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.     

滴头流量对棉花根系分布影响的试验

土壤湿润区与作物根系分布之间的关系是确定滴灌湿润比的理论依据,而土壤湿润区形状直接受滴头流量的控制,因此,滴头流量与作物根系分布之间的关系是确定滴灌技术参数的依据。该文以桶栽试验为基础,设置5个滴头流量处理（0.5、1、1.5、2、2.5 L/h）观测了棉花5个生育阶段（苗期、蕾期、花期、铃期、吐絮期）的根系结构和根系分布。试验结果表明,小滴头流量下棉花根系分布范围窄而深,根系结构紧凑;而大滴头流量下棉花根系分布范围宽而浅,根系结构稀松。棉花根长密度随土层深度先增大后减小,并且随着滴头流量由小变大,土层内根长集中点向浅层上移。水平方向上,棉花根长密度由根轴向两边逐渐减小,而且根轴处的根长占总根长比率随滴头流量的增大而变小。试验结果为滴灌技术设计中选定土壤湿润比和滴头流量提供参考。     

玉米根系剖面分布对水分亏缺的响应

在水分亏缺和正常供水(土壤含水量分别维持在田间持水量的40%～45%和75%～80%)两种水分条件下,采用土柱实验方法,研究了玉米杂交种户单四号(F1)及其父本803(♂)、母本天四(♀)根系剖面分布对水分亏缺的响应.结果表明:水分亏缺除了对父本的总根重无显著影响之外,使杂交种和母本的总根重以及3个品种的总根长和根系总表面积均显著下降.在剖面分布上,水分亏缺显著降低了杂交种和母本在表层土层中的根重和根表面积.使杂交种在表层和中层土层中的根长以及亲本在深层土层中的根长显著下降.可见,玉米杂交种响应中度干旱胁迫的形态学变化是减少上层干土中的根系生长,而增加深层土层中根系的相对生长,即其深层根系分布占总根系的比重较亲本高,这种根系剖面分布的优化导致杂交种较高的生物量积累和水分利用效率.     

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。     

宁夏覆膜滴灌玉米根系生物量模型构建与优选

为精准估测宁夏引黄灌区覆盖全生物降解膜滴灌玉米地下部根系生物量、提高玉米氮素积累量,以“宁吉198”和“天赐19”为试验材料,采用根系扫描仪获取玉米根系高清图像,运用根系图像处理系统处理不同施氮量下玉米根系指标,分析玉米根系生物量分布状况,利用根径(D)和根长(H)构建根生物量(W)动态模型,根据决定系数R2、平均绝对误差(MAE)、估算值标准误差(SEE)和平均误差(ME)综合评价与优选。研究结果表明,2个品种玉米根系的生物量均集中在0～30 cm土层;采用非线性回归模型拟合结果发现,组合变量(D2H)作为自变量能显著提高2个品种玉米根系生物量的估算精度,决定系数分别达0.94和0.86;残差分析结果发现模型存在异方差性,利用对数转换法消除异方差后,以组合变量(D2H)所构建的幂函数模型为最优模型,且2个品种“宁吉198”和“天赐19”的决定系数最大,分别为0.97和0.96,为消除不同品种间的误差,将2020年2个品种的数据进行拟合,所获得的根系生物量最优模型为:W=3.52(D2H)0.69,R2达0.89。模型验证结果根系生物量估计值和实测值决定系数达0.92,MAE、SEE和ME分别为0.11、0.13和-0.09 kg。说明该模型能较好地模拟宁夏覆膜滴灌玉米根系形态指标和生物量分配动态,可作为估测作物根系生物量的参考依据。     

基于遗传算法的人工神经网络模型在冬小麦根系吸水模型中的应用

基于土壤水分与冠部数据,应用遗传算法优化人工神经网络模型的权值,将获得的冬小麦根长密度分布应用于根系吸水模型中,并进行了水分数值模拟,水分模拟效果整体较好,表明应用该方法可以为根系吸水模型提供准确的根系参数,并且较为方便,这对于根系吸水模型的建立及应用有着重要的意义。     

