东北玉米根系生物量模型的构建

开展根系生物量的观测和研究,建立通用性的根系生物量模型对于开展生态系统生物量的监测和评估具有重要意义。为得到根系生物量的实时信息,2016年9月末利用挖土法和根系扫描系统,获取玉米根系的生物量及生态指标,分析了玉米根系生物量的垂直分布特征并建立了根系生物量与根系生态指标之间的模拟方程。结果表明：玉米根系生物量主要集中于0~30 cm,占玉米根系垂直分布量的94.44%。利用普通最小二乘法建立根系生物量模型均存在异方差问题,增加根长作为自变量建立的根系生物量模型显著提高了模拟精度,决定系数（R²）达0.91以上。采用对数转换消除方程的异方差及比较不同的模拟方程后发现,玉米根系生物量与根径和根长的组合变量（D²H）建立的指数函数是模拟玉米根系生物量的最优方程,决定系数（R²）最高,为0.90,平均绝对误差（MAE）、估计值的标准误差（SEE）、平均预估误差（MPE）均最小,满足了模拟方程的精度要求。对该方程进一步验证发现,模拟值和实测值之间的相关系数为0.92,说明此模型能较好地模拟根系生物量。利用根系生物量模型结合微根管法,可解决根系生物量实时观测难的问题。     

局部水分胁迫对玉米根系生长的影响

采用分根法进行玉米水培试验, 研究局部水分胁迫对玉米根系生长的影响。设4个水分胁迫水平: CK, 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.6 MPa, 在整个根系经受一定的水分胁迫之后对部分根系复水处理, 测定局部供应后 0 h、6 h、12 h、1 d、3 d、5 d、7 d、9 d等不同时期各部分根系的面积、长度及干重。结果表明, 各胁迫程度均表现为, 与对照相比, 复水侧根区的根系面积、根长与根干重出现了明显增长, 且始终显著大于持续胁迫侧根区, 且随处理时间延长更加明显。不同胁迫程度下复水侧玉米根系的增长幅度不同。水分胁迫预处理后, 0.2 MPa水平下, 复水侧根区根系的面积、长度与干重以及整个根区总根长、总面积均可以达到甚至高于对照水平, 其他处理均显著低于对照。轻度胁迫后复水的根区根系产生明显的补偿效应。适度胁迫后复水有利于作物根系总面积增长, 但对总根长、根干重无显著影响。根系补偿效应与胁迫强度及复水的时间有关。     

玉米根系在土壤剖面中的分布研究

玉米根系在土壤剖面中的分布是准确量化植被与气候相互作用不可缺少的参数,也是玉米生产科学管理和节水农业发展的重要科学依据.在中国气象科学研究院固城生态环境与农业气象实验站内的大型根系观测系统中,采用地下室玻璃窗观测法和方形整段标本法,观测了"屯玉46号"玉米的根深、根宽、根长和根重,分析了玉米根长、根长密度、根重密度和根系粗度等在土壤剖面中的分布状况.结果表明,玉米根长、根干重均随土壤深度的增加基本呈递减类型.吐丝期0～40 cm土层根长占整层根长51.5%,0～80 cm土层占76.2%,0～120 cm土层占90.5%.乳熟后期其分布趋势与吐丝期相似.玉米根系粗度随着土壤深度增加,在上层呈减少分布型,在下层呈增加分布型.乳熟后期,玉米最大根深可达230 cm,根长总量达8.288 km·m-2,显示出该玉米品种有较发达的根系.通过玻璃窗观测的根深大于远离玻璃窗处的根深.     

