丛枝菌根真菌侵染指标与植物促生效应相关性分析

为探讨不同丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)生长特性与功能(植物生长和养分吸收)的相关性。采用分室根箱装置,以玉米(Zea mays L.)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)为宿主植物,选取7种AMF:摩西斗管囊霉Funneliformis mosseae、变形球囊霉Glomus versiforme、根内根孢囊霉Rhizophagus intraradices、幼套近明球囊霉Claroideoglomus etunicatum、近明球囊霉C.claroideum、细凹无梗囊霉Acaulospora scrobiculata、黏屑多样孢囊霉Diversispora spurca,以不接种为对照进行温室盆栽试验,测定菌根侵染率、根外菌丝密度、植物地上部生物量、磷/锌吸收量、植物根系AMF gDNA丰度以及玉米根系ZmPht1;6的相对表达量。结果表明:接种F.mosseae、R.intraradices、G.versiforme、C.etunicatum的玉米和紫花苜蓿根系侵染率及根外菌丝密度较高,对植株生长和磷、锌吸收均表现为正效应;C.claroideum、A.scrobiculata、D.spurca根系侵染率和根外菌丝密度较低,C.claroideum对紫花苜蓿生长和磷吸收表现为促进效应,而对玉米表现出抑制效应,后两者对植株生长和磷、锌吸收无显著效应或抑制作用;AMF的生长指标(菌根侵染率和根外菌丝密度)与菌根生长效应以及磷、锌吸收效应之间均具有较高的正相关性,根系AMF总侵染率对玉米菌根生长效应、磷/锌吸收效应变异的解释量分别为79.0%,77.6%和74.1%;菌丝侵染率对紫花苜蓿菌根生长效应、磷/锌吸收效应变异的解释量分别为76.5%,72.6%和74.0%;此外,仅紫花苜蓿根系AMF gDNA丰度与根系总侵染率显著正相关,玉米根系ZmPht1;6基因的相对表达量与菌根磷吸收效应显著正相关。综上,AMF的侵染指标显著影响植物生长和养分吸收效应,AMF gDNA丰度可作为表示AMF生长的指标,但因植物而异,玉米根系ZmPht1;6的相对表达量在一定程度上可反映AMF吸磷能力。     

基于无人机多光谱影像的荒漠草原典型物种识别

【目的】 准确获取草原植物物种空间分布信息是草原生态系统生物多样性监测、群落重构与生态功能维持的重要基础。及时准确获取植物物种空间分布可以为草原植物物种信息提取提供有效技术手段。【方法】 文章以无人机多光谱影像为基础,分别在像元尺度和对象尺度上开展了荒漠草原典型物种的信息提取方法研究。像元尺度上先定义样本计算样本可分离性,在选择不同分类器进行分类。而对象尺度上首先进行遥感影像尺度分割研究,选出最佳分割尺度。在此基础上,提取最优特征变量,并采用阈值分类法提取植被信息。【结果】 高分辨率无人机多光谱数据能够为荒漠草原物种信息提取提供有效数据基础。面向对象影像分析技术的表现最好,总体精度85.16%,Kappa系数0.71,其中短花针茅的制图精度和用户精度分别为97.6%和86%;其次是支持向量机机器学习算法,其总体精度80.40%,Kappa系数0.70,短花针茅的制图精度和用户精度分别为90.08%和76.46%;而传统最大似然分类法的识别精度较低,总体精度为74.68%,Kappa系数0.64,短花针茅的制图精度和用户精度分别为72.40和81.96。【结论】 无人机多光谱数据对于集中连片分布的植被物种的识别能力较强,而对零星分布的物种的识别精度并不理想,但该文结果能够为大尺度草原植物物种识别提供一定参考。     