基于不同水肥组合的春玉米相对根长密度分布模型

根系分布是模拟作物生长与土壤水分和养分运移,以及制定合理的灌溉制度和作物管理不可缺少的参数之一。现有的根系分布模型大多是于单一灌水和施肥条件下建立的,因此研究不同水肥组合下滴灌玉米的根系分布模型更具有实际意义。利用2a的田间小区试验,以春玉米"强盛51号"为试验材料,设置4个灌水水平,2015年和2016年分别为I_(60)(60%ET_c)、I_(75)(75%ET_c)、I_(90)(90%ET_c)、I_(105)(105%ET_c)和I_(60)(60%ET_c)、I_(80)(80%ET_c)、I_(100)(100%ET_c)、I_(120)(120%ET_c),ET_c为玉米需水量;4个N-P_2O_5-K_2O kg/hm~2施肥水平:F60(60-30-30)、F120(120-60-60)、F180(180-90-90)和F240(240-120-120),共16个处理。在春玉米灌浆期对根长密度(root length density,RLD)进行了测定,建立了不同水肥供应条件下相对根长密度(NRLD,normalized root length density)分布模型。结果表明:春玉米NRLD与土壤剖面相对深度呈现显著的三阶多项式函数关系,且三次项参数(R0)与灌水量和施肥量呈现二元二次多项式函数关系,决定系数(R~2)为0.84;验证结果显示,I_(60)、I_(75)、I_(90)和I_(105)灌水水平下NRLD模拟值与实测值均方根误差(RMSE)分别为0.20、0.16、0.16和0.17,标准化均方根误差(n-RMSE)分别为32%、27%、14%和17%,且R~2达0.95以上;基于NRLD分布模型估算各相对深度RLD分布比例,估算结果表明地表至相对根系扎深1/3处根长占总根长比例平均达73.6%,地表至相对根系扎深1/2处根长占总根长比例平均达82.8%。该模型对于指导大田春玉米灌溉施肥管理具有重要的理论意义。     

覆膜年限及灌水方法对河套灌区农膜残留的影响

为阐明内蒙古河套灌区农膜残留现状及覆膜年限、灌水方法对农膜残留的影响,该文采用查阅资料、问卷调研及田间取样等相结合的方法,分析了内蒙古河套灌区及典型研究区地膜覆盖现状,并在典型研究区考虑了覆膜年限(覆膜2、5、10、20 a)、灌水方法(膜下滴灌和地面灌溉覆膜)和作物种类(玉米和葵花)3个因子,探索其对农膜残留强度、破碎率、残膜分布及残膜碎片大小的影响。结果表明:内蒙古河套灌区2005—2014年地膜使用量和覆膜面积均呈跨越式增长,分别增长了125.81%和147.62%;而典型研究区更是增长了240%和265.81%,然而单位面积覆膜量却下降了8.82%和7.08%。不同覆膜年限和灌水方法显著影响农膜残留强度和破碎率(P0.05),其中覆膜5、10、20 a后的残留强度平均比覆膜2 a分别增长了80.14%、163.70%、273.64%,破碎率平均比覆膜2 a分别增长了20.97%、38.14%、60.20%;膜下滴灌与地面灌溉覆膜相比残留强度平均提高了42.92%,破碎率平均提高了20.01%。农膜残留主要集中在土壤0~10 cm土层内,占64.89%;典型研究区面积为0~4和4~20 cm2的残膜分别占残膜总片数的31.06%和27.81%,且随着覆膜年限增加,下层残膜片数占总残膜片数的比例逐渐增加,其中覆膜20 a农田与覆膜2 a农田相比0~10 cm土层残膜占总残膜片数由71.47%降低为54.61%,10~20 cm土层由23.37%升高为32.24%,而不同灌水方式对残膜在土壤中的分布影响不大。随着覆膜年限的增加土壤中不同面积残膜比例差异越显著且小面积残膜比例增加,覆膜2~20 a后,面积为20 cm2以下的残膜数量分别是面积为20 cm2以上的1.43~1.59倍(P0.05)。研究结果可为农膜残留防治提供参考。     

