基于扩散理论的华北春玉米生理成熟后籽粒脱水过程分析

玉米机收籽粒可以显著提高玉米的生产效率,是玉米生产的发展方向。生理成熟后的籽粒含水率是决定机收质量的关键,受品种、密度和气候等多种因素影响。准确估算生理成熟后玉米籽粒含水率,进而分析其主要影响因素,最终确定玉米收获时间和筛选适宜机收的品种,对玉米主产区华北的春玉米籽粒机收发展具有重要意义。因此,于2017年和2018年在河北省泊头、南大港、玉田和山西榆次进行了两年田间春玉米试验,每年设置7个共性品种,每个品种3个密度,对生理成熟后籽粒含水率、品种性状、气象和管理要素进行了监测,并利用基于扩散理论考虑空气温湿度的脱水模型对籽粒含水率进行了模拟,进而计算脱水曲线下的面积(AUDDC),用以筛选脱水优异的玉米品种。结果表明,基于扩散理论的籽粒脱水模型对玉米生理成熟后籽粒含水率的模拟效果较好;年份、地点和品种对生理成熟时籽粒含水率(M_0)和水分扩散速率(k)具有显著影响,密度对脱水参数影响不显著。逐步线性回归分析得到灌浆期参考作物蒸发蒸腾量(ET_0)、最高气温和灌水量对M_0具有显著的正效应,生理成熟后30 d内ET0和灌浆中后期降雨对k具有显著的正效应,全生育期降雨对k具有显著的负效应。品种性状中对M_0影响最大的为苞叶层数(正效应),对k影响最大的为叶片数(负效应)。通过模型计算得到,生理成熟后10d华北地区春玉米籽粒含水率可以下降到28%,籽粒含水率下降到25%的概率为50%。由模型计算得到各品种生理成熟后10 d内的AUDDC,与AUDDC平均值比较发现‘京农科728’‘张1453’‘华农887’‘广德5’和‘金科玉3306’为脱水表现优异的品种。     

不同种植模式对河北低平原区域地下水平衡和水分经济利用效率等的影响

河北低平原区是全世界地下水超采的主要地区,同时又是中国主要的粮食主产区。不同的种植模式对水资源利用和粮食安全生产起着非常重要的作用。为了探清河北低平原区不同种植模式对区域地下水平衡及水分经济利用效率等方面的影响,以河北低平原区沧州市为研究区域,通过利用实验结果及统计数据,对该区主要存在的一年两作、一年一作和两年三作的12种不同种植模式下的耗水、产量及对地下水的影响等进行了分析。结果表明：冬小麦—夏玉米一年两作的传统种植模式2年的产量最高(30000 kg/hm²),需水量也最大,达到1683 mm,但效益和水分利用经济效益最低[2.61元/(mm·hm²)],并且对地下水的影响最大;棉花—冬小麦—夏玉米的两年三作模式经济效益和水分利用经济效率最高,分别为15750元/hm²和12.2元/(mm·hm²);一年一作的种植模式对地下水的影响最小。因此,从该区域农业水资源可持续发展和粮食安全角度考虑,应该发展棉花—冬小麦—夏玉米的两年三作种植模式。     

降水、灌溉和品种对玉米产量和水分利用效率的影响

8年田间试验结果表明,玉米产量明显受降水和灌溉的影响。玉米苗期灌溉最为关键,是保证高产的基础。在只灌溉苗水而没有其他灌溉条件下,夏玉米产量与7、8月份降水密切相关,而与生长季节的降水总量关系不明显。除了极干旱年份(季节降雨量小于200 mm)外,随着灌溉量增加,玉米水分利用效率(WUE)降低。玉米最优灌溉制度为:干旱年份,除了苗期的1次灌溉外,在拔节和扬花期分别实施2次灌溉;常年和湿润年份,除了出苗水外,在抽穗到扬花期的8月初实施1次灌溉。3年的田间试验结果表明,当地种植的不同玉米品种之间产量最大相差20%,水分利用效率差异在12%~19%。因此,将适宜的品种与优化的灌溉制度相结合,是提高华北平原夏玉米产量和水分利用效率的有效途径。     