基于全株生物量和全株氮浓度的马铃薯氮临界浓度稀释模型的构建及验证

  【目的】  临界氮浓度稀释曲线的构建是作物氮素营养诊断的基础，然而其曲线参数可能受品种等因素影响。本研究的主要目的是构建滴灌条件下常见马铃薯品种临界氮浓度稀释曲线模型，并利用相应的氮素营养指数进行马铃薯氮素营养诊断。  【方法】  于2014—2016年分别进行了滴灌条件下3个马铃薯品种、不同施氮量的田间试验。在马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和收获期5个关键时期，进行地上部茎叶和地下部块茎取样，分别测定了生物量和氮浓度，根据公式计算出马铃薯全株生物量和全株氮浓度。根据全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型和相应的氮素营养指数。  【结果】  马铃薯地上部生物量和地上部氮浓度以及全株生物量和全株氮浓度都是随着生育时期的推进呈现出负幂函数关系，基于地上部生物量和地上部氮浓度建立的临界氮浓度稀释曲线决定系数平均为0.52，而以马铃薯全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线决定系数平均为0.94，较前者提高了80%。以马铃薯全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型更为合理，且受品种影响较小，克新1号、夏坡地和荷兰14用同一个临界氮浓度稀释曲线的决定系数均达到0.95，表明构建的氮素营养模型可以进行不同品种的马铃薯氮素营养诊断。  【结论】  相对于传统籽粒型作物基于地上部生物量和地上部氮浓度建立临界氮浓度稀释模型，基于全株生物量和全株氮浓度建立的临界氮浓度稀释模型适用于不同品种马铃薯的营养诊断。在内蒙古滴灌生产条件下，马铃薯临界氮浓度稀释模型为Nc = 4.57W–0.41，基于该模型计算的马铃薯克新1号合理施氮量为N 170～180 kg/hm2、夏坡地合理施氮量为 190～200 kg/hm2、荷兰14合理施氮量为 215～225 kg/hm2。这些计算结果与试验结果的吻合度达到了0.95。     

基于高光谱指数估测马铃薯植株氮素浓度的敏感波段提取

  【目的】  基于光谱指数的氮素营养诊断是快速获取作物氮素营养状况的方式之一。其中，利用可见光和近红外波段光谱反射率构建的比率和归一化光谱指数对估测作物氮素营养状况具有重要意义。解决氮素营养诊断过程中存在的指数饱和及数据离散问题，以评价已有比率和归一化光谱指数对马铃薯关键生育时期植株氮素浓度诊断的可行性。  【方法】  2014—2016年在内蒙古武川县和四子王旗，设置了4个不同氮肥梯度的多点田间试验。在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期，采集试验地和邻近农田马铃薯地上部和块茎样品，分析其氮素含量。并在马铃薯冠层以上50～80 cm采集光谱数据。用试验田数据建立了12个已发表的比率、归一化光谱指数和波段优化光谱指数与马铃薯关键生育时期植株氮素浓度的相关性与估测模型，并用农田马铃薯数据验证模型的精度。  【结果】  马铃薯植株氮素浓度分布范围在1.89%～4.69%，平均氮素浓度为3.30%，变异系数为18.75%；验证集数据来源于农民田块，马铃薯植株氮素浓度分布范围在2.00%～4.92%，平均氮素浓度为3.34%，变异系数为19.27%。蓝紫光400～450 nm和红边690～720 nm波段是马铃薯植株氮素浓度估测的敏感波段，部分已有光谱指数虽然可以用于马铃薯植株氮素浓度的估测，但是蓝紫光波段的缺失大大降低了估测的准确性。通过波段优化算法确定的优化光谱指数RSI、NDSI最佳波段位置分别为430、694和426、694 nm。基于优化光谱指数NDSI (426 nm、694 nm) 建立的马铃薯植株氮素浓度线性估测模型为y=?6.87x+6.08，决定系数R2最高，为0.68；RSI光谱指数与马铃薯植株氮素浓度的线性估测模型为y=?1.11x+5.92，R2为0.65，与已有比率和归一化光谱指数相比，优化光谱指数RSI和NDSI克服了高氮浓度条件下光谱指数饱和现象，显著提高了马铃薯植株氮素浓度的线性建模效果。农民田块验证数据显示，估测模型的估测值与实测值接近1∶1线，其中NDSI光谱指数估测模型的验证效果最佳，平均相对误差RE 和均方根误差RMSE分别为10.58%和0.42%。  【结论】  本研究通过波段优化算法确定了比率和归一化光谱指数的马铃薯植株氮素浓度敏感波段，采用蓝紫光400～450 nm和红边690～720 nm波段进行马铃薯植株氮素浓度估测，可以改善诊断高氮浓度时的指数灵敏度和数据离散问题，提高马铃薯植株氮素营养诊断的精度。     

