Ridge-furrow plastic mulching with a suitable planting density enhances rainwater productivity,grain yield and economic benefit of rainfed maize

Soil surface mulching and planting density regulation are widely used for effective utilization of limited rainwater resources and improvement of crop productivity in dryland farming.However,the combined effects of mulching type and planting density on maize growth and yield have been seldom studied,especially in different hydrological years.A field experiment was conducted to evaluate the effects of mulching type and planting density on the soil temperature,growth,grain yield(GY),water use efficiency(WUE)and economic benefit of rainfed maize in the drylands of northern China during 2015-2017.Precipitation fluctuated over the three years.There were four mulching types(NM,flat cultivation with non-mulching;SM,flat cultivation with straw mulching;RP,plastic-mulched ridge plus bare furrow;RPFS,plastic-mulched ridge plus straw-mulched furrow)and three planting densities(LD,low planting density,45.0×10^3 plants/hm^2;MD,medium planting density,67.5×10^3 plants/hm^2;HD,high planting density,90.0×10^3 plants/hm^2).Results showed that soil temperature was higher with RP and lower with SM compared with NM,but no significant difference was found between RPFS and NM.More soil water was retained by soil mulching at the early growth stage,but it significantly varied at the middle and late growth stages.Maize growth was significantly improved by soil mulching.With increasing planting density,stem diameter,net photosynthetic rate and chlorophyll content tended to decline,whereas a single-peak trend in biomass yield was observed.Mulching type and planting density did not have significant effect on evapotranspiration(ET),but GY and WUE were significantly affected.There were significant interacting effects of mulching type and planting density on biomass yield,GY,ET and WUE.Compared with NM,RPFS,RP and SM increased GY by 57.5%,50.8%and 18.9%,and increased WUE by 66.6%,54.3%and 18.1%,respectively.At MD,GY increased by 41.4%and 25.2%,and WUE increased by 38.6%and 22.4%compared with those of at LD and HD.The highest maize GY(7023.2 kg/hm^2)was observed under MD+RPFS,but the value(6699.1 kg/hm^2)was insignificant under MD+RP.Similar trends were observed for WUE under MD+RP and MD+RPFS,but no significant difference was observed between these two combinations.In terms of economic benefit,net income under MD+RP was the highest with a 9.8%increase compared with that of under MD+RPFS.Therefore,we concluded that RP cultivation pattern with a suitable planting density(67.5×10^3 plants/hm^2)is promising for rainwater resources utilization and maize production in the drylands of northern China.     

亏缺灌溉对南疆棉花生长和水分利用的影响

针对南疆地区水资源短缺、作物水分利用效率低等问题,以棉花为试验材料进行田间小区试验,在棉花现蕾期、开花期以及结铃期分别设置3个亏缺灌溉水平(W₁:50%ET_c,W₂:65%ET_c,W₃:80%ET_c,ET_c为作物蒸发蒸腾量),以全生育期100%ET_c灌溉处理为对照(CK),研究膜下滴灌条件下,不同生育期亏缺灌溉对棉花生长、产量、氮素吸收和水分利用效率的影响.结果表明:现蕾期亏水对棉花株高、叶面积指数、地上干物质生长、氮素吸收和产量有不同程度的抑制效应,但复水后补偿效应显著,其中轻度亏水(W₃)在籽棉产量减少3.48%的条件下,WUE高达1.57 kg/m³,显著高于CK的1.48 kg/m³;开花期亏水,棉花的各项生长指标均有显著降低,复水后补偿效应不显著,不利于棉花生长发育;结铃期亏水对棉花地上干物质累积、氮素吸收和产量均有显著的抑制效应,但在W₂和W₃水平下,WUE均达1.51 kg/m³.综合考虑在保证棉花产量的同时达到节水增产的目的,可在棉花蕾期进行80%ET_c灌水,其他生育阶段实施充分灌溉,来控制营养生长,促进生殖生长,获得更高的水分利用效率.     

