华北典型区域农田耗水与节水灌溉研究

本文总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心围绕华北典型地区冬小麦-夏玉米一年两熟开展的节水灌溉研究。在位于华北中北部的中国科学院栾城农业生态系统试验站的定点试验结果显示,从1980年到2017年,在充分灌溉条件下冬小麦产量增加55.7%、夏玉米产量增加59.7%。冬小麦生育期耗水(ET)从400 mm增加到465 mm;玉米耗水年平均稳定在375 mm左右;年耗水量从777.0 mm增加到834.4 mm;满足冬小麦、夏玉米生育期耗水条件下,年灌溉需水量平均300 mm,必须减少灌溉用水和田间耗水,才能解决区域地下水超采问题。研究发现在限水灌溉条件下,冬小麦拔节期1次灌溉可显著促进作物营养生长和根系生长,利于后期土壤水分高效利用,在维持作物稳产基础上,比充分灌溉年节水165.2 mm。研究发现进一步利用小定额灌溉技术,通过增加灌水频率、缩减次灌水量,可增加有限水对作物的有效性,实现作物根系、土壤水分和养分在空间上的耦合,进一步提升有限灌溉对作物的增产作用。只考虑维持播种时良好土壤水分条件、生育期不进行灌溉的最小灌溉模式,与充分灌溉模式相比,产量减少28%,但可节约灌溉水69%,田间耗水减少43%,水分利用效率提高13%,年耗水量维持在560 mm左右。相对于减熟制节约灌溉水措施,冬小麦-夏玉米一年两季最小灌溉模式总产量高于两年3作5.5%~12.0%,年耗水量低于两年3作10%~13%,可显著消减减熟制带来的休闲期土壤蒸发损失。因此,实施冬小麦、夏玉米生育期节水灌溉,如最小灌溉、关键期灌溉,可大幅度降低灌水量和作物生育期耗水量,同时又能维持一定的生产能力,是华北实施地下水限采措施下应优先考虑的技术选择。     

土下覆膜与适宜灌水提高冬小麦水分利用率

为缓解河北平原区水资源匮乏与小麦生产水分高耗的特征性矛盾,该文采用大田试验方法,设置土下微膜覆盖结合拔节期灌水75 mm、抽穗期灌水75 mm、灌浆期灌水75 mm、雨养,露地条件下雨养和常规生产(CK)共6个处理,定位研究了连续3个生长季的土下微膜覆盖与不同时期灌水对冬小麦用水与产量形成的效果。结果表明,采用土下微膜覆盖种植小麦,基本苗数和有效穗数较CK分别降低了8.6%~12.0%和7.4%~11.7%,拔节至抽穗期75 mm灌水保证了覆盖下小麦生物产量形成及穗粒数、粒重的提高。土下微膜覆盖并适时灌水75 mm,开花后营养器官干物质向籽粒转运量比CK提高37.2%~57.3%,对籽粒贡献率提高4.7%~10.1%。土下微膜覆盖结合抽穗前一次灌水,全生育期田间耗水减少99.9~118.9 mm,用占CK 3/4的耗水量生产了与其相当的籽粒产量,水分利用效率提高26.1%~34.5%。回归分析表明,土下微膜覆盖下拔节-抽穗田间耗水118 mm可获得最高的生物产量,抽穗-灌浆耗水78 mm可获得15个以上的结实小穗数和灌浆期不小于5的叶面积指数,从而籽粒产量得以有效维持。2 m土体贮水随小麦生育进程和种植年限的推进而呈现亏损态势,而且趋近地表土壤水分亏损就越多。从第2季开始,持续干旱导致覆盖下灌浆期灌水对提高产量已不具有作用,反而增加耗水,灌溉时间前移可增加产量并提高水分利用效率。播种时土壤贮水较上季小麦收获时大幅增加,播种-拔节期间土壤贮水保蓄是小麦节水生产的关键,土下微膜覆盖则可实现麦田土壤贮水的秋冬保蓄、春季供应的跨季节调用。在河北省小麦产区,土下微膜覆盖结合春季适时少量灌水是有效降低小麦耗水、提高水分利用效率和维持小麦产量的新型种植方法。     

Strategy for long term use of saline drainage water for irrigation in semi-arid regions

