Method for Precision Nitrogen Management in Spring Wheat: II. Implementation

By accounting for spatial variation in soil N levels, variable-rate fertilizer application may improve crop yield and quality, and N use efficiency within fields. The main purpose of this study was to demonstrate how site-specific wheat yield and protein data, and a geographic information system may be used in developing precision N-recommendations for spring wheat. The three steps in the procedure include: (1) estimate the amount of N-removed in wheat in the year in which the crop is harvested, (2) estimate the N-deficit, defined as the amount of additional N needed for raising protein concentration in a future crop to a specified target level, and (3) estimate the total N-recommendation by summing the mapped values of the N-removed and the N-deficit. A map for variable-rate application of fertilizer is derived by specifying cutoff values to divide the range in the total N-recommendation into classes representing N management zones.A field experiment was conducted within an annually cropped wheat field (101 ha) in northern Montana to determine whether the proposed method could improve grain yields and protein levels. The N-removal and N-deficit were estimated from site-specific wheat yield and protein data that were acquired during harvest of 1996. In 1997, which was a dry year, an experiment was conducted in the same field that consisted of a randomized complete block design arranged as pairs of strip plots. Variable- or uniform-rate N treatments were randomly assigned to each pair of strips. Both treatments received nearly the same amount of fertilizer, however, N in the variable treatment was varied to match patterns in grain yield and protein levels that previously existed in 1996. Yields were not significantly different between management systems, but proteins were significantly enhanced by spatially variable N application. In addition, variability in protein levels was reduced within the whole field. Field areas deficient in N fertility could be identified without having to sample for soil profile N.     

水分胁迫与植物氮代谢的关系 水分胁迫时氮素对小麦叶片氮代谢的影响

本研究结果表明,提高氮素营养水平可减缓缺水植物的氮代谢紊乱,增强其抗旱性。即在水分胁迫时,氮素营养水平较高的小麦叶片具有较高的硝酸还原酶活性和较低的蛋白酶、肽酶及核糖核酸酶活性,从而使蛋白质和RNA保持较高的水平,且游离氨基酸大量积累的土壤水分临界值也有所降低。并进一步证明,氮素对氮代谢的良好影响是因为改善了植物体内的水分状况。此外,对氮素增强植物抗旱性的机理和旱区增施氮肥的意义也进行了讨论。     

冬小麦产量与籽粒蛋白质含量协同变化特点及水肥调控

【目的】揭示冬小麦产量与籽粒蛋白质含量协同变化特点，为小麦高产优质栽培决策提供依据。【方法】根据盆栽水肥和田间肥料试验数据建立冬小麦产量和籽粒蛋白质含量关于土壤水分含量及氮磷肥的单因素和两因素效应函数，通过对函数曲线变化状态及其特点的分析，揭示小麦产量和蛋白质含量在不同水肥条件下的协同变化特点及其条件，并据此确定各种条件下高产优质的水肥管理方案。【结果】低肥和中肥（或土壤水分含量为田间最大持水量的50%和60%）条件下，产量和籽粒蛋白质含量随土壤水分含量（或施氮量）增加的曲线分别为凸型和凹型。蛋白质含量最低值和产量最高值之间对应的施氮量为产量和蛋白质含量在土壤水分含量为田间最大持水量的50%和60%条件下协同变化的施氮量区间。在高肥和土壤水分含量为田间最大持水量的70%和80%条件下，产量和蛋白质含量曲线均为凸型，蛋白质含量达到最大值之前对应的土壤水分含量为高肥条件下产量和蛋白质含量协同变化区间；产量达到最大值之前对应的施氮量为土壤水分含量为田间最大持水量的70%和80%条件下产量和蛋白质含量协同变化区间。【结论】在一定的水肥条件下，小麦产量和蛋白质含量协同变化是可能的。用极差变换将产量和蛋白质含量理论值标准化，其标准值曲线的交点即为二者的最佳结合点。用等值线图描述产量和蛋白质含量的水氮和氮磷两因素效应，分析产量和蛋白质含量变化规律及其关系，确定实现一定生产目标的水肥管理方案。这为小麦高产优质水肥调控提供了一种行之有效的方法。     