河套灌区玉米根系对残膜的响应及根系分布模型

为明确土壤中不同残膜量对根系生长和分布的影响,该研究于2019—2020年在河套灌区九庄农业综合节水试验站设置了5个农膜残留量水平,分别为CK（0 kg/hm2）、T1（150 kg/hm2）、T2（300 kg/hm2）、T3（450 kg/hm2）和T4 （600 kg/hm2）,研究不同残膜量对玉米根长密度、不同径级根系分配及根系分布等影响,并引入残膜量,建立了适用于农膜残留农田的根系分布模型。结果表明,根系在水平分布时,侧根区的根系受残膜影响显著（P＜0.05）,当残膜量为300 kg/hm2（T2）时根长密度出现突降现象,降幅为75.98%;垂直分布时,根系随残膜量增加呈明显下降趋势,特别是在0～30 cm土层,当残膜量达到450 kg/hm2时,根长密度降低50.02%。另外,残膜减小了玉米粗根比例（d＞2 mm,d为根系直径）,降幅为29.25%;增加了细根比例（d≤2 mm）,为4.80%。构建考虑残膜量的相对根长密度（Residual Plastic Film-Normalized Root Length Density,RPF-NRLD）分布模型精度较高,其中决定系数（R2）为0.961,均方根误差（RMSE）为0.282,平均相对误差（MRE）为18.87%。同时考虑不同径级根系的RPF-NRLD分布模型模拟显示,玉米极细根和细根的MRE分别为14.91%和14.96%,粗根的MRE为35.41%。基于RPF-NRLD分布模型进行情景分析显示当农田残膜量控制在0～100 kg/hm2范围内,根系能够维持正常生长,特别是极细根和细根,根长密度未出现大幅下降。该研究对于残膜污染区作物生长的数值模拟研究及残膜回收政策的制定具有科学意义。     

不同磷效率玉米自交系根系形态与根际特征的差异

通过三室根袋栽培试验,对3种磷高效型和3种磷低效型的玉米自交系在2种不同磷水平下的植株生物量、吸磷量、根系形态、根际pH值以及根际磷酸酶进行研究,比较不同磷利用率基因型玉米自交系的根系形态及根际特征的差异。结果表明,在低磷情况下,磷利用率高的玉米自交系其植株生物量中的根干重、植株的吸磷量、根系形态中的根尖数与根长以及根际磷酸酶的活性方面均高于磷利用率低的玉米自交系。植株的根部干重:磷高效的1号品种（hp1）显著高于磷低效的2号品种（lp2）,hp2显著高于lp1、lp2、lp3;hp1、hp2的地上部与根系的吸磷量均显著高于lp2、lp3。hp1、hp2根尖数、根长显著高于磷低效型的lp2、lp3。hp1、hp2、hp3根际土壤的酸性磷酸酶活性显著高于lp2、lp3。其他指标如植株地上部分干重、pH值,磷高效型玉米自交系也存在一定优势。所有品种中hp2与lp3的差异最为显著。     

土壤中的玉米根系生长及其研究应注意的问题

土壤中的根系如何生长？由于根系生长在土壤中无法直接观察和研究,使得对土壤中的根系生长和发育规律、空间分布规律及其对养分的吸收了解很少。已知的关于土壤中根系生长的研究结果与室内控制条件下所获得的短期试验结果有很大不同。本文针对田间条件下生长的玉米根系发育规律、根系的更新和衰老、根长与根重的关系、根鞘形成、根系生长与氮素利用效率以及土壤Nmin与取样方法,特别是在研究土壤中生长的根系时需要注意的问题进行讨论,希望对田间条件下玉米根系的生长发育有更多了解,并对目前国内进行的众多田间条件下的作物根系研究有所借鉴。     