In arid and semi-arid regions, effluent from subsurface drainage is often saline and in the absence of a natural outlet, its disposal is a serious environmental threat. A field experiment was conducted for 7 years using drainage water of different salinity levels (EC_iw=6, 9, 12 and 18.8 dS/m) for irrigation of wheat during the dry winter season. The objective was to find whether crop production would still be feasible and soil salinity would not be increased unacceptably by this practice. The experimental crop was wheat during the winter season and pearl-millet and sorghum in the rainy season, grown on a sandy loam soil provided with subsurface drainage system. All crops were given a pre-plant irrigation with non-saline canal water and subsequently, saline drainage water of different salinity levels was used for the irrigation of wheat as per the treatment. On an average, the mean yield reduction in wheat yield at different EC_iw was 4.2% at 6, 9.7% at 9, 16.3% at 12 and 22.2% at 18.8 dS/m. Pearl-millet and sorghum yields decreased significantly only where 12 dS/m or higher salinity water was applied to previous wheat crop. The high salinity and sodicity of the drainage water increased the soil salinity and sodicity in the soil profile during the winter season, but these hazards were eliminated by the subsurface drainage during the ensuing monsoon periods. The results obtained provide a promising option for the use of poor quality drainage water for the irrigation of winter wheat without undue yield reduction and soil degradation.     

基于土壤水分空间变异的变量灌溉作物产量及节水效果

提高整个田块作物生长指标和产量的均匀性是实施变量灌溉水分管理的目标之一。该研究基于土壤可利用水量(available water holding capacity,AWC)将试验区划分为4个水分管理区,利用相同的灌水控制指标(0.45AWC)进行分区变量灌溉水分管理;作为对照,基于最小AWC区的土壤水分进行均一灌溉水分管理。对比变量灌溉和均一灌溉条件下冬小麦、夏玉米生长指标(株高、叶面积指数、地上部分干物质质量)、叶片相对叶绿素含量、产量及其均匀性,分析AWC对作物生长和产量的影响。结果表明,与均一灌溉相比,夏玉米变量灌溉节水14.1%,冬小麦灌水量相同。与均一灌溉相比,变量灌溉对冬小麦、夏玉米生长指标、叶片相对叶绿素含量和产量的影响均未达到显著水平,而不同AWC管理区之间作物生长指标和产量的差异均达到了显著水平。为获得更高的作物产量,建议不同AWC管理区内采用不同的灌水控制指标。研究可为大型喷灌机变量灌溉水分管理决策提供依据。     

近30年吴桥县冬小麦生育期水分亏缺变化趋势分析

为了给地处黑龙港地区的河北省吴桥县制定冬小麦稳产灌溉制度提供理论依据,本文利用1981—2013年吴桥县的气象数据和SIMETAW模型,分析了冬小麦全生育期及播种—返青期、返青—拔节期、拔节—开花期、开花—成熟期4个生育阶段的降水量、需水量、耗水强度及水分亏缺指数(CWDI)的变化趋势;同时利用5年滑动平均法将分析年份冬小麦实际产量分为趋势产量和气象产量,计算了不同降雨年型下冬小麦减产率的变异系数。结果表明,近30年河北省吴桥县冬小麦生育时期的水分亏缺指数和需水量均呈现轻微的上升趋势;冬小麦发生干旱的概率为93.75%,其中,中旱和重旱发生概率为65.52%。冬小麦生育时期的平均日降雨量呈现从冬小麦生育中期向后期转移的趋势,日耗水强度表现为从生育后期向生育中期移动的趋势,这是导致返青—拔节期和拔节—开花期水分亏缺指数较大的重要原因。冬小麦减产率的变异系数的绝对值在缺水年最大,为154.241;在丰水年最小,为1.999;正常年份为24.776。因此,冬小麦拔节—开花期的及时灌溉对于保障冬小麦的稳产增产具有重要作用。建议在缺水年份调整冬小麦的水分管理制度,在冬小麦拔节初期一次性充分灌溉或在拔节初期和中后期分次进行少量灌溉。     