玉米生长后期的根系分布研究

为了研究玉米生长后期根系的生长发育规律,利用中国气象局固城农业气象试验站大型根剖面系统,采用微根管观测系统及方形整段标本法和地下根系室玻璃窗,对‘屯玉46号’玉米根系的生长状况进行了试验研究。结果表明:垂直方向上,方形整段标本法和微根管法测得的根长密度占整层总根长密度比例的变化趋势一致,相关系数分别为0.987和0.717,且两种方法在0~20 cm土层的根长密度比例均为最大。0~60 cm土层为玉米根系生长活跃区,方形整段标本法测得根长密度生长量为其余层的4倍。两种方法测得的根长密度无显著差异,相关系数为0.830,均匀性水平较好。玉米成熟期根系的水平幅度较乳熟期窄,下层根系仍处于生长中,垂直深度增加。玻璃窗与方形整段标本法观测的根深测定结果存在差异,这可能与观测环境条件不一致有关。     

夏播玉米根系分布与含氮量对氮肥类型与施氮量的响应

连续两年施用不同氮肥和用量,考察了夏玉米（郑单958）根系在不同土层的分布与含氮量,分析其与产量、地上部氮素累积量的相关性。结果表明:1）施氮抑制夏玉米生育前期根系生长与下扎,抑制作用表现为:复合肥＞包膜尿素＞尿素;施氮使吐丝期0—25与50—80 cm土层根量增大,25—50 cm土层根量减少;总根量表现出:尿素＞复合肥＞包膜尿素,且差异显著。2）施氮显著提高夏玉米9叶展开期0—25 cm土层与吐丝期25—80 cm土层根系含氮量;氮肥类型影响根系含氮量,且差异显著。3）吐丝期25—80 cm土层根系含氮量与产量呈显著正相关（P＜0.05),与地上部氮素累积量呈极显著正相关（P＜0.01﹚;在25—50 cm,根系鲜重密度、体积密度和干重密度与产量及氮素累积量表现为负相关,在其他土层表现为正相关。其中,0—80 cm土层根系干重密度与产量呈显著正相关（P＜0.05),0—25 cm土层根系鲜重密度与产量、0—80 cm土层根系鲜重密度与氮素累积量呈明显正相关（P＜0.1）。可见,玉米根系分布与含氮量明显受到氮肥类型与施氮量的影响,施氮主要通过提高表土层根系鲜重、根系总鲜重与总干重及中下层根系含氮量实现夏玉米增产增效目的。     

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\     

内蒙古河套灌区农田土壤中微塑料的赋存特征

为阐明内蒙古河套灌区农田土壤中微塑料的赋存特征及其与覆膜年限、灌溉类型等的响应关系,该文采用田间取样与室内试验相结合的方法进行了系统研究,分析了研究区地膜覆膜现状,并考虑覆膜年限(覆膜5、10、20 a)及灌水方式(滴灌和畦灌)2个因子,探索了河套灌区农田土壤中微塑料的丰度、类型、颜色、粒径等赋存特征,并通过扫描电镜、能谱仪等对微塑料表面特征及表面附着物进行观察与分析。结果表明:内蒙古河套灌区不同覆膜年限下(5、10、20 a)土壤中微塑料平均丰度分别为2526.00、4352.80、6070.00个/kg,单层土的微塑料含量最大值(2133.50 ind/kg)出现在覆膜20 a的0~10 cm土层,最小值(678.00个/kg)出现在覆膜5 a的>20~30 cm土层;不同覆膜年限和灌溉类型影响土壤微塑料丰度,滴灌农田微塑料丰度值略大于畦灌农田,在不同土层深度上微塑料丰度值随土层深度增加逐渐减小;微塑料类型主要有纤维类(23.34%)、碎片类(26.31%)、薄膜类(38.57%)和颗粒类(11.78%)等4种,且薄膜类在不同土层占比都较高,微塑料颜色包括黑色、透明、绿色、红色、蓝色等,比例分别为24.56%、23.83%、19.34%、16.52%和15.75%,其中0~10 cm土层中微塑料以黑色为主,占比30.25%,在>10~20、>20~30 cm土层中微塑料以透明为主,占比30.15%和29.23%,粒径则随覆膜年限增加而呈逐渐减少趋势,粒径小于1 mm的微塑料居多,随着覆膜年限的增加,微塑料粒径在0~10、>10~20、>20~30 cm土层间的差异逐渐减小,且粒径大小与灌溉类型无显著关系(P>0.05);微塑料样品表面特征粗糙,呈现不规则孔隙,纤维类、薄膜类和碎片类微塑料均具有较多规则微小孔隙,而颗粒类微塑料表面孔隙则不规则且呈凹凸状,土壤中微塑料的多孔特性造成微塑料比表面积增大,进而增加对土壤中其他污染物和微生物的吸附;微塑料的表面孔隙附着有机体和污染物,表面存在稳定的铁氧化物、稀土元素等,并容易形成有机-无机复合污染效应。研究对于明晰微塑料在河套灌区土壤中的分布现状及危害具有重要意义。     

