高低氮条件下玉米SSSL群体生物量、氮浓度及氮累积量的QTL定位

  【目的】  玉米生物量、氮浓度以及氮累积量与籽粒的产量和品质密切相关,本研究利用单片段代换系群体,对高氮和低氮条件下玉米成熟期的生物量、氮浓度和氮累积量进行了QTL定位,旨在为氮高效相关基因的精细定位以及克隆氮高效相关的主效QTL奠定基础。  【方法】  以氮效率具有显著差异的‘许178’和‘综3’为亲本构建的玉米单片段代换系 (SSSL) 群体作为研究材料,设置高氮 (0.15 g/kg) 和低氮 (0.05 g/kg) 两种处理进行盆栽试验。在成熟期取样,测定植株的生物量、氮浓度以及氮累积量。根据代换系与亲本‘许178’表型值的T-test结果, 利用该群体SSR遗传连锁图谱,在P < 0.05条件下定位所测定性状的QTL。  【结果】  在高氮和低氮条件下,共定位到133个QTL (贡献率为 –40.75% ～12.69%)。其中包括49个生物量QTL,在高氮条件下检测到26个、低氮条件下检测到23个;24个氮浓度QTL,其中17个茎秆氮浓度QTL (包括8个高氮条件下检测到的QTL和9个低氮条件下检测到的QTL),7个叶片氮浓度QTL (5个高氮条件下检测到的QTL和2个低氮条件下检测到的QTL);60个氮累积量QTL,包括33个茎秆氮累积量QTL (27个高氮条件下检测到的QTL和6个低氮条件下检测到的QTL),27个叶片氮累积量QTL (11个高氮条件下检测到的QTL和16个低氮条件下检测到的QTL)。上述QTL在玉米的10条染色体上均有分布,其中以第4条染色体上检测到的数量最多 (19个),第5条染色体上检测到的数量最少 (6个)。  【结论】  本研究定位到的生物量和叶片、茎秆氮累积量高氮特异QTL片段有umc1077 ～umc2350 (bin 10.04)、umc2350 ～bnlg1028 (bin 10.04) ,低氮特异QTL片段有umc2377 ～bnlg1647 (bin 3.01)、end ～phi072 (bin 4.00)、bnlg1444 ～umc2041 (bin 4.08)、bnlg1863 ～bnlg2046 (bin 8.03)。这些染色体片段中极可能包含控制玉米氮效率相关的关键基因,在后期的试验中我们将逐步对这些QTL进行精细定位。     

不同施肥水平及玉米种植对土壤微生物生物量碳氮的影响

以裸地(不种植作物)和玉米种植的田间小区试验为平台,研究不同施肥水平及玉米种植对土壤微生物生物量碳氮的影响。结果表明,当不施肥时,土壤微生物生物量碳氮含量裸地平均值分别为175.98 mg/kg和26.04 mg/kg,种植玉米小区的平均值分别为161.65 mg/kg和22.70 mg/kg,土壤微生物生物量碳氮低于裸地;而施肥时,裸地的土壤微生物生物量碳氮平均值的变化范围分别为182.27~206.27 mg/kg和27.41~31.22 mg/kg,种植玉米小区的变化范围分别为194.70~235.58 mg/kg和35.76~44.66 mg/kg,土壤微生物生物量碳氮高于裸地,可见土壤碳氮的平衡对于土壤微生物生物量碳氮极为重要。裸地和玉米种植小区土壤微生物生物量碳氮均随着施肥量的增加呈现出先增加后降低的趋势,其施氮水平拐点分别为70 kg/hm2和150kg/hm2,表明施肥水平对土壤微生物生物量碳氮具有显著影响。另外,玉米各生育期间土壤微生物生物量碳氮也存在着显著差异,其中,土壤微生物生物量碳氮含量在拔节期处于最低,变动范围分别为154.46~229.09 mg/kg和18.84~31.44 mg/kg;抽雄期处于最高,变动范围分别为171.71~242.48 mg/kg和30.01~50.54 mg/kg。     