不同耐密性玉米品种的根系生长及其对种植密度的响应

根系形态和分布对土壤中养分和水分的吸收有重要影响。增加耐密性是现代玉米（Zea may L.）育种的主要方向,而耐密性与根系的关系尚了解不多。本文以70年代主推的2个不耐密型品种（中单2号与丹玉13）和2个当代耐密型现代品种（先玉335和郑单958）为材料,将田间试验和室内水培试验相结合,在3个密度水平下,研究了不同耐密性玉米品种的根系差异及其对种植密度的响应。结果表明,目前推广的耐密型品种的根系要小于不耐密的老品种。不同耐密性品种之间的差异主要表现在040 cm。随着密度的增加,根显著变小、变细。密度主要降低020 cm土层中的根系生长,对深层根系影响较小。先玉335和中单2的根系长度对密度的反应较弱,郑单958和丹玉13较强。这说明先玉335主要依靠其小根系适应高密度,而郑单958既依靠较小的根系,同时依靠较高的根系反应性适应高密度。     

微根管法监测膜下滴灌棉花根系生长动态

为了精细监测膜下滴灌条件下棉花(Gossypium hirsutum L.)细根生长形态,于2014年在巴州灌溉试验站开展大田试验,采用微根管法原位监测棉花根系生长,并与传统网格法作对比。分析棉花根系生长动态,构建微根管法测定的形态参数与网格法所测定形态参数的回归模型。结果表明:花期到吐絮期,利用微根管监测10~20 cm处根系生长得到的棉花根长更新速率为1.844 mm/d,期间棉花老根不断死亡和分解。微根管法与网格法测得的根系深度为50 cm,根长密度随着深度增加先增大后减少,根长密度在20~30 cm处最大。两种方法监测得的根长密度具有较好的线性相关,由微根管法测得的剖面根长密度,可通过线性回归方程换算得到实际的体积根长密度。利用微根管法能可靠地监测棉花根系的生长动态变化,今后的研究可进一步加大微根管监测范围和频率,精细监测细根生长全过程,通过构建根系生长模型分析膜下滴灌条件下棉花根系生长时空动态。     

根际通气对盆栽玉米生长与根系活力的影响

针对盆栽作物生长空间有限且通气不良的生长环境问题,为改善根际气体环境,试验设每隔2d通气1次(T1)、每隔4d通气1次(T2)两个通气处理,以不通气(CK)为对照,研究根际通气对盆栽玉米生长及根系活力的影响。结果表明,T1和T2处理均能提高玉米株高、叶面积、叶绿素含量,促进地上部分和地下部分干物质的积累。T1、T2处理有利于提高玉米根冠比和根系活力,拔节期T1和T2处理的根冠比分别是CK的1.27倍、1.18倍,根系活力分别为CK的1.26倍和1.54倍;抽穗期根冠比分别为CK的1.18倍、1.09倍,根系活力分别为CK的1.22倍和1.40倍。同时,通气处理能够促进作物吸收土壤内的养分。研究结果表明,根际通气能够增强盆栽玉米的根系活力,促进植株的生长发育。     

覆膜和灌水量对制种玉米根系分布及产量的影响

为探究制种玉米根系分布及产量对滴灌条件下地膜覆盖和灌溉量的动态响应,该研究于2017年和2018年在中国西北旱区石羊河流域,以制种玉米\     

滴灌与沟灌马铃薯覆膜效应研究

田间对照试验研究薄膜覆盖对滴灌土壤水分分布与消散过程及滴灌和沟灌马铃薯生长的影响结果表明 ,马铃薯生长前期覆膜能明显减少表层土壤蒸发 ,并使表层土壤维持较高的含水量。马铃薯生长中后期蒸腾作用占主导地位 ,覆膜对减少表层土壤蒸发作用较小。气温较高时覆膜对马铃薯生长产生明显抑制作用     

