水氮管理影响冬小麦品质的CERES-Wheat模型模拟

评估CERES-Wheat对不同水氮管理的响应,模拟不同水氮管理对冬小麦品质和产量的影响,筛选优质高产的水氮管理,优化冬小麦农田管理措施。首先利用关中地区2014—2016年2季冬小麦试验数据,对CERES-Wheat进行校准和验证,并评估其模拟籽粒蛋白质浓度和产量的精度。应用CERES-Wheat模拟51 a(1966—2016)历史气象数据下不同水氮管理的冬小麦生长情况,以籽粒蛋白质浓度和产量为主要筛选目标优化水氮管理。结果表明,CERES-Wheat能够较为精确地模拟冬小麦的生长过程,但籽粒和地上部生物量在严重氮胁迫条件下被低估,籽粒蛋白质浓度在低氮胁迫条件下被高估。籽粒蛋白质浓度和产量对不同的水氮处理具有不同的响应,但可以通过调整灌溉定额、灌溉次数、灌溉时期和施氮量之间的耦合作用达到小麦提质增效的目的。越冬期灌溉120 mm,施氮量262.5 kg/hm~2的水氮管理最适合关中地区的气候条件,可以同时实现优质、高产、稳产。     

不同土壤肥力条件下水肥运筹对滴灌冬小麦生长发育与产量品质的影响

为提高冬小麦水肥利用效率,旨在探索滴灌冬小麦最佳水肥运筹模式,为滴灌条件下冬小麦优质高产的水肥高效管理提供科学依据。本研究选择两块不同土壤基础肥力的田块,进行冬小麦不同生育阶段的水氮组合处理对比试验研究,通过对冬小麦生长、产量和品质等指标的测定,分析不同土壤肥力条件、不同水氮运筹方案对滴灌冬小麦产量及品质的影响。结果表明:土壤基础肥力对滴灌冬小麦株高的影响显著,再适当增加返青-拔节期灌水量,对滴灌冬小麦株高有更好的调控效应;增施基肥能提高冬小麦光合产物从而提高冬小麦产量。土壤基础肥力提高对滴灌冬小麦籽粒容重、蛋白质含量、维生素B1、氨基酸含量和吸水率具有负效应。推荐高肥力田滴灌冬小麦水肥运筹方式为W2N2即灌浆期水分调控和氮肥后移的组合方式,低肥力田滴灌冬小麦水肥运筹方式为W1N3即返青-拔节期水肥调控的组合方式为宜。     

不同氮响应型冬小麦品种植株氮素利用的差异及氮肥的调控研究

【目的】明确不同氮响应型冬小麦品种氮素吸收利用对氮肥的响应差异,挖掘黄土高原麦区冬小麦品种的高效高产潜力。【方法】于2018—2019年在山西农业大学校内小麦试验基地开展试验,试验主区为良星99、邯麦13、山农22、良星77、烟农999和山农29共6个冬小麦品种,副区为150、270 kg/hm~2的2个施氮水平,分析不同氮响应型冬小麦产量及氮效率与植株氮素吸收利用的关系。【结果】根据氮响应度将6个冬小麦品种聚类划分为强响应型品种(山农29、邯麦13和烟农999)和弱响应型品种(良星77、山农22和良星99)。强响应型品种较弱响应型品种显著提高了籽粒氮素积累量、花前植株氮素运转量、花后植株氮素积累量、产量以及氮效率,其中产量及氮效率分别增加17.85%～22.35%、9.20%～12.31%,显著降低了成熟期20～200 cm土层土壤硝态氮量。施氮量270 kg/hm~2较150 kg/hm~2强响应型品种成熟期茎秆+叶鞘、叶片氮素积累量和百公斤籽粒吸氮量显著降低,花前植株氮素运转量及其对籽粒的贡献率、花后植株氮素积累量、花前茎秆+叶鞘、叶片氮素运转量及其贡献率显著提高,氮素利用效率和产量分别显著增加11.98%和4.89%;弱响应型品种各器官氮素积累量增加,籽粒氮素积累量所占比例下降,花前植株、茎秆+叶鞘氮素运转量及其对籽粒的贡献率显著提高,产量显著提高7.87%,成熟期0～120cm土层土壤硝态氮量显著提高,百公斤籽粒吸氮量降低不显著。此外,在同类品种不同施氮量条件下,产量、氮素利用效率、百公斤籽粒吸氮量均与花前整株氮素运转量相关性更高,且强响应型小麦品种的相关性高于弱响应型品种的。【结论】强响应型品种产量、氮素利用效率高,器官中积累氮素向籽粒运转能力强,且花前茎秆+叶鞘、叶片氮素运转量可以作为氮高效品种的筛选指标。施氮量270 kg/hm~2较150 kg/hm~2促进强响应型品种产量及氮素利用效率显著增加,保证高产高效。     

