稻田复种轮作系统能流物流特征研究

稻田复种轮作是循环农业发展的重要措施,能量转化与物质循环是生态系统的基本功能之一,是农田生态系统最主要的研究内容之一。为探明稻田复种轮作这一耕作制度的优势,采用田间定位试验的方法,对稻田生态系统连作处理方式和轮作处理方式的能流与物流特征进行比较分析。研究结果表明:稻田复种轮作系统能提高农田生态系统的能量流动与物质循环。在能量流动方面,稻田轮作处理平均总初级生产力为74.37×1010 J-hm-2,比连作处理高31.35%;轮作系统能量总投入平均为9.42×1010 J-hm-2,比连作处理高4.90%;轮作系统的光能利用率平均为1.55%,比连作处理高31.36%;轮作处理辅助能量产投比平均为7.89,比连作处理高25.04%。在物质循环方面,轮作处理的N、P、K养分利用率明显高于连作处理,各个处理的N、P输出/输入均小于1,说明农田生态系统中N素、P素均有盈余,呈正平衡状态,有利于土壤N素、P素的良性循环;但是系统中K素的输入值小于系统内K素的输出,说明系统内存在严重的K素亏损。因此,在南方稻区,采用稻田复种轮作方式有利于提高系统的能流物流,从而使农田生态系统处于良性循环,对循环农业发展有良好的促进作用。     

冬季作物-双季稻轮作种植模式氮、磷、钾养分循环与产量可持续性特征

研究分析农业生态系统NPK养分循环和产量的可持续性,对实现养分资源优化管理和农业可持续发展具有重要意义。基于长期冬季作物-双季稻轮作种植定位试验,分析了2004—2017年冬闲-双季稻、马铃薯-双季稻、紫云英-双季稻、黑麦草-双季稻、油菜-双季稻等轮作种植模式早、晚稻产量的可持续性与稳定性;采用投入产出法（Input-Output Analysis）分析不同轮作种植模式NPK养分循环与平衡状况。结果表明：1）黑麦草-双季稻模式早稻产量变异系数与可持续性指数分别为0.09和0.81,说明稻田冬种黑麦草有利于促进早稻产量稳定性和可持续性的提高;油菜-双季稻模式晚稻产量变异系数与可持续性指数分别为0.07和0.82,说明稻田冬种油菜有益于晚稻产量稳定性和可持续性的提高;2）长期冬季作物-双季稻轮作种植未影响水稻产量和糙米NPK养分含量（P>0.05）;3）在稻田轮作种植周年内目前的NPK投入水平下,黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻、马铃薯-双季稻等模式均存在严重的K亏缺现象,K亏缺量分别为375.70 kg（K）·hm^-2、279.98 kg（K）·hm^-2、363.71 kg（K）·hm^-2、93.74 kg（K）·hm^-2;黑麦草-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻等模式均在冬季作物种植季存在严重的K亏缺现象,K亏缺量分别为240.07 kg（K）·hm^-2、89.57 kg（K）·hm^-2、140.08 kg（K）·hm^-2,但马铃薯-双季稻模式在马铃薯种植季K盈余为255.21 kg（K）·hm^-2;同时黑麦草-双季稻模式和紫云英-双季稻模式均存在冬季作物种植季存在N亏缺,N亏缺量分别为59.47 kg（N）·hm^-2和89.17 kg（N）·hm^-2;油菜-双季稻模式和马铃薯-双季稻模式在晚稻种植季均存在严重的K亏缺现象,K亏缺量分别为45.93 kg（K）·hm^-2、124.33 kg（K）·hm^-2。冬季作物-双季稻轮作种植模式的养分循环是冬季作物和外部投入的NPK肥料共同驱动的养分循环,建议科学管理冬季作物和3季的NPK养分投入。     

