土壤硝态氮含量原位检测系统设计

针对现阶段土壤硝态氮测量成本较高、无法长期原位测量等问题,该研究提出了一种使用钛烧结滤芯收集土壤溶液,通过近红外光谱法检测土壤溶液中的硝酸根浓度进而得到土壤中硝态氮含量的方法,并设计了相应的检测装置。通过试验对比陶土头与钛烧结滤芯在不同土壤条件下的土壤溶液收集效果,选用钛烧结滤芯作为土壤溶液采集器收集土壤溶液,以近红外LED作为测量光源,采集人工配置土壤溶液的光谱数据,利用BP神经网络进行预训练建立硝态氮含量预测模型。建立的硝态氮含量预测模型其训练集皮尔逊相关系数、测试集皮尔逊相关系数、预测均方根误差分别达到0.997、0.995、3.43。实地测量土壤溶液并与硝酸根离子电极以及土壤养分速测仪进行对比,最大相对偏差为5.9%,可满足实际测量准确性要求。该套检测设备在深度为10～40 cm、含水率为15%以上的土壤中有较好的土壤溶液采集效果;检测装置的长期测量标准差为0.006,动态响应时间为1.4 s,具有良好的特性。试验结果表明,使用溶液吸光度数据建立的硝态氮预测模型具有较好的预测效果,可以应用于土壤溶液硝态氮原位监测,为长期自动测量土壤硝态氮及水肥一体化系统的搭建提供了一种可行的方案。     

生态沟渠对农田面源污染的消减机理及其影响因子分析

农业生产过程中肥料和农药的大量施用,造成农田面源污染问题日益突出,开发农田面源污染的减控技术对生态修复具有重要的意义。生态沟渠不仅兼具农田排水沟的过水功能,同时是有效消减面源污染且适合中国农情的重要生态措施之一。该研究阐述了生态沟渠对农田面源污染的消减机理（底泥吸附及植物阻抗作用、植物/微生物吸收作用、降解去除作用）;通过整理分析559组生态沟渠野外观测试验数据,剖析了污染物初始浓度、水力停留时间、植物种类、生物量这4个主要影响因子对农田排水中N、P及农药去除率的影响;进而采用多元线性回归模型将多因子影响与N、P及农药去除率之间建立定量关系。结果表明总氮和总磷的去除率随单一因子污染物初始浓度、水力停留时间或生物量增大而增大,但与植物种类没有显著关系（P>0.05）;且多元线性回归模型结果表明污染物初始浓度的对总氮/总磷去除率的贡献大于生物量。农药的去除率随水力停留时间、生物量增大而增大,随污染物初始浓度增大而减小,与植物种类没有显著关系（P>0.05）。研究可为生态沟渠的合理构建和设计提供理论和技术支撑。     

基于改进CYCBD的滚动轴承复合故障自适应诊断方法

为实现滚动轴承复合故障自适应诊断,该研究提出了基于循环含量比-归一化谐波比例（Ratio of Cyclic Content-Normalized Proportion of Harmonics,RCC-NPH）融合指标改进的最大二阶循环平稳盲解卷积（Maximum second order cyclostationary blind deconvolution,CYCBD）方法。首先,构建了RCC-NPH融合指标,解决了CYCBD算法循环频率确定依赖先验知识及遍历所有故障频率空间耗时的问题。其次,根据RCC-NPH融合指标图估计CYCBD的循环频率集,实现了CYCBD参数的自适应选择。再次,采用自适应参数CYCBD方法对输入信号进行解卷积运算,提取了不同循环频率对应的故障信号。最后,对提取的故障信号进行Hilbert包络解调分析,完成故障的辨识。利用该方法分别对仿真信号和轴承复合故障信号进行试验,均能有效检测信号中包含的故障成分,实现了复合故障的自适应诊断。与其他指标相比,该方法能够有效避免噪声和谐波的干扰,适用于复合故障诊断。     