推迟灌拔节水对不同种植模式冬小麦产量及品质的影响

为探讨华北平原冬小麦控水提质种植模式,在2012—2013年冬小麦生育期间,采用常规种植和宽幅精播2种种植模式,每种种植模式都设冬小麦整个生育期不灌溉、于拔节期灌溉60mm和于拔节后10 d灌溉60 mm共3种灌溉处理,研究了控水条件下不同种植模式冬小麦的籽粒产量及品质特性.结果显示:推迟灌拔节水显著增加了穗粒数、湿面筋含量和湿面筋指数.宽幅精播种植模式显著增加了冬小麦穗数.推迟灌拔节水显著提高了宽幅精播冬小麦的籽粒产量、籽粒蛋白质产量、吸水率、湿面筋含量和面团稳定时间.在冬小麦生育期间总灌溉量为60 mm条件下,推迟灌拔节水显著提高了宽幅精播冬小麦的籽粒产量和加工品质.研究可为华北平原冬小麦控水提质模式提供理论依据和技术支持.     

灌水控制下限对冬小麦产量和品质的影响

为制定冬小麦的优质高效灌溉指标，通过3个生长季（2005－2008年）的人工控水试验，研究了不同灌水控制下限对冬小麦生长、产量和品质的影响。结果表明，与对照相比，播种—拔节前期水分胁迫对冬小麦生长、产量及品质的负面影响不明显，且可节水11.68%～18.18%，水分利用效率提高8.33%～12.5%；拔节—抽穗前期水分胁迫对冬小麦生长的抑制作用最明显，使籽粒出粉率、蛋白质质量分数显著降低，面团形成时间和稳定时间显著缩短，产量降低6.56%～9.08%，但可节水24.29%～31.95%，水分利用效率提高6.19%～10.63%；抽穗扬花期水分胁迫对冬小麦生长没有明显影响，虽显著提高了籽粒蛋白质、湿面筋、氨基酸质量分数和出粉率，但减产9.96%～11.35%，水分利用效率仅提高了4.12%～5.62%；灌浆成熟期水分胁迫对冬小麦生长影响最小，籽粒蛋白质、湿面筋、氨基酸质量分数和出粉率均显著提高，但大幅度降低了产量，水分利用效率只提高了1.03%～5.95%。华北地区冬小麦优质高效节水灌溉指标是：播种—拔节前期、拔节—抽穗前期、抽穗扬花期和灌浆成熟期的灌水控制下限分别为50%、65%、70%和65%田间持水率。     

水分胁迫对桶栽冬小麦产量和品质的影响

通过对桶栽冬小麦在拔节期和灌浆期设计不同水分胁迫处理,研究了不同程度、不同时期水分胁迫对冬小麦产量和品质的影响,分析了产量和品质的相关关系。结果表明,灌浆后期干旱可明显提高小麦品质,当籽粒蛋白质含量在14%~16%之间时,高产和优质的矛盾不突出;拔节、灌浆期任何程度的水分胁迫都将导致产量下降,重度胁迫下降幅度较大;拔节期干旱对有效穗数、穗粒数和产量影响大,而对千粒重影响最敏感的时期是灌浆期,拔节、灌浆生育后期胁迫处理对产量及其构成因子的影响比前期小;灌浆期土壤相对含水率控制在55%~70%之间可实现节水、高产、优质三者的协调统一。     