豫北冬小麦、夏玉米多年需灌水次数及典型 生育期需灌水分析

研究气候变化情景下豫北地区农业需灌水次数的变化情况,可为当地灌溉以及保证农业可持续发展提供参考。本文分析处理近63 a(1951—2013年)气象数据和新乡七里营站点土壤数据,结合作物生长参数,利用降水、灌溉、作物蒸散发与土壤水分之间变化关系,建立干旱灌水指数模型。此模型中干旱灌水指数(DII)分布在[-1,1]之间,小于0时即干旱需灌水。在现有冬小麦-夏玉米种植制度下,利用干旱灌水指数模型计算多年需干旱灌水指数,并进一步得到灌水次数。选择冬小麦生长季分别为湿润(1985—1986年)、正常(2004—2005年)、干旱(1983—1984年)的3个典型实际代表年度,夏玉米生长季分别为湿润(2003年)、正常(1993年)、干旱(2009年)的3个典型实际代表年,计算了不同代表年冬小麦、夏玉米作物需水情况。进一步计算得到了冬小麦、夏玉米在典型湿润、正常、干旱3个不同代表年的干旱灌水指数,并进行了有无灌水的干旱情况分析。结果表明:近63 a冬小麦-夏玉米系统每年需灌水2~7次不等,平均需灌水5.1次。冬小麦和夏玉米湿润、正常、干旱3个代表年蒸散发量(ETC)分别为489.4 mm、551.4 mm、481.7 mm和466.1 mm、477.8 mm、529.3 mm。在无灌水条件下典型代表年内,冬小麦、夏玉米都会遭遇不同程度干旱,典型湿润、正常、干旱代表年冬小麦分别灌水2次、3次、4次,夏玉米分别需灌水1次、2次、3次后,基本可以消除干旱对其正常生长影响。综上,通过干旱灌水指数来量化需灌溉次数是可行的。气候变化情景下,近10年(2003—2013年)需灌水频次变化大,年际间干旱事件频发,更好的科学灌溉管理可减少干旱对作物的影响。     

冬季抗旱措施对小麦耗水特征与生育性状的影响

在2010—2011年小麦生长季节降水量为47.7 mm条件下,采用冬季抗旱处理时期(1月28日、2月12日、2月27日)、冬季抗旱措施与春一水灌水量组合(冬季喷灌+春一水灌水量75 mm、漫灌措施+春一水灌水量75 mm,冬季覆盖牛粪措施+春一水灌水量90 mm)2因素设计,研究了河北低平原区高产条件下冬小麦耗水特征和生育性状。结果表明:各处理的小麦全生育期总耗水量为384.93~464.24 mm,产量水分利用效率为15.23~20.87 kg·hm-2·mm-1。播种到越冬期和起身到灌浆期是小麦耗水量较大的时期。同一处理时期不同水肥措施下,随灌水量的增加,耗水量有增加趋势,水分利用效率与灌溉水利用效率有降低趋势;其中以牛粪覆盖措施小麦产量和灌水利用效率最高,喷灌措施小麦产量水分利用效率高于漫灌。同期不同水肥措施对小麦干物质再分配的影响表现为:牛粪覆盖措施和对照促进了小麦开花前营养器官贮存的同化物向籽粒再分配,喷灌和漫灌提高了小麦开花后干物质积累量和籽粒中来自花后积累干物质的比例。不同处理时期同一水肥措施比较,随处理时期推迟籽粒产量有增加趋势。以上结论可为指导小麦冬季田间旱情补救措施提供理论依据。     

不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响

灌水和施氮是影响农田生态系统粮食生产的2个主要因素,但其增产效应和资源利用效率会受降水年型的影响。该研究基于2011—2014在陕西关中平原进行的3 a冬小麦水氮耦合试验,分析了不同降水年型下水氮管理对土壤含水率、籽粒产量、耗水量(water consumption,ETa)及产量与耗水量关系的影响。结果表明:7—9月总降水量每增加1 mm,小麦播前0~180 cm土壤底墒增加0.47 mm。随着灌水量增加,产量和ETa均增加,但仅在降水较少的2012—2013年增产显著,对水分利用效率(water use efficiency,WUE)的影响不显著;随着施氮量增加,ETa变化不显著,但其增产效果显著,使WUE显著提高,表明施氮增加了作物蒸腾占农田耗水量的比例。根据3 a各处理冬小麦产量和ETa数据,进一步探讨了在一定水分消耗下能达到的最大(边界)产量和WUE,建立了关中平原冬小麦的产量-耗水量边界方程;当ETa超过388 mm时,产量稳定在8 184 kg/hm2,WUE的最大值为2.52 kg/m3。研究可为制订合理的冬小麦水肥管理措施提供科学依据。     