氮肥用量和脲酶抑制剂对滴灌马铃薯田氧化亚氮排放和氨挥发的影响

【目的】 氨挥发和氧化亚氮排放是氮素损失的重要途径。内蒙古阴山北麓滴灌马铃薯田种植面积大,普遍存在过量施肥的问题。研究适宜的氮肥用量,利用脲酶抑制剂来抑制氨挥发和氧化亚氮排放,对提高当地氮肥利用率和减缓环境压力具有重要意义。 【方法】 田间试验分两年在内蒙古武川县两个村庄进行,供试地块种植马铃薯,采用滴灌技术。2015年设置4个处理,分别为:不施氮 (CK);优化施氮模式,施N 180 kg/hm2 (Opt);优化施氮减半模式,施N 90 kg/hm2 (OptR);农民传统施肥量,施N 270 kg/hm2 (Con)。2016年试验处理根据2015年的结果进行调整,设置4个处理:不施氮 (CK);优化施氮添加脲酶抑制剂模式,施N 162.6 kg/hm2 (OptI);优化施氮模式, 施N 162.6 kg/hm2 (Opt);农民传统施肥量,施N 320 kg/hm2 (Con)。分别采用静态暗箱法和通气法采集氧化亚氮和氨气,每次施肥后,两天采集一次气体样品,氧化亚氮连续取样三次,氨气持续取样直至气体含量低于仪器检测值下限。 【结果】 氨挥发速率在施入尿素后第1～5 d出现峰值。Con处理2015和2016年氨挥发的最大峰值分别是13.2 mg/(m2·d) 和5.3 mg/(m2·d),氨挥发累积量分别为N 3.61和3.96 kg/hm2;Opt处理的最大峰值分别为8.69 mg/(m2·d) 和3.19 mg/(m2·d),累积挥发量分别为N 3.11和2.72 kg/hm2;OptR处理氨挥发速率最大峰值为5.63 mg/(m2·d),氨挥发累积量为2.66 kg/hm2,OptI处理氨挥发速率最大峰值为3.67 mg/(m2·d),氨挥发累积量为2.50 kg/hm2。氨挥发累积量随着氮肥用量的增加而增多,Con处理的氨挥发量显著高于其他处理;氧化亚氮排放量在施入尿素后第3 d达到峰值,Con处理2015和2016年的氧化亚氮排放峰值分别达到0.3 mg/(m2·d) 和0.2 mg/(m2·d),氧化亚氮累积排放量分别为N 1.96和1.18 kg/hm2,显著高于其他处理;Opt处理两年的排放最大峰值均为0.11 mg/(m2·d),氧化亚氮累积排放量为N 0.95、0.69 kg/hm2;OptR的氧化亚氮排放量最大峰值为0.09 mg/(m2·d),累积量为0.90 kg/hm2。OptI的氧化亚氮排放量最大峰值为0.12 mg/(m2·d),氧化亚氮累积量为0.66 kg/hm2。相比Opt,OptI处理的氨挥发和氧化亚氮累积排放量分别降低了11.8%和16.7%,但未达到显著水平。氨挥发速率与土壤温度呈显著正相关,土壤温度的升高会显著增加氨挥发速率,土壤湿度的增加会抑制氨挥发速率,影响不显著。氧化亚氮的排放与土壤湿度呈显著正相关,土壤中水分增加会显著增加氧化亚氮的排放量,土壤温度与氧化亚氮排放成负相关,影响未达到显著水平。 【结论】 与农民传统施肥模式相比,优化施氮模式可显著降低氨挥发和氧化亚氮排放量,添加脲酶抑制剂未达到显著降低尿素氨挥发量和氧化亚氮排放的效果。土壤湿度和土壤温度在一定程度上影响着氨挥发速率和氧化亚氮的排放通量。在供试地区马铃薯田的施肥管理中,推荐可有效地降低氨挥发和氧化亚氮排放量的优化施氮模式。      

内蒙古地区甜菜临界氮浓度稀释模型的构建及应用

甜菜是我国两大主要糖料作物之一,然而氮素过量或者不足不仅会影响甜菜产量和含糖量,而且过量的氮素还会造成一定的环境风险,如何判别甜菜的氮素营养在一个合理的范围对于保障甜菜产量、品质和减少环境风险具有重要意义。临界氮浓度稀释曲线是作物氮素营养诊断的基础,本研究的主要目的是构建我国甜菜临界氮浓度稀释曲线模型,并利用相应的氮素营养指数进行甜菜氮素营养诊断。研究于2017—2018年在内蒙古呼和浩特市和赤峰市进行了2个甜菜品种、不同施氮量的田间试验。在甜菜的苗期、叶丛生长期、块根膨大期、糖分积累期和收获期5个关键时期进行地上部叶片和地下部块根取样测定生物量和氮浓度,并计算出甜菜全株生物量和全株氮浓度。根据全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型和相应的氮素营养指数。结果表明,甜菜地上部生物量和地上部氮浓度以及全株生物量和全株氮浓度都是随着生育时期的推进呈现出负幂函数关系,基于地上部生物量和地上部氮浓度建立的临界氮浓度稀释曲线决定系数平均在0.45,而以全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释曲线决定系数平均在0.94,较前者有显著提高。以全株生物量和全株氮浓度建立临界氮浓度稀释模型更为合理,...     