施氮量对间作玉米土壤硝态氮累积量及氮肥利用率的影响

通过田间定位试验,监测了不施氮和不同施氮水平(分别为210、420和630kg.hm-2)下间作玉米各关键生育时期0～200cm土层硝态氮累积量的动态变化、玉米产量及其构成,计算分析了间作玉米的氮肥利用率。研究结果表明,间作玉米0～200cm土层土壤硝态氮累积量总体表现为0～60cm土层>60～200cm土层。0～60cm土层土壤硝态氮累积量呈"M"形变化,即玉米播种前和玉米大喇叭口期出现高峰,小麦播种前、玉米拔节期和玉米收获后出现低谷。60～120cm和120～200cm土层土壤硝态氮累积量呈倒"V"形变化,总体在玉米大喇叭口期前后出现高峰值,210～630kg.hm-2施氮处理下120～200cm土层的硝态氮累积量较不施氮处理分别高出149.1%、115.6%和126.3%。随着施氮量的增加,间作玉米穗长、穗粒数、穗重呈增大趋势,秃顶呈降低趋势,增产幅度依次减小,氮肥利用率依次降低。     

基于GF-1影像的普达措国家公园森林地上生物量遥感估算

精确估算森林地上生物量有利于掌握森林资源碳储量的分布特征,该研究以普达措国家公园为研究区,基于国产高分一号（GF-1）全色多光谱（Panchromatic Multispectral Sensor,PMS）卫星影像和数字高程数据,提取波段信息、植被指数、纹理信息和地形因子,利用多元线性逐步回归、支持向量机、神经网络和随机森林模型,估算森林地上生物量。研究结果表明,基于GF-1影像构建的随机森林模型的精度效果最佳,决定系数为0.77,均方根误差为27.53 t/hm2;普达措国家公园森林地上生物量为7 085 614 t,平均生物量达136.01 t/hm2,表明公园内寒温性针叶林发育完好;海拔>3 500～4 000 m区域森林生物量平均值最高,为126.56 t/hm2,与生态保护目标分布范围相符;不同坡向生物量存在差异,阴坡和半阴坡平均生物量高出其他坡向20.48%,立地条件较优。研究结果证实基于GF-1优化的生物量经验模型具有对亚高山天然林地上生物量的估算潜力,对区域森林资源的有效科学管理和维护森林生态环境具有重要意义。     

草地生物量的高光谱遥感估算模型

为了推进高光谱遥感在草地生理生化参数定量化方面的研究与应用，从冠层尺度上估算草地生物量，该文选用美国ASD公司的ASD FieldSpec Pro FRTM光谱仪，对内蒙古自治区锡林郭勒盟的天然草地进行高光谱遥感地面观测。在进行天然草地地上生物量与原始光谱和高光谱特征变量相关分析的基础上，将观测数据分成两组：一组观测数据作为训练样本，运用单变量线性、非线性和逐步回归分析方法，建立生物量高光谱遥感估算模型；另一组观测数据作为检验样本，进行精度检验。结果表明：生物量与高光谱吸收特征参数变量的分析中，以840、1132、1579、1769和2012 nm等5个原始高光谱波段反射率为变量的逐步回归估算方程为最佳模型，模型标准差为0.404 kg/m²，估算精度为91.6%，说明可以利用高光谱反射率数据，从冠层上对草地生物量进行量化。     

基于无人机和卫星遥感的胡杨林地上生物量估算

基于光谱信息的森林地上生物量遥感模型多存在精度不高的问题,如何更准确地获取森林地上生物量是遥感领域的研究热点。该研究以位于塔里木河下游的河岸胡杨林为例,探讨在无人机摄影测量技术支持下,使用高分辨率卫星遥感技术,通过面向对象影像分析和回归分析等技术,获取区域尺度下胡杨冠幅、树高和密度等森林结构参数,在此基础上,通过生长方程计算得到区域尺度森林地上生物量。在30、50、100和250 m 4个空间尺度上,与无人机数据的估算结果相比,高分辨率卫星遥感数据的地上生物量估算结果高22%～26%,其误差主要来自于树冠生物量部分。随着空间尺度增大,基于卫星遥感的地上生物量回归模型R2也随之增大,其中在100 m尺度上,地上生物量回归模型R2为0.851,表明使用高分辨率卫星遥感技术可以在较大的区域尺度上获得较高的森林地上生物量估算精度。地上生物量回归模型的标准化系数分析表明,对森林地上生物量估算精度影响最大的因素是密度和树高,冠幅影响最小,并且随着空间尺度增大,密度的影响有增加趋势,树高的影响有减少趋势。研究结果可为使用无人机和卫星遥感技术研究森林地上生物量提供参考。     

