集雨节灌种植技术对夏玉米光合特性及产量的影响

以沟灌、水平畦灌为对照,通过2年大田试验分析了在关中灌区集雨节灌种植技术对夏玉米功能叶片的光合参数、荧光参数、叶绿素含量及产量的影响。结果表明,在同期灌溉处理中,集雨节灌处理各测定时期的最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、最大光能转换效率（Fv/Fm）、PSⅡ潜在活性（Fv/Fo）和叶绿素含量显著高于沟灌、畦灌。集雨节灌处理的籽粒产量在播前灌1水处理下较沟灌、畦灌和沟垄集雨种植分别提高4.9%（P<0.05）、8.5%（P<0.05）和2.2%,在开花期灌1水处理下提高6.0%（P<0.05）、8.3%（P<0.05）、1.3%;在播前和开花期均灌1水处理下提高7.0%（P<0.05）、11.2%（P<0.05）和7.2%（P<0.05）。不同灌溉时期集雨节灌处理的净光合速率（Pn）和叶片瞬时 水分利用效率（WUE）均在灌浆期显著高于畦灌,对基础荧光（Fo）和蒸腾速率（Tr）的影响不明显。除开花期灌1水处理外,其它灌水时期下的集雨节灌处理百粒重显著高于沟灌、畦灌处理。研究表明,集雨节灌可以显著提高叶片光合性能,增强PSⅡ反应中心的电子传递、光合化学效率和潜在活性,且产量显著高于传统沟灌、水平畦灌处理。     

利用环境氚估测黄土高原坡地深层渗漏量

应用环境示踪剂氚,通过氚峰值示踪法研究了黄土高原长武塬区王东沟流域典型坡地梯田上、中、下3个坡位的深层渗漏及地下水补给量。结果表明:黄土坡地仍然存在清晰的1963年氚峰,存在不同程度的弥散过程;上、中、下3个坡位的氚峰值深度分别为6.6,7.6,8.2m,平均入渗速率分别为9.2,11.2,12.4cm/a,深层渗漏量分别为20,22,27mm/a。上、中、下3个坡位的估测补给量均依次增大,主要是由于坡地梯田在不同坡位存在一定的径流所致;下坡位地势较低,一方面可以接受上方水分补给,另一方面较低的地势与中上坡相比实际蒸发蒸腾量较小。3个坡位的估测补给量为3%~5%,小于黄土高原已经报道的补给系数。     

宽垄窄行覆膜种植对夏玉米土壤水热及产量的影响

研究了旱作区雨养条件下,不同覆盖栽培模式对农田土壤水热变化动态及夏玉米产量的影响,为完善覆膜集雨栽培技术提供了一定的理论依据。试验设置了宽窄行垄沟覆膜种植(WFL)、宽窄行平作覆膜种植(WFP)、等行距垄沟覆膜种植(DFL)、等行距平作覆膜种植(DFP)、等行距平作不覆膜种植(CK)等5种不同种植模式,分别监测作物全生育期的土壤水分和土壤温度。结果表明,各覆盖处理0~10 cm土层有效积温(TTsoil)均显著增加,整个生育期内,WFL、DFL、WFP和DFP处理的TTsoil较CK分别提高280.2、250.2、162.3和150.5℃(P0.05)。覆盖种植使玉米生育期提前,且延长了玉米的生殖生长期,WFL、DFL、WFP和DFP处理玉米的生殖生长时间分别较CK长19、14、16、12 d。各覆盖处理均能改善玉米前期0~200 cm土层土壤水分,其中,WFL处理在0~20 cm土层内土壤储水量增加最为显著,较CK提高了21.95%。玉米生长后期各处理土壤贮水量与CK无显著差异。与等行距垄沟种植模式相比,宽窄行垄沟覆盖模式促进了个体发育,增加了叶面积指数和干物质积累,作物产量提高13.8%,水分利用效率提高了6.8%,土壤有效积温利用效率提高47.2%,各项指标与CK差异均达极显著水平。因此,宽窄行垄沟覆盖模式可推荐为旱作区一种较为理想的保护性耕作模式。     

