基于养分损失脆弱区的氮磷淋溶分区消减策略

农业面源污染研究多聚焦于田块尺度,缺少对区域尺度氮磷损失风险和消减途径的探索。因此,本研究提出在区域尺度依据养分损失风险制定管理策略,以期在现有技术条件下充分发挥减排措施潜力、全面提升面源污染区域阻控效力。本文利用水质监测数据、文献数据、地理要素空间数据和基于NUFER（NUtrient flows in Food chains,Environment and Resources use）模型模拟的养分损失结果,划定了我国养分损失脆弱区;在此基础上,按照我国农业生态区划和养分损失脆弱区级别确定了各区养分管控程度,并结合各区自然和社会经济条件选取可行、高效的养分管理技术,形成了我国氮磷淋溶区域消减策略和技术列单;最后通过模型再次评估了分区氮磷消减策略的效果。结果表明：养分损失脆弱区和潜在脆弱区覆盖了全国耕地面积的52%,广泛分布于主要农产品产区,呈现显著的空间聚集特征;分区养分管理可以消减51%的潜在脆弱区面积,消减潜力较大的区域集中在东北、长江中下游和西南地区;氮淋溶强度超过22.6 kg·hm^-2的区域覆盖耕地面积3.1×10⁷ hm²,通过实施基于养分损失脆弱区的分区氮磷消减措施,氮淋溶超标区内耕地面积减少至1.9×10⁷ hm²,消减比例约为40%。上述养分损失脆弱性区划和区域氮磷消减草案可为农业绿色发展和面源污染控制提供科学依据。     

不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体 交换及其综合增温潜势

研究不同耕作措施下小麦-玉米轮作农田N_2O、CO_2和CH4等温室气体的综合增温潜势,有助于科学评价农业管理措施在减少温室气体排放和减缓全球变暖方面的作用,为制定温室气体减排措施提供依据。基于2001年开始的位于华北太行山前平原中国科学院栾城农业生态系统试验站的不同耕作与秸秆还田方式定位试验,应用静态箱/气相色谱法于2008年10月冬小麦播种时开始,连续两个作物轮作年动态监测了秸秆整秸覆盖免耕播种(M1)、秸秆粉碎覆盖免耕(M2)、秸秆粉碎还田旋耕(X)、秸秆粉碎还田深翻耕(F)和无秸秆还田深翻耕(CK,代表传统耕作方式)5种情况下冬小麦-夏玉米轮作农田土壤N_2O、CO_2和CH4排放通量,并估算其排放总量。试验期间同步记录每项农事活动机械燃油量、灌溉耗电量、施肥量,依据燃油、耗电和单位肥料量的碳排放系数统一转换为等碳当量,测定作物产量、地上部生物量,估算农田碳截存量,根据每个分支项对温室效应的作用估算了5个处理的综合增温潜势。结果表明,华北小麦-玉米轮作农田土壤是N2O和CO2的排放源,是CH4的吸收汇,每年M1、M2、X、F和CK农田土壤N2O排放总量依次为2.06 kg(N_2O-N)·hm~(-2)、2.28 kg(N_2O-N)·hm~(-2)、2.54 kg(N_2O-N)·hm~(-2)、3.87 kg(N2O-N)·hm~(-2)和2.29 kg(N2O-N)·hm~(-2),CO_2排放总量依次为6904 kg(CO_2-C)·hm~(-2)、7 351 kg(CO2-C)·hm~(-2)、8 873 kg(CO_2-C)·hm~(-2)、9 065 kg(CO2-C)·hm~(-2)和7 425 kg(CO2-C)·hm~(-2),CH4吸收量依次为2.50 kg(CH4-C)·hm~(-2)、1.77 kg(CH4-C)·hm~(-2)、1.33 kg(CH4-C)·hm~(-2)、1.38 kg(CH4-C)·hm~(-2)和1.57kg(CH4-C)·hm~(-2)。M1和M2处理农田生态系统综合增温潜势(GWP)均为负值,表明免耕情况下农田生态系统为大气的碳汇,去除农事活动引起的直接或间接排放的等当量碳,每年农田生态系统净截留碳947~1 070 kg(C)·hm~(-2);其他处理农田生态系统的GWP值均为正值,表明温室气体是由系统向大气排放,CK、F和X每年向大气分别排放等当量碳3 364 kg(C)·hm~(-2)、989 kg(C)·hm~(-2)和343 kg(C)·hm~(-2)。故华北小麦-玉米轮作体系中,秸秆粉碎还田旋耕是最优化的耕作措施,其温室效应相对较低,而又能保证较高的经济产量。     

