深松对叶丛生长期甜菜形态结构特性及生物量积累特性的影响

【目的】研究深松深度对新疆南疆甜菜叶丛生长期植株形态结构及生物量积累影响,为新疆南疆甜菜田合理耕作层的构建提供依据。【方法】采用大田随机区组试验设计,设置4个处理,深松深度分别为35 cm(S₃₅)、45 cm(S₄₅)、55 cm(S₅₅)处理,未作深松处理作对照(CK),研究不同深松深度对甜菜叶丛生长期植株形态结构特性、各器官生物量积累的影响,分析叶片、叶柄形态结构特性与块根形态指标的相关性。【结果】甜菜叶丛生长期叶片长、叶片宽、叶片鲜重、叶柄长、叶柄粗及叶柄鲜重均随叶序的增加呈先增后降的趋势,其中L₅叶片出现最大值,可作为功能叶,且深松深度为55 cm促进甜菜叶丛生长期功能叶片和叶柄的生长。深松55 cm与对照(CK)相比,甜菜叶丛期块根长、块根直径、块根围及块根鲜重显著(P<0.05)增加了25.93%、25.59%、30.15%、19.19%,使单株总鲜重和叶片鲜重比例分别增加了29.99%、9.96%,降低甜菜块根鲜重比例和根冠比8.35%、14.29%。【结论】在新疆南疆深松深度为55 cm能有效促进甜菜叶丛生长期叶片生长,增加甜菜叶片生物量(源)的积累。     

基于深度视觉和蚁群避障算法的果园精准喷施路径规划方法

为了实现对Y-shaped果树的精准喷施,本文融合了彩色及深度视觉图像,提出了1种基于蚁群避障算法的果园最优行驶路径的规划方法。首先,对彩色图像进行图像分割处理,划分道路及果树树墙障碍区域,得出喷施设备的可行驶区域,提出了喷施行驶范围检测算法;然后,通过对深度图像和彩色图像融合的处理,将Y-shaped果树树冠边缘轮廓精准拟合形成栅格地图,并与蚁群避障算法相结合,提出了最优行驶路径规划算法。最后,对拟合曲线和Y-shaped果树树冠边缘轮廓进行检验,验证算法的拟合程度。实验结果证明,本文提出的路径规划算法可以准确地检测出果树区域,并实现对行驶路径的精准规划。     

耕作覆盖对宁南旱区土壤团粒结构及马铃薯水分利用效率的影响

【目的】探讨耕作覆盖对旱作土壤团粒结构、马铃薯产量和水分利用效率的影响。【方法】于2013—2016年进行连续3个作物生长季定位试验,通过设置3种耕作方式（深松、免耕、翻耕）和3种覆盖措施（秸秆覆盖、地膜覆盖和不覆盖）,研究耕作结合覆盖对土壤团聚体数量、土壤蓄水量及马铃薯产量和水分利用效率的影响。【结果】耕作方式、覆盖措施及二者交互作用可显著增加0—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量,深松覆盖秸秆处理0—20 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年（2016）和相对欠水年（2014）分别较翻耕不覆盖显著提高14.2%、16.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年（2015）较翻耕不覆盖显著提高8.5%;20—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年以深松覆盖秸秆、相对欠水年深松覆盖地膜和平水年免耕覆盖秸秆处理最高,分别较翻耕不覆盖显著提高18.2%、21.5%、18.7%。耕作方式、覆盖措施及二者交互作用对0—200 cm土层蓄水量影响显著,深松覆盖秸秆处理休闲期土壤蓄水量分别在相对欠水年、欠水年和平水年较翻耕不覆盖处理显著提高29.6%、9.3%、11.4%;其关键生育时期平均土壤蓄水量分别在欠水年和相对欠水年较翻耕不覆盖显著增加21.9%、28.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年较翻耕不覆盖处理显著增加17.1%。在相对欠水年,耕作方式对马铃薯产量和水分利用效率无显著影响,而覆盖措施及耕作与覆盖交互作用对其有显著影响,以免耕覆盖秸秆处理最佳,分别较翻耕不覆盖处理显著提高51.8%和50.5%;在平水年和欠水年,耕作方式、覆盖措施及其二者交互对马铃薯产量和水分利用效率有极显著影响,产量、水分利用效率均以深松覆盖秸秆处理效果最佳,平均较翻耕不覆盖处理显著提高56.9%和44.8%。【结论】耕作结合覆盖措施可改善耕层土壤团粒结构,显著增强休闲期和生育期土壤蓄水保墒能力,从而显著提高马铃薯产量和水分利用效率,在平水年和欠水年采用深松结合秸秆覆盖、相对欠水年采用免耕结合秸秆覆盖模式可实现宁南旱作马铃薯增产。     

