应用DSSAT模型对吉林省黑土玉米最佳栽培技术的模拟和校验研究I.模型品种参数校验和产量的敏感性分析

目前,应用农业模型去寻找改进农业生态系统的最佳农艺措施被认为是比单一的田间试验更为有效的途径之一.在应用和引进模型当中,一个很关键的环节是确定模型的输入参数对产量和土壤养分的敏感性,因为在一个地区的敏感性并不能保证在其他地区具有同样的影响.正因为如此,本文对农业技术转化决策系统(DSSAT)模型的农业管理参数进行敏感性分析.在吉林省黑土(ollisols)地区,于2008年田间试验条件下进行玉米(Zea mays L.)生长模拟(叶面积指数,地上于物质,籽粒重量),应用当地平均产量和生长期对玉米品种参数进行校验.模拟结果的综合分析表明:玉米提前播种8～10d比正常播种减产大约10%;玉米产量随播种密度呈现抛物线趋势,既当低密度下,产量曲线递增,但是当密度大于5株m-2时,产量增加平缓;产量和氮肥施用量呈典型的效应递减曲线,最佳施氮量为200～240 kg hm-2;最佳追肥时间为6月15日至6月28日.本研究证明DSSAT模型能够用于中国其他地区的玉米生长模拟,并且,本研究建立的敏感性分析方法能够用于其他作物,如水稻和小麦.进一步的研究需要包括测试土壤有机碳氮对作物生长管理参数的敏感性.     

晋南夏玉米最佳施肥量研究

夏县位于山西省南部,是粮食作物主产区,总耕地面积4.2万hm2,每年小麦-玉米轮作面积2.3万hm2,占总耕地面积的50％以上.近年来,由于粮食作物经济效益下降,农民种植科技水平较低,出现管理粗放,只种不管,或施肥方法不当、施肥量过大等问题,不仅浪费资源,还会污染土壤.因此,有必要确定玉米最佳施肥量,指导农户科学施肥.     

杂交玉米高产高效优化栽培技术的研究

采用最优混合试验设计，探讨杂交玉米种植密度和氮、磷、钾肥施用量与籽粒产量，建立回归模型，利用计算机模拟，优化筛选出高产高效栽培技术方案。     

基于DSSAT模型的氮肥管理下华北地区冬小麦产量差的模拟

为了评价氮肥管理对华北地区冬小麦产量差的影响,利用大田试验数据和田间调查的方法,应用DSSAT模型分析了吴桥不同氮肥水平下冬小麦多年平均可获得产量及产量差,并研究了不同地块产量差和氮肥农学效率差的分布。结果表明,不同地块冬小麦产量差异显著,但产量变异较小,地块间施肥水平存在明显差异,且变异较大。模型分析确定222 kg/hm2为最佳施氮肥量,对应的最大可获得产量为7618 kg/hm2,地块产量与最大可获得产量有较大差距,当地冬小麦产量具有一定的提升空间。75%的农户地块的施氮量高于最佳施氮量,且氮肥农学效率普遍偏低。因此,生产中应优化氮肥管理方案,适当减氮并调整施肥时期和改进技术,提高氮肥农学效率,以实现冬小麦生产高产高效。在保障国家粮食安全和保护自然环境双重压力的背景下,通过合理的氮肥管理来缩减冬小麦产量差对提高中国粮食总产及保持农业可持续发展具有重要的意义。     

DSSAT作物系统模型的发展与应用

作物模型对人们认识作物生长过程以及对生长的调控提供了一种高效的工具。针对农业技术推广决策支持系统DSSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）作物系统模型的发展历程、模型结构、数据输入输出、研究进展等进行了综述,为该模型在我国的应用提供参考。     

黑土农田大豆产量形成过程的模拟验证

以中国科学院海伦农业生态站长期定位水肥耦合试验数据为依据,模拟大豆产量形成过程。首先建立大豆品种遗传属性数据库和相应的模型参数,利用DSSAT模型系列中的CropGro-Soybean模型,对大豆品种遗传属性、作物产量和生长过程中土壤水分进行了模拟验证。模拟结果表明,CropGro-Soybean模型能够准确地模拟大豆生育期,相对误差在-2％～3％之间,均方根误差RMSE为2．3。对不同年际不同田间处理的大豆产量模拟结果分析的相对误差在-7％～9％之间,均方根误差RMSE为75．9,模型性能指数EF为0．8。模型对不同层次土壤水分变化的模拟效果也较好。     