基于流量偏差率的滴灌毛管管径简易设计

满足灌水均匀度设计标准与额定流量的滴灌毛管管径优化设计是滴灌毛管水力设计的重要内容。该文以流量偏差率为灌水均匀度设计标准,提出一种简易的滴灌毛管管径水力设计方法。通过改变单向和双向滴灌毛管流量偏差率解析公式的形式,提出一个新的管径设计参数。基于能坡线法,建立参数与坡降比参数的关系,并绘制和构建相关图形和计算公式。结果表明：当流量指数分别取值为1.75、1.69和1.00时,单向毛管管径的设计参数取值分别为?1～≤2.801,?1～≤2.859和?1～≤4;双向毛管管径的设计参数取值分别为0～≤3.143,0～≤3.183和0～≤4。满足流量偏差率设计标准和灌水器额定流量时,单向毛管管径将有1或2个设计值,双向毛管管径将有1、2或多个设计值。根据参数的取值范围,以坡降比参数为设计变量,推导了均匀坡下单向和双向毛管管径的计算公式。此外,进一步简化了滴灌毛管进口工作水头的计算公式。当已知设计流量,流量偏差率设计标准,毛管管长等参数时,可以按照设计步骤直接计算滴灌毛管管径和进口工作水头,无需进行任何复杂的试算。设计案例1表明在多数地形条件下,利用该文方法设计单向毛管的结果与传统方法设计结果的相对误差不超过4%;设计案例2表明该文方法设计双向毛管的结果与其他2种常用方法设计结果的最大相对误差为4%。因此,从工程实践角度,利用该方法设计的滴灌毛管管径和进口工作水头与其他传统方法设计结果非常接近。相比于传统设计方法,该方法简便实用,可以直接应用于滴灌工程设计。该研究可为改进滴灌毛管优化设计提供理论依据。     

苹果幼树生理特性和水分生产率对水肥的响应研究

为探明半干旱地区苹果幼树水肥精准管理模式,研究了苹果幼树生理特性和水分生产率对不同水肥的响应机制,试验设置4个灌水水平,其灌水上下限分别为田间持水率的75%~85%(W1)、65%~75%(W2)、55%~65%(W3)、45%~55%(W4)和3个施肥水平(N-P2O5-K2O),即高肥:0.6-0.6-0.2 g/kg干土(F1)、中肥:0.4-0.4-0.2 g/kg干土(F2)、低肥:0.2-0.2-0.2 g/kg干土(F3)。结果表明:苹果叶片相对含水率和饱和含水率以及叶绿素SPAD值均可以反映土壤水分的亏缺状况;叶片脯氨酸含量最高和最低分别为F1W4和F3W1处理(F1W4比F3W1增加440.8%),丙二醛含量最高和最低分别为F3W4和F1W1处理(F3W4比F1W1增加167%);叶片水分利用效率(WUE)最大值出现在F2W2处理,与F1W1相比,其净光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs分别减小了18.8%、29.1%、23.2%,但WUE却增加了14.2%;水分生产率(CWP)最大值也基本上出现在F2W2处理,与F1W1相比,虽然其干物质质量减少了5.2%,但耗水量却减少了16.4%,CWP增加了13.4%;叶片水分利用效率在一定程度上能够反映其水分生产率,F2W2处理为节水、节肥的最佳水肥耦合模式。     