秸秆覆盖对滴灌棉花土壤水盐运移及根系分布的影响

干旱区棉田残膜污染日益严重, 秸秆覆盖能从根本上杜绝农田残膜增量。为探索秸秆覆盖代替塑料薄膜与滴灌结合的可行性, 需了解秸秆覆盖对滴灌棉田土壤水盐分布及棉花根系的影响特点, 同时探索耕作层以下30 cm处埋设一层秸秆进行深层秸秆覆盖与滴灌结合的效果。本文采用测坑试验研究了3种秸秆覆盖方式(表层覆盖、30 cm深层覆盖和无覆盖)与滴灌结合在2种土壤条件下(非盐碱土和盐碱土), 棉花根系分布稳定后的絮期土壤水盐运移及棉花根系分布特征。结果表明: 表层覆盖对于土壤整体保水性较好, 能有效抑制耕层水分散失和盐分聚集; 30 cm深层覆盖整体保水性优于无覆盖, 相对表层覆盖仅在秸秆层以下靠近滴灌带的有限范围内具有优势, 并显著提高耕层以下土壤水分含量, 但在棉花絮期对于盐分抑制作用不明显。秸秆覆盖通过对水盐运动的影响而显著影响棉花根系分布, 尤其对深层根系分布影响更大。非盐碱土条件下, 0~28 cm土层, 无覆盖处理根长密度、根重密度、根长密度比重均最大, 表层覆盖根长密度最小, 但根重比重最大, 30 cm深层覆盖根重密度最小; 在28~70 cm土层, 30 cm深层覆盖根长密度最大, 表层覆盖根长密度最小, 但根长密度比重最大, 无覆盖根长密度比重最小, 其中在28~56 cm土层30 cm深层覆盖根重密度和根重比重均最大。盐碱土条件下, 0~28 cm土层, 表层覆盖与30 cm深层覆盖根长密度和根长比重均高于无覆盖处理, 同时表层覆盖根重密度最高, 30 cm深层覆盖根重密度和根重比重均最低; 在28~70 cm土层情况相反, 30 cm深层覆盖处理根重比重最大, 但根重密度最小。说明表层覆盖可促进非盐碱土及盐碱土耕作层根系发育, 30 cm深层覆盖限制上层根系发育, 但促进30 cm以下土层根系发育, 在盐碱逆境下秸秆覆盖可促进根系向更细更长方面发育。秸秆覆盖与滴灌结合在干旱区具有良好应用前景。     

滴灌水肥一体化条件下覆膜对玉米生长及土壤水肥热的影响

为系统地从玉米生长和土壤水肥热的变化来揭示覆膜的调控效应,于2014、2015年两种基础地力水平上设置覆膜滴灌与无膜滴灌开展田间试验,结果表明:与裸地滴灌比较,覆膜提高了玉米生育前期及快速生长期的叶面积指数,缩短了群体冠层发育时间。覆膜能提高出苗率4.9%～5.2%、有效株占比率5.7%～6.3%、增加籽粒与茎叶氮磷钾积累量3.9%～19.8%。覆膜能提高产量10.8%～14.2%、增加水分利用效率17%～18.4%,并且提高穗位叶光合能力与肥料偏生产力,良好基础地力可增幅覆膜效果。在播种后75 d内,覆膜提高了1 m土层贮水量达3.9%～15.7%,冠层发育完全后土壤贮水量表现为接近或小于裸地。覆膜能降低表土在相等时间间隔内水分消耗的差异,可降低表土水分消耗量在0～60 cm深耗水总量的占比率、并且削弱了湿润土体水分消耗的垂向差异。覆膜降低了灌后1～7d滴灌带处土壤水分消耗量7.59 mm、降低了膜侧处耗水量9.44 mm。覆膜可提高生长进程中0-20 cm土壤有效氮2.13～12.0 mg/kg,增加籽粒与茎叶氮积累量的同时也增大了玉米对20～60 cm土层的氮素吸收量。对收获后20～100 cm残留有效氮及速效磷以不明显影响或降低为主。土壤热增减随水分供应与消耗呈现出交替循环的波动性,覆膜明显增加了生育前期及快速生长期土壤温度,5 cm土层75 d多得到44.92℃的日均地积温,显著表现在土壤得水失热(井灌水和降雨后)至地温回升期,能稳定地温振幅且在土壤冷凉时获得更多的地积温。     