氮肥对限制灌溉下冬小麦旗叶氮同化及水氮利用效率的影响

为建立冬小麦节水高产栽培技术,以周麦22为材料,通过大田试验研究了氮肥对限制灌溉下冬小麦旗叶氮同化及水氮利用效率的影响。结果表明,限制灌溉条件下增施氮肥能增加旗叶中全氮量和叶片相对含水率,同时能增加灌浆期旗叶谷氨酰胺合成酶(GS)活性,GS2的转录水平有明显提高;与灌浆期灌水相比,拔节期灌水处理的小麦氮素代谢强度较高,但不显著。从产量和水肥利用效率来看,增施氮肥能增加小麦产量和水分利用效率,但氮肥利用效率不高;与灌浆期灌水相比,拔节期灌水小麦产量和水肥利用效率明显较高。一定范围内增施氮肥或灌水时期适当提前能明显增强限制灌溉下小麦氮代谢水平,提高产量和水分利用效率。     

交替隔沟灌溉条件下玉米群体水氮利用研究

为探索交替隔沟灌溉条件下玉米优化水氮供给模式,通过遮雨棚内微区试验,研究了沟灌方式、灌水量和施氮量对玉米群体水氮利用的影响.结果表明:交替隔沟灌溉中水低氮处理的籽粒产量最高,是交替隔沟灌溉高水高氮处理的1.06倍.在相同水分和氮肥条件下,交替隔沟灌溉的籽粒产量分别是常规沟灌和固定隔沟灌溉的1.05、1.16倍.各因素对全氮累积总量的影响从大到小依次为:沟灌方式、施氮量、灌水量;灌水量对全氮累积总量影响显著.     

滴灌施肥下水氮供应对夏玉米产量、硝态氮和水氮利用效率的影响

【目的】寻找滴灌夏玉米最佳施氮量。【方法】本试验在测坑-防雨棚设施条件下进行,试验设置2个灌水定额,分别为50 mm(WH为充分灌溉)25 mm(WL为限水灌溉);4个氮肥水平,即0、90、180、270 kg/hm~2,分别以N0、N1、N2和N3表示。采用完全区组设计,共计8个处理,3次重复。研究了滴灌施肥条件下,灌水定额和氮肥互作对土壤水分消耗、NO3--N运移积累以及夏玉米产量和水氮利用效率的影响。【结果】灌水、氮肥及其交互作用均显著影响夏玉米地上部干物质量、籽粒产量和水氮利用效率。限水灌溉条件下,玉米拔节期—灌浆初期发生中轻度水分亏缺,对后期产量形成产生显著影响,但限水灌溉显著提高了土壤贮水的消耗量和水分利用效率。在2种灌溉水平下,施氮量与产量均成抛物线关系,充分灌溉条件下施氮量264.3 kg/hm~2时为转折点,限水灌溉条件下施氮量176.9 kg/hm2为转折点。充分灌溉条件下,随着施氮量的增加氮肥农学利用率呈增加趋势;但在限水灌溉条件下,随着施氮量的增加氮肥农学利用率表现出降低的趋势。随着施氮量增加,各土层土壤硝态氮量显著增加,且60～100 cm土层硝态氮累积所占比例增加。与充分灌溉相比,限水灌溉作物吸氮量降低,各生育期土壤中硝态氮残留增加。【结论】玉米产量对氮素的响应与供水量相关,水分亏缺下,产生最大产量需要的氮素用量随之降低。因此,生产中应根据土壤含水率调整施氮量,以实现最高产量和水肥利用效率。     