应用DNDC模型模拟关中地区农田长期施肥条件下土壤碳含量及作物产量

为探讨长期不同施肥条件下土壤有机碳和作物产量的变化规律及DNDC模型在关中地区的适用性,利用在陕西杨凌设置的长期定位施肥试验数据,选取不施肥(CK)、单施氮磷钾无机肥(NPK)、无机肥配施秸秆(SNPK)、无机肥配施低量有机肥(M1NPK)及无机肥配施高量有机肥(M2NPK)5个处理,分析了20年来土壤有机碳(SOC)含量、碳循环以及农作物产量的变化趋势等基本特征。分析数据表明:CK使得土壤肥力持续下降,显著地降低了SOC含量和作物产量;NPK处理虽可促进作物产量,但对表层土壤肥力的增加不明显,与CK处理无显著差异;而SNPK、M1NPK与M2NPK处理既增加了作物产量,同时也显著提高了土壤肥力,且以M2NPK的增产增肥效果最佳。在此基础上,利用实测数据标定和验证了DNDC模型,通过均方根误差(RMSE),标准化的均方根误差(N-RMSE)以及符合度指数(d)对模型适用性分析,模型预测精度较好,可用于预测该地区作物产量和土壤有机碳动态。从模型输出20年来土壤碳含量的变化看,施肥能提高作物地上部、地下部生物量以及土壤异氧呼吸作用,即同时提高了外源碳携入量和内源碳消耗量,但各施肥处理均在碳储量上表现为盈余状态。因此,在关中地区,为提高土壤肥力、碳储量以及作物产量,可推广无机肥配施有机肥的措施。     

卷盘式喷灌机移动喷洒均匀度计算模型构建与应用

卷盘式喷灌机移动喷洒均匀度是衡量灌溉质量的重要指标。现有卷盘式喷灌机组均匀度计算方法或过于繁琐,或显计算精度不足。该研究提出一种基于最小二乘法的移动喷洒均匀度计算模型,模型计算结果与实测结果偏差在6%以内。应用该模型对配备50PYC垂直摇臂式喷枪的卷盘式喷灌机进行模拟,结果表明:不同工作压力下的灌水深度呈梯形分布,移动喷洒均匀度随喷枪工作压力的升高略有提升。喷枪辐射角对机组的喷洒均匀度有较大影响,喷枪辐射角为180°、220°和270°时,移动喷洒均匀度系数分别为61.4%、69.9%和71.9%。喷枪辐射角的增大可有效提高喷洒域内各点的灌水历时,从而降低平均喷灌强度,减小地表径流的发生概率。移动喷洒均匀度系数随组合间距的增加先增高后降低,组合间距在1.5R~1.7R时的组合喷洒均匀度系数不低于85%。综合考虑喷枪辐射角和组合间距双因素对移动喷洒均匀度的影响,该工况下喷枪辐射角的适宜范围为240°~320°,组合间距的适宜范围为1.4 R~1.7 R。该研究结果可为卷盘式喷灌机组运行参数的优化配置提供参考。     

不同水分胁迫条件下DSSAT-CERES-Wheat模型的调参与验证

作物模型为人们认识旱区农业生境过程并对其进行调控提供了一种有效的工具。为了探讨小麦生长模拟模型DSSAT-CERES-Wheat能否准确模拟水分胁迫条件下旱区冬小麦的生长发育和产量形成过程,同时确定参数估计和模型验证的最优方案,该研究进行了连续两季(2012.10-2013.06和2013.10-2014.06)的冬小麦分段受旱田间试验。试验将冬小麦整个生育期划分为越冬、返青、拔节、抽穗和灌浆5个主要生长阶段,每相邻两个生长阶段连续受旱,形成4个不同的受旱时段水平(D1-D4),根据小麦生育期的需水量,设置灌水定额分别为40和80 mm 2个水平(I1和I2),共形成8个处理,每处理3次重复,在遮雨棚内采用裂区试验布置,此外在旁边设置1个各生育期全灌水的对照处理。文中设置了5套不同的参数估计和验证方案,利用DSSAT-GLUE参数估计模块得到不同的参数估计结果。通过对比分析冬小麦物候期、单粒质量、生物量、产量、以及土壤水分含量的模拟值和实测值之间的差异,以确定利用DSSAT-CERES-Wheat模型模拟旱区冬小麦生境过程的精度。结果表明,参数P1V(最适温度条件下通过春化阶段所需天数)和G3(成熟期非水分胁迫下单株茎穂标准干质量)具有较强的变异性,变异系数分别为19.07%和16.34%,受基因型-环境互作的影响较大,而其他参数的变异性则较弱,变异系数均小于10%;DSSAT-GLUE参数估计工具具有较好的收敛性,不同参数估计方案所得的参数值具有一定的一致性;不同的参数估计方案所得的模型输出结果有较大差异,其中参数估计方案1(利用两季试验中的充分灌溉处理CK数据进行参数估计,其他不同阶段受旱处理数据进行验证)的模型校正和验证精度最高,其中模型校正的绝对相对误差(absolute relative error,ARE)和相对均方根误差(relative root mean squared error,RRMSE)分别为4.89%和5.18%。在冬小麦抽穗期和灌浆期受旱时,DSSAT-CERES-Wheat模型可以较好地模拟小麦的生长发育过程以及土壤水分的动态变化,但是在越冬期和返青期受旱时,模拟结果相对较差,并且随着受旱时段提前和受旱程度的加重,模拟精度将变得更低。此外,该模型无法模拟由不同水分胁迫造成的冬小麦物候期差异,需要对模型进行相应的改进。交叉验证表明DSSAT-CERES-Wheat模型模拟该研究中不同水分胁迫条件下冬小麦生长和产量的总体性误差在15%~18%左右。总之,DSSAT-CERES-Wheat模型在模拟旱区冬小麦生境过程时存在着一定的局限性,若要更广泛地将该模型应用在中国干旱半干旱地区的冬小麦生产管理和研究,有必要对冬小麦营养生长阶段前期的水分胁迫响应机制和模拟方法进行进一步的深入研究。     