不同灌溉措施对黄淮海地区冬小麦水氮利用及产量和品质的影响

通过设置不同灌溉处理来研究灌溉次数和时期对黄淮海地区冬小麦产量、籽粒品质和水氮利用的影响。结果表明:浇足底墒基础上拔节期灌一水不仅可获得较高的产量并提高水氮利用效率,减低硝态氮淋失风险,而且可获得较好的物理品质(硬度指数、容重)和蛋白质品质(粗蛋白、湿面筋和沉淀值)及最优的粉质仪质量指数、拉伸仪参数和降落数值。在此基础上增加冻水、开花水、灌浆水等处理的产量增加不显著,各项品质指标没有明显改善,水分利用效率降低,而且显著增加硝态氮淋失风险;因而黄淮海地区最优的节水灌溉模式是浇足底墒基础上拔节至挑旗期灌溉一水。     

微咸水灌溉对土壤盐分平衡与作物产量的影响

河北低平原淡水资源短缺,微咸水资源丰富,合理开发利用微咸水已经成为缓解水资源供需矛盾的重要途径之一。本研究于2011—2015年在河北省沧州市中国科学院南皮生态农业试验站进行,以冬小麦和夏玉米一年两熟种植体系为研究对象,开展了河北低平原区实施微咸水灌溉对冬小麦及下茬作物夏玉米产量及灌溉对土壤盐分周年平衡的影响。2013—2014年冬小麦灌溉处理设雨养旱作处理(CK)、拔节期淡水灌溉1水(F1)、拔节期用2 g·L~(-1)、3 g·L~(-1)、4 g·L~(-1)、5 g·L~(-1)的微咸水灌溉1次(B21、B31、B41、B51)、拔节期和灌浆期用淡水灌溉(F2)、拔节期用3 g·L~(-1)的微咸水+灌浆期用淡水灌溉(B31F1)、拔节期用淡水+灌浆期用3 g·L~(-1)微咸水灌溉(F1B31)、拔节期和灌浆期都用3 g·L~(-1)的微咸水灌溉(B32)、拔节期、抽穗期和灌浆期都用淡水灌溉(F3)。2014—2015年根据上年度的试验结果对试验处理进行了精简,冬小麦灌溉处理设CK、F1、B31、B41、B51、B42(拔节期和灌浆期都用4 g·L~(-1)的微咸水灌溉)。结果表明,一般年型下冬小麦生育期灌溉2水就能获得高产和稳产,平均产量为6 593.4 kg·hm~(-2)。利用小于5 g·L~(-1)的微咸水灌溉,与淡水灌溉相比,不会造成冬小麦产量降低,灌溉1次微咸水比雨养旱作处理增产10%~30%,可用微咸水替代1次淡水。微咸水灌溉条件下冬小麦收获时土壤盐分有所积累,表层土壤含盐量大于1 g·L~(-1),影响下茬玉米的出苗和生长,但夏玉米播种后用675~750 m3·hm-2淡水灌溉可满足耕层淋盐需求,达到玉米生长的安全阈值,与淡水灌溉处理的玉米产量相比不减产。利用夏季降雨,可使土壤盐分得到淋洗,当夏季降雨量大于300 mm时,冬小麦微咸水灌溉下土壤盐分达到周年平衡。沧州地区73%以上的年份,夏季降雨量大于300 mm,为土壤淋盐创造了条件,保证了微咸水替代一次淡水灌溉的安全性。     

夏闲期降水对黄土旱塬冬小麦水氮利用效率的影响

黄土旱塬冬小麦生长所需的水分主要来源于大气降水,分析夏闲期降水对土壤水分的补给对于发展田间水分管理措施和补充灌溉技术具有重要意义。该文利用不同的水肥耦合处理试验,研究了不同水肥耦合处理下夏闲期降水对土壤水分补给量以及对翌年作物耗水量、水分利用效率、产量、小穗数、穗粒数、千粒质量的影响。结果表明,夏闲期降水量对土壤水分的补给量有极显著的影响(P0.01);冬小麦生育期不同的水肥耦合处理对夏闲期土壤水分补给有显著的影响(P0.05)。收获期土壤水分亏缺度在43.68%~52.63%之间时土壤水分的补给系数较高(51.84%~67.42%),且二者存在良好的幂函数关系;翌年冬小麦生育期耗水量的贡献率、水分利用效率、产量、小穗数、穗粒数、千粒质量均与土壤水分补给系数呈幂函数关系,且在土壤水分补给系数为25%~40%时冬小麦水分利用效率、产量、小穗数、穗粒数、千粒质量分别达到最大值。研究可为旱塬农田水分管理提供参考。     