河套灌区玉米和向日葵ET的S-I估算模型关键参数分析

农田作物蒸散的快速评估对于灌区水资源最优调配和灌溉实时管理至关重要。简化S-I模型综合考虑作物冠层温度、田间气象参数和作物特征参数,可以进行实时农田作物ET的精确估算。该文利用河套灌区解放闸灌域2015—2016年2 a田间试验观测资料,对主要农作物玉米和向日葵的S-I模型中2个特征参数分别进行了率定和验证,并分析了模型蒸散估算的相关影响因素。结果表明:1)利用S-I简化模型可以对玉米和向日葵田间进行作物日蒸散量(daily evapotranspiration,ET_d)的估算,在该地区以13:00时率定和验证结果最优。在玉米主要生育期(6—8月),利用S-I模型估算ET_d可以达到较高的精度;而在7—8月,采用模型估算向日葵地ET_d也可以达到很高的精度;2)S-I模型中特征参数值受风速、地表覆盖度、表面粗糙度等因素的影响,不同作物其值不同。13:00时玉米S-I模型中特征参数值皆为负值,而向日葵中特征参数值为1正1负,进而影响模型估算精度。叶面积指数变化对特征参数值大小的影响在玉米和向日葵田块呈相反的趋势,而风速的影响则为一致。推荐13:00时率定的参数值可以在河套灌区玉米和向日葵作物需水量估算时直接应用。     

超高产夏玉米根系时空分布特性

比较不同产量水平夏玉米品种根系时空分布的差异,探讨超高产夏玉米品种的根系时空分布特性,为制定高产栽培管理措施提供依据。以超高产夏玉米品种登海661（DH661）为试材,普通品种郑单958（ZD958）为对照,在大田条件下采用土壤剖面取样方法研究了超高产夏玉米DH661与ZD958根系时空分布的差异。在整个生育时期,超高产夏玉米DH661根系干重、根系TTC还原强度、根系TTC还原总量、根系总吸收面积及活跃吸收面积均显著高于ZD958（P0.05）,且抽雄后DH661根系干重、吸收面积及活跃吸收面积在60200 cm土壤深层中所占比例显著高于ZD958（P0.05）,表明DH661的根系在土壤深层分布多,与土壤接触的有效面积大,生育后期仍保持较高的根系活力,对养分的吸收转运能力强。超高产夏玉米DH661具有发达的根系,且土壤深层根系数量多,根系活力高,有利于吸收深层土壤中较多的水分和养分。与土壤接触的有效面积大,对养分吸收转运能力强,有利于根系获得较多的营养物质,促进地上部光合性能的提高,为地上部籽粒的充实提供保障。     

内蒙古河套灌区荒地水盐运移规律模拟

该文以内蒙古河套灌区为背景展开荒地水盐运移规律研究。在田间试验基础上,分析荒地土壤水盐的运移机理,利用HYDRUS-1D模型对荒地土壤水盐的迁移规律进行了模拟。荒地做为灌区盐分的贮存地,成为灌区水盐平衡的重要调节因素,荒地水盐动态研究对于干旱灌区具有重要意义。结果表明,强蒸发是荒地水盐运移的原动力,5 cm土层EC值上升了66.10%,20 cm土层EC值上升了63.89%。荒地在作物生育期是积盐的过程,在秋浇期是流失盐分的过程。经检验,HYDRUS－1D模型对盐渍化地区荒地水盐在垂直方向运移的模拟具有较高的精度,为区域水盐管理和灌区的可持续发展提供科学依据。     