干旱胁迫对不同生育时期冬小麦叶片蛋白质及核酸含量的影晌

[目的]探讨干旱胁迫对冬小麦发育的影响。[方法]以"农大8539"为试材,在小麦的生育前期、中期、后期分别设置3个水分梯度,控制降水,称重法计算供水量,测量了小麦叶片的渗透势、蛋白质和核酸含量。[结果]在土壤湿度较低的情况下,随土壤水分的递增,小麦叶片细胞渗透势明显增加;在土壤湿度较高的情况下,叶片细胞渗透势随土壤水势的变化而变化的幅度很小。返青-拔节和孕穗-开花,开花-孕穗期叶片核酸总含量随干旱程度加剧而下降的趋势不是十分明显,叶片蛋白质含量下降明显。[结论]随干旱程度的加重,冬小麦叶片内蛋白质含量对水分胁迫反应敏感,而核酸含量反应迟纯。     

环境因素对小麦苗期SOD、MDA及可溶性蛋白的影响

采用盆栽试验 ,模拟干旱胁迫、铜污染 (三级农田 )及不同施肥状况 ,测定了小麦苗期的生物量及叶片中的 SOD活性、MDA和可溶性蛋白含量。结果表明 ,水分、铜污染和施肥三因素对小麦苗期的生物量都有显著影响 ,表现为水分 >施肥 >铜污染 ;水分对 MDA含量的影响大于铜污染和施肥 ,表现为干旱可显著增大叶片 MDA含量 ,并使 MDA/SOD值增大 ;对 SOD和可溶性蛋白 ,水分和铜污染的影响大于施肥的影响 ,表现为干旱胁迫下 ,SOD活性升高 ,可溶性蛋白含量降低 ,而铜污染处理使可溶性蛋白含量升高 ;3种环境因素之间存在交互作用     

灌水控制下限对冬小麦产量及水分利用效率的影响

通过对冬小麦全生育期实施不同土壤水分控制下限,研究冬小麦的耗水规律,分析水分胁迫对其生长发育和产量形成的影响,并建立了产量与水分关系的数学模型。结果表明,不同水分处理的冬小麦耗水规律基本一致,但日耗水强度和总耗水量各处理间差别明显。各生育时段耗水量占全生育期总耗水量的百分比以孕穗灌浆期最大,达到45％;其次为拔节期,在20％左右;越冬期最小,只有4．0％～10．0％。土壤水分控制下限为55％的处理冬小麦水分利用效率最高,约为1．75kg／m3,对应的耗水量在350-400mm之间。     

杏麦间作系统生态效应及小麦生理特性研究初报

[目的]在杏麦间作复合群体中,探讨杏麦间作系统的生态效应及小麦生理特性.[方法]以杏树为基点至2行杏树中间位置由近及远分为3个区:冠下区、近冠区和远冠区,对杏麦间作复合群体内风速、土壤地温、土壤水分含量、小麦植株养分及叶绿素含量等生理生态指标变化特点进行研究.[结果]距离杏树越近,小麦生长空间的土壤水分含量越低;杏麦间作田的风速、植株养分均小于小麦单作田.在14:00之前,5cm土壤地温表现为杏麦间作田大于小麦单作田;在14:00以后,5 cm土壤地温表现为小麦单作田大于杏麦间作田.小麦孕穗期是杏麦争水矛盾突出时期,灌水需及时、量多.间作田不同冠区比较,远冠区小麦叶绿素含量比较大.间作田与单作田相比,间作田小麦存在与杏树争肥矛盾,小麦植株吸收的养分少,小麦植株养分含量也少.[结论]杏麦间作条件下,距离杏树越近,土壤水分含量、小麦叶绿素含量、小麦植株养分含量均越低.单作田小麦生理特性优于间作田.     

