水稻再生水灌溉下的节水减排效果

为探明水稻再生水灌溉下的节水减排效果,在国家农业环境大理观测实验站开展了水稻再生水灌溉试验研究.试验设淹水灌溉(Flooding Irrigation,FI)及间歇灌溉(Alternate Wetting and Drying,AWD)两种灌溉模式,F1(全生育期清水灌溉+施全部化肥)、F2(分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥)及F3(返青期、分蘖期、拔节孕穗期再生水灌溉+施部分化肥)3种施肥模式.分析了再生水灌溉下稻田田面水、不同深度地下水氮磷及化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)浓度变化及其流失负荷量,并研究了稻田的氮磷消纳能力及再生水对清水、肥料替代率.结果表明,再生水灌溉下田面水氮素浓度峰值出现次数多但峰值均较小,氮、磷径流损失负荷量平均值分别为2.65及0.62 kg/hm2,比清水灌溉增加了26％及28.6％.地下水氮、磷浓度整体上呈随深度的增加而减小趋势,再生水灌溉下氮素淋溶损失比清水灌溉少11％.AWD下氮、磷径流、淋溶负荷较FI均减少,返青期灌再生水在淋溶损失方面与其他再生水灌溉处理相比没有明显差异.稻田对所灌的再生水中氮、磷的消纳能力分别为92％及81％;灌再生水后4～5 d,COD的去除率可达78.2％.采用再生水灌溉几乎不会对环境造成负面影响.再生水灌溉替代清水效率可达75％左右,FI模式下再生水带入肥量较AWD大,75％水平年氮素替代化肥效率达35.8％,而磷素的带入量和替代率均较小.     

降雨量对洱海流域稻季氮磷湿沉降通量及浓度的影响

为了探究洱海流域稻季氮磷湿沉降规律,于2016及2017年稻季在大理洱海流域收集湿沉降样品,分析样品中总磷(total phosphorus,TP)、总氮(total nitrogen,TN)、NO_3~--N、NH_4~+-N等指标及其变化规律。结果表明,TN、TP湿沉降通量主要受降雨量支配,2016与2017年稻季单次降水TN、TP湿沉降通量与降雨量均呈极显著的线性正相关关系。TN、TP湿沉降浓度总体上随降雨量的增大而减小,同时与是否发生连续降雨及是否大规模施肥有关。以2017稻季氮素湿沉降为例,2017年稻季NH_4~+-N和NO_3~--N湿沉降对TN的占比分别为53.1%和20.6%,湿沉降以NH_4~+-N为主。可溶性无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)对TN的占比随着降雨量的增大而减小,随着连续降雨的延续而增大。2016及2017年稻季湿沉降TN质量浓度分别为0.87~4.03和0.90~6.85 mg/L,均远大于湖泊富营养化阀值,对洱海水生生态系统产生不利影响。     

基于卡尔曼滤波的降雨起止时间手机远程监测装置研制

为解决设施农业的降雨监测系统难以精准检测降雨起止信号的问题,研制了一种降雨起止时间远程监测装置。该装置主要由雨水感应模块、雨水检测电路、单片机、通用分组无线电系统数据传输单元模块(General Packet Radio System Data Transmission Unit,GPRS DTU)、串口通信电路和手机端APP组成。通过自行设计的雨水感应模块检测降雨过程,利用卡尔曼滤波器降低雨水检测信号的电阻热噪声干扰,根据滤波后的信号差值建立降雨起止信号判别模型,判定的降雨起止信号经通用分组无线电系统(General Packet Radio System,GPRS)远程无线传输至云服务器,并以云服务器的同步时间作为基准时间,实现了手机远程监测降雨起止时间。开展装置性能测试试验,研究其稳定性、准确性与可靠性,结果表明:1)降雨起止信号判别模型的判别周期取10 s最优;2)室内测试时的降雨起止信号错报率为1.2%,手机接收成功率为100%;3)雨水感应模块的导线末端间距为2 mm、基板间夹角为120°是能检测小雨及以上等级的最优参数组合。将装置安装于开阔的楼顶天台开展实测验证试验,结果表明:装置对降雨开始与停止时间的检测误差范围分别为7~34、9~29 s,室外仅出现1次错报,信号错报率为5.9%,符合对自然降雨过程的检测要求。该装置能远程监测降雨起止时间,可为今后进一步研究农业智能感雨监测系统提供技术支持和理论依据。     