河套灌区乌拉特灌域春季土壤盐碱化空间分布特征

盐碱化状况是干旱区灌区水盐合理调控及水土资源合理利用的基础。为掌握内蒙古河套灌区下游乌拉特灌域春季耕地土壤盐碱化状况的空间分布,通过野外调查采样和实验室检测,对0~20 cm和20~40 cm土层中的全盐量（Total Salt,TS）、pH值、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K++Na+含量、交换性Na+含量、阳离子交换量（Cation Exchange Capacity,CEC）、碱化度（Exchangeable Sodium Percentage,ESP）等反映土壤盐碱化特征的指标进行了测定和计算,采用经典统计学、地统计学和多指标综合评价方法对土壤盐碱化指标的空间分布特征进行分析。结果表明：1）0～20 cm土层中的TS含量更大一些,可溶性盐分离子主要以HCO3-、SO42-、Cl-、Na+为主。HCO3-、CEC、交换性Na+和ESP的变异系数在10%～100%之间,属于中等变异,其中交换性Na+和ESP的变异系数接近100%;TS、Cl-、SO42-和Na+的变异系数均大于100%,属于强变异。2）土壤pH、TS和ESP的空间分布规律基本一致,在东西方向上,各指标西部低,东部高;在南北方向上,中间低,南、北两侧高。土壤pH值基本在7.5～8.5之间,从TS空间分布来看,灌域内有32%的土壤存在盐渍化问题,且以轻度盐渍化土为主,约占26%;从ESP分布来看,有97%的土壤存在碱化问题,其中轻度碱化土约占40%,中度碱化土和碱土均约占23%。因此灌域内土壤碱化问题比盐化问题更为突出。3）通过因子分析得出TS、Cl-、Na+、交换性Na+、ESP和CEC是乌拉特灌域土壤盐碱化程度的主要影响因子,公因子综合得分值在-0.78~3.38之间,公因子综合得分能排除指标间个体差异,比较客观地评价土壤盐碱化整体水平。     

杆齿式残膜回收机卸膜过程分析及高速摄像试验

为解决残膜回收中卸膜不可靠、卸膜率低的问题,基于MB(Majumdar-Bhushan)接触分形理论,分析杆齿式残膜回收机卸膜工作过程中拾膜杆齿和卸膜刮板间的接触载荷与形变量的关系及其动力学影响因素。运用ANSYS软件对拾膜杆齿和卸膜刮板的接触过程进行仿真分析,并通过高速摄像试验追踪了拾膜杆齿末端的运动轨迹,测量卸膜过程中拾膜杆齿与卸膜刮板前端的最大形变量。结果表明,当拾膜机构转速为36 r/min时,拾膜杆齿和卸膜刮板前端的最大形变量分别为15.741、49.733 mm;当机具行进速度为0.85 m/s且机具行进速度与拾膜杆齿轴线速度比为1.5时,机具有较高生产效率,能保证可靠卸膜。该研究结果可为拾膜、卸膜机构的运动参数优化提供参考。     

覆黑地膜对旱作玉米根区土壤温湿度和光合特性的影响

明确雨养旱地地膜覆盖春玉米高产与水分高效利用的土壤环境条件,及其对玉米光合特性的作用,对延缓玉米衰老、提高玉米光合能力和促进玉米增产具有重要意义。以陕单609为材料,2012和2013年开展黑色地膜覆盖、白色地膜覆盖和裸地栽培试验,研究黑色地膜对玉米根区土壤水温环境、玉米叶片光合特性、产量和水分利用效率的影响。结果表明,黑色地膜较普通白色地膜和裸地栽培,能显著改善玉米根区土壤温湿条件,提高玉米叶片光合能力。黑色地膜覆盖下,玉米叶片衰老时间明显推迟,衰老速度显著下降,成熟期叶片叶绿素含量较普通白色地膜提高11.7%(P0.05),较裸地提高45.5%(P0.05)。与普通白色地膜和裸地栽培相比,黑色地膜覆盖提高了吐丝后玉米叶片光合速率、蒸腾速率、叶片水分利用效率、PSII电子传递速率、量子产量(灌浆期除外)和光化学猝灭系数。黑色地膜覆盖下玉米千粒质量、产量和水分利用效率显著增加,千粒质量较普通白色地膜和裸地栽培分别增加5.0%和14.9%(P0.05);产量分别提高10.4%和22.1%(P0.05);水分利用效率分别提高10.4%和25.3%(P0.05)。在雨养旱作地区,玉米采用黑色地膜覆盖具有延缓后期叶片衰老和促进增产的效果。