基于WOFOST模型的吉林省中西部春玉米灌溉模拟

利用1961?2015年吉林省中、西部气象站资料,采用Peman-Monteith公式计算主要种植区春玉米生长季蒸散量,并确认生育期内有效降水量,得到研究区域春玉米净灌溉量和各生育期灌溉需求指数,据此确定关键灌溉期;再利用WOFOST作物模型模拟代表站点在不同降水年型下各灌溉方案的产量情况,通过模拟产量的结果选取春玉米较优灌溉方案。结果表明：吉林省中西部有效降水量占春玉米需水量的69%左右,乳熟?成熟期、播种?出苗期和出苗?拔节期的灌溉需求指数较高,这3个生育期为春玉米灌溉关键期;吉林省中西部春玉米乳熟?成熟期灌溉效率最高,其次为播种?出苗期,可根据条件加强关键生育期灌溉。     

松嫩平原黑土区玉米生产氮磷配合肥效优化模型的研究

通过对黑土区玉米生产氮磷肥配合多年多眯次的试验研究,建立产量与肥效地优化模型,优化解析出黑土区玉米生产氮磷含最佳用量的Ｎ１７２．９ｋｇ／ｈａ,Ｐ２Ｏ５５７．４ｋｇ／ｈａ,氮磷比为３．０：１,可获得最佳产量７７９１．０ｋｇ／ｈａ;最佳用量范围内,氮,磷用量相同时,平均每公斤氮可增产玉米１４．４ｋｇ,每公斤磷可增产玉米１６．９ｋｇ,磷的肥效比氮好,但氮的增产潜力远比磷大,单施磷可增产玉米７３４．９ｋｇ     

基于“3414”模型研究宁夏盐池县玉米氮磷钾施肥效应

2008年在盐池县具有代表性的土壤类型上进行了玉米＂3414＂试验,结果表明：地力贡献率为54.84%,说明土壤属于中等肥力。N、P、K对玉米产量影响大小顺序为N〉P〉K,增产效果居首位的为氮肥,施用纯N 240 kg/hm2的增产效应达到2 751.45 kg/hm2;P肥的增产幅度次之,施用纯P 120 kg/hm2的增产效应达到1 023.45 kg/hm;施用纯K 75kg/hm2的增产效应为236.7 kg/hm2。在不同肥料的交互作用中,N×P的交互作用对产量影响最大,N×P〉N×K〉P×K。施氮（N）量为360 kg/hm2,施磷量（P）为107.81 kg/hm2,施钾量（K）为4.30 kg/hm2时,玉米产量最高为7 652.23 kg/hm2。玉米产量与N、P、K肥料效应回归模型为三元二次多项式回归模型,经显著性检验达到极显著水平,可以为玉米生产施肥提供借鉴。     

降雨对吉林省黑土区雨养春玉米农田氮磷淋溶的影响

吉林省黑土区是我国玉米生产的重要基地,农业集约化程度较高,农业面源污染风险较大。因此,掌握吉林省黑土区降雨与农田氮磷淋溶的关系,对区域生态农业可持续发展意义重大。本研究基于吉林省4个面源污染监测点,于2016-2019年春玉米季对降雨情况、淋溶量、淋溶液氮磷浓度及淋溶强度等进行了动态监测,系统分析了吉林省黑土区自然降雨与农田氮磷淋溶的关系。结果表明:1)吉林省黑土区降雨年际间和监测点间差异较大,年际间波动在424～554mm,春玉米全生育期平均降雨量为475mm;不同监测点降雨量大小依次为通化(593～785 mm)公主岭(512～699 mm)梨树(305～434 mm)农安(197～342 mm)。2)淋溶量和降雨强度呈极显著正相关关系,降雨强度每增加10 mm·(24h)-1,淋溶量增加1.81mm。全生育期(4-10月)降雨量与淋溶次数、淋溶概率分别呈极显著和显著正相关,降雨量每增加100mm,淋溶次数约增加3次,淋溶概率上升6%。当全生育期降雨量超过74mm时,淋溶概率增加,可能引起淋溶;而当全生育期降雨量达到217mm时,淋溶次数增加,可以发生淋溶。产生淋溶的降雨等级一般以中雨(10～24.9 mm)和大雨(25～49.9 mm)为主。3)淋溶量和淋溶液总氮浓度呈极显著正相关,与总磷浓度无明显相关关系。4)总氮淋溶强度与降雨强度呈极显著正相关,降雨强度每增加10 mm·(24h)-1,总氮淋溶强度增加0.73kg·hm~(-2),而总磷淋溶强度与降雨强度无明显相关性。由此可见,吉林省黑土区农田在春玉米雨养条件下以氮素淋溶为主,且与降雨密切相关,应因地制宜采取农艺措施在源头上阻控农业面源污染的发生,为农业生态可持续发展提供有效途径。     

Evaluation of alternative land management and cropping practices for soil conservation

Abstract. To allow land planners and managers to assess erosion under alternative management practices a model has been developed. It is based on the universal soil loss equation but uses subfactors for crop cover and management. Readily available agronomic data and field expert opinion were used in formulating the method. Locally-derived data are used to validate the model which is then applied to agricultural systems in New South Wales, ranking the relative erosion hazard associated with crop and land management practices.     