滴灌施氮水平下玉米籽粒灌浆过程模拟

为了揭示水肥一体化条件下不同施氮水平对玉米籽粒灌浆过程的影响,2017～2018年在宁夏农垦平吉堡农场进行田间试验,供试品种为"天赐19",在0、90、180、270、360和450 kg/hm~2 6个施氮水平(分别用N0、N1、N2、N3、N4和N5表示)下,基于Richards方程构建和验证了滴灌水肥一体化条件下不同氮素处理中玉米籽粒灌浆过程模型,并进行灌浆特征参数分析。结果表明,不同氮素水平下玉米籽粒灌浆规律均符合Richards曲线,模型评价指标均方根误差RMSE为1.03 g/kg,标准化均方根误差n-RMSE为5.56%,稳定度较高。籽粒灌浆速率呈先增后减的变化趋势,将灌浆进程划分为渐增期、速增期和缓增期3个阶段。施氮显著增加籽粒干物质累积量,其原因主要是延长灌浆持续期和增加灌浆速率。施氮270 kg/hm~2对增加速增期的灌浆天数效果显著,使速增期对最终籽粒干物质积累量的贡献率达到了64%,并且能维持较高的后期灌浆活性。本文基于Richards方程构建的籽粒灌浆过程模型将在滴灌玉米灌浆期准确地预测籽粒灌浆特性。     

棉花膜下滴灌水氮耦合效应研究

在南疆气候条件下,研究了膜下滴灌棉花水氮耦合效应。结果表明,在膜下滴灌条件下,水氮存在明显的互作效应,水分胁迫极大地抑制肥效发挥,而水分适宜时,不同氮肥处理棉花产量差异显著;氮肥也促进了水分效应的发挥,但是水分是棉花产量的主效应因子。试验中最优水氮组合为每公顷灌水505.mm、氮肥225.kg。高产棉花冠层指标分别为:株高66.9.cm、叶龄15.6个、果枝13.1台、成铃数8.9个。水氮胁迫缩短了棉花生育期,这可能是不同水氮处理棉花产量差异的主要原因。     

Effect of nitrogen rates on drip irrigated maize grown under deficit irrigation

Nitrogen fertilization management under water limited conditions needs to be refined to save environmental ecosystems and increase economic returns. Two-year field studies in a split-plot design were conducted to investigate the response of maize to different nitrogen rates (N₁₀₀ = 100, N₁₃₀ = 130, and N₁₆₀ = 160?kg N ha^?1) under two irrigation levels (100 or 75% of water requirements). Under deficit irrigation, water and N were used more efficiently than normal water supply. N-fertilization of drip irrigated maize grown under deficit irrigation with N₁₆₀ increased the uptake of N, P and K by 35, 29 and 70% compared with N_100. Fertilization of maize grown under deficit irrigation with N₁₆₀ increased the grain, straw and biological yield and water use efficiency by 50, 14, 22 and 33% compared with N₁₀₀. Based on the obtained results, 160?kg of N ha^?1 is the optimum rate of N for maize irrigated by 75% of water requirements.     

Nutrients uptake and water use efficiency of drip irrigated maize under deficit irrigation

Little is known about nutrient uptake during different growth stages of drip irrigated maize under deficit irrigation. A 2-year field study in the semi-arid region of Upper Egypt was carried out in a randomized complete block design with five replications during the summer of 2016 and 2017. Maize plants were irrigated with 100, 80, or 60% of water requirements. Maize growth was negatively affected by the lower water supply. Total uptake of nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) by maize irrigated with I₁₀₀ increased by 21, 25, and 21% compared to that irrigated with I₆₀. I₈₀ reduced the grain and straw yield by 8 and 17% compared to I₁₀₀. Under deficit irrigation water was used efficiently more than full water supply. NPK requirements of drip irrigated maize under deficit irrigation are less than those irrigated by full water supply thus help to sustain the environmental ecosystem and increased the economic returns.     