基于无人机高光谱影像的马铃薯叶绿素含量估测

  【目的】  叶绿素含量高低反映植被的健康状况与光合能力。研究准确、有效地将冠层影像反演为叶绿素含量的技术参数,以便经济快速、实时地监测作物生长状况。  【方法】  田间试验于2018—2020年在内蒙古阴山北麓马铃薯主产区进行,设置氮肥梯度处理,在马铃薯块茎膨大期和淀粉积累期,测定试验地马铃薯植株SPAD值,通过线性关系将其转化成叶绿素含量。利用无人机为平台搭载S185成像光谱仪获取马铃薯试验区高光谱影像,并从中提取马铃薯冠层光谱反射率。将3年田间试验所获取的125个样本点数据按80%、20%的比例随机划分为训练集与验证集。用训练集数据建立了8个比率、归一化光谱指数,通过波段优化算法建立优化光谱指数和马铃薯关键生育期叶绿素含量的相关性与估测模型,并用验证集数据检验所建立模型的精度,最后利用所构建的估测模型制作马铃薯叶绿素含量分布图。  【结果】  根据训练集数据,马铃薯植株叶绿素含量分布范围在10.58～23.14 mg/g,平均叶绿素含量为19.80 mg/g,变异系数为14.9%;根据验证集数据,马铃薯植株叶绿素含量分布范围在12.80～23.73 mg/g,平均为19.59 mg/g,变异系数为17.0%。基于绿光波段建立的叶绿素光谱指数(CI_green)和归一化光谱指数550 (ND550)均与马铃薯叶绿素含量具有较好相关性(R2分别为0.48、0.61),但作物种类及生育时期的影响降低了估测的准确性。通过优化波段586、462 nm和586、498 nm计算的优化比率光谱指数(RSI)和优化归一化光谱指数(NDSI)能够明显提高模型准确性,具备良好的线性拟合效果,决定系数R2分别由0.48和0.61提高到0.82和0.83。经验证后,估测模型预测值与实测值接近1∶1线,决定系数R2分别为0.77和0.79,均方根误差RMSE较低。通过反演马铃薯叶绿素含量分布图可知,优化光谱指数(NDSI)模型反演效果较好,叶绿素含量分布范围为18～21 mg/g,与实测值相符合。  【结论】  本研究优化光谱指数RSI和NDSI最佳敏感波段分别为586、462和586、498 nm,此波段范围内RSI和NDSI与马铃薯关键生育期叶绿素含量相关性最优,通过波段优化算法重新构建的优化光谱指数预测模型可靠性及精度显著高于已有光谱指数,决定系数分别为0.82和0.83,且验证效果较好。应用两种光谱指数对研究区高光谱影像进行叶绿素反演估测,生成的田间马铃薯叶绿素含量分布图显示优化光谱指数NDSI估测效果最好,为光谱指数估测马铃薯关键生育期叶绿素含量提供了理论支持。     

短花针茅荒漠草原土壤呼吸及其对施肥的响应

2011～2014年,在内蒙古短花针茅荒漠草原设置了氮、磷和氮磷配施等3种施肥处理以及单施氮肥的3个不同添加梯度处理,并以未施肥为对照,采用LI-8100土壤碳通量测量系统测定了各处理样地土壤呼吸速率季节变化,结合土壤养分、地下生物量和环境因子,分析了不同施肥处理下土壤呼吸的变化规律及其与各影响因子之间的关系。结果表明:1)土壤呼吸季节变化规律不受施肥的影响,呈单峰型,最高值出现在每年8月。2)土壤呼吸与气温和降雨量呈指数相关关系,其年际变化受降雨量的影响较大。3)单施N肥、单施P肥和NP配施均促进生长季土壤呼吸,但其作用程度受降雨量多少而不同,降雨量越高对土壤呼吸的影响越明显。4)随着N肥添加量的增加,土壤呼吸速率呈增强趋势,但土壤呼吸与环境因子间的相关性减弱;单施P处理生长季平均土壤呼吸速率最高,NP配施处理稍低,二者随气温和降雨量的变化幅度大于单施N肥处理。     