“稻转旱”对低山丘陵区氮素流失通量的影响——以三峡库区渠溪小流域为例

为探究“稻转旱”的土地利用变化对区域氮素流失的影响,以三峡库区渠溪小流域为研究对象,利用土地利用转移矩阵揭示了该流域2001—2019年的土地利用变化,基于输出系数模型并利用流域氮负荷实测数据进行模型参数修订后,对该流域2001年和2019年氮负荷进行了估算并比较。结果表明:该流域2001—2019年土地利用总体演变趋势为水稻田向旱地转化、旱地向林地转化,且以“稻转旱”为主。这种演变使流域氮素流失增加,2019年相对于2001年氮流失量增加了26%,平均每公顷氮流失量增加了约7.8 kg。这种变化表明在农业结构调整时应考虑到水稻田对面源污染物氮素良好的净化拦截作用,控制其面积的缩减以及在小流域氮素输移关键节点上的布局。     

氮钾配施对冬油菜角果皮光合作用及光合器官氮分配的影响

  【目的】  角果皮作为典型的非叶器官,其光合作用不仅是油菜(Brassica napus L.)光合作用的重要补充,更是生育后期产量建成的重要碳源。我们研究了氮、钾营养及氮钾配施对冬油菜角果形态、角果皮光合特性、光合器官氮分配的影响及光合氮利用效率(PNUE)差异机制。  【方法】  采用双因素田间试验,设4个施氮量(N 0、90、180、270 kg/hm2,分别以 N₀、N₉₀、N₁₈₀、N₂₇₀表示),两个钾用量(K₂O 0、120 kg/hm2,分别以K₀、K₁₂₀表示),试验共计8个处理:N₀K₀、N₀K₁₂₀、N₉₀K₀、N₉₀K₁₂₀、N₁₈₀K₀、N₁₈₀K₁₂₀、N₂₇₀K₀、N₂₇₀K₁₂₀,每个处理3次重复。在角果期测定角果形态参数、净光合速率(A_n)、角果皮氮钾养分含量、光合氮利用效率（PNUE）以及最大羧化速率(V_cmax)等相关光合、生理参数,并计算角果皮氮素在光合器官(羧化系统、电子传递系统和捕光系统)的分配比例。  【结果】  与N₀K₀处理相比,氮钾配施处理单株角果数增加了1.7～3.0倍,角果长和角果面积分别提高了12.1%～30.2%和9.9%～43.8%。在不同氮肥施用量下,施钾后角果皮氮含量平均降低了19.5%;在不同施钾量下,氮肥施用后角果皮钾含量平均降低了20.9%。氮钾配施处理角果皮气孔导度(g_s)、叶肉导度(g_m)、V_cmax及A_n较N₀K₀处理平均提高了11.1%、158.8%、88.2%和115.0%。与N₀处理相比,施氮后角果皮光合系统氮库平均增加了51.1%,但羧化系统(N_cb)和电子传递系统(N_et)中氮分配比例分别下降了8.4和2.5个百分点,PNUE降低了21.1%;相反,施钾后角果皮光合氮库和分配比例分别较K₀处理提高了28.7%和15.6个百分点,其中N_cb和N_et氮库分别提高了35.9%和31.4%,PNUE增幅高达65.7%。与N₀K₀处理相比,尽管氮钾配施对角果皮光合系统氮分配比例的提升作用较小,但光合系统氮库容量增加了90.7%,远高于单施氮肥或钾肥对角果皮光合氮库的提升幅度。PNUE与角果皮钾含量和光合系统中各组分氮分配比例呈极显著正相关关系,而与角果皮氮含量及氮钾比呈显著负相关。  【结论】  氮钾配施一方面提高了角果皮光合面积、协调氮钾营养平衡、降低CO₂传输阻力,另一方面增加了角果皮光合氮库、改善了光合系统中氮分配比例,从而提高了角果光合能力、优化了PNUE。因此,在实际生产中氮钾肥要合理配施,最大化个体光合潜能,进而提高群体生产力达到增产增效的目的。     

