西北旱区不同覆膜和灌溉水平下的玉米冠层氮含量垂直分布及高光谱反演

为探究不同覆膜和灌溉水平下玉米叶片氮含量垂直分布特征及其遥感反演规律,2020年在甘肃省武威绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站进行大田试验,设置3种灌水量水平(春玉米灌溉需水量的100%(W₁₀₀)、70%(W₇₀)和40%(W₄₀))和3种覆膜处理(不覆膜(M₀)、普通塑料膜(M₁)和生物可降解膜(M₂)),测定春玉米在不同灌水量和覆膜条件下叶片氮含量垂直分布、冠层反射特征和反射率与叶片氮含量等指标,并采用随机森林法构建氮含量估测模型分析垂直分布的叶片氮含量。结果表明,相同灌水处理的玉米冠层叶片中氮含量由高到低为M₀>M₂>M₁,M₀比M₂的上、中、下部位叶片氮含量分别增加6.78%、5.11%、2.55%,M₂比M₁的上、中、下部位叶片氮含量分别增加7.14%、5.24%、5.39%。相同覆膜条件下玉米冠层叶片氮含量由高到低为W₁₀₀>W₇₀>W₄₀,W₁₀₀比W₇₀的上、中、下部位叶片氮含量分别增加6.84%、6.23%、7.74%,W₇₀比W₄₀的上、中、下部位叶片氮含量分别增加4.41%、3.32%、9.49%。在M₀W₁₀₀处理中,玉米冠层叶片氮含量从上到下依次减小,上部比中部叶片氮含量增加7.44%,中部比下部叶片氮含量增加7.60%。在相同覆膜条件下,在可见光波段范围内,冠层反射率随着灌水量的增加而降低;在近红外波段范围内,冠层反射率随着灌水量的增加而增加。综上,基于随机森林的春玉米不同垂直部位叶片中氮含量估算模型均与实测结果相吻合(验证的R²>0.5),上部叶片中氮含量估算精度最高(R²为0.63,RMSE为1.66 g/kg,RPD为1.57),其次为中部叶片(R²为0.73,RMSE为1.66 g/kg,RPD为1.30),精度最低的下部叶片(R²为0.00)。     

咸水畦灌农田土壤水热盐动态及油葵生长的试验与模拟

为探究中国西北旱区咸水畦灌条件下农田土壤水热盐动态及其对作物生长的影响,采用大田试验和WASH-C模型(Layered Soil Water-Solute-Heat Transport and Crop Growth Model,土壤水热盐迁移和作物生长耦合的模拟模型)模拟相结合的方法,分析油葵全生育期内不同灌水量和矿化度处理下土壤剖面水盐分布特征、温度变化及油葵生长规律。试验设置包括2个灌水量水平(分别为油葵畦灌需水量的100%、50%)和3种畦灌水矿化度(分别为0.7、4.0、8.0 g/L)。结果表明,土壤剖面的水、盐、热分布在根区(0～40 cm)的变动幅度要大于深层(40～100 cm),灌水量越多,水分、盐分变幅越大。随着灌水次数的增加,土壤剖面在0.7 g/L矿化度下出现脱盐现象,4.0、8.0 g/L矿化度下出现积盐现象,并且灌水量越大,相应的脱、积盐率越高。试验前期各层地温变化幅度较后期大,温度变化幅度随土壤深度增加而减小。0.7g/L、100%油葵需水量下的作物LAI和产量最大,8g/L、50%油葵需水量下最小,两处理的LAI分别为8.41、3.80 cm~2/cm~2,产量分别为5.49、3.08t/hm~2,差异显著(P0.05)。模拟结果表明,WASH-C能够较好地模拟各时期土壤中根区、深层含水率的分布特征,所有模拟结果的R2不低于0.53。在咸水矿化度小于等于3g/L的情景模拟下,作物根区不会产生明显的积盐现象。合理的咸水畦灌制度有利于充分利用咸水资源并提高油葵的水分利用效率和产量。     