Site-specific management units in a commercial maize plot delineated using very high resolution remote sensing and soil properties mapping

The joint use of satellite imagery and digital soil maps derived from soil sampling is investigated in the present paper with the goal of proposing site-specific management units (SSMU) within a commercial field plot. Very high resolution Quickbird imagery has been used to derive leaf area index (LAI) maps in maize canopies in two different years. Soil properties maps were obtained from the interpolation of ion concentrations (Na, Mg, Ca, K and P) and texture determined in soil samples and also from automatic readings of electromagnetic induction (EMI) readings taken with a mobile sensor.Links between the image-derived LAI and soil properties were established, making it possible to differentiate units within fields subject to abiotic stress associated with soil sodicity, a small water-holding capacity or flooding constraints. In accordance with the previous findings, the delineation of SSMUs is proposed, describing those field areas susceptible of variable-rate management for agricultural inputs such as water or fertilizing, or soil limitation correctors such as gypsum application in the case of sodicity problems. This demonstrates the suitability of spatial information technologies such as remote sensing and digital soil mapping in the context of precision agriculture.     

土壤基础肥力和氮肥运筹对强筋小麦 产量和品质的影响

以优质强筋小麦皖麦38为材料,研究土壤基础肥力和氮肥施用量、基追比例和追氮时期对强筋小麦籽粒产量和品质的影响,分析了产量和品质的关系。结果表明,施氮量在0￣300kg/hm2范围内,施用量、拔节期追氮比例与产量呈二次曲线关系,与籽粒蛋白质含量和湿面筋含量呈极显著正相关。适当增加施氮量和拔节期追氮比例及适期追肥可显著地提高产量,并可使籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和面团稳定时间与产量同步增加。在该试验条件下,较低土壤肥力的最高产量的临界施氮量为238.6kg/hm2,拔节期追氮比例35.1%,氮肥施用以基肥 拔节肥为宜;较高土壤肥力施氮量临界值为274.2kg/hm2,拔节期追氮比例47.2%,氮肥施用以基肥 拔节肥或结合挑旗肥为宜。氮肥对较低肥力小麦产量和品质的调节效应高于较高肥力,但较低肥力土壤强筋小麦产量和品质的协调性差,主要品质指标难以达到优质强筋小麦标准;优质强筋小麦生产的技术关键是以优质品种为前提,在较高地力基础上合理运用氮肥。     

水分胁迫对冬小麦干物质分配的影响

[目的]研究不同土壤水分备件下冬小麦的生长发育、各器官的干物质积累动态。[方法]采用盆栽方法,通过设置不同的土壤水分条件,从器官水平考察水分条件对冬小麦物质积累、分配等的影响,并建立产量和耗水量的关系方程。[结果]在水分适宜条件下,茎秆干物质积累所占比例较小,为32％,穗部占39％;而过度灌溉和严重水分胁迫条件下,茎秆干物质积累所占比例较大,分别为43％和34％,穗部所占比例较小,仅为41％和27％。[结论]水分条件对冬小麦生长的拔节至扬花期尤为重要,生产上应特别注意加强扬花期和灌浆期水分管理。     

生态条件和栽培技术措施对春小麦产量和蛋白质含量的影响

以宁夏大学农学院试验农场和半干旱地区的固原大堡为试点，研究了生态条件和栽培技术对小麦产量和品质的影响．结果表明，生态条件和栽培技术措施都能引起春小麦产量和籽粒蛋白质含量的变化．生态条件不同时，环境务件是影响产量的主要因素，而生态务件相同时，栽培技术措施对小麦产量和蛋白质含量有显著影响．地力低时增施基肥，小麦孕穗至开花期追施氮肥均可提高籽粒蛋白质含量．通过培肥地力及合理的肥水运筹措施可以打破小麦产量和蛋白质含量之间的负相关关系．适期播种不仅产量高而且品质好．     

不同水分条件下施磷位置对冬小麦生长及磷营养的影响

采用土柱盆栽试验,研究不同水分条件下施磷位置对冬小麦生长发育,养分吸收及磷肥利用的影响,试验结果表明,在正常供水情况下,表层施磷和全层施磷处理冬小麦地上部干物质根干重,Ｎ,Ｐ,Ｋ吸收量及磷肥利用率均显著高于底层施磷处理。随施磷量的增加,冬小麦地上部干物质啬而磷肥每时每刻经降低。干旱胁迫高施磷量条件下,全层施磷处理冬小麦地上部干物重,Ｎ,Ｐ,Ｋ吸收量及磷肥利用率最高,而低施磷量时则表层施磷处理最高,     