稻田轮作系统的生态学分析

针对目前稻田单一化的连作耕作制度对农田环境造成的不利因素，根据5a田间定位试验，从土壤理化性状、作物产量变化、病虫害发生发展规律、能流及养分平衡状况等角度对稻田连作耕作制度和轮作系统进行生态学分析。结果表明，与连作耕作制度相比较，在试验设计范围内，稻田轮作系统明显改善了土壤的理化性状，使得土壤随着耕种年限增加，容重下降，而孔隙度增加，固相比率下降，气相比率上升，气液比值增大，土壤通透性大大增强，有效阻止土壤次生潜育化和土壤酸化，提高土壤pH值；改变了植株病原菌寄生，增强了植株的抵抗能力，对作物病、虫、草害产生了一定的抑制作用。同时，稻田轮作系统的总初级生产力、光能利用率、辅助能利用率分别比连作系统高17．47％、9．87％和5．0％。N、P、K的养分利用率也同样明显高于连作系统。提出了合理轮作的优化模式和复种模式。     

沼液与有机肥配施对稻田磷、钾素径流损失的影响

研究沼液、有机肥配施对稻田磷、钾损失的影响,拟明确降低稻田磷、钾元素损失的最佳配施措施。以太湖水稻土为研究对象进行盆栽试验,设置了空白对照(CK)、常规化肥(CF),100%沼液氮替代(N1),75%沼液 +25%猪粪有机肥氮替代(N2),50%沼液＋ 50%猪粪有机肥氮替代(N3)和 100%猪粪有机肥氮替代(N4)6个处理,测定施肥后稻田田面水以及径流磷、钾浓度和流失量。结果显示,各施肥处理径流磷损失量大小依次为N4>N3>N1>CF>N2,其中 N4处理最高,达到 P 44.99 kg/hm²,N2处理最低,为 P 3.94 kg/hm²,仅为前者的8.76%;各施肥处理径流钾损失量大小依次为N1>N3>N4>N2>CF,最高为 N1处理的 K 43.48 kg/hm²,最低为 CF的 K 24.78 kg/hm²;各施肥处理产量无显著差异,处于同一水平。综合比较而言,N2处理可在保持一定产量的基础上显著降低径流磷、钾流失的风险,是一种比较适宜的施肥模式。     

华北山前平原农田生态系统氮通量与调控

针对华北太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作农田, 研究农田常规施肥[400 kg(N)·hm^-2·a^-1]条件下作物氮素吸收与损失通量过程, 并根据各氮素输出通量特征开展管理调控。研究结果表明, 全年小麦-玉米轮作农田系统氮输入总量为561~580 kg(N)·hm^-2, 输出量468~494 kg(N)·hm^-2, 两季作物总盈余86~93 kg(N)·hm^-2, 其中有机氮为24~36 kg·hm^-2。氨挥发和NO₃^--N 淋溶损失是该区域农田氮素损失的主要途径, 是氮肥利用率低的重要原因。平均每年因氨挥发而造成的肥料氮损失量为60 kg(N)·hm^-2, NO₃^--N 淋溶损失量为47~84kg(N)·hm^-2, 两者占施肥总量的30%。每年因硝化-反硝化过程造成的肥料损失很小, 仅为5.0~8.7 kg(N)·hm^-2。通过施肥后适时灌水、合理调控灌水时间与用量, 以及利用秸秆还田与肥料混合施用等管理措施可改善氮素的迁移和转化规律, 有效减少氨挥发和NO₃^--N 淋溶损失, 并结合缓/控释肥与精准施肥技术, 充分利用土壤本身矿质氮素, 可有效提高养分利用效率和作物产量, 改善农田生态环境与促进农业持续和谐发展。     