Spatial optimization of soil and water conservation practices using coupled SWAT model and evolutionary algorithm

Soil and water conservation practices have been extensively used in effective watershed management. The impact of each conservation practice is site specific and dependent on the implementation site in the watershed. In order to select cost effective placement of conservation practices with high impact, a large number of spatial combinations is needed to be compared. In this study, an optimization model framework is presented to find cost effective solutions for sediment yield and runoff control in the Fariman dam watershed in the Northeast of Iran. This was accomplished by integrating soil and water assessment tool (SWAT) for simulation of watershed hydrology and multi objective genetic algorithm (NSGA-II) for spatial optimization of soil and water conservation practices. The optimized solutions provided a trade-off between the two objective functions. The final Pareto-optimal shows that the impact of soil and water conservation practices on sediment yield is more than stream flow. The trade-offs between the objective functions show that the implementation of the median cost can lead to a significant decrease of 22.1% in the amount of sediment yield, and 10% in stream flow. Also, percent change achieved through median cost is very close to percent reduction with the highest cost. Results of low cost solution show that the vegetative practices are a suitable economic scenario for soil and water conservation. The introduced framework can be adapted as a suitable tool for selecting cost effective conservation practices in different regions.     

基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术

为了实现作物产量和氮肥效率的协同提高,通过三年田间试验,建立了基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术。结果表明,与传统的习惯施肥相比,应用氮肥实时监控技术推荐的氮肥用量大幅减少,每年节约氮肥约60 kg/hm2。 由于氮肥供应与春玉米氮肥需求在时间和空间上的匹配,籽粒产量较习惯施肥增加了6.43%,氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力均显著提高。可见,本研究建立的氮肥实时监控技术是合理的,且在春玉米上应用该技术可以实现氮肥用量降低、产量增加、氮肥效率提高及生态环境保护的协调一致。     

我国东北黑土区耕地施肥和玉米产量的变化特征

根据1988～2006年东北黑土地区12个土壤肥力监测点的结果,统计分析了黑土区耕地施肥量、施肥结构和玉米产量的变化,阐明了黑土区19年玉米产量的演变趋势及施肥效果,为黑土持续利用提供理论依据.结果表明,常规施肥条件下耕作19年后,黑土区肥料总施用量(氮磷钾养分量)明显下降,从1988年的年均500 kg/hm~2下降到2006年的91 kg/hm~2.其中有机肥总养分量下降更明显,从1988年的269 kg/hm~2降至2006年的零投入;化肥总养分多年施用量变化不明显,年平均为247 kg/hm~2.不同监测点不施肥的玉米产量(基础地力)有较大的差异,基础地力高的土壤其相应的玉米施肥处理产量也较高,二者呈显著正相关关系(p<0.01).1988～1996年,黑土地区玉米增产率呈增加趋势,而基础地力贡献率由1988年的79%下降到1996年的42%;1997后变化不大,基础地力贡献率平均为63%.东北黑土地区较高的基础地力保证了玉米的高产和稳产,而施肥量的减少,特别是有机肥用量的减少降低了施肥的增产效果.     

Modeling the impacts of soil management practices on runoff, sediment yield, maize productivity, and soil organic carbon using APEX

Simulation models are increasingly used to analyze the impact of agricultural management at the watershed-scale. In this study, the Agricultural Policy/Environmental eXtender (APEX) model was tested using long-term (1976–1995) data from two watersheds (W2 and W3) at the USDA Deep Loess Research Station near Treynor, Iowa. The two watersheds were cropped with continuous corn (Zea mays L.) and managed with conventional-tillage at W2 (34.4 ha) and ridge-till at W3 (43.3 ha). The monthly runoff and sediment yield were calibrated for the two watersheds during 1976–1987 by adjusting the curve numbers, curve number index coefficient, RUSLE C factor exponential residue and height coefficients, and erosion control practice factor for grassed waterways. Soil organic carbon values in the top 0.15 m soil layer were calibrated for the two watersheds in 1984 by adjusting the microbial decay rate coefficient. Model validation was conducted from 1988 to 1995. The calibrated model was able to reasonably replicate the monthly and yearly surface runoff and sediment yield for both watersheds for the validation period, with Nash–Sutcliffe efficiencies (EF) larger than 0.62 except for the EF of 0.41 for monthly sediment yield comparison at W3. The errors between the predicted and observed means were all within ±6% for runoff and sediment yield; predicted soil organic carbon in the 0.15 m soils in 1994 were within 10% of the observed values for both watersheds. The percentage error between the predicted and observed average corn grain yields was −5.3% at W2 and −2.7% at W3 during the 20-year simulation period. Scenario analyses were also conducted to assess the benefits of ridge-till over conventional-tillage. Over the 20 years, the predicted benefit of ridge-till versus conventional-tillage on surface runoff reduction was 36% in W2 and 39% in W3, and about 82–86% sediment yield reduction in both watersheds. The cumulative soil organic carbon losses from sediment were reduced about 63–67%. The long-term benefit of ridge-till over conventional-tillage was also quantified as a minimum corn grain yield increase of 3.8%. The results of this study indicate that APEX has the ability to predict differences between the two tillage systems. The modeling approach can be extended to other watersheds to examine the impacts of different tillage systems.     