基于温室番茄产量和果实品质对加气灌溉处理的综合评价

【目的】研究不同灌水水平和滴头埋深条件下加气灌溉对温室番茄产量、灌溉水分利用效率（IWUE）和果实品质的影响,进而对不同试验处理进行综合评价。【方法】试验以常规地下滴灌（S）为对照,设置在W1、W2和W3（对应作物-皿系数k_cp分别为0.6、0.8和1.0）3个灌水水平与D1和D2（分别对应15 cm和25 cm）2种滴头埋深下进行加气灌溉（O）,共12个处理。基于各处理下果实产量和品质指标的差异,通过主成分分析法探索较优的试验处理。【结果】加气灌溉下单株产量、单果重、IWUE、果实中番茄红素、Vc、可溶性糖含量和糖酸比较对照分别显著增加了21.2%、23.9%、21.0%、28.1%、36.0%、22.8%和28.0%（P<0.05）。主成分分析中,第1主成分主要受番茄红素、Vc、灌溉水分利用效率和糖酸比的正影响,且处理W2D1O和W2D2O的得分分列第1和2名。因此处理W2D1O和W2D2O在兼顾节水和番茄果实营养品质方面较优。第2主成分主要受单株产量的正影响和有机酸的负影响,各处理有机酸含量未形成显著性差异且处理W3D1O的单株产量最高,因此得分最高。处理W3D1O的综合得分在12个处理中位列第1位。【结论】灌水水平k_cp为1.0,滴头埋深15 cm的加气灌溉处理可兼顾节水和温室番茄高产、优质的要求,为加气灌溉的实际应用提供理论依据。     

多元自适应回归样条算法模拟川中丘陵区参考作物蒸散量

参考作物蒸散量(reference crop evapotranspiration, ET_0)是作物精准灌溉管理与农业高效用水的核心参数。为提高川中丘陵区气象资料缺省下的ET_0预报精度,利用不同的气象因子组合,建立15种基于多元自适应回归样条算法(multivariate adaptive regression splines, MARS)的ET_0预报模型。选取11个代表性气象站点1961—2016年逐日气象资料进行分析,将其与其他ET_0预报模型进行对比,并利用可移植性分析评价MARS模型在川中丘陵区的适用性。结果表明:基于温度和风速项输入的MARS_5(输入大气顶层辐射、最高气温、最低气温、2m处风速)、MARS_9(输入最高气温、最低气温、2 m处风速)和MARS_(13)(输入最高气温、2 m处风速)模型,以及仅基于风速项输入的MARS_(15)模型都具有良好的模拟精度;大气顶层辐射和风速是决定机器学习模型地域性适应能力的关键;引入大气顶层辐射后,MARS_6(输入大气顶层辐射、最高气温、最低气温、相对湿度)、MARS_7(输入大气顶层辐射、最高气温、最低气温、日照时长)、MARS_8(输入大气顶层辐射、最高气温、最低气温)模型均优于相同气象因子依赖下的Irmak-Allen、Irmak、Hargreaves-M4模型;通过可移植性分析发现,在训练站点和测试站点的随机交叉组合下,MARS_5模型保持了较高的精度(纳什效率系数和决定系数均大于0.985),且输出较为稳定的模拟结果,均方根误差变化范围为0.121～0.193 mm/d,平均相对误差变化范围为2.7%～4.2%。因此,基于多元自适应回归样条算法的ET_0预报模型可作为川中丘陵区ET_0预报的推荐模型。     

冬小麦叶片形状系数的变异性

研究了2014-10—2015-06生长季内6个不同熟性冬小麦品种全生育期内叶片形状系数的变化规律,将小麦生育期划分为出苗、返青、拔节、抽穗、开花、成熟等6个不同生长阶段,依次采样计算各个阶段的α均值,同时考虑α值在单个植株不同叶片之间的差异,以及不同冬小麦品种之间的差异。结果表明:α值总体在0.59到0.71之间,随冬小麦生育期的变化而变化,自苗期到开花期波动增大,开花后缓慢下降;在单个植株之内,α值变异性较大,开花期最为稳定,开花后变异性增加;不同熟性冬小麦品种之间,α值在拔节、抽穗和开花期表现出显著差异,而在出苗、返青和成熟期,差异不显著。因此,建议最好在不同的作物生长阶段采用不同的叶片性状系数,以提高叶面积模拟和预测精度。对全生育期3种熟性6个冬小麦品种的1 485个叶片的面积和长宽乘积进行线性回归分析,可知总体的冬小麦叶片形状系数值约为0.66。以叶面积模型LA=0.66×L×W来估算冬小麦叶片面积,其总体的相对均方根误差(RRMSE)约为4.40%,绝对相对误差(absolute relative error,ARE)约为13.05%,在5种不同叶面积估算模型中精度最高,因此推荐该模型用于估算田间小麦叶片面积。     