稻虾共作模式氮和磷循环特征及平衡状况

稻虾共作模式是我国长江中下游地区一种新兴的稻田复合种养生态模式,研究稻虾共作系统中氮（N）和磷（P）的循环特征及盈亏状况,对合理调控稻虾共作系统养分循环和平衡,指导系统N和P优化管理具有重要的意义。本文通过田间试验,采用投入产出法,以中稻单作模式作为对照,研究了稻虾共作模式下N和P的循环特征及平衡状况。结果表明：克氏原螯虾子系统N和P的输出/输入比分别为0.62和0.44,且子系统中N和P以饲料输入最大,占总输入的92.9%和96.4%,以成虾N和P输出最大,分别占总输出的53.3%和59.5%;在目前投入水平下,两种模式土壤子系统中N和P表观平衡均出现盈余,且稻虾共作模式土壤子系统N的盈余量高于中稻单作模式,而P的盈余量则低于中稻单作模式;稻虾共作模式和中稻单作模式的N和P输出/输入比均小于1,且稻虾共作模式的N和P输出/输入比均小于中稻单作模式;稻虾共作模式增加了土壤截存的N和P量,其土壤截存的N和P量较中稻单作模式分别提高49.2 kg·hm^-2和9.1 kg·hm^-2;稻虾共作模式提高了系统N和P表观损失量,其系统N和P表观损失量较中稻单作模式分别提高10.2 kg·hm^-2和1.0 kg·hm^-2。可见稻虾共作模式降低了N和P输出/输入比,促进了土壤中N和P的累积,但增加了系统N和P表观损失量。     

吉林省西部玉米氮、磷、钾肥施用效果及养分吸收利用特征

明确吉林省西部生态区玉米作物的氮、磷、钾肥施用效果及养分吸收利用特征,为该地区肥料的合理配置与施用提供依据,对持续推进化肥减量增效及农业绿色发展具有积极意义。基于2015—2019年中央财政测土配方施肥项目在吉林省西部布置的360个玉米“3414”田间试验,研究了不同施肥条件下的玉米产量,对比分析氮、磷、钾肥的增产效应以及不同肥料的农学效率和肥料贡献率。结果表明,吉林省西部生态区玉米氮磷钾配施N2P2K2处理(N、P2O5、K2O施用量分别是209.20、97.80、85.15 kg/hm²)的玉米产量最高,平均产量为9.46 t/hm²,较不施肥处理平均增产50.64%。与各缺素处理相比,增施氮、磷、钾肥平均增产2.21、1.37、1.32 t/hm² ,增幅分别为37.81%、23.65%、22.41%。与不施肥处理比较,缺素处理的玉米产量差异显著,其高低顺序为N2P2K0(8.14 t/hm²)>N2P0K2(8.09 t/hm²)>N0P2K2(7.25 t/hm²),表明吉林省西部玉米的养分限制因子顺序为氮>磷>钾。施用氮、磷、钾肥增加玉米养分吸收量(N 192.5 kg/hm²、P2O5 86.5 kg/hm²、K2O 217.4 kg/hm²)。在吉林省西部生态区,玉米作物的氮、磷、钾肥平均农学效率分别为15.11 kg/kg N、22.28 kg/kg P2O5、19.44 kg/kg K2O,平均利用率分别为39.50%、29.27%、45.71%,平均肥料贡献率分别为23.72%、17.59%、14.97%。吉林省西部生态区玉米施肥的增产效果和肥料利用率较高,但仍应结合当地土壤条件,积极进行培肥改良,并应用减肥增效等相关技术,根植科学施肥理念,以提高肥料利用效率,实现玉米增产和土壤肥力的提高。     

农业生态系统养分循环再利用作物产量增益的地理分异

根据3个地点中长期田间试验联网比较研究发现，保持养分循环再利用可明显减少作物产量的年际波动，使作物具有较好的产量稳定性。农业生态系统养分循环再利用的产量增益与化肥施用和所处气候区的热量因素有关。在无化肥的前提下，保持80％循环率养分循环再利用的平均粮食增产量从北向南分别是：海伦262 kg·hm^-2(14年平均)，沈阳956 kg·hm^-2(12年平均)，桃源3 063 kg·hm^-2(11年平均)；在施用N、P化肥基础上保持养分循环再利用     

