差为0.15 t/ha,相对均方根误差为8.56%。【结论】BP神经网络模型可有效提高无人机高光谱遥感反演玉米地上生物量的精度。     

施氮量与地膜覆盖对长江中游春玉米产量性能及氮肥利用效率的影响

以宜单629为试验材料,于2012-2013年在湖北武穴通过大田试验,研究施氮量和地膜覆盖对长江中游春玉米产量及其性能参数的调节效应以及氮肥利用效率的影响。结果表明,增施氮肥促进春玉米生长发育,抽雄期和吐丝期提前8~12 d,延长籽粒灌浆期2~6 d,全生育期减少2~7 d;地膜覆盖促进种子萌发和玉米植株发育,种子出苗提前7~8 d,抽雄期和吐丝期提前6~11 d,生理成熟期提前3~6 d。增施氮肥和地膜覆盖优化长江中游春玉米产量性能参数,增施氮肥使平均叶面积指数(MLAI)提高81.18%~112.38%,平均净同化率(MNAR)提高19.20%~25.82%,穗粒数(GN)和千粒重(GW)增加72.61%~95.30%和13.09%~21.26%;同等施氮条件下,地膜覆盖提高MLAI (11.12%~17.12%)、MNAR (0.80%~10.66%)、HI (0.44%~6.50%)、GN (7.02%~16.07%)和GW (5.64%~7.93%);由于产量性能参数间的超补偿作用,增施氮肥和地膜覆盖使春玉米籽粒产量提高6.80%~24.66%和7.16%~22.19%。施氮量增加显著降低春玉米氮肥利用效率,氮肥偏生产力(PFPN)和氮肥农学利用效率(ANUE)分别降低31.34%~51.20%和30.39%~42.12%;地膜覆盖促进春玉米的氮素吸收能力,显著提高春玉米氮肥利用效率,PFPN和ANUE分别提高18.30%~31.67%和25.83%~56.80%。统筹考虑长江中游春玉米产量性能优化补偿增产机制和氮肥利用效率特征,可选用优化施氮量202.5 ~270.0 kg hm^-2和覆膜增温降渍,其产量可达8995~9220 kg hm^-2。     

氮肥后移对超高产夏玉米产量及氮素吸收和利用的影响

采用田间试验研究了氮肥后移对超高产夏玉米产量、氮素吸收积累和氮肥效率的影响,旨在了解超高产夏玉米(≥ 12 000 kg hm^-2)的氮素吸收和转运特性,为实现夏玉米超高产合理施肥提供依据。结果表明,夏玉米施氮显著增产,增产幅度为9.62%~15.95%,氮肥后移比习惯施氮增产2.27%~5.33%。超高产夏玉米吐丝后氮素吸收积累量占总积累量的40.30%~47.78%,保证后期氮素养分充足供应对于夏玉米达到超高产水平至关重要;氮肥后移可促进超高产夏玉米后期的氮素吸收积累,降低夏玉米茎和叶片氮素的转运率,显著增强灌浆期夏玉米穗位叶硝酸还原酶活性,提高灌浆期叶片游离氨基酸含量,增加蛋白质产量;氮肥后移比习惯施氮的氮肥利用率提高1.88%~9.70%、农学效率提高0.96~2.21 kg kg^-1,以“30%苗肥+30%大喇叭口肥+40%吐丝肥”方式施用氮肥的产量和氮肥利用效率最佳。     

持续性温强和土壤水分对玉米发育进程的影响及其模拟

作物的发育进程对产量形成有重要影响,在作物生长模型中也起着时间指针的重要作用。但目前逐日累积温度的发育模式无法解释作物播期不同而成熟期差距很小或基本相同的现象;目前对土壤湿度影响作物发育进程的规律也不十分清楚,多数作物生长模型也未予考虑。本研究以华北夏玉米为研究对象,首先对几种常用的作物发育模式进行稳定性比较,然后再分别探讨持续性温度强度和土壤湿度对夏玉米发育进程的影响规律,并构造相关模式。结果表明,积温(TSUM)、发育单位(CHU)和热量单位(THU)等发育模式中以THU的稳定性最高。夏玉米发育进程不仅由累积温度或热量单位决定,而且受持续性温度强度（某一发育阶段的平均温度）的明显影响。平均温度较高时,完成该发育进程需要累积更多的温度。据此建立的模式对夏玉米分期播种的发育进程模拟有明显改善。土壤水分对夏玉米发育进程有明显影响,水分增加将促使夏玉米营养生长阶段的发育加速,导致抽雄期提前。由此建立的模式对区域上夏玉米发育进程的模拟有一定改善。     

灰色关联综合评价法对夏玉米干旱胁迫调控指标优选

为获得合理的夏玉米灌溉控制指标，基于2 年控制试验结果，借助加权灰色关联综合评价法对夏玉米的耗水量、产量和水分利用效率(WUE）进行综合性评价。结果表明，与各处理的实测产量、耗水量、WUE 从高到低排序相比，产量、耗水量、WUE 的单层次评价值位次基本相同，对于优选夏玉米的干旱胁迫控制指标具有可行性。随干旱胁迫程度的增加，产量、耗水量评价值呈减小趋势；WUE 评价值呈先增加后减小趋势。多层次综合评价结果显示，WUE 的权重最大。随干旱胁迫程度的增加，综合评价值呈减小趋势，相同生育期内轻旱胁迫处理表现最优。2 年控制试验中，对照适宜水分处理最优，灌浆期轻旱处理次之，再次为苗期轻旱处理。考虑河南地区夏玉米生产实际，建议苗期、拔节期、抽雄期与灌浆期分别控制土壤水分下限保持在田间持水率的60%、70%、75%、60%以上时，可保证夏玉米节水稳产。该结论为河南省水资源高效利用提供理论参考。     