深翻、有机无机肥配施对稻田水分渗漏和氮素淋溶的影响

【目的】针对我国长江中下游地区稻麦轮作区常年浅耕与不合理施肥导致的土壤犁底层增厚与土壤板结的问题,研究深耕（打破部分犁底层）与施肥方式对稻田土壤容重、土壤紧实度、土壤水分渗漏量、氮素淋溶量及氮素形态的影响,阐明稻田氮素淋溶量与耕作、施肥方式的响应机制,为稻田合理耕层构建提供理论依据。【方法】（1）基于2015年安徽省舒城县设置两种耕作方式（旋耕12 cm、深翻20 cm）、3种等氮量施肥方式（仅施化肥处理T1、秸秆还田配施化肥处理T2、有机与无机肥配施处理T3）的田间定位试验,2019—2020年监测土壤容重与紧实度以及稻季水分渗漏与氮素淋溶量。（2）通过原状土柱模拟试验,研究深翻30 cm（打破犁底层）对稻田水分渗漏量的影响。【结果】（1）田间试验结果表明,深翻20 cm较旋耕12 cm降低了耕层土壤容重与紧实度,但没有显著增加水稻生育期的水分渗漏量,仅在分蘖期增加7.4%,孕穗期之后无显著影响。（2）土柱试验结果显示,深翻30 cm（打破犁底层）水分渗漏量较旋耕12 cm和深翻20 cm显著增加,淹水时分别增加19.0%与11.0%,非淹水时分别增加23.0%与21.5%。（3）田间试验水分渗漏液中的氮素主要以硝态氮的形式存在,T3较T1和T2处理在水稻进入孕穗期后显著降低渗漏液中硝态氮的浓度;各施肥处理间铵态氮浓度差异不显著。（4）从整个水稻生育期看,两种耕作方式对氮素淋溶量影响不显著,而3种施肥方式下氮素淋溶量存在明显差异,T3处理降低了氮素淋溶量。深翻条件下T1、T2与T3处理氮素淋溶量分别为10.69、11.74和9.14 kg N·hm^-2,旋耕条件下分别为9.83、11.21和8.58 kg N·hm^-2。【结论】深翻20 cm可以改善土壤物理性状,但不会增加土壤水分渗漏及氮素淋溶;相同耕作方式下,有机与无机肥配施不会增加土壤水分渗漏与氮素淋溶。因此,在长江中下游黏质且犁底层厚（如红黄壤型）的水稻土区,部分打破犁底层,有机与无机肥配施,可构建深厚肥沃的耕作层,且不会增加水分渗漏和氮素的淋溶。     