基于Landsat 8 OLI数据的砒砂岩区生物量遥感估算

为了评价砒砂岩区植被生长状况和地上生物量的空间分布特征,采用Landsat 8 OLI和同期实测生物量数据对砒砂岩区生物量估算方法进行了研究。结果表明:(1)NDVI,RVI,SAVI,MSAVI与地上生物量(Above ground biomass,AGB)的相关性显著,其中MSAVI和AGB的相关性最高(R²=0.4416),SAVI次之(R²=0.3923),NDVI(R²=0.1375)和RVI(R²=0.1306)相对最低,NDVI和RVI在荒漠生态系统生物量遥感估算中并不是效果最佳的植被指数;(2)高斯低通3×3滤波核滤波的MSAVI与AGB的相关性(R²=0.4757)高于未滤波处理图像,滤波后建立的AGB-MSAVI_GLPF3估算模型平均相对误差MRE为13.41%,模型具有较高的估算精度;(3)遥感估算2019年砒砂岩研究区总AGB为9.2×10⁵t,其中AGB低值区的面积占比为13.03%,AGB中值区面积占比为47.56%,AGB高值区面积占比为39.41%。荒漠生态系统AGB与MSAVI的相关性显著,基于高斯低通滤波建立起的AGB-MSAVI_GLPF3模型可以较好地实现砒砂岩区AGB遥感估算。     

呼伦贝尔天然打草场分布及生物量遥感估算

天然打草场在中国草地畜牧业中具有非常重要的功能,是保障草畜季节平衡、确保家畜安全过冬,灾后应急救援的饲草储备资源。目前关于天然打草场的资源分布与生物量高低等信息的研究欠缺,限制了区域性饲草储备资源的有效利用。该研究利用遥感技术和实地调查相结合的方法对陈巴尔虎旗天然打草场的资源分布及生物量估算进行了全面调查。结果表明:陈巴尔虎旗天然打草场面积达80.28×104 hm~2,其中鄂温克民族苏木打草场面积居首位,为22.69×104 hm~2,巴彦哈达苏木、东乌珠尔苏木、呼和诺尔镇及西乌珠尔苏木的打草场面积次之,面积均大于9.00×104 hm~2,宝日希勒镇面积最小,为0.64×10~4 hm~2。基于MODIS-NDVI与打草场实测量建立的反演模型相对误差为20.56%,能够比较准确地估算牧草产量;陈巴尔虎旗天然打草场平均生物量为1.24×10~3 kg/hm~2,总生物量为992.90×106 kg,生物量空间分布呈东高西低,鄂温克苏木打草场总生物量较高,为304.21×10~6 kg,巴彦哈达苏木次之,为221.01×10~6 kg,其他苏木占47.10%;研究区天然打草场面积和生物量主要分布在温性草原和温性草甸草原,少量分布在低地草甸草原、山地草甸草原及沙地草原。该研究结果可为将来分析典型牧区陈巴尔虎旗天然打草场变化提供数据支撑。     