环渤海低平原农田多水源高效利用机理和技术研究

淡水资源严重匮乏是影响环渤海低平原粮食生产可持续发展的重要限制因素。本文针对该区粮食生产中水分利用效率低、提升潜力巨大,同时该区浅层微咸水资源和降水资源较丰富的现状,以中国科学院南皮生态农业试验站最近3年试验研究结果为基础,综述了在挖掘咸水利用潜力、提高雨水和灌溉水利用效率方面研究工作进展。针对冬小麦夏玉米一年两作种植,研究结果显示品种间产量和水分利用效率(WUE)差异显著,最高和最低品种差异达20%左右,通过选用节水高产品种可显著提升产量和WUE;冬小麦通过拔节期灌溉关键水,在促进地上部生物量积累同时,显著促进地下根系生长,使冬小麦充分利用土壤储水,实现限水灌溉下稳产高效;夏玉米通过缩小行距增大株距的缩行匀播,可提升夏玉米苗期单株作物根系所占土壤体积空间,增加水分养分对作物的有效性,提高夏玉米成苗率和苗期所截获辐射量,比常规种植产量提高10%左右;冬小麦在拔节期利用含盐量不大于4 g×L~(-1)的浅层微咸水替代淡水灌溉,产量与淡水灌溉相同;浅层微咸水替代淡水灌溉并配套土壤有机质提升技术和利用夏季降水淋盐,可实现微咸水灌溉下周年土壤盐分平衡。通过上述措施实施,实现以咸补淡、以淡调盐、多水源互补高效利用,在不影响作物产量条件下可节约深层淡水资源,促进区域灌溉农业可持续发展。     

肯尼亚雨水集流利用现状及思考

雨水集流作为一项古老技术,已有上千年的历史。由于干旱缺水和缺乏天然的储水介质,雨水集流在肯尼亚具有非常重要的特殊意义。本文从庭院集雨、农田集雨、流域集雨及集雨的区域差异等方面,对肯尼亚的雨水集流现状进行了分析;并从区域水循环与水量平衡的角度,探讨了降雨、入渗、径流及蒸发的关系。最后指出,通过不同形式的雨水集流,减少无效蒸发,特别是无效的水面蒸发,是增加水资源总量的关键;而科学利用天然的储水介质与合理开发人工的储水介质,是提高水资源可利用量的关键。雨水集流利用在肯尼亚生活用水方面已相当普遍,技术也相对较为成熟,但是在年降雨量不足500 mm的旱区农业生产方面,还有很大的发展空间,目前面临的主要问题是,如何解决旱区降雨集流效率偏低,以及有限降雨资源的合理储蓄与高效利用。鉴于农田土壤对降雨再分配调蓄能力较低的缘故,通过在农田内开挖沟槽,进行降雨资源的短期储蓄与调控,将生育期前段多余的降雨资源留到无降雨的后段使用,是实现作物生育期内水分供需平衡的关键。本研究为充分发挥雨水集流在肯尼亚旱区农业生产中的积极作用提供了参考。     

播期、播量对旱作小麦‘小偃60’生长发育、 产量及水分利用的影响

在旱作条件下,探讨播期及播量对小麦新品系‘小偃60’群体性状、产量及水分利用的影响,可为小麦适雨栽培提供技术依据。试验于2014—2015年在中国科学院南皮生态农业试验站进行,自10月15日至11月14日,每6 d设置一个播期,共设6个播期(T1~T6),设播量不变(B1)和逐期增加播量(B2)两个处理:B1为300 kg·hm~(-2),T1到T6播量相同;B2为随播期推迟播量逐期增加,每推迟1 d增加7.5 kg×hm~(-2),各播期的播量分别为300 kg·hm~(-2)(T1)、345 kg·hm~(-2)(T2)、390 kg·hm~(-2)(T3)、435 kg·hm~(-2)(T4)、480 kg·hm~(-2)(T5)和525 kg·hm~(-2)(T6),研究了不同播期和播量下‘小偃60’群体性状、产量及水分利用的变化规律。试验结果表明:1)随播期推迟,出苗时间延长、生育期推迟,全生育缩短;播量对生育期无显著影响。2)随播期推迟,出苗率和单株成穗数逐渐降低;播量增加,基本苗及穗数提高。3)随播期推迟,株高和生物量降低;播量增加,生物量提高,株高无显著变化。4)随播期推迟,籽粒产量下降;逐期增加播量后,11月2日前籽粒产量可达6 600 kg×hm~(-2)以上且无显著差异。5)若随播期推迟增加播量,前4个播期产量、水分利用效率无显著变化,皆达29 kg×hm~(-2)×mm-1以上。研究结果表明,‘小偃60’是一个播期宽泛的品种,随播期推迟产量下降,但在一定播期范围内通过增加播量,提高群体(穗数),可以获得与适时播种相近的产量,播量与播期推迟天数的理论关系为y=0.368 2x2+1.193 9x+316.7(R~2=0.983 9)。     