不同降雨年型黑膜垄作对土壤水肥环境及马铃薯产量和效益的影响

【目的】探索降水年型与垄型互作对黑膜垄作土壤水肥环境及马铃薯产量和效益的影响,解析水肥互作促进作物增产、高效用水机制,为深挖覆膜垄作技术增产潜力提供理论依据。【方法】2016—2018年布置大田试验,以当地推广应用的白膜覆盖双垄集雨耕作（WRF,垄高16 cm,垄宽60cm,沟宽40 cm）为对照,基于垄上微沟集雨耕作技术,设置由黑膜覆盖低垄（垄高16 cm,垄宽 60cm）、中垄（垄高24 cm,垄宽 60 cm）、高垄（垄高32 cm, 垄宽60 cm）+垄上微集水沟（宽20 cm,深10 cm）+垄间小集水沟（沟宽 40cm）组成的3种黑色地膜覆盖垄上微沟集雨土壤水肥调控耕作处理（BLRF,BMRF 和BHRF）,测定了马铃薯播种、出苗、现蕾、开花、结薯、成熟6个生育关键时期0—200 cm土层土壤含水量和研究期末0—30 cm土层土壤有机碳及氮磷钾养分含量,计算土壤贮水量、水分利用效率,分析土壤水、肥与马铃薯产量的相关关系。【结果】不同降水年型,黑、白地膜覆盖垄作都显著增加了马铃薯生长发育期对40—120 cm土层土壤水分的消耗。BHRF,BMRF和BLRF处理马铃薯6个生育关键时期0—200 cm土层土壤含水量和贮水量（SWS）都显著高于WRF处理（P<0.05）。较高的降水量以及黑膜覆盖集蓄增加的土壤水对120—200 cm土层的土壤水具有明显的补充作用。在干旱年（2016）和平水年（2017）,BLRF和BMRF处理的集水和保水效应较好,BHRF处理次之,都显著优于WRF处理;在丰水年（2018）三者无显著差异,也都显著优于WRF处理。研究期末（2018）黑膜垄作0—30 cm 土层的全氮全钾（TN 和TK）及速效氮磷钾（AN,AP和AK）含量均显著高于白膜垄作（P<0.05）,分别增加了4.5%—5.6%、3.6%—5.9%、8.4%—18.4%、15.3%—22.3% 和7.1%—13.3%。归因于显著增加了大薯结薯个数和结薯重,黑膜垄作马铃薯产量、WUE、纯收益和产投比均显著高于白膜垄作,3年平均分别提高了16.9%—19.0%、15.5%—19.2%、23.3%—27.3% 和12.1%—18.2%。这4个效益参数在干旱年和平水年以BLRF和BMRF处理较好、BHRF处理次之,丰水年三者都优于WRF处理,且无显著差异。相关分析表明,3年马铃薯平均产量与研究期末平均土壤氮磷钾养分含量呈显著正相关关系,与作物平均耗水量（ET）呈显著负相关关系（P<0.05）。通径分析表明,土壤AP、AK、AN含量,马铃薯生育期平均耗水量（ET）和平均降水量（GPR）解释了99.4%的产量变化。【结论】黑膜覆盖垄沟与垄上微沟的叠加集水效应显著改善土壤水分状况;水分条件的改善促进了马铃薯旺盛生长,使更多的根茎（茎叶、根等）类有机物归还土壤,其腐解释放的养分与施肥结合提高了土壤养分含量。良好的土壤水肥条件有效改善了土壤水肥互作关系,增加了作物水肥供应而显著提高马铃薯产量、WUE、纯收入和产投比。BLRF和BMRF处理在干旱年和平水年表现较好,BLRF、BMRF和BHRF处理在丰水年表现较好,BLRF和BMRF处理在各种年型都有良好的表现。因此,黑膜覆盖低、中垄垄上微沟集雨耕作（BLRF和BMRF）是继白膜覆盖双垄集雨耕作（WRF）之后最适用于半干旱区的马铃薯高产高效栽培模式。     