吉林省中部黑土区秸秆全量深翻还田条件下春玉米氮肥适宜用量研究

  【目的】  基于多年玉米秸秆全量深翻还田试验,探究吉林省中部黑土区春玉米氮肥适宜用量及群体氮素累积与分配特征。  【方法】  本试验于2017—2019年在吉林省公主岭市进行,为双因素田间试验。主因素为施氮水平,分别为0 (N0)、60 (N60)、120 (N120)、180 (N180)、240 (N240)、300 (N300)、360 (N360) kg/hm2;副因素为品种,分别为富民985 (Fumin 985)和翔玉211 (Xiangyu 211)。测定不同生育时期玉米各器官干物质积累量、吸氮量及产量构成。  【结果】  增施氮肥对玉米产量影响显著,年份、处理、品种对产量的影响具有明显的交互作用。N0处理的产量随着年限的增加而逐年递减,2018年和2019年相比于2017年产量分别降低10.9%和26.2%;各处理间差异也逐渐增大,2017年N180处理比N0处理产量增加23.2%,到2019年N180处理比N0处理产量增加55.1%;品种间比较,2017—2019年翔玉211产量均高于富民985产量,并且翔玉211适宜施氮量略高于富民985适宜施氮量。春玉米干物质积累量随着施氮水平的提高呈现先上升后降低的趋势,不同氮肥处理的茎、叶干物质积累量和氮积累量均于吐丝期至乳熟期达到最大值,成熟期N180处理的茎、叶、籽粒干物质积累量最高;不同施氮水平下,花后氮积累量分配比例呈现先升后降的趋势。不同施氮水平下,秸秆理论带入全氮养分量差异明显,且不同施氮水平的氮还田量随着秸秆还田年限的增加而逐渐上升,2017年,N300处理下氮还田量最高,为68.9 kg/hm2,较N0、N360处理分别增加155.0%、15.2%;2019年,N240处理下氮还田量最高,为109.9 kg/hm2,较N0、N360处理分别增加156.7%、33.4%。本研究以2017和2019年数据拟合方程,计算得出秸秆全量深翻还田后玉米最佳经济产量为13028 kg/hm2,适宜氮肥用量为162 kg/hm2。  【结论】  在吉林中部黑土区,多年连续秸秆全量深翻还田条件下,虽然年际条件、品种对产量有显著影响,氮肥依然是玉米高产稳产的重要因素,适宜的氮肥用量有利于提高吐丝至乳熟期玉米的干物质积累。本试验条件下保持产量水平12～13 t/hm2的氮肥适宜用量为160～165 kg/hm2。     

黑土区玉米组合施肥技术试验研究

试验研究有机、生物、化学肥料组合施肥技术及其对土壤肥力、籽实产量和经济效益的作用结果表明,连续2年试验各处理的土壤肥力、籽实产量和经济效益之间呈正相关,施用组合肥实较单施化肥土壤有机质增加0.01%-0.3%,籽实产量提高10％－16.9%,将增收932.6-1496.6元／hm^2。     

东北黑土区水土保持措施减沙效益监测

 为给大面积开展黑土地水土流失治理提供科学的理论依据,在东北黑土区水土流失综合防治试点工程中选择4条重点小流域设置28个径流小区,进行水土流失监测及措施保土效益对比分析。通过对2年监测成果的分析,认为:“试点工程”中所采取的几种主要坡面治理措施,其保土减沙效益十分显著———水平梯田措施最好,减少土壤流失量高达99.5%;其次是地梗植物带和水平坑措施,减少土壤流失量为95.2%;荒山荒坡灌木埂措施为80.2%;改垄措施为64.6%;生态自然恢复稍低些,为49.9%。