水氮耦合下小桐子的生长特性及其根区土壤的水氮迁移

采用3个滴灌灌水水平(10、20、30 mm,分别记为W1、W2、W3)和3个施氮水平(尿素)(0、90、180 g/株,分别记为N0、N1、N2)的耦合方式对1年生小桐子进行灌溉和施肥处理,研究小桐子的生理生长特性,并探索小桐子根区土壤的水氮迁移规律。结果表明：水氮耦合对小桐子的株高、茎粗和生物量具有显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)的影响,且二者间存在着一定的互作效应;在W1低水处理下,施加适量的氮肥可促进小桐子的生长和干物质积累;当灌水水平相同时,N1处理的小桐子的茎粗、株高和所测生物量指标值均较大;当施氮水平相同时,W2处理的小桐子的茎粗、株高和所测生物量指标值均较大;纵向上,2016年6、9月根系所在中层(>20~40 cm)土壤含水率均值最高,深层(>40~60 cm)的其次,浅层(0~20 cm)的最小,2017年6、9月各土层深度水分分布比较均匀,在施氮处理(N1、N2)下,2016年6月深层土壤的硝态氮质量分数随着灌水水平的增加而提高,W3处理对比W1和W2处理更容易导致硝态氮的淋失;横向上,距树干10 cm测量点的硝态氮质量分数始终低于距树干30 cm测量点的,2016年6、9月水分的横向分布保持与硝态氮的分布规律一致,处理1年后由于小桐子须根生长,受导流作用影响,使得2017年6、9月水分在中层土壤中横向分布发生改变。在本研究条件下,施尿素90 g和滴灌20 mm灌水水平的处理为有利于小桐子生长的最优水氮耦合处理。     

不同水肥制度下稻田氨挥发变化规律

通过田间对比试验,运用通气法观测分析了不同水肥制度下稻田氨挥发的变化规律。结果表明,在中等施氮水平与2次追肥的情况下,早、晚稻氨挥发总量分别为22.56kg/hm2和68.54kg/hm2,分别占当季施氮量的12.5%、38.1%;间歇灌溉模式下的稻田氨挥发总量大于淹灌模式,但差异不显著;穗肥施用后引发的稻田氨挥发量很小,通过把仅追施分蘖肥改为追施分蘖肥和拔节孕穗肥能显著减少稻田氮素氨挥发损失。不论是早稻、中稻还是晚稻,穗肥施用后产生的氮素氨挥发损失占穗肥的比例都明显小于分蘖肥。     

不同水肥模式下水稻光合光响应特性研究

为揭示不同水肥模式对水稻分蘖期和拔节孕穗期叶片光合作用光响应特征的影响,在2种灌溉模式、2种施肥次数和4个施氮量水平下,开展了不同水肥模式的水稻叶片光合作用的光响应特征研究。结果表明,在水稻分蘖期和拔节孕穗期,间歇灌溉水稻的净光合速率高于淹灌,且随着施氮量的提高,这种由于灌溉模式引起的差异将被弱化。在施氮量较低时,淹灌水稻很快就达到了光饱和,而在间歇灌溉下,光饱和点则明显后移。这表明低氮水平下,间歇灌溉的水稻对光的适应能力比淹灌的水稻强。灌溉模式和设计施氮量相同时,由于3次施肥在时间尺度上施肥分布更均匀,尽管其在分蘖期净光合速率较小,但在拔节孕穗期净光合速率较大,与2次施肥相比,其水稻产量更高。这表明,提高拔节孕穗期作物的净光合速率有利于作物干物质的积累,从而获得更高的产量。     

基于产量品质及水肥利用效率的三七水肥耦合方案优选

为了实现三七增产、提质和绿色生产,探究适宜的水肥耦合方案,以2年生三七为研究对象进行大田试验,设置3种灌水水平,分别为低水W1（0.5FC,FC为田间持水量）、中水W2（0.7FC）、高水W3（0.9FC）;4种施肥水平,全年施肥总量为1 440 kg/hm2,根据各个生育期设置不同的施肥比例,划分为F1（苗期∶花期∶果期∶根增重期=25%∶25%∶25%∶25%）、F2（25%∶30%∶25%∶20%）、F3（30%∶30%∶25%∶15%）和F4（40%∶20%∶30%∶10%）,共12种处理,分析水肥及其耦合效应,对三七产量、品质、水分利用效率（Water Use Efficiency,WUE）和肥料偏生产力（Partial Factor Productivity of fertilizer,PFP）的影响,应用优劣解距离法（TOPSIS）法对三七皂苷含量进行综合品质评价,并运用综合评分法对各处理进行基于产量、品质、水肥利用效率的综合评价,探究三七生长与生产管理的综合最优处理。结果表明：水肥耦合对发病率影响最大,灌水对WUE影响最大,生育期不同比例施肥对产量和PFP影响最大;5种皂苷中,W2F4处理的三七皂苷R1、人参皂苷Rg1、人参皂苷Re和人参皂苷Rd的积累量都显著（P＜0.05）高于其他处理,W2F4处理的三七皂苷R1含量最高,W1F4处理的人参皂苷Rb1含量最高;通过综合评分法求得最优处理为W2F4处理,发病率为12.97%、产量为2 976.42 kg/hm2、WUE为1.65 kg/m3、PFP为1.09 kg/kg;TOPSIS品质分析W2F4处理得分最高,为0.815。该研究结果可为三七合理水肥管理提供科学依据。     