气候变暖背景下内蒙古作物物候变化研究

利用长时间序列物候观测数据研究作物物候变化是认知气候变暖对农业生产影响的重要途径。研究选用1981—2009年内蒙古地区13个农业气象观测站的小麦和玉米物候资料,利用统计方法分析了内蒙古作物（小麦/玉米）物候的变化趋势。结果表明：在管理（主要指调整播期）和作物品种变化共同作用下,小麦和玉米物候对气候变化的响应不同。小麦的播种期平均推迟1.7 d/10 a,而玉米播种期提前1.0 d/10 a。小麦的抽穗和成熟期分别平均推迟1.7 d/10 a和0.8 d/10 a,而玉米抽穗期平均变化较小,成熟期平均推迟达3.3 d/10 a。小麦和玉米不同生长阶段历时的变化趋势呈显著差异。出苗—抽穗营养生长阶段,小麦平均缩短了1.4 d/10 a,而玉米却延长了1.2 d/10 a;抽穗—成熟生殖生长阶段,小麦和玉米分别平均延长了0.2 d/10 a、3.3 d/10 a;而出苗—成熟整个生长阶段,小麦平均缩短了1.2 d/10 a,而玉米却延长达到4.5 d/10 a。     

开花灌浆期小麦叶片奢侈蒸腾发生的土壤水分阈值试验研究

奢侈蒸腾耗水对作物光合及产量形成贡献较低,而开花灌浆期是冬小麦产量形成的关键期,精准调控作物蒸腾耗水、明确影响奢侈蒸腾的土壤水分阈值,对提高冬小麦的水分利用效率至关重要。本研究以冬小麦品种‘石新828’为材料,在人工气候生长箱进行盆栽试验,定量研究土壤水分对作物气孔导度、光合速率和蒸腾速率的影响,明确开花灌浆期奢侈蒸腾产生的土壤水分阈值。结果表明：气孔导度与土壤水吸力关系密切,在土壤水吸力较低时,气孔导度随土壤水吸力增加而迅速降低,而土壤水吸力较高时,气孔导度降低速度变缓。光合速率随土壤水吸力增加以抛物线的形式递减,当土壤水吸力低于1.2 MPa时,光合速率接近最大值,随后土壤水吸力继续增加,光合速率逐渐降低。蒸腾速率随着土壤水吸力增加呈线性递减,降低速率为2.3 mmol·m^-2·s^-1·MPa^-1。光合速率与蒸腾速率的关系符合米氏方程,蒸腾速率低于2.179 mmol·m^-2·s^-1时,光合速率随蒸腾速率线性增加,当蒸腾速率高于此值时,单位光合速率的增加变缓,奢侈蒸腾开始产生,此值所对应的土壤水吸力为1.76 MPa,此时叶片光合速率处于较高（16 μmol·m^-2·s^-1左右）水平,叶片水平水分利用效率（WUE_L）达到最高7.3 μmol（CO₂）·mmol^-1（H₂O）。综上所述,小麦叶片奢侈蒸腾的发生始于水分利用效率从最高转向降低、光合速率处于较高水平而非最大。通过光合随蒸腾变化的米氏方程关系及蒸腾与土壤水吸力的线性关系,可以确定土壤水吸力1.76 MPa为小麦开花灌浆期叶片奢侈蒸腾发生的土壤水分阈值。     