不同年代冬小麦品种产量性状和生理生态指标差异分析

以河北省30多年来不同年代广泛种植、有代表性的冬小麦品种为供试材料,通过分析其产量、产量构成因素及生理生态指标,研究了冬小麦品种更新的变化规律。结果表明:随着品种更替,冬小麦产量水平显著提高;单位面积上粒数的增加对产量提高起主要作用;穗粒数和千粒重在不同年代间没有显著变化,对产量提高所做的贡献并不明显;产量与收获指数呈显著正相关,收获指数的提高主要依赖于株高的降低;20世纪90年代以后,冬小麦地上部分生物学产量没有随株高的降低而减少;品种更新对蜡质含量、SPAD值、叶水势的影响不明显;不同年代冬小麦品种的比叶重和灰分含量差异显著,其中灰分含量与产量存在相关性。     

不同行距对冬小麦麦田蒸发、蒸散和产量的影响

为了研究不同行距对冬小麦田棵间蒸发、蒸散和产量的影响，于2002～2003年在中国科学院栾城农业生态实验站进行了试验。结果表明：不同行距处理对棵间蒸发的影响在不同的冬小麦生育时期表现不同，在4月份呈现显著性差异，在12月-3月之间，处理之间没有明显差异，在其它时期7.5 cm的行距处理与30 cm行距的处理呈显著性差异，15cm的处理与它们均没有明显的差异；在整个生育期内，7.5 cm的行距处理比15 cm和30 cm的行距处理分别减少棵间蒸发13.26和29.04 mm，蒸散量减少22.76 mm和51.88 mm；7.5 cm的行距处理比15 cm和30 cm的行距处理分别提高产量水分利用效率0.11 kg/m³和0.23 kg/m³。     

水氮管理及品种对冬小麦光能利用率的影响

提高光能利用率(RUE)是作物获得高产的重要因素之一。遗传特性和栽培管理措施等因素通过影响作物冠层结构及冠层形成过程,进而影响作物的光能利用率。为探讨不同冬小麦品种在不同水氮管理条件下的光能利用率,于2012—2013年,在中国科学院栾城农业生态系统试验站,进行了3个冬小麦品种(‘冀麦585’、‘科农199’和‘石新828’)在3个氮水平[135 kg(N)·hm?2,180 kg(N)·hm?2,225 kg(N)·hm?2]和3个灌溉水平(70 mm,140 mm,210 mm)下的大田试验,对关键生育期光合有效辐射截获、生物量和叶面积等参数进行了测定和分析。结果表明:不同冬小麦品种的光能利用率存在显著差异(P0.05),‘冀麦585’、‘科农199’和‘石新828’的光能利用率分别为2.10 g?MJ?1、2.05 g?MJ?1和1.93 g?MJ?1。不同水氮处理对冬小麦光能利用率有一定的影响,其值为1.80~2.20 g?MJ?1;水氮因素对冬小麦光能利用率的影响不同,随着施氮水平的增加,光能利用率增加,适度的水分亏缺会产生较高的光能利用率。光能利用率增加与生物量形成呈正相关,但当生物量增加到一定程度后冬小麦产量并不随生物量的增加而增加,这与干物质量转移率随着生物量增加而降低有关。结果还显示:从拔节期到灌浆期冬小麦的光能利用率与气温存在明显的曲线关系,其在水氮条件下表现不一致。综合上述分析结果,需要适宜水氮供应才能获得适度干物质积累,提高光能利用率和有效干物质运转,最终提升冬小麦产量。     