基于多源遥感数据的草地生物量估算方法

为了寻求有效的草地生物量估算方法和精确估计荒漠草原草地生物量及其变化规律,该文探讨了利用全极化RADARSAT-2 C波段雷达数据和HJ1B图像及野外调查获得的样方生物量数据,估算荒漠草原人工柠条灌木林地上生物量的方法。在对柠条灌木林地上生物量和雷达后向散射系数及HJ1B图像归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)进行相关分析的基础上,采用多元逐步回归分析从RADARSAT-2数据及HJ1B植被指数NDVI建立了人工柠条林生物量模型,用实测草地生物量值对模型进行验证,同时将光学和雷达图像进行融合和分类处理,在此基础上对草地生物量进行分布制图,并将其结果与HJ1B的NDVI模型生物量估算结果进行对比。结果表明:柠条林地上生物量与RADARSAT-2雷达后向散射系数之间存在较好的定量关系(决定系数R2=0.71,均方根误差(root mean square error,RMSE)=14.2 kg/hm2,P0.001),其估算生物量与实测生物量一致性较好,估算生物量精度优于HJ1B的NDVI指数估算结果(R2=0.27,RMSE=20.58 kg/hm2)。由此可见,利用光学图像HJ1B和雷达数据RADARSAT-2融合分类能进行地物有效识别,雷达遥感数据可以用于草地结构参数的定量研究。利用光学和微波协同遥感进行草地生态系统监测研究具有一定的应用潜力。     

玉米叶片氮含量的高光谱估算及其品种差异

准确、快速、及时地对玉米氮营养状况做出判断是氮肥合理施用的基础。该研究在水培条件下对3个玉米品种（组合）叶片氮含量（LNC）的高光谱敏感波段、估算模型及其品种差异进行了探讨。结果表明,LNC与不同波段叶片光谱反射率的相关性存在品种差异,但3个品种（组合）都在500～649 nm和691～730 nm表现极显著的负相关关系,并在同一波长获得最高的相关系数,说明可以利用统一的波段来预测不同品种的LNC。依品种建立了LNC与归一化差值光谱指数（NDSI）或比值光谱指数（RSI）的定量关系模型,NDSI（714,554）和RSI（714,554）所建模型的拟合度最好,直线和指数模型拟合度均达到极显著水平,可以用来估算玉米LNC。玉米LNC估算中,以该品种数据所建模型的估算偏差最低,利用综合模型或其他品种模型则加大了估算偏差,高估与低估的最高偏差分别为35.6%和32.7%。在利用高光谱技术进行玉米氮营养状况诊断的研究及应用中,应考虑品种间差异。     

长期稻秆还田对土壤微生物量及C、N动力学的影响

A study was performed on the long-term effect of straw incorporation on soil microbial biomass C contents, C and N dynamics in both Rothamsted and Woburn soils. The results showed that for both soils, the microbial biomass C contents were significantly different among all the treatments, and followed the sequence in treatments of straw chopped and incorporated into 10 cm (CI10) > straw burnt and incorporated into 10 cm (BI10) > straw chopped and incorporated into 20 cm (CI20) > straw burnt and incorporated into 20 cm (BI20). Laboratory incubation of soils showed that the cumulative CO₂ evolution was closely related to the soil microbial biomass C content. Carbon dioxide evolution rates (CO₂-C, μg (g•d)^-1) decreased rapidly in the first two weeks' incubation, then decreased more slowly. The initial K₂SO₄-extractable NH₄-N and NO₃-N contents were low and similar in all the treatments, and all increased gradually with the incubation time. However, net N immobilization was observed in chopped treatments for Rothamsted soils during the first 4 weeks. Nevertheless, more N mineralization occurred in Treatment CI10 than any other treatment at the end of incubation for both soils. The Woburn soils could more easily suffer from the leaching of nitrate because the soils were more permeable and more N was mineralized during the incubation compared to the Rothamsted soils.     