滴灌施肥水肥耦合对温室番茄产量、品质和水氮利用的影响

【目的】水肥是限制作物增产的两大因子,不合理的灌溉与施氮不仅难于增加产量,还会增加土壤剖面硝态氮累积、降低作物品质及水氮利用效率。针对西北半干旱地区温室蔬菜灌水和施肥存在的问题,通过滴灌施肥水肥耦合对温室番茄产量品质和水氮利用的影响,研究滴灌施肥条件下温室番茄高产优质高效的灌水施肥制度。【方法】通过温室番茄小区试验,设常规沟灌施肥（100%ET₀,N240-P₂O₅120-K₂O150 kg·hm^-2）以及3个滴灌水量（高水W₁：100%ET₀、中水W₂：75%ET₀、低水W₃：50%ET₀）和3个施肥水平（高肥F₁：N240-P₂O₅120-K₂O150 kg·hm^-2、中肥F₂：N180-P₂O₅90-K₂O112.5 kg·hm^-2、低肥F₃：N120-P₂O₅60-K₂O75 kg·hm^-2）,共10个处理,分析番茄生长产量、品质、土壤硝态氮分布以及水氮吸收利用对不同灌水量和施肥量的响应规律。【结果】与常规沟灌施肥相比,滴灌施肥增加番茄产量31.04 t·hm^-2、干物质量3 208 kg·hm^-2和总氮吸收量73.13 kg·hm^-2,增幅分别为46.9%、54.0%和82.4%,同时增加果实中维生素C（Vc）含量61.8%;降低土壤中硝态氮含量;水分利用效率（WUE）和氮肥利用率（NUE）分别增加46.4%和76.5%。滴灌施肥条件下,W₁F₂处理总干物质量最大（9 248 kg·hm^-2）,产量和植株氮素吸收量均与灌水量和施肥量正相关,增加施肥量带来的增产效应大于灌水,且W₁F₂处理产量和氮素吸收量增加幅度最大。增加灌水量,降低施肥量,WUE逐渐下降,NUE逐渐上升,W₃F₁处理WUE最大（47.7 kg·m^-3）,W₁F₃处理NUE最大（65.6%）,且W₃F₂处理的WUE和W₁F₂处理的NUE增加幅度明显大于其他处理。土壤中硝态氮含量受灌水、施肥以及水肥交互效应影响显著,随灌水量的增加呈先增大后降低的趋势,随施肥量的增加逐渐增大,在滴头正下方没有明显累积,在湿润土体的横向边缘产生累积,W₁F₂处理土壤中硝态氮含量较小,分布更均匀。增大灌水量显著降低番茄Vc、番茄红素和可溶性糖含量以及营养累积量;增大施肥量,品质含量以及营养累积量呈先增大后降低的趋势;W₃F₂处理获得最大的Vc和番茄红素含量及营养累积量,最大的可溶性糖含量及较大的营养累积量。【结论】温室番茄滴灌施肥技术能够达到高产优质和高效的目的,当追求产量和氮肥利用率时,高水中肥（W₁F₂：100%ET₀,N180-P₂O₅90-K₂O112.5 kg·hm^-2）处理能获得较高的产量和NUE以及较低的土壤硝态氮含量;当追求品质和水分利用效率时,低水中肥（W₃F₂：50%ET₀,N180-P₂O₅90-K₂O112.5 kg·hm^-2）处理获得最大的维生素C、可溶性糖和番茄红素含量以及较高的水分利用效率。     

不同生长阶段水分胁迫对旱区冬小麦生长发育和产量的影响

【目的】为了探究不同生长阶段水分胁迫对旱区冬小麦生长发育和产量形成的影响,通过2012-2013和2013-2014两个生长季在遮雨棚人工控水试验,对比分析不同分段受旱条件下冬小麦的株高、叶面积指数、生物量、物候期和产量等生理生态指标的动态变化过程。【方法】试验将冬小麦整个生育期划分为越冬、返青、拔节、抽穗和灌浆5个主要生长阶段,每相邻两个生长阶段连续受旱,形成4个不同的受旱时段水平（D1-D4）,根据小麦生育期的需水量,设置灌水定额分别为40和80 mm两个水平（I1和I2）,共形成8个处理,每处理3次重复,在遮雨棚内采用裂区试验布置,此外在旁边设置1个各生育期全灌水的对照处理。【结果】在冬小麦营养生长阶段进行连续水分胁迫时,明显影响小麦的正常生长发育,越冬期和返青期受旱时冬小麦的株高和叶面积指数都最小,但是拔节后受旱对小麦植株生长影响不明显,且拔节期后冬小麦株高和叶面指数的平均生长速率均为拔节前的10倍;拔节期前各处理小麦的生物量都没有明显的差异,但是拔节后各处理差异明显,越冬期和返青期受旱处理的生物量明显低于其他各处理,并且后期复水也不能弥补生物量的严重损失;干旱胁迫能缩短冬小麦的生育期,在同一灌溉水平下,受旱阶段D1、D2、D3、D4的抽穗期和开花期比对照处理延迟1-3 d,且受旱时期越早、胁迫程度越大,则生育期越提前,成熟期最多可提前5 d;相同灌溉水平下,若抽穗和灌浆期受旱（即越冬、返青、拔节期灌水）可获得较高的有效穗数和穗粒数,但千粒重较低;而抽穗和灌浆期灌水,可以提高冬小麦千粒重,但穗数和穗粒数较低;在I1和I2水平下,越冬期和返青期受旱处理的产量最低,仅为对照处理产量的42%左右,但I1水平下拔节期和抽穗期受旱的处理产量最高,约为对照处理的63%,I2水平下返青期和拔节期受旱的处理产量最高,约为对照处理的75%。【结论】灌水定额和受旱阶段具有明显的交互作用,返青期和灌浆期为旱区冬小麦田间水分管理的关键时期,生产中需加强这两个生长阶段的田间水分管理以确保高产。     

