北方干旱区降解膜覆盖农田玉米生长和氮素利用模拟及优化

为了明确干旱区降解地膜覆盖下作物生长及氮肥利用特征,在内蒙古河套灌区进行两年的降解膜覆盖农田施肥试验。在降解膜覆盖下设4个施氮水平:0(BN0)、216(BN1:追施氮160)、276(BN2:追施氮220)、336(BN3:追施氮280)kg/hm2,另设高氮塑料地膜覆盖(PN3)与高氮无膜覆盖(NN3)处理作为对照。率定和验证了不同类型地膜覆盖条件的DNDC模型(denitrification-decompositionmodel,脱氮-分解作用模型),模拟并研究了不同类型地膜覆盖及不同施氮量对玉米生长、氮素吸收及利用效率的影响,并基于线性+平台模型优化了施肥模式。结果表明:在灌浆期降解地膜与塑料地膜覆盖下玉米生长无明显差异,干物质累积量2a平均仅降低了2.41%(P>0.05),但比无膜处理分别提高了9.65%(P<0.05);在收获期降解地膜与塑料地膜覆盖处理之间差异增大但仍未达显著水平,仅降低了3.07%(P>0.05),且作物的日吸氮量、产量、氮肥利用率和氮素吸收效率也无显著差异,2 a平均分别仅降低1.09%、3.97%、3.08%和2.22%(P>0.05),但比无膜覆盖处理分别提高了7.04%、13.67%、12.90%和8.90%(P<0.05)。随着施氮量增加干物质累积量的增大趋势趋于平缓甚至出现负值,施氮量为336 kg/hm2(BN3)处理较276 kg/hm2(BN2)处理降低了1.06%,日吸氮量、累积吸氮量和产量仅提高了0.35%、0.78%和0.34%(P>0.05),而比216 kg/hm2(BN1)处理分别提高了6.41%、8.38%、23.58%和35.37%(P<0.05)。通过DNDC模型不同情景模拟及线性+平台模型寻优,得到降解地膜覆盖农田施氮肥252.94 kg/hm2时,继续增加氮肥对产量无明显促进作用,为该地区降解地膜覆盖下较优的施肥模式。     

干旱沙区降解膜覆盖的玉米生长与耗水规律

针对干旱沙区水资源短缺、水分利用效率较低、“白色污染”等问题,在内蒙古乌兰布和沙区开展了2 a的可降解地膜膜下滴灌田间试验.试验设置2种类型的地膜覆盖(可降解地膜和普通地膜)与3个灌溉定额(低水、中水和高水)共6个处理,研究了可降解地膜覆盖下不同灌水处理对干旱沙区玉米生长、产量、土壤含水率、耗水量及水分利用效率WUE的影响.结果表明:可降解地膜覆盖下的玉米生长和产量与普通地膜覆盖的差异不具有统计学意义,抽雄期后耗水量较大,而WUE显著降低;可降解地膜覆盖下灌水量对玉米生长、产量、土壤含水率、耗水量及WUE有显著的影响,灌水量增加会促进玉米生长,延缓后期玉米衰老,增加玉米产量,2 a均为高水处理的产量最大,分别为13 614.97,13 726.68 kg/hm²,且与中水处理的差异不具有统计学意义;耗水量随灌水量增加呈上升趋势,而WUE随灌水量增加呈抛物线趋势,2 a中水处理的WUE均为最大,平均分别比高水、低水处理的高2.77%,19.56%.     

干旱区降解地膜覆盖农田硝态氮迁移与利用特征研究

为解决塑料地膜覆盖及撒施氮肥中农膜残留严重和氮肥利用率低的问题,明确干旱区降解地膜覆盖与不同施氮量条件下农田氮肥的利用特征,在内蒙古河套灌区乌兰布和农场连续2年进行了不同地膜覆盖及不同施氮量试验。设置了降解地膜覆盖农田不施氮(BM0,0 kg/hm~2),基肥施氮量均为56 kg/hm~2下低氮(BM1,160 kg/hm~2)、中氮(BM2,220 kg/hm~2)和高氮(BM3,280 kg/hm~2) 4个施氮水平,同时设置了塑料地膜覆盖高氮(PM3)和无膜覆盖高氮(NM3) 2个对照,共6个处理,研究了不同地膜覆盖及不同施氮量对氮素在土壤中的分布、累积、渗漏及利用效率的影响。结果表明:0～50 cm土层,与塑料地膜覆盖相比,在第3降解阶段(降解膜出现20～50 cm裂缝)和第4降解阶段(降解膜均匀碎裂),降解地膜覆盖处理2年平均硝态氮含量分别降低了9.49%和28.84%;与无膜处理相比,降解地膜覆盖2年平均硝态氮含量分别提高了20.46%和25.74%(P 0.05)。整个生育期降解地膜覆盖下玉米氮含量仅比塑料地膜覆盖2年平均降低了2.26%,氮淋失量2年平均降低了3.36%,但玉米氮含量分别比无膜处理提高了8.90%和11.38%,氮淋失量分别提高了22.01%和26.25%。降解地膜与塑料地膜覆盖下产量无显著差异,PM3与BM3处理2年平均产量比无膜覆盖处理分别提高了13.67%和18.38%(P 0.05)。随着施氮量增加,土壤中硝态氮含量、玉米氮含量、淋失量和产量增大,BM3处理比BM2和BM1处理在0～30 cm土层2年硝态氮含量增加了49.45%和135.78%,玉米氮含量分别增加了0.78%和24.54%,氮淋失量2年平均分别增加了84.08%和255.37%(P 0.05),2年平均产量分别增加了0.16%和35.37%(P 0.05)。追肥施氮量为220 kg/hm~2的BM2处理的氮肥综合效率最高,每施用1 kg氮肥可以出产27.99 kg玉米,为该地区降解地膜覆盖下较优的施肥模式。     