西北干旱灌区不同地膜覆盖利用方式对玉米水分利用的影响

【目的】资源型缺水严重制约干旱灌区的农业生产,传统玉米生产模式地膜投入量大。在极端高温和生态环境污染的挑战日益加剧的情境下,探讨通过免耕地膜重复利用维持较高水分利用的可行性,以期为构建试区地膜减量玉米高效生产技术提供理论支撑。【方法】2017—2018年,在甘肃河西绿洲灌区,设置免耕地膜重复利用（免耕覆膜,NM）、秋免耕春覆膜（少耕覆膜,RM）与传统耕作每年覆盖新膜（传统覆膜,对照,CM）3种地膜覆盖利用方式,研究其对玉米田土壤水分利用的影响,以期为优化试区玉米高产高效栽培管理技术提供理论依据。【结果】NM与RM处理较CM处理提高玉米播种时0—120 cm土层平均土壤重量含水量,分别为7.8%与5.1%,这为玉米播种创造良好的土壤水分环境。玉米播种—拔节期及吐丝—灌浆初期,NM处理较CM处理提高0—120 cm土层平均土壤重量含水量,分别为5.0%与4.7%,弥补了灌浆期玉米植株旺盛生长对土壤水分的大量需求。与CM处理相比,NM处理增加了玉米播种—大喇叭口期的耗水量,降低了玉米吐丝—灌浆初期的耗水量,增大了玉米灌浆初期—收获期的耗水量,有效协调玉米各生育阶段的水分需求关系。虽然NM处理较RM与CM处理提高了玉米吐丝期之前的棵间蒸发量,分别为11.7%与26.0%,提高棵间蒸发量占耗水量的比例（E/ET）,分别为13.4%与19.9%,但是NM处理较RM与CM处理降低了玉米吐丝期之后的棵间蒸发量,分别为9.2%与19.4%,降低E/ET,分别为9.7%与20.7%,说明NM处理有利于增强玉米吐丝期之后土壤水分的有效利用。因而,在地膜减投与免耕措施下,NM处理获得与RM及CM处理相当的籽粒产量与水分利用效率。【结论】在西北干旱灌区,应用免耕地膜重复利用并没有导致玉米产量和水分利用效率的降低,具有稳定产量及水分利用效率的作用,是玉米生产中地膜减投的可行措施。     

长期施肥对不同深度稻田土壤团聚体磷素分配的影响

长期磷肥投入显著增加了耕层土壤各团聚体组分中磷素累积,而作为评判磷素是否向地下水迁移的重要指标,深层土壤团聚体磷素分配对长期磷肥投入的响应仍缺乏系统评估。本研究依托始于1981年红壤稻田长期定位试验,选取不施磷肥（NK）、氮磷钾化肥（NPK）和氮磷钾化肥配施有机肥（NPKM）处理,在长期试验40年后（2020年）,分别采集0~20、20~40、40~60 cm深度的土壤样品,测定了全土和各团聚体组分的总磷和有效磷含量,并探讨了施肥-团聚体质量百分比-团聚体磷素之间的内在关系。结果表明,所有施肥处理均表现为>2 mm团聚体质量百分比随着土壤深度的增加而逐渐降低,与NK处理相比,磷肥施用显著提高了0~20 cm和20~40 cm全土和团聚体组分中有效磷含量,且NPKM处理的增幅最大。与NK处理相比,NPKM处理下0~20、20~40cm和40~60 cm各团聚体总磷含量分别提高了2.14~2.60、1.39~2.80倍和27.03%~180%,各团聚体有效磷含量增幅分别为12.95~18.29、7.57~12.31倍和70.67%~709%。同时,NPKM处理总磷和有效磷的增幅呈现出随着团聚体粒径的增大而逐渐增加的趋势。水稻吸磷量和磷素盈余量也表现为NPKM处理最高,NPK处理次之,NK处理最低。进一步分析发现,团聚体总磷和有效磷含量主要受磷素盈余量的影响,且团聚体中的有效磷含量还受总磷含量的直接调控。研究表明,40年长期有机无机肥配施显著影响红壤稻田表层和深层团聚体磷素分配,且>2 mm团聚体组分中有效磷含量的响应最为敏感,通过调控磷素盈余可以显著影响团聚体中磷分配。     