内蒙古中西部玉米临界氮浓度稀释模型的构建与验证

  【目的】  建立内蒙古中西部地区玉米临界氮浓度稀释曲线模型,利用相应的氮营养指数对玉米进行氮素营养诊断,并验证曲线的可靠性,以期为实现内蒙古中西部玉米合理施用氮肥提供理论依据。  【方法】  于2019—2021年,分别在内蒙古中部的达拉特旗和西部的五原县、乌拉特前旗 3个典型区域,以新玉12、晋单42、先玉1225、泽玉19、宏育203和晋单542以及东农258为试验材料,进行建模田间试验。6个氮肥处理包括传统氮肥(N 400 kg/hm2)、不施氮 (对照)、推荐优化施氮(N) 180 kg/hm2 (OPT)以及70% OPT、130% OPT、170% OPT,分别在玉米拔节期 (V6)、八叶期（V8）、十叶期（V10）、大喇叭口期 (V12)、吐丝期 (R1)、乳熟期 (R3) 和蜡熟期 (R5)进行植株取样,测定植株地上部生物量和植株氮浓度,利用地上部生物量和植株氮浓度构建临界氮浓度稀释模型。2021年在达拉特旗进行验证试验,设置推荐施氮示范田和传统习惯生产田,测定玉米植株地上部生物量和植株氮浓度,利用氮营养指数(NNI)对临界氮浓度稀释模型进行验证。  【结果】  内蒙古中西部不同品种玉米产量水平相当,为10.60～12.72 t/hm2。达拉特旗、五原县、乌拉特前旗3个典型区域的临界氮浓度稀释曲线分别为Nc = 3.09DM－0.32、Nc = 3.30DM–0.28 和Nc = 3.58DM–0.35,生物量与临界氮浓度拟合的决定系数(R2)分别为0.98、0.82和0.88。整合3个试验地点的7个玉米品种数据,将临界氮浓度稀释曲线模型跨地点和品种进一步拟合,建立了内蒙古中西部玉米临界氮浓度稀释曲线Nc = 3.32DM–0.305,R2为0.89,且达到显著水平,模型验证的均方根误差RMSE为2.39 g/kg。根据新构建的临界氮浓度稀释曲线模型,内蒙古中西部玉米合理施氮量为N 180～220 kg/hm2。  【结论】  在同一区域,产量水平接近的玉米品种可以共用一条临界氮浓度稀释曲线。内蒙古中西部玉米产量在10.60～12.72 t/hm2,构建的内蒙古中西部地区春玉米临界氮浓度稀释曲线为Nc = 3.32DM–0.305;模型验证结果表明,该模型稳定性较好,可以有效地对内蒙古中西部玉米植株氮素营养状况进行诊断。通过模型推断,内蒙古中西部玉米合理施氮(N)量为 180～220 kg/hm2。     

不同施肥措施对河套灌区盐化潮土氨挥发及氧化亚氮排放的影响

本研究以河套灌区农田盐化潮土为研究对象,通过静态暗箱-气相色谱法和田间土壤氨挥发原位测定法(通气法),研究了4种不同施肥措施(农民习惯施肥、膨润土+农民习惯施肥、生物炭+农民习惯施肥、腐殖酸+农民习惯施肥,分别标记为CK、B、C、HA)对土壤氨(NH_3)挥发及氧化亚氮(N_2O)排放的影响。结果表明:B处理可以显著降低土壤N_2O的排放,其N_2O累计排放量较CK降低30.9%,氮肥损失率较CK降低31.5%;其他处理N_2O累计排放量与CK无显著差异。各处理NH_3挥发速率于施肥灌水后3~5 d达到峰值,之后逐渐降低趋于平稳。B、C、HA处理可以显著降低土壤NH_3挥发,NH_3累计挥发量较CK降低56.0%、41.2%、49.0%,氮肥损失率较CK降低56.0%、41.2%、52.1%。相关性分析表明,土壤温度和空气温度与土壤N_2O的排放呈显著正相关;生育期土壤含水量处于151.2~203.3 g/kg,在这一范围内,土壤含水量与土壤N_2O的排放呈正相关关系。B处理可显著降低土壤NH3挥发及N_2O排放,且比CK增产11.1%,是较为合理的施肥措施。