绿洲灌区小麦复种绿肥并翻压还田对翌年玉米产量形成及氮素吸收利用的影响

  【目的】  针对农田化学氮肥施用量高、利用率低等问题,探究绿肥替代部分化肥氮对玉米产量形成及氮素吸收利用的影响,为优化绿洲灌区玉米的施氮制度提供理论参考。  【方法】  于2019—2021年,在甘肃河西绿洲灌区开展小麦复种绿肥并翻压还田后翌年轮作玉米减施氮肥田间试验。玉米季设传统施氮量(Nck)和绿肥替代10%、20%、30%、40%的化肥氮处理（即N10、N20、N30、N40处理）。分析了各处理玉米产量及其构成和氮素积累量、转运量及利用效率。  【结果】  与Nck相比,N10、N20处理籽粒产量、产量构成因素及叶面积指数无显著差异,玉米植株氮素总积累量、籽粒氮素积累量及转运氮对籽粒氮素的贡献率也无显著差异;2020年N10、N20处理对玉米茎叶的氮素积累量、转运量及转运率无显著影响,2021年N20处理玉米叶片和茎的氮素积累量分别降低5.0%和17.8%,叶片和茎的氮素转运量分别提高5.5%和9.1%,氮素转运率分别提高5.0%和14.1%。相比Nck,N30、N40处理提高了茎叶的氮素积累量,但降低了氮素转运量和转运率,降低了转运氮对籽粒氮素的贡献率以及籽粒和植株的氮素积累量,N30、N40处理籽粒产量分别降低了16.8%～19.0%、27.9%～28.9%。与Nck相比,N10和N20处理氮素利用效率无显著变化,2021年N20处理氮素收获指数显著提高了3.5%,N30和N40处理降低了氮素利用效率与氮素收获指数。绿肥替代化肥氮各处理均显著提高氮肥偏生产力,以N20处理提高幅度最大。  【结论】  小麦–绿肥–春玉米体系下,绿肥翻压替代翌年玉米20%的化肥氮投入能有效协调玉米产量形成和氮素的积累转运,维持玉米籽粒产量及氮素利用效率,提高氮素收获指数与氮肥偏生产力,实现绿洲灌区玉米稳产和减氮的生产目标。     

耦合效应弥补水氮减量对夏玉米养分吸收和利用的不利影响

  【目的】  适宜的水氮管理是提高关中平原夏玉米产量的关键。研究水、氮减量及其交互作用对夏玉米养分积累和转运以及氮素利用的影响,为关中平原夏玉米高产高效栽培提供理论依据。  【方法】  于2018—2019年,在陕西杨凌设置水、氮二因素裂区田间试验。3个灌溉处理为传统灌水量800 m3/hm2 (W2)、减量50%灌水 (400 m3/hm2,W1)和无灌溉(W0)。每个灌溉量下设传统施氮量的100% (300 kg/hm2, N300)、–25% (225 kg/hm2, N225)、–50% (150 kg/hm2, N150)、–75% (75 kg/hm2, N75)和不施氮(N0) 5个水平,W2N300为传统水氮管理模式对照。分析夏玉米籽粒产量、氮磷钾养分积累与转运特征,计算氮肥利用效率。  【结果】  与W2N300相比,W2N225、W1N225、W1N150处理的夏玉米产量和产量构成因素无显著差异。W1N225显著提高了玉米抽雄后干物质积累,显著提高了玉米抽雄后氮、磷、钾养分积累和所占比例,W2N225、W1N300则与W2N300无显著差异。与W2N300相比,W1N225处理可以显著提高干物质和氮磷钾养分转运量,分别比W2N300处理的干物质和氮磷钾转运量提高了11.67%、16.28%、19.80%、18.95%。相关分析结果表明,玉米抽雄前后氮、磷、钾素积累量与籽粒产量均呈显著或极显著正相关,且抽雄后的氮、磷、钾积累量与产量的相关性高于抽雄前。  【结论】  在传统灌水量和施氮量基础上,减少50% 的灌水量,减少25%的氮素投入量可显著提高玉米抽雄后养分积累,促进养分转运量和抽雄后转运养分对籽粒贡献率的协同提高,进而提高了玉米产量和氮肥利用效率。综合考虑夏玉米产量,氮、磷、钾养分积累与其转运特征以及氮素利用效率等因素,在关中平原灌溉区,以灌水减量50% (即400 m3/hm2)、施氮减少25% (即 225 kg/hm2)的模式较为适宜。     