氮、磷、钾配施对葛根生长及品质的影响

为探明氮、磷、钾肥配施对葛根生长及品质的影响,为葛根高效栽培提供合理的施肥技术支撑和理论依据,采用L9(34)正交试验设计,研究氮、磷、钾配施对葛根产量和主要功能成分的影响,明确研究区葛根氮、磷、钾的最佳施用量。结果表明,不同施肥方案对葛根产量和功能成分的影响显著,其中以N3P1K2(N 270kg/hm²,P2O5 45 kg/hm²,K2O 90 kg/hm²)处理的产量和总黄酮含量最高,分别为2.13 kg/ 株和83.10 mg/g;N1P3K2(N 90 kg/hm²,P2O5 135 kg/hm²,K2O 90 kg/hm²) 的葛根素含量最高, 为24.85 mg/g,N1P2K3(N 90 kg/hm²,P2O5 90 kg/hm²,K2O 135 kg/hm²)处理的大豆苷和大豆苷元含量均为最高,分别为22.96 和2.55 mg/g。氮、磷、钾肥配施对葛根产量和葛根素含量影响的大小顺序为氮肥> 钾肥> 磷肥。以葛根产量为目标的最佳施肥量为N 270 kg/hm²、P2O5 135 kg/hm²、K2O 90 kg/hm²,以葛根品质提升为目标的最佳施肥量为N 180 kg/hm²、P2O5 135 kg/hm²、K2O 90 kg/hm²。     

氮、磷、钾配施对胡麻产量的影响及推荐施肥量研究

为了揭示氮、磷、钾肥配施对胡麻生长的影响,采用“3414”不完全正交回归设计,研究了3种施肥梯度下胡麻经济性状、产量、增产率、肥料贡献率和产投比等的变化,并进行胡麻产量肥效模型函数拟合。结果表明:低氮、磷、钾和中氮、磷、钾施肥水平有利于提高胡麻经济性状指标;施氮、磷、钾处理下胡麻产量较不施氮、磷、钾肥处理提高了4.95%～24.07%,胡麻产量随着施肥量的增长呈现出先增高后降低的趋势,当氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)分别为75、67.5、72 kg/hm²时胡麻产量最高;钾肥对胡麻产量的贡献大于氮肥和磷肥,高磷具有明显的减产效应;通过肥料效应函数拟合分析,本试验条件下推荐最高施肥量为:N 69.1 kg/hm²,P2O5 51.5 kg/hm²,K2O 63.4 kg/hm²,最佳施肥量为:N 39.6 kg/hm²,P2O5 26.5 kg/hm²,K2O 25.7 kg/hm²。     

土地流转对农户耕地复种指数的影响

探究农户耕地复种指数的制约因素,为落实国家粮食安全战略和促进土地集约化利用提供理论和实证依据。该研究基于2018年湖北农户实地调查数据,采用反事实分析框架,运用倾向得分匹配法(Propensity Score Matching,PSM)和广义倾向得分匹配法(Generalized Propensity Score Matching Method,GPSM)分析土地流转对农户耕地复种指数的影响。结果表明:土地流转对农户耕地复种指数有显著的正向影响,土地流转会显著提升耕地复种指数0.244个单位,水田转入和旱地转入会分别显著提升耕地复种指数0.299和0.204个单位;土地转入面积、水田转入面积和旱地转入面积对农户耕地复种指数的提升存在规模报酬递增效应,即耕地复种指数提高的比例要比流转面积提高的比例更大,且水田转入面积的规模报酬递增效应更明显;从作用机制检验来看,土地流转能够通过每公顷流转费反作用路径和要素集约促进路径提升农户耕地的复种程度,每公顷流转费起到调节作用,要素集约率起到中介作用,中介效应的大小为8.9%。建议健全土地流转市场机制,鼓励农户参与土地流转,因地制宜制定耕作制度,改善农业生产条件,从而提高耕地复种指数。     

保护性耕作小麦--玉米农田生态系统能流特点的研究

通过在黑龙港地区主要土壤类型壤质潮土上连续3年的耕作试验，研究在不同耕作条件下农田生态系统的能流特点与能量分配的合理性。结果表明，与传统耕作制度相比，保护性耕作（免耕）能够明显提高小麦-玉米一年两作农田生态系统的能量转化率，能量投产比间的差异显著（P<0.01）；不同耕作农田生态系统的熵变和自由能绝对值的差异均无统计学意义，但在一定程度上表明免耕增强了农田生态系统的有序性，从而提高了系统的相对生产力。     

Using different versions of the Rothamsted Carbon model to simulate soil carbon in long-term experimental plots subjected to paddy–upland rotation in Japan