水氮互作对水稻产量及品质的影响

为了探索水稻优质高效水氮供应模式,以郑稻18和信粳18为材料,设置常规灌溉(CI)、湿润灌溉(SI)和控制灌溉(KI)3种灌溉方式;中肥(MN,225kg/hm2)和高肥(HN,300kg/hm2)2种施氮水平,以不施肥(CK)为对照,通过大田试验重点研究了水氮互作对水稻产量及品质的影响。结果表明:与CK相比,施氮显著增加了产量,但随着施氮量的增加,不同灌溉方式下2品种对氮肥的响应有所差异。稻米品质各指标的氮肥效应大于灌溉水平的影响,水氮互作对郑稻18米质的影响大于信粳18。MN较CK和HN更有利于提高稻米品质,在KI和SI下,稻米加工、外观和营养品质略优于CI。因此,在中等施肥量(MN)条件下,采用控制灌溉(KI)模式进行水、肥管理,可在一定程度上使2品种的产量和品质得到协调。     

土壤水分胁迫下冬小麦籽粒灌浆特性的研究

利用2008--2009年度田间小区冬小麦灌溉试验资料,研究了不同水分胁迫程度、不同水分胁迫时期对冬小麦籽粒灌浆进程以及籽粒产量的影响.研究结果表明:在不同水分调控条件下,冬小麦籽粒灌浆规律符合"慢一快一慢"的"S"型生长曲线,可以用Logistic曲线拟合;且水分调控对籽粒灌浆参数有不同程度地影响,进而对粒重有重大影响.随着水分胁迫的加剧,冬小麦灌浆起步时间愈早,达到峰值的时间愈快.而在孕穗、抽穗和灌浆期任一期内缺水处理都会缩短小麦灌浆持续时间,减少穗粒数,也降低粒重,最终影响产量.因此在冬小麦拔节期可允许轻度的水分胁迫,而灌浆期则应尽量避免任何程度的水分胁迫.     

水氮耦合条件下冬小麦生长和氮素营养诊断

基于2年大田试验,对比研究了不同施氮量(N1:80 kg/hm2,N2:160 kg/hm2,N3:240 kg/hm2)和水分(W1:拔节期和抽穗期分别补灌30 mm,W0:不灌溉)处理对冬小麦地上部生物量累积、产量和水氮利用效率的影响。此外,构建了2种水分条件下的冬小麦临界氮浓度稀释曲线模型,并据此建立氮营养指数模型对冬小麦进行氮素营养诊断。结果表明,一定水分条件下,中氮处理的地上部生物量显著高于低氮处理,且与高氮处理差异不显著;一定施氮水平下,适当补充灌溉可提高冬小麦地上部生物量累积。2种水分处理的冬小麦地上部最大生物量与临界氮浓度间符合幂函数关系,拟合度均达到极显著水平,且在年际间具有较好的稳定性。综合氮营养指数和施氮量与产量的拟合曲线得出,W0和W1条件下,冬小麦获得最高产量时对应的施氮量分别为171和186 kg/hm2。2个冬小麦生长季,W1N2处理的平均水分利用效率分别较W0N2和W1N3处理提高10.57%和14.01%;平均氮肥利用效率分别较W0N2和W1N3处理提高10.97%和55.77%,是合理的灌水施肥处理。     

不同水分胁迫情境下冬小麦生长发育的RZWQM2模拟

为提高水分胁迫条件下作物生长过程的模拟精度,根区水质模型(Root zone water quality model 2,RZWQM2)的开发者改进了原有的水分胁迫指标(Soil water index 1,WSI1)得到2种新的水分胁迫指标WSI2和WSI3。其中,WSI2用Nimah and Hanks方程修正影响光合作用的胁迫系数(Soil water factor,SWFAC)中的根系吸水项;WSI3则在WSI2的基础上加入了土壤蒸发项。为比较上述3种水分胁迫指标模拟水分胁迫条件下冬小麦生长发育的精度,并对其在关中地区的适用性进行评价,首先利用2012—2013年和2013—2014年两年度的冬小麦分段受旱试验对RZWQM2模型进行校准和验证,然后分别选取模型中3种不同的水分胁迫因子对2年(2012—2014年)分段受旱试验进行模拟,评价冬小麦的土壤水分动态、蒸腾总量、最终生物量和籽粒产量的模拟效果。结果表明:3种水分胁迫因子能较好地模拟生育后期轻度受旱条件下冬小麦的生长发育过程,但随着受旱程度的加深和受旱时段的提前,模型的模拟精度降低;相较原有水分胁迫因子WSI1,WSI2提高了各受旱处理的模拟精度,其中2年生物量的平均RRMSE降低了2.84个百分点,籽粒产量的平均ARE降低了1.43个百分点,且在越冬期和拔节期受旱处理的模拟精度提高最为明显。综上,现有RZWQM2模型对冬小麦受旱处理的模拟还存在一定局限性,可从改善物候期和ET模拟精度及加入旱后复水对冬小麦生长的补偿效应等方面进一步研究和改进。如需利用现有模型对水分胁迫条件下冬小麦生长发育过程进行模拟,建议选用WSI2。     