华北热资源限制区实现夏玉米高产高效和机械粒收的适宜种植密度和施氮量

  【目的】  华北平原夏玉米高效生产不仅取决于产量和肥料利用率,也依赖于高效的机械粒收。本研究探讨了密度与氮肥用量对夏玉米产量形成和收获期籽粒水分含量的影响。  【方法】  以玉米‘京农科728’为材料,采用裂区试验设计,主区设置2个密度:7.5×104株/hm2 (D_7.5)和9.0×104株/hm2 (D_9.0),副区设置5个施氮（N)水平:0、180、240、300和360 kg/hm2 (分别表示为N₀、N₁₈₀、N₂₄₀、N₃₀₀和N₃₆₀)。测定了不同密度和氮肥用量下玉米叶片SPAD值、叶面积指数(LAI)、干物质积累(DM)、籽粒灌浆、产量及其构成因素、氮肥偏生产力(PFP_N)和农学利用效率(AE_N)。  【结果】  与D_7.5相比,D_9.0处理V6和R1期LAI和DM分别提高5.0%～26.3%和3.7%～34.8%;籽粒最大灌浆速率(G_max)提高0.35～1.33 g/(100-grain·d),灌浆速率最大时日期(T_max)提前4.4 天但灌浆持续期缩短6.9～12.2天,穗粒数减少15.0～51.3粒,实现增产2.4%～28.3%,达7.36×103～12.22×103 kg/hm2;PPF_N和AE_N分别显著提高10.1%～17.2%和72.0%～94.4%。与N₀相比,夏玉米叶片SPAD值随施氮量增加显著提高,施氮处理LAI和DM分别提高3.5%～171.3%和5.0%～177.7%;N₂₄₀～N₃₆₀水平G_max达峰值1.33～1.39 g/(100-grain·d),施氮处理T_max提前4.1～4.6天,灌浆速率最大时生长量(W_max)提高5.7%～9.4%;百粒重提高0.5%～18.4%,穗粒数显著增加62.8～79.2粒,产量提高3.2%～115.7%,达10.10×103～11.33×103 kg/hm2。在D_7.5和D_9.0下,随施氮量增加夏玉米PFP_N、AE_N分别显著降低24.2%～46.6%和21.2%～43.1%、21.1%～32.5%和13.0%～32.9%。  【结论】  较高的夏玉米密度可以有效提高玉米干物质积累速度,降低籽粒含水量至15.4%～24.8%,满足籽粒机收的要求。施氮量控制在180～240 kg/hm2,可进一步降低籽粒收获时的含水量,提高叶片SPAD值、叶面积指数及干物质积累,改善籽粒灌浆提高粒重,实现产量稳定在10.5×103～11.2×103 kg/hm2,氮肥偏生产力和农学利用效率高达47.0～59.7和27.6～30.9 kg/kg。因此,机收夏玉米适宜的密度为9.0×104株/hm2,施氮水平为180～240 kg/hm2。     