华北平原旱地不同熟制作物产量、效益和水分利用比较

针对华北平原地下水超采严重,通过研究雨养旱作条件下不同熟制的产量、投入产出和水分利用效率,探索华北平原缺水区雨养旱作条件下的节水种植制度,可为地下水超采提供技术支撑。以当地主栽种植模式冬小麦和夏玉米一年2熟种植和春玉米一年1熟种植为研究对象,通过大田试验对雨养旱作条件下冬小麦、夏玉米和春玉米3种作物构成的2种种植制度的产量、耗水、投入、产出进行分析。试验于2007—2013年在中国科学院栾城农业生态系统试验站进行,该站为华北平原高产农区的典型代表。试验共设2个处理,T1为冬小麦-夏玉米一年2熟制,T2为春玉米一年1熟制。T1中的冬小麦生育期为每年的10月中上旬至翌年的6月中旬,夏玉米为6月中下旬至10月上旬,冬小麦品种大部分年份为‘科农199’,夏玉米品种为‘郑单958’。T2中春玉米的生育期为每年的5月中下旬至当年的9月上中旬,品种为‘农大108’、‘浚单20’、‘郑单958’和‘先玉335’。试验区从2007年9月至2013年6月一直未灌溉,为雨养旱作条件。研究结果表明,雨养旱作条件下,冬小麦产量基本稳定;夏玉米和春玉米产量随年型不同波动较大,尤其是夏玉米产量受播种时土壤含水量的影响较大,很多年份由于干旱少雨,玉米出苗时间推迟,导致玉米产量大幅度降低。T1比T2虽然具有明显的产量优势,增产34.1%,但由于冬小麦生产投入较高,T1的净收益比T2低279.97元·hm-2。3种作物的生产投入中,农资和机械投入比例最大,劳动力投入占很小比例,农资投入中,化肥投入最高;3种作物的产投比分别为1.42、2.66和3.42,雨养旱作条件下冬小麦的产投比最低,春玉米最高。从作物的耗水结构分析,冬小麦生育期降雨较少,以消耗雨季储存于土壤中的土壤水分为主,春(夏)玉米生育期降雨较多以消耗降雨为主。目前,生产上正在自发地压缩冬小麦的种植面积,春玉米一年1熟种植面积迅速增加。因此,在保证区域粮食安全的条件下,通过调整农业种植结构可以控制水资源的过度开采,保证农业持续发展。     

华北平原冬小麦田问蒸散与棵问蒸发的变化规律研究

试验研究冬小麦田间蒸散和棵间蒸发变化规律及其影响因子结果表明 ,播种～返青期冬小麦棵间蒸发占蒸散比例 (E ET)最大 ,抽穗～灌浆期最小。整个生长期间棵间蒸发占蒸散量 31 .4 % ,棵间蒸发占蒸散比例 (E ET)与冬小麦叶面积指数 (LAI)有一定关系 ,E ET =0 .36 93× (LAI) - 0 .74 93(R2 =0 .82 36 )。     

不同供水条件下冬小麦冠气温差、叶片水势和水分亏缺指数的变化及其相互关系

为了给以作物高效灌溉制度提供理论依据,对不同供水条件下冬小麦冠层温度进行了多年田间观测,模拟了以土壤水分条件为主导的冠气温差、叶水势、水分亏缺指数等的变化规律及其对影响因素的响应。结果表明,冬小麦各生育阶段不同供水处理冠层温度(T c)受土壤水分影响明显,处理间冠气温差(ΔT)差异极显著。叶水势(LW P)与ΔT、作物水分胁迫指数(CW S I)相关显著。LW P=-1.8M Pa,CW S I=0.40是指示冬小麦发生水分胁迫的关键性指标。综合各指标,为了达到节水目的,使ΔT维持在0~-4℃,可获得冬小麦产量最优值,此时冬小麦灌溉量下限应使土壤相对含水量达到58.7%。     

应用基于红外热画像技术的CWSI简化算法判断作物水分状态

以不同水分处理下的冬小麦为研究对象,通过基于红外测温技术的Jackson理论模式和Jones简化模式分别计算作物水分胁迫指数（CWSI）,并以理论模式计算值为参考,对Jones模式反映华北地区冬小麦水分胁迫的表现进行初步分析.结果表明,两种计算模式得出的CWSI值与不同水分处理下的冬小麦根层土壤含水量均有较好的相关性,但Jones模式可更好地指示作物缺水状态,对叶片气孔导度的变化更敏感.根据研究结果初步确定了冬小麦高产条件下的CWSI阈值.本研究显示Jones简化模型能准确反映作物水分状态,并易于实现田间多点观测,可用于准确指导农田灌溉.