基于聚类法筛选历史相似气象数据的玉米产量DSSAT-CERES-Maize预测

根据陕西杨凌、合阳、长武3个站点各2 a玉米试验,在对玉米生长模拟模型CERES-Maize进行调试、验证的基础上,探索在生育期内进行动态产量预测的方法并验证.研究将目标生育期内未知气象数据分别用试验地的多年历史同期数据代替,结合生育期实时数据对应生成多个完整的气象数据序列运行模型预测产量.随着生育期的推进,逐日在气象数据序列中融入目标年实测的气象数据,从播种至收获动态模拟玉米产量.此外该研究使用改进前后的K-NN算法从历史气象年份中筛选目标年的气象相似年份进而预测产量.通过对3种方法预测精度及预测效率对比,确定改进的K-NN算法最优.研究表明,玉米生育前期产量预测可靠性和准确率均较差,抽雄后预测精度迅速提高;利用改进的K-NN算法在3个站点全生育期预测产量的平均绝对相对误差的均值分别为9.9%、19.8%、17.9%,抽雄后预测产量的平均绝对相对误差在0.2%~12.6%之间,相比于使用全部历史年份数据进行全生育期产量预测,模拟所需时间从61 min缩短至25 min.对该方法中降雨因子的筛选进一步改进可提高预报精度,未来有望达到业务应用水平.     

干旱区大田玉米膜下滴灌土壤水热效应研究

土壤水热状况是影响干旱区作物产量的主要因素,围绕膜下滴灌土壤水热运移情况,以河套灌区玉米为研究对象,开展了2年的田间试验,研究了膜下滴灌条件下不同覆膜耕作方式对土壤水热运移规律的影响。试验设垄作全膜(LQ)、垄作半膜(LB)、平作全膜(PQ)和平作半膜(PB)4个处理,采用烘干法测定0—120cm土壤含水量,ECH2O-5TE探头测定0—120cm土壤温度。试验结果表明:在苗期,0—20cm土层LQ土壤含水率较LB、PQ和PB分别提高了14.4%,23.8%和26.9%;拔节期,0—40cm土层LQ含水率较LB提高了32.6%,PQ较PB提高了5.8%;抽雄期0—60cm土层垄作土壤含水率明显高于平作,而60—120cm土壤含水率差异不明显;成熟期0—80cm土层LQ土壤含水率较LB、PQ和PB分别提高了18.1%,11.2%和21.5%。分析0—70cm土层平均土壤温度发现,LQ的温度明显高于半膜覆盖的处理,2014年和2015年LQ土壤温度较LB分别增加0.44,1.16℃,较PQ分别增加0.93,0.22℃,较PB分别增加1.22,1.37℃。2年的试验验证了不同覆膜耕作方式下,随土层深度的增加,土壤温度变化趋于平缓。垄作全膜可以提高土壤温度,增大土壤含水率,有效防止垄体土壤温度的散失,为作物生长提供良好的水热状态,促进作物增产。