不同生育期淋洗对微咸水滴灌玉米农田水盐及产量的影响

为了明确不同淋洗时间对微咸水滴灌农田脱盐和增产的影响,在内蒙古河套灌区进步村节水综合试验站开展了微咸水滴灌试验,分别在拔节期(T1)、抽雄期(T2)、灌浆期(T3)设置1次畦灌淋洗,以及生育期无淋洗(CK)共4个处理,研究不同生育期淋洗对微咸水滴灌农田水盐及作物产量的影响。结果表明:不同生育期淋洗后0-60 cm平均土壤含水率提高了18.9%,且T1、T2和T3处理0-40 cm土壤含水率显著高于CK处理,持续时间分别为12,25,28天;生育期淋洗后土壤储水量和作物耗水量分别平均增加了20.92%和21.52%。生育期淋洗后膜内平均盐分降低了78.0%,拔节期、抽雄期、灌浆期淋洗后盐分分别下降了0.20,0.36,0.44 mS/cm。淋洗后膜内0-60 cm脱盐率平均提高55.01%,60-100 cm脱盐率平均提高125.79%,且淋洗后膜外脱盐率高于膜内,平均高38.90%。拔节期淋洗显著提高产量及其构成因子,产量提高了18.8%,穗长、穗宽和行粒数分别提高6.8%,5.5%,7.0%,收获指数提高了7.8%(P<0.05);抽雄期淋洗产量提高了8.1%(P<0.05),而灌浆期淋洗对产量无显著影响(P>0.05),故在拔节期淋洗土壤作物受盐分胁迫时间较短,增产效应最明显。     

沙区降解膜覆盖下滴灌农田水氮交互效应与模型研究

为探索干旱沙区可降解地膜覆盖下滴灌农田水氮交互效应及优化组合方案,提高其水氮利用效率,在内蒙古乌兰布和沙区进行2年可降解膜覆盖下的滴灌田间试验,设置了低水(2016年165 mm、2017年195 mm)、中水(2016年247.5 mm、2017年292.5 mm)和高水(2016年330 mm、2017年390 mm)3个灌溉定额水平及低氮(140 kg/hm~2)、中氮(210 kg/hm~2)和高氮(280 kg/hm~2)3个施氮量水平,并以普通塑料地膜覆盖的3个水分处理作为对照,采用随机完全组合设计,共计12个处理。研究了可降解地膜覆盖下不同水氮供应对干旱沙区玉米产量及水氮利用效率的影响,建立了可降解地膜覆盖下滴灌农田玉米水氮耦合模型,并对组合方案进行了优化。结果表明:与普通塑料地膜覆盖相比,可降解地膜覆盖下水分利用效率(WUE)明显较低,而在水分充足条件下(高水)玉米产量及其构成因素、氮肥偏生产力(PFPN)无显著差异。可降解地膜覆盖下灌水量和施氮量均对玉米的产量及其构成因素、WUE和PFPN有显著影响。灌水量与施氮量存在明显的交互效应,较低的灌溉定额限制了氮素利用,从低水到中水处理2年玉米PFPN和产量平均增长36.87%和37.18%,而从中水到高水其增长仅为5.93%和6.22%;同样较低的施氮量也限制了水分的利用,从低氮到中氮处理2年玉米WUE和产量平均分别增长了7.99%和18.81%,而从中氮到高氮WUE增长为-3.66%,产量仅增长3.35%,而2年最大产量均出现在高水中氮处理,分别为13 875.16、13 805.02 kg/hm~2。在沙区可降解地膜覆盖下滴灌农田中,灌溉定额、施氮量与玉米产量之间符合二元二次回归模型,该模型预测玉米产量与实际产量呈高度相关(2016、2017年R2分别为0.978、0.988),通过主因素分析水氮增产效应的因素,由大到小依次为:灌水量、施氮量,产量随水氮量的增加均呈先增加后减小的趋势。经模型寻优,得出不同目标产量下的水、氮最佳组合方案,本试验高水中氮处理的水氮配比下的产量在13 000~14 000 kg/hm~2目标范围内,且WUE、PFPN较高,可作为干旱沙区可降解地膜覆盖下较为合理的水肥管理模式和技术参考。     