猪场肥水施用对玉米-小麦农田氨排放、氮素利用与表观平衡的影响

规模化生猪养殖废弃物已成为当前重要污染来源,为有效解决猪场废水所引发面源污染问题,有必要开展将其替代矿物氮肥(作为肥水)施用于农田的探索。以华北平原高度集约化玉米-小麦一年两熟轮作体系为对象,通过田间小区试验,定量研究猪场肥水施用对作物产量、氮素吸收、氮素利用效率、土壤矿质氮累积、氨挥发损失及轮作体系氮素表观平衡的影响。试验包括7个处理:不施肥对照(CK)、尿素表施(CK1)、尿素注射施用(CK2)、猪场肥水替代25%尿素氮表施(25%WB)、猪场肥水替代50%尿素氮表施(50%WB)、猪场肥水替代25%尿素氮注射施用(25%WI)和猪场肥水替代50%尿素氮注射施用(50%WI)。猪场肥水作为基肥施用。结果表明,与CK相比,施用尿素和猪场肥水均可显著提高玉米、小麦产量和籽粒氮吸收量,其中25%WI最高,50%WI次之。与尿素表施相比,尿素注射施用、猪场肥水表施和注射施用均可明显提高氮肥农学效率、偏生产力和表观利用率,且肥水注射施用最高,肥水表施次之,而25%WI和50%WI之间无显著差异。与不施肥处理相比,施用尿素和猪场肥水0～100cm土体矿质氮残留量显著增加50.8%～87.9%,其中50%WB、25%WI和50%WI无显著差异。与尿素表施相比,尿素注射施用、肥水表施和注射施用均可显著降低玉米和小麦基肥期土壤氨损失总量,降幅分别为26.5%～48.6%和11.4%～29.1%;同时,肥水表施和注射施用下轮作体统氮盈余显著降低7.6%～16.0%,其中25%WI降幅最高,但与50%WI无显著差异。综合考虑作物产量、氮素利用和环境效应,猪场肥水替代25%和50%尿素氮注射施用是该区玉米-小麦轮作农田猪场肥水最佳施用方式。     

起垄覆膜栽培技术的增产增效作用与发展

我国北方水资源短缺限制着农业的可持续发展。作物起垄覆膜栽培可以显著提高产量及水分利用效率。本文从起垄覆膜栽培技术的发展与现状、对几种主要作物的增产效果及其原因、未来发展等几个方面进行了综述,期望为推动起垄覆膜技术的进一步发展、缓解北方水资源紧缺提供指导。作物起垄覆膜栽培是垄作与薄膜覆盖的有机结合,是将地面修整成垄台、地膜覆盖于垄台之上,在双垄之间或双垄之上种植作物的一种栽培方式。其增产原因主要包括：1）提高土壤水的有效性。地膜覆盖抑制地表蒸发,通过集雨、水汽凝结提高土壤含水量。2）调节地温。垄作覆膜能够提高土壤温度,尤其是作物苗期的土壤温度,增加出苗率、成苗率,促进作物生长发育;提高昼夜温差,降低高温期地温,有利于作物产量的提高。3）改善土壤理化性质,改善土壤结构,调整土壤酶的活性,为作物生长提供良好的土壤环境。起垄覆膜栽培模式在华北地区未来发展方向：提高农机配套、新型无害地膜应用、构建不同作物技术规程。     

基于多源卫星数据的黑河中游绿洲区土地利用分类与作物类型提取及其时空变化分析

研究土地利用与作物种植结构变化是分析农业生产活动和生态环境变化的重要手段。黑河中游绿洲是我国西北地区最重要的绿洲之一,也是甘肃省主要的商品粮基地。为准确研究黑河中游绿洲的时空变化情况,本文利用2001—2015年MODIS卫星数据,提取分析了近15年黑河中游绿洲范围的时空变化特征;基于2001—2016年的Landsat/TM,利用支持向量机分类法获得该绿洲区土地利用分类;基于2011—2016年的HJ1A/CCD数据,利用HANTS滤波后的NDVI时间序列曲线,获得作物种植面积的精细分类。经验证,该土地利用分类精度高于88.46%,kappa系数为0.81;小麦和玉米与实地验证点对比的分类精度高于90.8%。结果表明:1)黑河中游绿洲面积总体为增加趋势,仅2014年、2015年略有减少,绿洲面积从2001年的2 701 km2增加到2015年的2 936 km2。2)2001—2016年间,裸地面积减少436.7 km2,耕地面积增加91.3 km2,草地、林地面积增加289.6 km2。3)2011—2016年,小麦、玉米种植面积均有减少,小麦共计减少195.77 km2,玉米减少144.37 km2。研究结果可为当地农业种植结构的调整和作物估产及绿洲生态保护提供一定依据和参考。