植物氮素吸收利用相关NPF基因家族研究进展

Nitrogen (N) is a primary mineral nutrient for plant growth and development as well as the limiting factor for crop yield. Nitrate is one of the major N sources for plant uptake and utilization. Four gene families including NPF, NRT2, CLC and SLAC1/SLAH have been reported to be involved in the process of nitrate uptake and utilization. Among the four gene families, the NPF family has a large number of members and diverse functions, which have attracted more attention and in-depth research in recent years. There are 53, 93, 79 and as many as 331 NPF genes in the model plant Arabidopsis and the main food crops – rice, maize, and wheat, respectively. The biological functions of more than half members (31/53) of Arabidopsis NPF family have been characterized, and reports on the functions of NPF genes in crop such as rice are emerging. Research revealed that NPF genes are widely involved in processes of plant nitrogen uptake and its regulation, transport, distribution and re-distribution, and some members play important roles in the modification and improvement of crop nitrogen use efficiency (NUE). Consequently, it is highly pertinent to unravel the mechanism underlying plant nitrogen utilization and genetic improvement by exploring candidate NPF genes from the perspective of nitrogen flow. This paper reviewed the biological functions of NPF genes in the model plant Arabidopsis and crops. At the moment, only 4 members of NPF genes in maize were reported with biological functions, and none of the NPF genes in wheat were reported with biological function. The exploration and studies on the NPF genes of crops such as maize and wheat will provide gene resources for future researches on crop NUE improvement and high-NUE crop breeding.     

秸秆和有机肥配合替代部分化肥提高作物水分利用率减少土壤硝态氮残留

  【目的】  研究长期秸秆和有机肥配合替代部分化肥对小麦玉米一年两熟种植制度下农田生产力及氮肥残留的影响,为改善旱地土壤肥力,提高作物产量,降低环境风险提供科学依据。  【方法】  依托中国农业科学院洛阳旱农试验基地始于2007年的长期定位培肥试验,选取不施肥对照 (CK)、常规氮磷钾化肥 (NPK)、秸秆和有机肥配合替代1/3的氮磷钾养分 (SOR) 3个处理。调查了2015—2020年度夏玉米、冬小麦及周年产量、生育期耗水量、水分利用效率;分析了2020年冬小麦收获期0—60 cm土层土壤养分含量,以及硝态氮在0—380 cm土层剖面的分布积累量。  【结果】  与2007年试验开始时相比,2020年CK处理0—20 cm土层土壤养分(除速效钾外)含量显著下降,而NPK和SOR处理不同程度地提高了土壤养分含量。与NPK处理相比,SOR处理0—60 cm土层土壤有机质含量显著提高了10.4%～16.4%,0—40 cm土层全氮含量显著提高了16.7%～20.0%,0—20 cm土层土壤速效磷和速效钾含量分别显著提高了12.9%和15.4%。与NPK处理相比,SOR处理夏玉米产量在干旱年 (2015和2017年) 及5年平均分别显著提高了35.3%和10.1%,水分利用效率在干旱年、平水年 (2016年) 及5年均值分别显著提高了42.7%、12.3%和18.5%,周年产量和水分利用效率在干旱年分别显著提高了20.5%和23.5%;冬小麦产量在不同降水年型下均未显著降低,但水分利用效率在平水年 (2015—2016、2016—2017、2019—2020) 及5年均值较NPK处理分别显著降低了9.8%和7.9%。NPK处理的硝态氮总累积量为732 kg/hm2,其中68.2%积累在100—230 cm土层;SOR处理的硝态氮总累积量为833 kg/hm2,其中74.8%积累在80—200 cm土层。与NPK处理相比,SOR处理显著降低了200—380 cm土层土壤硝态氮积累量,在200—230、260—290、320—350和350—380 cm土层分别显著降低了54.9%、21.1%、25.0%、57.9%。  【结论】  无论降雨多寡,秸秆和有机肥配合替代1/3氮磷钾肥均未降低冬小麦产量,但显著提高了干旱年夏玉米及周年产量及水分利用效率,并提高了0—60 cm土层土壤有机质和全氮含量,提高了0—20 cm土层土壤速效磷和速效钾含量,同时较常规氮磷钾处理显著降低了200—380 cm土层土壤硝态氮积累量,是旱作麦玉两熟区兼顾产量、效率和环境的施肥模式。