不同耕作方式保水剂对夏玉米生长发育的影响

为了明确不同耕作方式保水剂在豫东旱地夏玉米上应用效果,以‘郑单958’为试验材料,研究了其对夏玉米生长发育发育的影响。结果表明：与对照相比,不同处理提高了夏玉米的出苗率、根条数、叶面积指数和干物质积累量;夏玉米生育前期沟播覆盖保水剂效果最好,沟播保水剂次之;后期沟播覆盖保水剂最好,覆盖保水剂次之;不同处理使夏玉米产量比对照提高9.59%~54.6%,沟播覆盖保水剂最好,增产54.6%,覆盖保水剂次之,增产51.03%。表明沟播覆盖保水剂改善了夏玉米出苗和根系状况,提高了叶面积指数和干物质积累量,从而达到增产的目的。     

水分胁迫对夏玉米干物质积累与分配的影响

采用盆栽方法,通过设置不同的水分处理,研究水分胁迫对夏玉米生长发育的影响.从根、茎秆、叶、叶鞘、雌穗等器官水平上考察水分胁迫对夏玉米物质积累、分配等的影响,以及不同水分处理下各器官对夏玉米干物质积累的贡献率.分析发现,不同水分条件下,叶片、茎秆和叶鞘三者是干物质积累的重要来源,在灌浆期以前,叶片是最主要的干物质积累器官.在灌浆前后期,叶片所占的比重分别为22%,21%;茎秆也是夏玉米干物质积累的来源之一,在抽雄初期,T_3茎秆占总重的26%,在抽雄后期T_4茎秆比重为30%.茎秆在吐丝期和灌浆后期的比重分别为24%和23%,而水分胁迫(T_8)的叶鞘比重分别为21%和18%;在生殖生长阶段,植株对水分胁迫非常敏感;水分胁迫下有利于干物质的快速积累,即缩短灌浆期.     

小麦秸秆覆盖对夏玉米干物质生产及主要性状的影响

研究了小麦秸秆覆盖对夏玉米干物质生产及主要性状的影响。结果表明:与传统露地栽培相比,小麦秸秆覆盖有利于夏玉米根系的生长和干物质的积累,叶面积系数前期增长快,后期下降慢,叶面积高值持续期长,干物质积累快,穗粒数多,千粒重高,产量性状明显改善,增产显著。小麦秸秆覆盖对表土层(0～30cm)具有明显的保墒效果,尤其是夏玉米生长前期。     

作物高产群体LAI动态模拟模型的建立与检验

针对目前已有群体叶面积指数（LAI）模拟模型形式多样、参数较多以及应用性不强等问题,对春玉米、水稻和冬小麦的LAI及出苗至成熟天数进行归一化处理,分别将最大LAI和出苗至成熟天数定为1,以相对LAI (0~1)和相对时间(0~1)为参数进行LAI动态模拟,筛选、建立了一个适用于这3种作物的相对化LAI动态模拟模型y= (a+bx) / (1+cx+dx²)。其中,春玉米y= (0.0134+0.3234x) / (1－2.774x+2.4178x²),r=0.9859**;水稻y= (0.0777+0.0205x) / (1－2.73744x+2.0484x²),r=0.9865**;冬小麦y= (0.0131+0.0035x) / (1－2.4515x+1.5273x²),r=0.9719**。利用该模型,自拔节期起就能够较准确地进行LAI的动态预测,其在春玉米、水稻和冬小麦上的准确度（以k表示）分别为1.050、1.0357和1.1168,精确度（以R²表示）分别为0.8728、0.9270和0.9254。3种作物整个生育期内模型的模拟值与测量值的精确度均在0.98以上,准确度达0.86以上,表明相对化LAI动态模型能够准确地反映作物群体动态变化。不仅可以计算出作物生育期间的平均LAI、总光合势,还能计算任一时刻的LAI以及任一时段的光合势。结合田间调查还可得到作物生长期间的平均净同化率和平均作物生长率等产量相关的重要生理参数。根据作物群体中各光合生理参数与产量的关系,提出了3种作物进一步增产的可能途径。     

不同发育期低温冷害对玉米灌浆和产量影响模拟

针对玉米生长季低温发生的不同强度和持续日数,利用WOFOST模型,模拟分析苗期、抽雄期和灌浆初期分别发生不同强度和持续日数的低温对玉米灌浆过程和产量的影响。模拟结果表明,从低温对玉米灌浆过程的影响来看,苗期与抽雄期低温导致玉米灌浆始期比正常气温条件下有所推迟,推迟时间为1~4天,而且低温强度越大、持续时间越长,灌浆推迟时间就越长;而灌浆初期发生低温时,低温造成玉米减产是通过直接减缓玉米灌浆强度和灌浆速率来完成的。从低温对玉米产量的影响来看,以灌浆初期低温对玉米影响为最大,其次是抽雄期低温,影响最小的是苗期低温;低温导致玉米的减产率在2.1%~16.99%之间,且低温强度越大、持续时间越长,减产率就越大。