基于ORYZA＿V3模型的水稻水肥综合调控模式研究

[目的]探索赣抚平原灌区不同水文年型适宜的水稻水肥综合调控模式,为灌区水稻水肥管理提供决策依据。[方法]基于江西省灌溉试验中心站2012 2013年晚稻试验资料对ORYZA_V3模型进行了率定与验证,并以率定后的模型模拟分析了不同水文年组及水肥模式下晚稻灌溉定额、产量、氮肥利用率等指标。[结果]降低灌前水分下限能降低腾发量与灌溉定额。耕作层灌前土壤含水率大于饱和含水率的70%~75%时,降低灌前水分下限均能提高晚稻的产量与氮肥利用率。耕作层灌前土壤含水率低于饱和含水率的60%~65%时,晚稻产量、氮肥利用率均有所下降。施氮肥量增加会降低氮肥利用率,施氮肥次数增加能提高氮肥利用率,二者增加均能增加晚稻产量,但会导致晚稻耐旱能力降低。从节水、增产、增效的角度,推荐试验区采用的水肥综合调控模式:氮肥量135 kg/hm2,分3次施用(基肥∶分蘖肥∶穗肥为5∶3∶2),丰水年采用重旱节水灌溉模式(耕作层灌前土壤含水率下限占饱和含水率的60%~65%),平、枯水年采用中旱节水灌溉模式(耕作层灌前土壤含水率下限占饱和含水率的70%~75%)。[结论]与传统水肥模式相比,所推荐水肥模式在丰、平、枯水年能分别节水41.4%、30.0%、21.9%,增产7.5%、5.4%、3.4%,提高氮肥利用率57.3%、51.2%、44.9%,节省氮肥25%。     

CROPWAT模型在滇中南部灌水量模拟中的应用研究

滇中是云南主要高原特色作物主产区,开展灌溉制度研究对当地水资源优化配置、高效利用具有重要意义。基于滇中南部建水(102°50′E、23°56′N)2016～2018年灌溉试验数据,对CROPWAT模型中灌水量计算模块所涉及的作物、土壤参数进行了校准,并应用该模型模拟了水稻和马铃薯全生育期的灌水量过程。结果显示,模拟的水稻泡田水量在192.3～195.0 mm之间,本田期灌水次数在8～11次、灌水定额在20.9～45.9 mm、灌溉定额在288.3～414.4 mm之间,全生育期灌溉定额在483.3～609.7 mm之间,与试验观测的灌溉定额相差在±6%以内;马铃薯全生育期灌水次数在7～8次、灌水定额在12.7～38.3 mm、灌溉定额在181.5～201.0 mm之间,与试验观测的灌溉定额相差在±12%以内。灌水次数模拟与试验观测值接近,灌水定额水稻模拟值略偏小、马铃薯模拟值略偏大,灌水时间虽然略有差异但总体相应性较好。结果表明,该模型在滇中南部水稻和马铃薯灌水量过程模拟中的应用效果较好,用于制定灌溉制度可更好地把握灌水时间,提高制定灌溉制度的精度。     

基于病害高发期气象因子的三七病害发生率预测

准确预报病害发生率是提前应对三七病害、提高产量和品质的重要基础。该研究利用2018－2019年云南红河州三七种植基地内田间气象数据和病害发生率资料，采用主效应分析（Principal Components Analysis, PCA）来避免多元共线性的发生。以2018年和2019年的5－9月气象数据集作为训练集与验证集，以随机森林（Random Forest, RF）算法作为基础学习机构建初步预测模型，最后通过梯度下降算法（Gradient Descent, GD）进行优化。结果表明，通过主效应分析可知土壤温度与棚内湿度的皮尔逊相关系数在0.25～0.75之间，棚内土壤热通量和三七冠层上方土壤热通量与病害发生率呈负相关，其皮尔逊相关系数在-0.75～-0.25之间；通过随机森林获得的模型的均方根误差为0.23；通过梯度下降优化，代价函数收敛时值为241.003，并获得各个气象因子对三七病害高发期的病害发生率影响的权重，其中土壤温度正相关程度最大，权重为21.686，三七冠层上方的土壤热通量负相关程度最大，权重为-13.834。该研究结果在通过田间气象因子预测三七病害高发期的病害发生率上具备可靠的预测能力，可为降低三七病害的设施环境调控和智能化管理提供理论依据和技术支持。