土壤剖面基础性质差异对农田水氮过程和作物产量的影响

【目的】华北平原地区是中国最重要的冬小麦和夏玉米生产基地,不同农田土壤基础性质差异是造成该地区农田生产力空间变异的基本原因。通过研究该地区冲积始成土冬小麦-夏玉米轮作农田土壤剖面性质对水氮过程以及作物产量形成的影响,以期为该地区高产农田的水氮利用与管理提供参考。【方法】选取位于山东省泰安市研究区3块具有不同土壤基础性质且产量存在显著性差异的农田,进行3年田间试验,测定土壤剖面的土壤基本性质,具体包括机械组成、饱和导水率、田间持水量、永久萎蔫点、有机碳、全氮;监测土壤剖面0-160 cm的水分和硝态氮的动态变化以及作物生物量、叶面积指数和产量等。运用根区水质模型（RZWQM）对各农田的水氮过程进行模拟计算。【结果】RZWQM模型在整体上可以很好地模拟2009年10月至2012年9月3年不同基础土壤性质农田水分、无机氮、作物产量、地上部生物量和叶面积动态特征,并计算各农田水氮平衡项。各农田土壤基础性质差异对水氮过程及产量形成的影响具体为：高产农田0-160 cm剖面的最大有效贮水量为223 mm,分别高出中产和低产农田28和56 mm,同时30 cm深度以下土层具有相对较低的饱和导水率。该基础性质差异使得高产农田年均水分损失（地表径流+深层渗漏）仅为150.3 mm,分别低于中产和低产农田5.7和26.4 mm,从而使高产农田作物受到相对低的水分胁迫。高产农田土壤表层土壤有机碳含量较中低产田高,而碳氮比则较低,使得高产农田具有更高的净矿化氮量（较中产和低产农田高52.0和82.6 kg·hm^-2）,且较低的氮损失（氨挥发+氮淋洗+反硝化作用）,较中产和低产农田分别少6.9和10.9 kg·hm^-2。高产农田的水分利用效率（WUE）为2.32 kg·m^-3,分别较中产和低产农田高12.1%和6.8%,这是因为高产农田受到较低的氮素胁迫。在本研究区不同土壤基础性质农田的氮素利用效率（NUE）差异不显著。【结论】在华北平原冬小麦-夏玉米轮作区,理想的土体构型能够存储更多的有效水,高土壤有机碳含量和低的碳氮比能矿化出更多的无机氮,保障了充足的水氮供应,减缓作物受到的水氮胁迫,从而获得高产。     

温度及土壤含水量对冬小麦生长习性及返青率的影响

以抗寒性不同的冬小麦品种"东农冬麦1号"和"济麦22"为试验材料,研究土壤含水量及低温交叉逆境下两个材料的生长习性及返青情况。结果表明,生长习性与温度及土壤含水量无关,在不同温度及不同土壤含水量下东农冬麦1号植株均匍匐于地面生长,济麦22均直立于地面生长;返青率与土壤含水量及温度直接相关,含水量在25%左右最适于返青,随着经历低温时间的延长及温度的降低,返青率略有下降,幅度在60%~100%。在一定幅度范围内,温度与返青率呈极显著正相关,含水量与返青率呈负相关。研究结果可为指导大田冬小麦封冻前及春季返青前浇灌提供理论依据。     