不同地膜覆盖对不同时间尺度地温与玉米产量的影响

针对北方干旱地区白色塑料地膜覆盖导致的农膜残留及作物生长后期地温过高等问题,筛选适合当地的环保型地膜。设置了白色、黑色快速(WO1、BO1)、中速(WO2、BO2)、慢速(WO3、BO3)降解膜,并以白色、黑色塑料地膜(WP、BP)和无膜覆盖(CK)作为对照,共计9个处理,研究不同地膜覆盖地膜破损特征及作物产量效应,并基于红外成像和自动连续传感技术探索不同处理瞬时地表温度、逐时和逐日土壤不同深度温度的变化规律。结果表明:黑色降解膜的破损占比大于白色降解膜,覆膜130 d后黑色降解膜平均破损占比高于白色降解膜8.4%。在瞬时尺度地表温度由大到小顺序为:黑膜处理、白膜处理、无膜处理(CK),且生育期平均温度分别为34.10、32.34、29.12℃(P0.05)。在逐时和逐日尺度,不同颜色地膜覆盖土壤温度由大到小顺序为:白膜处理、黑膜处理、无膜处理;且与白色地膜覆盖相比,在日最高温时刻,黑色地膜覆盖0~15 cm土层土壤温度平均降低1.1℃。在玉米生长初期和末期(5月、9月),黑白地膜覆盖下平均温差达1.13℃(P0.05),而生育中期(6—8月),平均温差为0.45℃(P0.05)。地膜降解速率影响破损占比,从而影响土壤温度的空间变异性和地膜保温效果;慢速降解膜破损小,故保温效果与塑料地膜覆盖相近,在9月0~15 cm土层WP、WO3、WO2与WO1处理(快速降解膜)的温差分别达到3.03、2.70、1.05℃(P0.05),而对应的黑色降解膜覆盖温差分别为3.00、2.57、1.01℃(P0.05)。白色和黑色慢速降解膜覆盖与对应的塑料地膜覆盖相比,产量无显著差异(P0.05),但同颜色不同降解速率的降解膜覆盖下产量呈显著差异(P0.05),不同降解速率的降解膜覆盖产量由大到小顺序为:慢速处理、中速处理、快速处理。可见,黑色地膜处理保温效果好、产量高,且在作物生长后期可降低土壤表层温度;而黑色慢速降解膜与黑色塑料地膜覆盖保温、增产效应相近,且绿色环保,在北方干旱区农业生产中替代白色塑料地膜覆盖具有一定的可行性。     

DNDC模型和TOPSIS法联合确定生物降解地膜覆盖农田合理施氮量

为明确干旱区最优覆盖地膜类型和施氮制度，于内蒙古河套灌区木垒滩节水试验站进行为期2年的不同类型地膜覆盖农田不同施氮量试验。在高氮水平（传统施氮336 kg/hm²）下设置3种覆膜处理，包括塑料地膜（PFM3）、生物降解地膜（BFM3）和无膜覆盖处理（NFM3）；同时在生物降解地膜覆盖下设立3个施氮水平，包括中氮（BFM2，276 kg/hm²）、低氮（BFM1，216 kg/hm²）和不施氮（BFM0，0 kg/hm²），共6个处理。利用2年观测的产量、吸氮量和氮淋失量对DNDC模型进行率定和验证，并基于改进的TOPSIS方法对地膜类型和施肥制度进行优化。结果表明：DNDC模型对地膜覆盖及氮肥调控下作物生长与氮素迁移较为敏感，产量、吸氮量与氮淋失量模拟的EF与R²均大于0.83，NRMSE均小于20%，能够为作物生产力与资源利用进行预测和评估。随施氮量增加，所有覆膜处理的氮淋失量呈线性增加，当施氮量增加至106 kg/hm²时，氮肥利用率达到峰值；当施氮量增加至256 kg/hm²时，覆膜处理的产量不再发生明显变化，同时生物降解地膜的净收益也达到最大值；但其成本高，导致净收益比塑料地膜降低6.84%，比无膜覆盖处理提高3.17%。塑料地膜和生物降解地膜覆盖下的氮淋失量、氮肥利用率和产量无明显差异，均大于无膜覆盖处理，平均提高8.22%~26.69%。利用改进的TOPSIS法对产量、氮淋失量、残膜量、氮肥利用率和净收益5个方面进行综合评价，选出在生物降解地膜覆盖下施用氮肥231~256 kg/hm²是干旱地区较合理的覆膜施氮制度。