微润灌对作物产量及水分利用效率的影响

为探明微润灌对作物生长及产量的影响,以夏玉米和冬小麦为研究对象,采用完全随机试验设计,对比研究微润灌不同毛管间距布置(20 cm、40 cm、60 cm)、地下滴灌和无灌溉对大田作物产量、水分利用效率和土壤电导率的影响。结果表明:与地下滴灌相比,微润灌用水量约为地下滴灌的1/4~4/5;由于灌水差异较大,作物产量有所降低,夏玉米产量显著下降(P0.05),冬小麦产量下降,但未达显著水平(P0.05);两作物水分利用效率有所提高,但差异不显著(P0.05);灌溉水分利用效率均显著提高(P0.05)。随微润管布置间距的减小,作物产量呈增加趋势,作物水分利用效率与灌溉水分利用效率均呈减小趋势。综合考虑分析,在较为缺水的塿土区微润管最佳布置间距60 cm,此时可不显著降低产量同时提高水分利用效率。此外,微润灌布置间距对土壤电导率的影响较小。采用微润灌与地下滴灌处理时,随土层深增加,作物各生育期土壤电导率无显著差异(P0.05)且变化趋势基本一致,表明微润灌与地下滴灌对土壤的影响具有一致性。微润灌下作物产量与灌浆成熟期10~20 cm土层土壤电导率和10~80 cm土层土壤平均电导率之间相关性显著。因此,采用灌浆成熟期10~20 cm土层土壤电导率或10~80 cm土层土壤平均电导率预估微润灌下的作物产量具有可行性。上述研究可为微润灌技术推广应用提供依据。     

不同发育期干旱对冬小麦灌浆和产量影响的模拟

为探明不同强度干旱对农作物生长过程所产生的影响,本文基于作物生长模型WOFOST,采用数值模拟方法,模拟分析了河南省郑州地区冬小麦在拔节期、抽穗期和灌浆期分别发生不同程度干旱、两个发育期以及3个发育期都发生不同程度干旱对冬小麦灌浆过程和产量的影响。结果表明,当单一发育期供水减少10~30 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第14~18 d下降,可使小麦减产1.34%~12.5%,且以抽穗期干旱影响最大,其次是灌浆期干旱,拔节期干旱影响最小;当两个发育期供水都减少10~20 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第10~17 d下降,可使小麦减产4.94%~21.88%,且以抽穗期和灌浆期干旱影响为最大,其次是拔节期和灌浆期干旱,拔节期和抽穗期干旱影响最小;当3个发育期供水都减少5~15 mm时,干旱导致小麦灌浆强度在正常灌浆后的第11~16 d下降,可使小麦减产3.93%~24.84%。可见,干旱致使土壤水分亏缺,影响了作物正常的灌浆强度,进而导致作物减产。干旱发生时段与程度不同,造成作物的减产率也不尽相同,多个发育期干旱导致小麦的减产率往往大于单一发育期干旱相叠加的效应。     

基于水分供需关系的冬小麦夏玉米节水灌溉模式研究

节水灌溉是解决水资源短缺问题的重要途径之一。在长期田间试验的基础上, 运用Hydrus-1D模型对研究区冬小麦 夏玉米轮作条件下的田间水分运移过程进行了模拟分析, 探讨适宜的节水灌溉模式。结果表明, 表征土壤水分实测值与模拟值精度关系的Nash-Suttcliff效率系数Ens为0.652~0.903, 均大于0.5, 模型效果良好; 在灌水量为520 mm的传统灌溉模式下, 1.6 m土层深层土壤水分无效渗漏量为189 mm, 占地表总入渗补给水量的22.3%, 土壤水分无效渗漏大, 且与降雨和灌溉关系密切; 根据作物水分供需状况及土壤水分状况得出夏玉米、冬小麦季的灌溉量分别为50 mm、320 mm, 比传统灌溉模式共节水100 mm。改进后的灌溉模式对于土壤水分渗漏具有良好的控制作用, 土壤水分渗漏峰值明显降低, 根据作物供需与土壤水分状况提出的节水灌溉模式能减少土壤水分渗漏, 提高灌溉水利用效率。     