豆科绿肥及施氮量对旱地麦田土壤主要肥力性状的影响

通过2a田间定位试验,研究渭北旱塬地区夏闲期插播并翻压不同豆科绿肥(长武怀豆、大豆和绿豆)以及小麦生长季不同施氮量(0,108,135,162 kg/hm2)对麦田土壤肥力性状的影响,以期为提高旱地土壤质量提供理论依据.试验结果表明:(1)种植豆科绿肥能显著提高土壤有机质、活性有机质和全氮含量,增加土壤碳库管理指数(CPMI),对土壤速效钾含量没有显著影响;(2)绿豆还田量高于长武怀豆和大豆,然而土壤培肥效果逊于长武怀豆和大豆;(3)夏闲期种植绿肥明显消耗了土壤水分,导致绿肥翻压前、小麦播前直至收获后,0-200 cm土壤贮水量显著低于休闲处理,但耗水量与休闲没有明显差异,由于小麦产量显著增加,因此豆科绿肥显著提高了水分生产效率;(4)与不施氮相比,小麦生长季施用氮肥能显著增加土壤水分生产效率,却对土壤各肥力性状的影响均不显著.夏闲期种植并翻压豆科绿肥是旱地培肥土壤、提高水分生产效率的有效途径.     

不同降雨年型旱地冬小麦水分利用及产量对施氮量的响应

【目的】降雨和施氮是影响渭北旱塬冬小麦生产的主要因素,降雨年际变幅大对其影响更大,因此小麦增产效应受降雨年型显著影响。分析不同降雨年型下施氮量对旱地麦田水分利用、籽粒产量和蛋白质含量的影响,能够为实现渭北旱地冬小麦 “因雨施氮”和稳产优质提供理论依据。【方法】于2017—2020年连续3年在陕西合阳县开展田间定位施氮试验,以晋麦47为试验材料,设置5个施氮量处理0、60、120、180、240 kg·hm^-2（分别以N₀、N₆₀、N₁₂₀、N₁₈₀、N₂₄₀表示）,研究不同降雨年型施氮量对冬小麦生育期0—200 cm土层水分变化动态、水分利用效率、产量构成及蛋白质含量的影响。【结果】降雨年型和施氮对冬小麦播前底墒及生育期土壤含水量、耗水量、水分利用效率、籽粒产量和蛋白质含量影响显著。（1）休闲期降雨与播前底墒呈线性相关,每增加1 mm夏季降雨,底墒增加0.9 mm。在丰水年和平水年休闲期降雨充足,前季小麦增加施氮量对下季小麦播前底墒无显著影响;在欠水年休闲期降雨较少,前季小麦每增施氮100 kg·hm^-2,下季小麦播前底墒减少15.4 mm。丰水年较欠水年和平水年均能提高冬小麦生育期0—200 cm土层土壤含水量,因而分别增加生育期耗水量35.7%和6.6%。全生育期0—120 cm土层土壤含水量受降雨和冬小麦生长发育影响波动较大,但160—200 cm 深层土壤含水量相对稳定。丰水年的水分利用效率较欠水年和平水年分别提高55.7%和26.5%,籽粒产量分别提高112.3%和39.1%,蛋白质含量分别降低8.3%和5.2%。（2）与N₀处理相比,丰水年、欠水年和平水年施氮均降低各生育时期0—200 cm土层土壤含水量,分别提高生育期耗水量4.6%—14.6%、6.0%—8.6%、2.2%—9.5%,分别增加水分利用效率20.7%—39.8%、4.7%—33.3%、13.1%—35.4%,分别增产7.1%—28.1%、1.5%—34.1%、8.5%—28.9%,分别提高蛋白质含量5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%。（3）施氮量和籽粒产量、蛋白质产量均符合二次曲线关系,拟合方程表明,丰水年、欠水年和平水年满足旱地冬小麦稳产优质的最适施氮量范围分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2。【结论】综合来看,丰水年、欠水年和平水年的最佳施氮量分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2,并可采取“播前底墒确定基施氮肥量+播种至拔节期降雨确定追施氮肥量”的“因雨施氮”管理模式,既能满足旱地冬小麦稳产优质,也可保证水分高效利用。     

麦田土壤区域化养分管理研究

 为在县市范围内合理精确地进行施肥管理,确保小麦产量和质量,探讨了借助于GIS技术对大田小麦进行土壤养分区域化管理的方法。田间土壤样点通过室内图件的MapGIS的网格划分确定,化验分析数据用统计分析软件DPS进行分析和系统聚类,获取了龙口市北马镇小麦田的土壤养分分类及其空间分布信息,为当地小麦种植施肥提供理论依据。     