Stacking集成模型模拟膜下滴灌玉米逐日蒸散量和作物系数

为准确模拟膜下滴灌玉米逐日蒸散量和作物系数,该研究以4个经典机器学习模型：随机森林（Random Forest,RF）、支持向量机（Support Vector Machine,SVM）、BP神经网络（Back Propagation Neural Network,BP）和Adaboost集成学习模型（Adaboost,ADA）为基础,基于Stacking算法建立了集成学习模型（Linear Stacking Model,LSM）对膜下滴灌玉米逐日蒸散量和作物系数进行模拟。并将LSM的模拟精度与RF、SVM、BP和ADA模型的模拟精度相比较,结果表明：1）RF、SVM、BP和ADA模型模拟膜下滴灌玉米的逐日蒸散量和作物系数时的相对均方根误差均大于0.2;2）相比RF、SVM、BP和ADA模型,LSM模型提高了玉米逐日蒸散量和作物系数模拟精度。LSM模拟的膜下滴灌玉米的作物系数相比于FAO推荐值更接近实测值;3）日序数、平均温度、株高、叶面积指数和短波辐射5个特征对玉米膜下滴灌玉米日蒸散量和作物系数影响最高,基于这5个特征建立的LSM模型模拟膜下滴灌玉米的蒸散量和作物系数的R2 分别为0.9和0.89,相对均方根误差分别为0.23和0.16。因此,建议在该研究区使用日序数、平均温度、株高、叶面积指数和短波辐射5个特征参数建立LSM模型模拟膜下滴灌玉米蒸散量和作物系数。该研究可为高效节水条件下作物蒸散量和作物系数的精准模拟和合理制定灌溉制度提供参考。     

覆膜滴灌棉田蒸散量的模拟研究

通过综合考虑影响作物蒸散量的土壤、作物、大气3方面因子,结合新疆滴灌棉田覆膜栽培的生产实际,设计了不同覆盖度和品种试验,以Penman－Montieth方程估算参考作物蒸散量,确定了不同覆盖度及品种条件下的作物系数,并在此基础上实现了覆膜滴灌棉田蒸散量较为准确地估计。试验结果认为覆膜滴灌棉田全生育期蒸散量在540～620 mm之间,全生育期蒸散量和作物系数都随着覆盖度的增加而减小,叶面积指数与日蒸散量及作物系数关系密切,品种间由于品种特性的差异而引起的叶面积指数变化,最终导致了品种间作物系数K_c的不同。     

基于液流计估测蒸腾分析覆膜滴灌玉米节水增产机理

深入了解覆膜滴灌下冠层辐射传输和能量分配情况,确定土壤蒸发和作物蒸腾之间的定量区分关系是合理灌溉和提高水分利用效率的重要研究内容。该研究在东北膜下滴灌地区开展连续2 a田间试验,测定了覆膜（M）和不覆膜（NM）玉米田的冠层辐射、田间土壤蒸发和作物蒸腾、作物生长和产量。结果表明：覆膜使冠层上方净辐射降低7.7%,从而减少了蒸发蒸腾可供能量,冠层下方净辐射降低34.0%,减少了土壤蒸发可供能量,冠层净辐射吸收量增加14.0% 用于作物蒸腾;覆膜能小幅度降低蒸发蒸腾总量3.9%～5.2%,而对其在土壤蒸发和作物蒸腾之间的分配影响显著,覆膜处理土壤蒸发占蒸发蒸腾总量的比例为12.5%～14.5%,而不覆膜处理该比例高达21.7%～25.0%;覆膜处理提高了成熟期玉米株高、地表20 cm高度处茎粗、生物量和最大叶面积,最终使产量提高5.9%～8.8%,水分利用效率提高12.0%～13.1%。综上所述,覆膜通过改变冠层辐射能量分配降低了玉米田蒸发蒸腾总量,提高了玉米产量和水分利用效率。