基于APSIM模型小麦-玉米不同灌溉制度作物产量和水分利用效率分析

针对海河平原地下水位持续下降和维持小麦—玉米两熟较高产量之间的矛盾,对不同降水年型小麦—玉米不同灌溉制度下产量和水分利用效率(WUE)进行模拟分析,结果对平衡该区域地下水可持续利用与粮食生产提供重要科学决策依据。利用研究区域站点长时间序列气象数据,以小麦不同水分处理地上部生物量、叶面积和周年土壤水分动态田间试验数据为基础,对APSIM小麦玉米遗传参数和土壤水分等相关参数进行了校准和验证。利用校准和验证的APSIM模型,对不同降水年型小麦—玉米不同生长阶段水分亏缺指数(CWDI)进行了分析,并模拟了8种不同灌溉制度情景下小麦玉米产量、水分利用效率和灌溉水利用效率(IWUE)。结果表明:不同降水年型小麦各生育阶段CWDI均较高,说明无论干旱、平水和湿润年份小麦需水量远大于降水量,尤其是拔节—成熟期水分严重亏缺,属极旱;玉米抽雄前基本不受干旱胁迫影响,但抽雄后的灌浆阶段处于中旱或重旱,对水分需求迫切。兼顾产量和水分利用效率的灌溉制度,干旱、平水及湿润年份全年灌溉3次,灌水量为225 mm(小麦播种75 mm+拔节期75 mm+开花期75 mm)时可获得较高的周年产量和最大WUE。不同降水年型周年产量和WUE在干旱年份分别为17 357.6 kg/hm~2和29.6 kg/(hm~2·mm),平水年份分别为18 827.9 kg/hm~2和25.9 kg/(hm~2·mm),湿润年份分别为19 685.2 kg/hm~2和25.8 kg/(hm~2·mm)。此灌溉制度下,小麦、玉米可获得较高的产量和水分利用效率,为该区域水—粮权衡的重要灌溉策略和措施。     

畦灌与施肥时机对土壤硝态氮分布和冬小麦产量的影响

为探究不同畦田规格与施肥时机对土壤NO_3~--N分布规律及对冬小麦产量的影响,优化选择具有较高灌水施肥均匀度和储氮效率及产量的最佳灌溉施肥模式,于2017—2018年在冬小麦季选取畦宽、畦长和施肥时机3个试验因素,传统撒施灌溉作为对照,通过正交试验设计设置12个处理。结果表明:1)与灌水前相比,灌水后各处理土壤不同层次NO_3~--N浓度均增加,且随着土层深度的增加NO_3~--N浓度逐渐降低。在液施处理下NO_3~--N在有效根系层的累积较撒施处理高出0.27%～27.97%。2)畦宽、畦长和施肥时机显著影响NO_3~--N的分布。在返青期,畦长对灌水施肥均匀度的贡献率最高,为91.64%;施肥时机对储氮效率的贡献率最高,为44.22%。在扬花期,畦长对灌水施肥均匀度的贡献率最高,为92.67%;畦宽对储氮效率的贡献率最高,为53.6%。在60 m畦长条件下可以获得较高的灌水施肥均匀度。3)畦宽、畦长和施肥时机对作物产量的贡献率分别为37.2%、37.3%和23.9%,畦宽3.2 m、畦长60 m和全程液施的处理下达到了最高产量,为7 869.2 kg/hm~2。因此,液施可以提高土壤NO_3~--N分布均匀性,有利于NO_3~--N在小麦根系层的累积,减少氮素的淋溶损失;综合对土壤NO_3~--N分布均匀性、积累及作物产量来看,畦宽3.2m、畦长60m和全程液施的处理为该研究处理下最优模式。     

太行山前平原近40年降水的变化趋 势及其对作物生产的影响

降水是作物生产的主要限制因素,在干旱半干旱地区尤为重要。通过对太行山山前平原近46年降水量资料分析表明,太行山山前平原降水量在以每年5.1mm速度下降,其中夏玉米季下降比较严重。而冬小麦季的灌溉需水量是夏玉米季的2倍。田间试验结果表明,旱作条件下作物产量与降水量关系密切,而非充分灌溉条件下作物产量的变异性不大,今后应提倡合理灌溉。     