水分胁迫对小麦幼苗根系生长和生理状态的影响

以小麦“徐州25”为材料，采用盆栽种植，研究了水分胁迫对小麦根系生长及生理状态的影响。结果表明：水分胁迫对小麦种子的发芽率、胚芽鞘和主胚根的生长有抑制作用；适度的水分胁迫(土壤含水量为田间持水量的60％)对苗期小麦根系生长有一定的促进作用，可使根冠比增加，根系活力增大；但重度水分胁迫(土壤含水量为田间持水量的35％)抑制根系的生长，根系活力下降；水分胁迫并使苗期小麦的脯氨酸含量上升、细胞膜的透性增加。     

Field methods for making productivity classes for site-specific management of wheat

Reducing the decision-making unit to classes within fields can improve yields, efficiency in the use of nutrients and profitability of crops. The objectives were to compare methods for class delimitation in wheat (Triticum aestivum L.) crops based on apparent productivity levels and establish similarities among them in terms of spatial overlapping, productive attributes and the use of nitrogen. In three wheat fields, high and low apparent productivity classes (APC) were defined based on eight methodologies: yield maps, soil maps, gramineae vegetation index, rotation crop index, interpretation of satellite images, management records, elevation and integrated soil and yield maps. In each APC, soil and crop yield components were determined under five nitrogen fertilization levels. Among delimitation methodologies, the degree of coincidence varied from 1.4 to 81.7%. The differences in soil properties, nitrogen use efficiency and grain yields were greater among fields than among APC within each field. In each field, the delimitation methodologies identified different single factors that discriminated among the potential management classes and were partially associated with the crop grain yields. The wheat crops at the low APC yielded 39% less and 12% less than at the high APC, respectively. The nitrogen fertilization, at the rate for maximum productivity for each ACP, reduced the yield differences between contrasting APC. Nitrogen fertilization also modified clustering of classes based on expected yields. Making management classes for wheat based on expected productivity is more accurate when based on previous crop production information under similar nitrogen fertilization conditions than the targeted crop.

     

灌水时期和灌水量对小麦耗水特性、籽粒产量及蛋白质组分含量的影响

 【目的】研究高产条件下灌水时期和灌水量对小麦的耗水特性和籽粒蛋白质组分含量的影响,为小麦节水高产优质栽培提供理论依据。【方法】设置不同灌水时期和灌水量的处理,采用反相高效液相色谱（RP-HPLC）分析方法对籽粒蛋白质进行分离量化,研究不同水分处理对小麦耗水量、水分利用率、籽粒产量、籽粒品质和籽粒蛋白质组分含量的影响。【结果】随着灌水量的增加,灌水量占农田耗水量的百分率提高,降水量和土壤贮水消耗量占农田耗水量的百分率降低。减少灌水量,促进小麦对土壤贮水的利用,提高小麦在0～100 cm各土层的土壤耗水量。降低农田耗水量、提高水分利用率是实现节水高产栽培的有效途径。拔节期和开花期分别灌水60 mm的处理在两年度生长季均获得了最高的水分利用率;在2004－2005年生长季W1处理的籽粒产量与W2无显著差异,但显著高于W0处理;在2005－2006年生长季W'2处理的籽粒产量与W'3无显著差异,但显著高于W'0、W'1处理。水分对小麦籽粒蛋白质组分含量具有重要的调控作用。在2004－2005年生长季,与W2处理相比,W1处理的籽粒醇溶蛋白含量降低,HMW-GS含量和谷蛋白含量升高,籽粒蛋白质含量和湿面筋含量升高,面团形成时间和面团稳定时间延长,有利于强筋小麦济麦20籽粒品质的改善。在2005－2006年生长季,随灌水量增加,籽粒HMW-GS含量、谷蛋白含量有先升高后降低的趋势,以W'2处理最高,与籽粒蛋白质含量、面团形成时间和面团稳定时间的变化趋势一致。【结论】本试验条件下,拔节期和开花期分别灌水60 mm是兼顾节水、高产、优质的最优处理。