覆膜和灌水处理下土壤水分动态与玉米生长模拟研究

采用作物模型模拟作物生长过程和产量,是应对气候变化和人类活动的影响、实现农业节水增产的重要途径。覆膜和节水灌溉技术在我国西北旱区农田应用广泛,本研究基于覆膜增温对气积温的补偿效应以及覆膜和冠层截留对降雨入渗的影响对Aqua Crop模型进行了改进,使其适用于我国西北旱区覆膜制种玉米的模拟。利用2017年石羊河流域制种玉米的实测数据对改进模型进行了率定与验证,并模拟预测了未来气温升高和覆膜比变化情景下作物产量及水分利用效率(WUE)的变化规律。结果表明:改进的Aqua Crop模型能很好地模拟制种玉米生长发育阶段和冠层覆盖率,各处理冠层覆盖率的模拟值与实测值之间的R~2均不小于0.95,RMSE为3.9%~10.1%,NRMSE为4.9%~15.3%。而在1m土层贮水量的模拟上,各处理R~2在0.60~0.92之间,RMSE在9.5~17.1 mm之间,NRMSE处于4.4%~8.9%之间。改进的Aqua Crop模型在模拟不覆膜高水M0W1和M0W3处理的制种玉米干物质累积量、产量上模拟效果较差,其他处理的干物质累积量的R~2不小于0.98,RMSE为0.64~1.66 t/hm~2,NRMSE为9.9%~16.7%,产量的相对误差(RE)为-13.3%~4.5%,WUE则表现为除M0W1处理外,其他处理模拟效果较优,RE为-23.9%~18.1%。未来气温升高对作物产量及提高水分利用效率产生不利的影响。覆膜条件下,增温1.6℃和3.3℃分别比在实际温度下减产12.8%和20.7%,WUE降低3.0%和2.1%。不覆膜条件下减产率分别为13.9%和25.1%,WUE分别降低3.8%和7.6%。覆膜比例为50%时,可在保证产量的同时,提高水分利用效率,达到增产节水的效果。     

覆膜和灌水处理下土壤水分动态与玉米生长的模拟研究

采用作物模型模拟作物生长过程和产量,是应对气候变化和人类活动的影响、实现农业节水增产的重要途径。覆膜和节水灌溉技术在我国西北旱区农田应用广泛,本研究基于覆膜增温对气积温的补偿效应以及覆膜和冠层截留对降雨入渗的影响对Aqua Crop模型进行了改进,使其适用于我国西北旱区覆膜制种玉米的模拟。利用2017年石羊河流域制种玉米的实测数据对改进模型进行了率定与验证,并模拟预测了未来气温升高和覆膜比变化情景下作物产量及水分利用效率(WUE)的变化规律。结果表明:改进的Aqua Crop模型能很好地模拟制种玉米生长发育阶段和冠层覆盖率,各处理冠层覆盖率的模拟值与实测值之间的R~2均大于0.95,RMSE为3.9%～10.1%,NRMSE为4.9%～15.3%。而在1m土层贮水量的模拟上,各处理R~2在0.60～0.92之间,RMSE在9.5～17.1mm之间,NRMSE处于4.4%～8.9%之间。改进的Aqua Crop模型在模拟不覆膜高水M0W1和M0W3处理的制种玉米干物质累积量、产量上模拟效果较差,其他处理的干物质累积量的R~2大于0.98,RMSE为0.64～1.66t/hm~2,NRMSE为9.9%～16.7%,产量的相对误差(RE)为-13.3%～4.5%,WUE则表现为除M0W1处理外,其他处理模拟效果较好,RE为-23.9%～18.1%。未来气温升高对作物产量及提高水分利用效率产生不利的影响。覆膜条件下,增温1.6℃和3.3℃分别比在实际温度下减产12.8%和20.7%,WUE降低3.0%和2.1%。不覆膜条件下减产率分别为13.9%和25.1%,WUE分别降低3.8%和7.6%。覆膜比例为50%时,可在保证产量的同时,提高水分利用效率,达到增产节水的效果。     

覆膜和水分亏缺对制种玉米灌浆期气体交换参数及产量的影响

为了揭示西北干旱地区水分亏缺条件下,覆膜对灌浆期玉米叶片光合生理特征及产量的影响规律,于2017年在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站进行了大田试验,设置2种覆膜方式(覆膜滴灌M1和不覆膜滴灌M0)和5种灌水处理(W1—W5),共10个处理.试验结果表明:在处理W1和W2下,气孔限制是光合速率下降的主要原因;在处理W3下,不覆膜方式以非气孔限制为主,而覆膜方式气孔限制和非气孔限制可能同时存在;在处理W4和W5下,非气孔限制成为光合速率下降的主要原因.覆膜具有明显的增产效果,与不覆膜方式差异具有统计学意义,轻度水分胁迫可以提高玉米叶片的净光合速率,有利于玉米增产.综上所述,在西北干旱地区,水分亏缺条件下,覆膜能够提高玉米的产量和收获指数;轻度水分亏缺时,植物通过气孔限制进行水分调控,而重度水分亏缺时,非气孔限制成为光合速率下降的主要因素.     