灌水量和时期对不同品种冬小麦产量和耗水特性的影响

为明确品种更替过程中冬小麦的耗水特性、产量和水分利用效率(WUE)的变化规律,以及对水分胁迫的响应,于2010-2012两个生长季选取河南中北部建国以来不同年代的7个主栽品种为试验材料,在田间设置三个水分处理下(W0,返青后不灌水;W1,拔节期灌水;W2,拔节和灌浆期分别灌水),研究了冬小麦的耗水特性、产量构成因素、收获指数和水分利用效率的变化过程。研究结果表明:在冬小麦更替过程中,冬小麦总耗水和土壤贮水消耗与年代差异不显著,而受降雨和灌溉影响较大。从20世纪50年代至现在,90年代及以后的冬小麦品种千粒重在41g以上,明显高于早期品种。两年生长季冬小麦籽粒产量增加58.4%和41.8%,平均每次更替增加396和362kg/hm2;收获指数增加37.0%和18.0%,平均每次更替增加0.2和0.1;WUE增加55.3%和40.8%,平均每次更替增加0.11和0.10kg/m3。现代品种源、库关系得到改善,千粒重大幅度增加和收获指数增加是籽粒产量提高的主要原因。籽粒产量和WUE由品种和水分互作效应决定,在拔节期和灌浆期灌水可明显提高籽粒产量水平,并在一定程度上提高了水分利用效率。     

基于小麦模型算法集成平台的三种水分胁迫算法比较

准确模拟水分胁迫并揭示其对作物生长发育过程的影响,是作物模型应用于田间研究和干旱影响评估的关键。该研究将3种主流水分胁迫算法整合到一个标准平台中,组成土壤含水率模型(average Soil Water Content,SWC)、土壤水分供需比模型(Water Supply to Demand ratio,WS/WD)和相对蒸腾模型(Actual to Potential Transpiration ratio,AT/PT)共3种水分胁迫模拟模型。利用河北吴桥2017—2019年冬小麦水分试验田间观测数据结合2008—2009和2013—2016年水分试验文献资料对模型平台进行参数校准与验证。结果表明,3种模型的模拟结果与实测值均吻合良好,地上部生物量、土壤含水率和产量的归一化均方根误差(Normalized Root Mean Squared Error,NRMSE)分别为14.0%～16.5%、5.1%～8.8%和5.4%～7.7%。3种水分胁迫模型模拟的生长季水分亏缺出现的时间和严重程度不同,但模拟的水分胁迫因子年际间变化一致。雨养条件下,生长季降水量分别决定了SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟的年际间水分胁迫因子变异的56%、56%和39%。灌水对产量具有促进作用,但灌水量增加会导致灌水利用效率下降。SWC、WS/WD和AT/PT模型模拟枯水年灌四水(底墒水+起身水+孕穗水+开花水)处理的产量较不灌水分别高163%、132%和92%,灌四水处理的灌水利用效率较灌一水(底墒水)处理分别低26.8%、12.3%和40.0%。在吴桥县冬小麦水分管理决策中,WS/WD模型最优,SWC模型次之,AP/TP模型较差。研究结果可为提升作物模型在冬小麦干旱影响评估和水分管理方面的可信度提供参考。     

水肥配合对太行山山前平原高产区土壤矿质氮分布及作物产量的影响

在中国科学院栾城农业生态系统试验站的潮褐土上,通过水、肥2因子3水平的完全方案,研究冬小麦-夏玉米轮作下,水、肥对土壤矿质氮分布及作物产量的影响。试验表明,NO3--N在土壤剖面中的分布除受水、肥作用外,还与土壤质地,作物及雨季降水有关;NO3--N在土壤剖面中的累积则受水肥二因素的共同制约。高水高肥处理,在收获2季作物后,土壤剖面中NO3--N明显积累;当水分或肥料不足,NO3--N的积累量减少;冬小麦全生育期旱作,不仅影响当季NO3--N的形成转化和冬小麦对N素吸收,而且直接影响后季夏玉米的产量以及土壤NO3--N的积累。土壤NO3--N的累积量与土壤水分含量存在明显的耦合作用。NH4+-N在土壤中所占比例很小,不同水、肥组合处理对其分布和累积无明显影响。肥料和水分都是冬小麦产量的限制因素,尤其水分不足,对当季和后季作物都有直接影响。针对该区地下水紧缺的矛盾,在有限水分供应时,应首先保证冬小麦季灌足底墒水和拔节水,每水至少灌60mm,施肥量不宜太高,否则会造成NO3--N在土壤中积累或淋失。本试验条件下该区适宜的水肥处理应为W2MF。