多路径下桃园射频信号传输特性

为解决无线传感器网络在桃园中的快速部署问题,该文研究了2.4 GHz无线射频信号在桃园中的传播特性。依据角度选取4条传输路径,在3种(0.5、1.5、2.5 m)典型的天线高度,同时测量丢包率和路径损耗情况,分析表明两者具有明显的相关性,天线高度和通信距离是路径损耗的主要影响因素。在天线高度为0.5和1.5 m时,可靠传输距离为6个行距(27 m);在天线高度为2.5 m时,可靠传输距离大于14个行距(63 m),因此冠层顶部为布设天线的最佳位置。对路径损耗数据进行回归分析,发现其在每种天线高度,每条传输路径下对数模型最适合作为路径损耗模型,模型的R2最大为0.945,最小为0.732。为研究节点部署于桃园任意位置时的路径损耗情况,便于节点快速灵活地部署,在3种天线高度下对路径损耗数据进行对数回归分析,R2最大为0.976,最小为0.939。最后对2组模型进行了验证,表明模型可以预测射频信号在桃园中的路径损耗情况,该文研究结果为无线传感器网络在桃园中的部署提供了参考。     

相邻喷头射流相互作用对喷洒特性的影响

相邻喷头喷洒重叠区域内的射流来自不同喷头,喷射过程中往往产生冲撞等相互作用。为研究组合喷头喷洒过程中相邻喷头间射流相互作用对组合喷洒特性造成的影响,选取Nelson D3000锯齿状喷盘喷头和R3000旋转式喷头,对其单独喷洒和以2.5 m组合间距进行喷洒时的水量分布以及雨滴谱信息进行了测试与比较。结果表明:喷头之间相互影响的强弱程度受喷头几何结构的影响,R3000喷头受组合喷洒时喷头间射流的影响作用不明显;Nelson D3000喷头(锯齿状喷盘)受组合喷洒时喷头间射流的影响作用剧烈,水量分布集中点的位置因射流轨迹的变化而产生偏移,喷灌强度最大点向靠近喷头侧偏移约0.5 m。组合喷洒条件下测点MP5处的降水强度、能量通量密度以及水滴数目较单独射流分别增长91.27%、107.58%和239.29%,其中粒径大于0.9 mm水滴数目的增加对该测点水量和能量提升的贡献率达到40.89%和58.83%。变异性分析结果表明水量和能量的重分布主要是由组合喷洒时增加了水滴之间相互碰撞的机率所引起。在Nelson D3000锯齿状喷盘喷头这类喷头进行水量叠加计算时,应考虑相邻喷头间水滴互相碰撞、结合或碎裂等相互作用对组合后的水量分布形式产生的影响,采用单喷头水量分布直接叠加的方法可能会导致计算精度较低。     

平移式喷灌机行走速度及喷灌均匀度试验研究

为研究低压喷灌下喷灌机行走速度合理取值以及喷灌均匀度对土壤含水率均匀度的影响,以自行研制的轻小型平移式喷灌机为研究对象,通过室内单喷头试验和田间喷灌试验,探究了特定灌水定额下喷灌机的工作压力与行走速度关系,并对其水量分布、喷灌均匀度以及土壤含水率均匀度随时间变化进行了分析.结果表明：通过确定灌水定额能够计算出平移式喷灌机的行走速度和工作压力：当灌水定额分别为10,15,20 mm时,40~120 kPa喷灌压力下喷灌机行走速度最小为17.27 m/h,最大为58.65 m/h;增大喷灌压力能小范围提高均匀度,40 kPa工作压力均匀度为0.696,60~120 kPa喷灌压力下均匀度变化范围为0.731~0.788,喷灌水在土壤中的二次分布均匀度明显高于地表喷灌均匀度,40 kPa喷灌压力下喷后6 h土壤含水率均匀度达到0.906,24 h后达到0.953,可相应降低喷灌均匀度设计值以降低运行成本,节约能耗.