We validated the Rothamsted Carbon (RothC) model against 14 experimental plots subjected to different paddy–upland rotation patterns, including continuous paddy rice cropping and different periods (short, medium, and long term) of upland conversion, in Akita prefecture, northern Japan. We ran the model using the original version of the RothC model, the paddy-soil version of the RothC model (which uses a reduced carbon decomposition rate), and alternating the use of the original and the paddy-soil versions for years with summer upland cropping and paddy rice cropping, respectively. The best simulation pattern was provided by the alternate use of the two versions. In comparison with the original RothC model, alternate use of the two versions showed a smaller root mean square error in all experimental plots and a smaller absolute value of the mean difference in 10 plots with continuous paddy rice cropping and short- and medium-term upland conversion. Alternate use of the two versions had a lower root mean square error and lower absolute value of the mean difference in long-term upland conversion plots compared to the values for the paddy-soil version and showed better performance than the paddy-soil version when straw was applied. The model performance from alternating use of the two versions compared well with the performance reported in previous studies. Alternating the use of the two model versions provides a good technique for simulating changes in soil organic carbon with time, even with a paddy–upland rotation pattern. In addition, this technique will enable a more accurate inventory of Japanese greenhouse gases and help land managers better manage soil fertility in a paddy–upland rotation system.     

Effect of tillage,cropping, and mulching pattern on crop yield,soil C and N accumulation,and carbon footprint in a desert oasis farmland

The desert oasis is one of the major grain production areas in arid land, and many intensive farming practices have been adopted to improve the land utilization in the agriculture system. However, there remains little consensus on how to improve such farming practices for increasing both productivity and environment benefits in this system. A 4-year experiment was conducted in a typical desert oasis farmland to determine the effects of the farming practices on crop yield, soil carbon (C) and nitrogen (N) accumulation, and carbon footprint (CF). The farming practices included two tillage patterns: conventional (CT) and reduced tillage (RT), two cropping patterns: continuous (Con) and rotation cropping (Rot), and two mulching pattern: film (F) and straw mulching (S) with eight combined treatments. The RT did not significant decrease crop yield but increase soil C and N accumulation rate by 59% and 130%, and thus decrease CF for crop production compared with the CT. S can also improve soil C and N accumulation, and cause low CF for crop production, but leading to 14–41% decrease in maize yield compared with F. Rot result in a 14% increase on maize yield also has extra benefit to decrease CF for crop production, but no significant effect on soil C and N accumulation compared with Con. Our study adds a reasonable perspective on how to improve the conventional farming systems in desert oasis, the information about RT, straw mulching, and maize–soybean rotation have positive effect on improving soil quality and decreasing CF for crop production in this desert soil area is critical to develop the sustainable agriculture system in this desert oasis farmland, which both maintaining crop productivity and minimizing negative environmental impacts.     

基于多时相遥感信息的中国农业种植制度空间格局研究

多熟种植是中国重要的种植制度,对保持和增加粮食产量和促进农村经济发展有重要意义。复种指数受自然条件和农村社会状况的影响处于不断变化之中,及时获取其变化信息对估计粮食产量变化及其原因和农业发展科学决策有非常重要的意义。中国地域辽阔,作物种植制度复杂多样,传统的统计方法不能及时满足政府获取种植制度变化的要求。卫星遥感是探测大尺度土地覆被格局及变化最有效手段,因此可以作为获取区域和全国尺度作物复种指数的一个重要途径。该研究探讨了应用多时相遥感数据定量表达全国种植制度信息提取的方法及可行性,采用峰值特征点检测法结合作物生长季相特征及农田管理特点(播种和收获)提取了中国农田的多熟种植信息,并与统计数据的复种指数进行比较验证,为进一步进行农业种植制度变化研究奠定了基础。     