农田水盐运移与作物生长对亏水滴灌的响应和模拟研究

为探究西北干旱地区农田水盐运移与作物生长对亏水滴灌的响应以及层状土壤中水分溶质运移和作物生长耦合模型(Layered soil water-solute transport and crop growth model,LAWSTAC)的适用性,设置3种水分处理W100、W70、W40,分别表示灌溉需水量的100%、70%和40%,于2018年在农业农村部作物高效用水武威科学观测实验站进行了大田试验。结果表明:在制种玉米生长苗期,单次灌水后,浅层(0~20 cm)土壤含盐量降低;经全生育期灌溉后,灌水量越大,浅层脱盐和深层积盐现象越明显。3种水分处理下灌水量越多的处理,制种玉米叶面积指数(LAI)和最终地上生物量越高,作物长势越好。LAWSTAC模型能较好地模拟农田水盐运移和制种玉米的生长过程;各处理LAI模拟值与实测值之间的决定系数R^2均为0.99,RMSE为0.20~0.87 cm^2/cm^2;各处理地上生物量的模拟值与实测值的R^2均为0.99,RMSE为1.62~3.57 t/hm^2,说明LAWSTAC模型可以较为准确地模拟制种玉米LAI、地上生物量的动态变化。0~80 cm土层贮水量的模拟结果表明,各处理R^2为0.41~0.61,RMSE为12~21 mm;0~80 cm土壤盐分质量浓度的模拟结果表明,各处理R^2为0.53~0.60,RMSE为1.37~2.56 g/L,效果较好。因此,LAWSTAC模型可为当地复杂土壤条件的农田进行生产力的初步预测与评估。     

覆膜和灌水量对制种玉米根系分布及产量的影响

为探究制种玉米根系分布及产量对滴灌条件下地膜覆盖和灌溉量的动态响应，该研究于2017年和2018年在中国西北旱区石羊河流域，以制种玉米"Ganxin 630"为供试作物，设置覆膜与灌溉水量2个控制因素，覆膜包括透明膜全覆盖（M1）和不覆膜（M0）2个水平，灌溉水量设置WF、WM和WL 3个水平（分别为灌溉需水量的100%、70%和40%），共6个处理，通过监测制种玉米生育期内的土壤水分、土壤温度、根长密度、地上干物质量和产量状况，分析不同覆膜和灌水量条件下土壤水热动态、制种玉米根长密度分布和产量的变化规律。结果表明，在相同覆膜条件下，0～60 cm土层含水量随灌溉量的增加而增加。覆膜可改善土壤水热条件，在充分灌溉下覆膜增加土壤贮水量，而亏缺灌溉下覆膜降低土壤贮水量。覆膜明显提升播种后75 d内的土壤温度，对播种后75 d之后的土壤温度没有影响。制种玉米各个生育期不同覆膜和灌水量处理下的根长密度均随着土层深度的加深而降低，播种后95 d时，86.3%～96.7%的根系分布在0～60 cm土层，其中土层深度0～30 cm和距离植株基部水平方向0～15 cm范围内的根长密度高于1.0 cm/cm3，此空间范围以外则低于1.0 cm/cm3。充分灌溉有利于浅层根系生长，而水分亏缺有利于深层根系生长，其中WL处理10 cm深度处的根长密度比WF处理在各个生育期低19.6%～32.5%，深层根长密度则高0.2%～41.9%，产量和地上生物量基本随灌溉量的增加而增加。覆膜10 cm深度处的根长密度比不覆膜在各灌水处理下高4.4%～69.2%，产量高24.9%。制种玉米地上干物质量、产量与播种后75和95 d的0～20 cm土层的根长密度的关系较为密切，相关系数分别达0.883、0.804以上，保证该阶段良好的土壤环境、促进根系生长对制种玉米的生长至关重要。该研究可为石羊河流域科学地进行灌溉和和覆膜管理提供理论依据。