有机物料输入稻田提高土壤微生物碳氮及可溶性有机碳氮

土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮是土壤碳、氮库中最活跃的组分,是反应土壤被干扰程度的重要灵敏性指标,通过设置相同有机碳施用量下不同有机物料处理的田间试验,研究了有机物料添加下土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon,MBC）、氮（soil microbial biomass nitrogen,MBN）和可溶性有机碳（dissolved organic carbon,DOC）、氮（dissolved organic nitrogen,DON）的变化特征及相互关系。结果表明化肥和生物碳、玉米秸秆、鲜牛粪或松针配施下土壤微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮显著大于不施肥处理（no fertilization,CK）和单施化肥处理,分别比不施肥处理和单施化肥平均高23.52%和12.66%（MBC）、42.68%和24.02%（MBN）、14.70%和9.99%（DOC）、22.32%和21.79%（DON）。化肥和有机物料配施处理中,化肥+鲜牛粪处理的微生物量碳、氮和可溶性有机碳、氮最高,比CK高26.20%（MBC）、49.54%（MBN）、19.29%（DOC）和32.81%（DON）,其次是化肥+生物碳或化肥+玉米秸秆处理,而化肥+松针处理最低。土壤可溶性有机碳质量分数（308.87 mg/kg）小于微生物量碳（474.71 mg/kg）,而可溶性有机氮质量分数（53.07 mg/kg）要大于微生物量氮（34.79 mg/kg）。与不施肥处理相比,化肥和有机物料配施显著降低MBC/MBN和DOC/DON,降低率分别为24.57%和7.71%。MBC和DOC、MBN和DON随着土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）、全氮（total nitrogen,TN）的增加呈显著线性增加。MBC、MBN、DOC、DON、DOC+MBC和DON+MBN之间呈极显著正相关（P<0.01）。从相关程度看,DOC+MBC和DON+MBN较MBC、DOC、MBN、DON更能反映土壤中活性有机碳和氮库的变化,成为评价土壤肥力及质量的更有效指标。结果可为提高洱海流域农田土壤肥力,增强土壤固氮效果,减少土壤中氮素流失,保护洱海水质安全提供科学依据。     

冬季作物对水稻生育期土壤微生物量碳、氮的影响

选取我国南方4种冬季作物黑麦草、紫云英、油菜、马铃薯,以冬闲田作对照,对水稻生育期土壤微生物量碳（SMBC）和土壤微生物量氮（SMBN）的短期内动态变化进行了研究。结果表明,早稻田翻耕前,冬季作物处理土壤SMBC和SMBN与冬闲田存在显著差异(P0.05),黑麦草处理SMBC为398.5 mg/kg,显著高于其他作物;紫云英处理SMBN最高,为97.8 mg/kg。在早稻整个生育期,黑麦草处理SMBC显著高于其他处理,晚稻生长过程中各处理无显著差异。冬季作物对稻田土壤微生物商(MQ)的影响,随着水稻生长发育进程有不同程度的变化,黑麦草处理在早稻整个生育期高于冬闲田。     

稻田系统管理措施对微生物生物量C、N、P的长期影响

A 12-year field experiment was conducted to investigate the effect of different tillage methods and fertil-ization systems on microbial biomass C,N and P of a gray fluvo-aguic soil in rice-based cropping system .Five fertilization treatments were designed under conventional tillae(CT) or on tillage(NT) system:no fertilizer(CK) ; chemical fertilizer only(CF) ; combining chemical fertilizer with pig manure(PM); combining chemical fertilizer with crop straw (CS) and fallow (F). The results showed that biomass C,N and P were enriched in the surface layer of no-tilled soil,whereas they distributed relatively evenly in the tilled soil,which might result from enrichment of crop resdue,organic manure and mineral fertilzer,and surficial developent of root systems under NT.Under the cultivation system NT had slightly greater biomass C,N and P at 0-5 cm depth ,significantly less biomass C,N and P at 5-15 cm depth ,less microbial biomass C,N and equivalent biomass P at 15-30 cm depth as compared to CT,indicating hat tillage was beneficial for the multiplication of organims in the plowed layer of soil.Under the fallow system,biomass C,N and P in the surface layer were significantly greater for NT than CT while their differences between the two tillage methods were neligible in the deeper layers.In the surface layer,biomass C,N and P in the soils amended with oranic manure combined with mineral fertilizers were significantly greater than those of the treatments only with mineral fertilizers and the control.Soils without fertilzer had the least biomass nutrient contents among the five fertilization treatments.Obviously,the long-term application of organic manure could maintain the higher activity of microorganisms in soils.The amounts of biomass C,N and P in the fallowed soils varied with the tillage methods;they were much greater under NT than under CT,especially in the surface layer,suggesting that the frequent plowing could decrease the content of organic matter in the surface layer of the fallowed soil.     