不同灌水及施肥措施对冬小麦生长及产量影响的试验研究

为了探明水肥对小麦生长和产量的影响,于2011—2014年在山西省临汾市灌溉试验站进行冬小麦田间试验,研究了不同水肥条件对冬小麦叶面积、干物质量、产量等的影响以及施肥量、水量与产量之间的关系。结果表明,改善水氮状况,可以有效提高植株的叶面积,处理3各时期的叶面积的平均值比处理2高出32.3%。在灌溉供水相对受限或降水相对较少的2012—2013年度,水是限制氮肥肥效发挥的一个重要因素,各不同施氮处理之间干物质量差异不显著(P0.05),且该年份的处理2地上干物质量增加较缓慢,在3个年度中是最低的。在相同的供水水平下,施肥量与小麦产量呈抛物线关系,且氮肥用量与供水量之间有明显的正交互作用。在冬小麦的生长培育过程中,通过改善水氮条件,可以有效提高其叶面积及干物质量,达到高产高效的目的。     

基于RZWQM模型的冬小麦—夏玉米水氮管理评价

利用2010和2011年在中国科学院通州农田水循环与现代节水灌溉试验基地获取的冬小麦-夏玉米轮作条件下不同水肥管理时的试验数据,对RZWQM(Root zone water quality model)模型中的土壤水分、氮素和作物模块进行率定和验证,模型验证结果表明各土层土壤含水率的均方根误差(RMSE)和相对误差(MRE)分别在0.015~0.026 cm3/cm3和-6.66%~5.83%之间变化,土壤贮水量模拟值与实测值一致;冬小麦和夏玉米产量、吸氮量的模拟值与实测值的相对误差(RE)小于25%。该结果表明率定和验证后的RZWQM模型能够用来模拟华北地区冬小麦-夏玉米轮作条件下土壤水、氮及作物动态变化。利用率定和验证后的模型分析对比了常规施氮条件下,不同喷灌灌水频率和传统灌溉方式对作物产量和氮素渗漏的影响。结果表明在灌溉总水量相同的条件下,当20 cm蒸发皿累积蒸发量为30~70 mm时开始灌溉,其作物产量高且氮素渗漏量和损失量小。综合考虑作物产量和环境效应,推荐较优的喷灌灌溉频率为累积蒸发量为30~70 mm时开始灌溉。     

地下水埋深和施氮量对冬小麦灌浆及水氮利用影响

探讨地下水埋深和施氮量对华北地区冬小麦灌浆特性和水氮利用效率影响,以百农4199为试验材料,设置地下水埋深(GW2:2 m,GW3:3 m,GW4:4 m)和施氮量(N300:纯氮量300 kg/hm²,N240:纯氮量240 kg/hm²)2个因素,评估地下水埋深和施氮量对冬小麦灌浆特性、产量形成及水氮利用效率等影响.结果表明:小麦千粒质量与快速增长期时间拐点、平均灌浆速率、灌浆持续时间显著正相关;路径分析表明,地下水埋深主要是通过影响小麦单株籽粒质量、穗数、穗粒数来影响产量的,地下水埋深对产量影响的直接标准化路径系数为0.334(P<0.05),施氮量主要是通过影响单株籽粒质量和穗数来间接影响产量;地下水埋深相同时,N240施氮水平氮肥偏生产力NPP和水分利用效率WUE均显著高于N300施氮水平.故建议地下水埋深大于2 m地区小麦高产和农业绿色可持续发展的施氮量为240 kg/hm².     