水稻-番茄轮作植物寄生线虫及微生物群落结构差异

土壤线虫和微生物群落结构与作物健康密切相关。采用田间试验，利用传统分类和高通量测序技术，研究了水稻–番茄轮作(FS)、番茄连作(FF)和休耕(CK)3种种植制度土壤线虫及微生物群落结构差异。结果表明，水旱轮作土壤中线虫种类少，自由生活线虫占比高。土壤中植物寄生线虫属的检出率，轮作最少，仅有5个，连作最多，共13个，且大部分为常见属；水旱轮作同时能降低土壤中植物寄生线虫的种类，包括主要危害番茄的根结线虫属，占比仅2.1%，而连作为29.7%。不同种植制度下真菌和细菌类群OUTs和群落结构差异明显；与连作相比，轮作和休耕真菌、细菌种群丰富度更高，共享占比更多，群落构成更相近；水旱轮作Alpha多样性指数显著高于连作；轮作土壤中植物寄生线虫拮抗微生物类群Chaetomium,Talaromyces,Anaerolineaceae和Acidobacteria相对丰度高于连作。水稻–番茄轮作能大幅减少植物寄生线虫种类，增加微生物群落多样性，改善土壤质量，是番茄生产中防控线虫病害的理想措施。     

Italian ryegrass–rice rotation system for biomass production and cadmium removal from contaminated paddy fields

Purpose

Growing energy plants in Cd-contaminated soil to produce bioenergy feedstock and remove excess Cd in the soil is a promising approach to the production of sustainable bioenergy feedstock and safe food. Rice, an important staple food for human beings, is a major source of Cd intake in human beings. Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam) is a potential bioenergy plant with high biomass productivity and high biofuel conversion efficiency.

Materials and methods

An Italian ryegrass and rice crop rotation system would be beneficial for the harvest of bioenergy and phytoremediation. An Italian ryegrass–rice rotation system was established in a moderately Cd-contaminated paddy field. The yield of biomass, amount of Cd removal, and transfer factors for three cropping systems (winter fallow, non-cutting, and cutting) were evaluated over 3 consecutive years of field experiments.

Results and discussion

The total biomass production of the Italian ryegrass–rice rotation system was significantly higher than that of the traditional cropping system. Biomass growth was further promoted by cutting during March. No significant differences were found in yield or Cd concentration of brown rice among the different cropping systems. Total Cd accumulation in rice and Italian ryegrass straw in the rotation cropping system was significantly higher than that in the winter fallow cropping system. Cd was mainly accumulated in the roots, and the ability of Italian ryegrass to transport Cd to the leaves was higher than that of rice.

Conclusions

The Italian ryegrass–rice rotation system is a potential cropping system for Cd-contaminated paddy fields. The average annual yield of biomass was 1656.6 kg km^?2, and the average annual amount of Cd removal was more than 9.8 g Cd km^?2.

     

黄土高原区草粮（油）翻耕轮作的土壤水分及作物产量效应

为了评价苜蓿翻耕后进行不同轮作模式的水分适应性和经济效益,提出黄土高原区生态效益和经济效应较好的草田轮作模式。该文测定了6a生苜蓿草地翻耕后轮作农田和休闲地的土壤水分及作物产量,并进行经济效益分析。结果表明,不同草田轮作模式的土壤水分恢复作用存在差异。苜蓿地轮作第2年收获后,以苜蓿-休闲-休闲模式土壤水分状况最好,0～300cm土层土壤水分已接近连作农田水平,且100～340cm土层土壤水分较耕前出现了恢复现象;而苜蓿-冬小麦-冬小麦模式最差,土壤水分恢复层出现在120～320cm土层;6a生苜蓿地翻耕后经过2a轮作,0～500cm土层土壤水分仍未达到连作农田水平。轮作2a冬油菜平均籽粒产量和平均籽粒水分利用效率较连作冬油菜分别增加了34.9%、44.4%(P<0.05),轮作2a冬小麦平均籽粒产量和平均籽粒水分利用效率较连作冬小麦分别提高了45.0%、42.9%(P<0.05);效益分析表明,轮作2a冬小麦的平均产投比是连作2a冬小麦的近1.5倍,是轮作2a冬油菜的2.5倍,是连作2a冬油菜的3.4倍,6a生苜蓿地翻耕后轮作冬小麦比轮作冬油菜具有更高经济效益。该研究结果为黄土高原苜蓿草地可持续利用,建立稳定的旱地农业生态系统提供了理论依据。