鸡粪与化肥不同配比对杨树苗根际土壤酶和微生物量碳、氮变化的影响

为比较鸡粪有机肥与化肥以不同比例配施对杨树苗根际土壤环境的作用效果,通过盆栽试验,研究了N100（尿素提供100%的氮）、 M10N90（鸡粪和尿素分别提供10%和90%的氮)、 M30N70（鸡粪和尿素分别提供30%和70%的氮）和M50N50（鸡粪和尿素各提供50%的氮）等处理对一年生杨树苗根际土壤酶活性、 微生物量碳（SMBC）和微生物量氮（SMBN）的影响。结果表明, 同N100处理相比,M30N70处理的杨树苗根际土壤脲酶、 碱性磷酸酶、 过氧化氢酶和蔗糖酶活性分别提高14.41%~26.49%、 13.87%~27.93%、 12.07%~27.08%和29.17%~46.43%; 根际SMBC、 SMBN含量分别提高63.00%~76.62%、 40.01%~90.38%。在杨树苗的年生长过程中,根际土壤脲酶、 碱性磷酸酶、 过氧化氢酶和蔗糖酶活性均在施肥后120 d 最高; 而根际SMBC和SMBN含量分别在施肥后90 d和30 d达到最大值。随着杨树苗的生长发育,SMBN含量逐渐降低,而在落叶期有一定的回升。与M30N70处理相比,M10N90和M50N50处理对杨树苗根际土壤酶和微生物量碳、 氮的影响较小。综合分析认为,鸡粪有机肥与化肥以3∶7比例配施对杨树苗根际区域生态环境的改善效果最佳。     

采用SEPLS_ELM模型估算夏玉米地上部生物量和叶面积指数

利用高光谱数据进行作物生长状况监测具有无损和高效的特点,是现代精准农业发展的必要手段。该研究以连续3 a（2018-2020年）不同水氮供应下夏玉米营养生长期采集的212份植物样品（地上部生物量和叶面积指数）和高光谱实测数据为数据源,分别采用偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLS）、极限学习机（Extreme Learning Machine,ELM）、随机森林（Random Forest,RF）和基于PLS叠加策略的叠加极限学习机算法（Stacked Ensemble Extreme Learning Machine based on the PLS,SEPLS_ELM）构建了夏玉米营养生长期地上部生物量和叶面积指数估算模型。结果表明：基于PLS和ELM构建的夏玉米地上部生物量和叶面积指数估算模型的精度均较低,前者验证集R2低于0.85、均方根误差高于550 kg/hm2,后者R2低于0.90、均方根误差高于0.40 cm2/cm2。相比之下,基于RF和SEPLS_ELM构建的夏玉米营养生长期地上部生物量和叶面积指数估算模型均有着较高的估算精度,SEPLS_ELM模型表现尤为突出,其地上部生物量和叶面积指数估算模型验证集的R2分别为0.955和0.969,均方根误差分别为307.3 kg/hm2和0.24 cm2/cm2,表明叠加集成模型能够充分利用高光谱数据并提高作物地上部生物量和叶面积指数估算精度。     

CO2与养分交互作用对番茄幼苗叶片碳、氮积累及碳、氮比动态的影响

营养液栽培条件下,以番茄(品种,合作906)为材料,研究CO2施肥与4种不同养分供应强度的交互作用对番茄幼苗生长及其叶片中的碳、氮浓度与碳、氮比动态变化的影响。结果表明,在不同营养液养分浓度下,CO2施肥能增加番茄幼苗生物量的积累,提高生长速度;增加番茄幼苗叶片中氮、碳积累量与吸收速率;而且对CO2作用效果的响应随营养液养分浓度的提高而增加。在所有处理中碳、氮积累量与吸收速率随生育期的延长呈上升趋势。说明在番茄育苗后期要增加施肥量,而且在CO2施肥的情况下施肥量增加的量要大。CO2施肥对生长在不同营养液中番茄叶片中的碳、氮比在不同生长阶段的影响是不同的,但在同一CO2浓度条件下,番茄幼苗各个取样阶段均表现为碳、氮比随营养液浓度的降低而增加。对番茄幼苗碳、氮积累量、总干生物量与生长时间的关系研究表明,氮积累量、总干生物量与生长时间均符合二次曲线变化。