水氮耦合对山西旱地冬小麦籽粒产量和氮吸收影响研究

2009和2010年分别对山西省襄汾县旱地冬小麦150和96个样本水氮田间耦合效果进行了调查研究。结果表明,该地区农户冬小麦产量处于偏低水平,增产潜力较大。不同产量等级的氮肥投入量相差不大,2009、2010年平均为123.2、136.2 kg/hm2,属于偏低水平,但随着平均产量、氮吸收量、利用率的增加,平均灌溉次数增加。当灌溉次数从0增加到4次时,对应的平均产量、氮肥吸收量和利用率与灌溉次数呈正相关。故适当增施氮肥和以水促氮是提高冬小麦产量、氮吸收量和吸收率的重要途径。     

水稻拔节期水氮互作的后效性影响研究

通过盆栽试验研究了不同水氮互作条件下水稻各项生理指标短期和长期的后效变化.结果表明:适宜的水氮组合复水短期内对生理活性有一定的补偿效应,生育后期表现出延缓衰老的长期后效性;水、氮单因子复水短期内对叶片叶绿素含量、荧光参数、丙二醛含量等生理指标影响显著,水氮协同互作效应在复水15 d后达显著水平;不同的水分胁迫后复水,水氮互作效应不同,重旱处理产量随复水后施氮量的增加而增加,但产量较其他处理明显降低.应避免水稻拔节期重旱,土壤含水率不能低于田间持水率的70％;充分灌溉和轻旱处理产量随施氮量的增加有所降低,拔节期高水高肥不一定高产,轻旱后复水结合低氮追肥,节水保产效果最佳.     

华北典型区冬小麦区域耗水模拟与灌溉制度优化

以经校验Aquacrop模型模拟了不同土壤条件下冬小麦水分与产量响应关系,结合北京大兴区土壤分布及其冬小麦实际种植情况,对模型模拟结果进行区域尺度拓展,以此为基础分析了研究区不同灌溉制度下冬小麦耗水量、产量及水分生产率的变化规律,并推荐了与华北地区水资源实际情况相适宜的冬小麦亏缺灌溉制度。结果表明:应用Aquacrop模型能较好模拟冬小麦生育期内土壤墒情和冠层覆盖度的动态变化过程及其生物量与产量情况,可利用经校验后的模型进行冬小麦水分与产量响应关系研究。灌溉定额在300 mm范围内,随着灌溉量增加,耗水量增大;在灌水次数相同条件下,灌溉日期不同,因蒸腾量变化导致耗水量差异显著。在相同处理下总体上降水多年份产量较高,而不同处理之间随着灌溉量增加产量增大;在灌水次数相同情况下,灌溉关键生育时段选择对冬小麦产量形成及水分生产率提高至关重要。以冬小麦增产提效为原则,在灌1水情况下重点保障拔节-抽穗阶段的需水;灌2水情况下重点保障返青-拔节、抽穗-乳熟阶段需水;灌3水情况下重点保障返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-乳熟阶段需水。针对华北水资源严重短缺实际,建议北京大兴区冬小麦采用灌2水的亏缺灌溉制度,较灌4水情况下的灌溉量与耗水量分别减少140、65 mm,能确保75%产量。可见,在与华北类似的资源性缺水区域,选择适宜亏缺灌溉制度,能大幅降低区域灌溉量与耗水量,在稳定区域冬小麦产量及涵养地下水源方面具有重要的现实意义。     

干旱地区春小麦节水高产优质栽培技术

采用二次回归正交旋转组合设计方法,研究了河北省坝上干旱地区的高、中水肥条件下春小麦节水高产优质栽培的播种量、施氮量、施磷量及灌溉定额等４项农艺措施与产量间的关系,建立了不同水肥条件下春小麦的产量与４项农艺措施的函数模型,通过数学模拟筛选出了高水肥春小麦平均产量６７５０ｋｇ／ｈｍ２,中水肥平均产量３０００ｋｇ／ｈｍ２以上的最佳农艺措施组合方案,为坝上高寒干旱地区春小麦节水高产优质栽培提供一个模式。