幅宽自动控制清秸防堵装置设计与试验

针对免耕播种机在进行玉米秸秆全量粉碎还田作业时,清秸防堵装置存在清秸幅宽、秸秆抛掷距离不合理和幅宽稳定性差等问题,设计了一种幅宽自动控制的清秸防堵装置。建立清秸幅宽数学模型,确定影响作业幅宽和漏清区域的主要工作参数和各参数的取值范围;运用S型压力传感器和电动直线推杆协同作用设计幅宽自动控制系统;通过正交试验设计和EDEM离散元仿真试验确定清秸盘的最优工作参数组合,并进行田间试验,验证自动控制系统和装置的作业性能。结果表明,影响星齿凹盘式清秸防堵装置作业幅宽和漏清区域的主要工作参数为清秸盘间距、工作偏角和工作倾角,通过仿真试验得到最优参数组合为90 mm、30°和15°;自动控制系统通过监测清秸盘对地压力实时调节其入土深度,从而调控其作业幅宽,可有效提高幅宽稳定性。田间试验表明,该装置苗带清秸率、秸秆横向移动最大距离和幅宽稳定性系数分别为92.3%、40.2 mm和92.1%,满足免耕播种作业农艺和技术要求。     

农田土壤无线地下传感器网络节点设计与通信试验

为了揭示电磁波信号在农田土壤中的传输特性、科学部署传感器节点,以关中地区农田土壤为研究对象,采用模块化设计思想,将传感器、无线数传、处理器和能量供应等模块集于一体,设计了无线地下传感器网络（Wireless underground sensor networks,WUSN）节点和汇聚节点。采用单因素试验方法,分析了土壤含水率、WUSN节点埋深、节点间水平距离对WUSN节点信号传输的影响,建立了接收信号强度和误码率预测模型。结果表明,当WUSN节点信号在地下垂直方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低4~6dBm,通信误码率增加3~5个百分点;WUSN节点埋深增加5cm,接收信号强度降低3~5dBm,通信误码率增加3~4.5个百分点。当WUSN节点信号在地下水平方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低5~7dBm,通信误码率增加4~5个百分点;节点间水平距离在10~90cm范围内,节点间水平距离增加10cm,接收信号强度降低6~8dBm,通信误码率增加6.5~8个百分点;节点间水平距离在90~190cm范围内,节点间水平距离增加10cm,接收信号强度降低约1dBm,通信误码率增加1~1.5个百分点WUSN节点信号在垂直、水平两种传输方向上误码率和接收信号强度预测模型拟合优度R2最高为0.982,均方根误差RMSE为1.7%,拟合优度R2最低为0.942,均方根误差RMSE为5.136dBm。WUSN节点信号在土壤中传输受到土壤含水率、WUSN节点埋深和节点间水平距离的严重影响。     

基于指示Kriging的土壤盐渍化风险与地下水环境分析

土壤盐渍化是制约干旱区农业发展的主要障碍,而浅埋地下水区域的地下水环境是影响土壤盐渍化的直接因素。为调控合理的地下水埋深和矿化度,以防控区域盐渍化,以河套灌区永济灌域为研究区,运用指示Kriging法比较了春灌前和生育期不同阈值条件下土壤表层含盐量、地下水埋深和矿化度的概率分布,从概率空间分布的角度研究了不同时期防治土壤盐渍化的地下水临界埋深和矿化度。结果表明：地下水埋深属于中等变异性,土壤表层含盐量和地下水矿化度属于强变异性。春灌前较生育期土壤表层盐渍化高风险区扩大、浅埋地下水高概率区缩小、地下水矿化高风险区缩小。春灌前永济灌域土壤表层发生轻度、中度盐渍化时的地下水埋深临界值分别为2.6、2.2 m,地下水矿化度临界值分别为2.0、2.5 g/L;生育期土壤表层发生轻度、中度盐渍化时的地下水埋深临界值分别为2.2、1.8 m,地下水矿化度临界值分别为2.5、3.0 g/L,春灌前更易发生土壤盐渍化。春灌前较生育期土壤盐分受外界因素（气象因素和人为因素）影响小,且土壤表层含盐量、地下水埋深和矿化度变异性也相对较小,地下水环境对土壤盐渍化的影响更强烈。研究区北部、东南部和中部小部分区域为地下水埋深小于临界值且大于矿化度临界值的高概率区,是土壤返盐的高风险区,建议进一步完善该地区的排水系统。