基于无人机热红外图像的核桃园土壤水分预测模型建立与应用

为了解北方核桃园区的土壤水分状况,实现优化水资源配置的目的。该文于2016和2017年采用固定式热红外成像仪(A310 f)连续观测得到核桃主要生长季节午后(13:00和14:00)的冠层温度,并同步观测温度、湿度、辐射、风速、降雨量和0~80 cm不同土层深度的土壤体积含水量。并于2017年8月11日利用无人机热成像系统(TC640)对连续灌溉区域和干旱胁迫区域进行了图像采集。结果表明,40~60 cm土层深度可能是核桃树主要吸收水分的区域。冠层温度普遍高于空气温度,其变化范围在0~5℃之间,冠气温差与土壤含水量呈负相关,与太阳辐射呈正向关系,其中,土壤含水量的贡献值达到了75%。利用2017年13:00时的冠层与空气温差数据来建立的土壤水分预测模型,R2=0.64;同时,利用14:00时的实测数据对所建立模型进行验证,R2=0.61,表明该模型具有一定的拟合精度。最后,将模型用于诊断核桃区域水分状况,证明了其具有较好的实际应用效果。该研究首次将固定式热成像设备与无人机热成像系统相结合来研究树木的冠层温度,并成功实现了从理论模型到实际应用,从单株水平到区域尺度的转换。     

基于无人机热红外与数码影像的玉米冠层温度监测

快速、准确、无损地获取田间玉米冠层温度,对实现无人机辅助玉米抗旱性状的监测具有重要的意义。该文以无人机搭载热红外成像仪和RGB高清数码相机构成低空遥感数据获取系统,以不同性状的拔节期玉米为研究对象,采集试验区的无人机影像。利用含有已知三维坐标的几何控制板,进行数码影像几何校正,并利用校正后的数码影像对热红外影像进行几何配准。利用便携式手持测温仪测量辐射定标板黑白面的温度,对热红外影像进行辐射定标。利用高空间分辨率的数码影像对玉米进行分类并二值化处理,基于二值化结果提取热红外影像的玉米冠层像元,并提取试验区不同性状玉米的冠层温度。同时,利用便携式手持测温仪在地面同步测量玉米冠层温度,并与提取的冠层温度经行一致性分析,以验证评估基于热红外影像提取玉米冠层温度的效果。结果表明:提取的冠层温度值与地面实测值具有高度一致性(R2=0.723 6,RMSE=0.60℃),提取精度较高,表明基于无人机热红外影像获取玉米冠层温度的方法具有高通量的优势且精度较高。最后将试验区的植被覆盖度与提取的冠层温度进行对比分析,结果表明:玉米冠层温度与其覆盖度有显著的相关性(R2=0.534 5,P0.000 1),覆盖度越高冠层温度越低,反之则越高,说明玉米冠层覆盖度的大小影响玉米冠层温度的高低。该研究可为玉米育种材料的田间冠层温度监测提供参考。     

无人机飞行高度对植被覆盖度和植被指数估算结果的影响

将无人机与多种成像传感设备相结合可实现田间作物表型信息的全面获取。针对田间复杂环境下无人机搭载多种成像传感设备在不同飞行高度处提取的作物信息具有差异性的问题,本研究着重探究了无人机搭载两种成像传感设备获取图像时,不同飞行高度对估算植被覆盖度以及植被指数结果的影响。首先为防止外界环境变化对获取图像质量造成干扰,通过最近邻插值算法将无人机飞行高度为25 m处获取的两个多光谱和可见光图像数据集分别退化为十个不同地面分辨率的模糊图像数据集,以模拟无人机在不同飞行高度中获取的作物图像。然后获取50m高度处的无人机图像数据集通过皮尔逊相关性分析验证模拟数据集的有效性。最后采用随机森林模型估算不同数据集中的植被覆盖度,分类精度大于91%。结果发现,当植被覆盖度小于二分之一时,随着地面分辨率的降低该指标不断被低估,反之则被高估。飞行高度50 m的真实图像与模拟图像估算植被覆盖度结果的相关系数r为0.992 8,两者具有强相关性,模拟图像估算得到的植被覆盖度变化具备参考意义。植被指数估算结果中,首先对无人机图像数据集进行辐射校正、阈值分割等图像预处理,然后根据公式计算得到植被指数,最后通过假设性检验对十个图像数据集计算得出的植被指数进行分析。结果发现,可见光植被指数在飞行高度61 m时具备显著性差异,多光谱植被指数在十个高度下均没有显著性差异,因此为保证无人机获取数据的准确性与完整性,建议当无人机搭载本文的两种相机获取作物信息时建议飞行高度不高于61 m。本研究为研究者利用无人机搭载多传感设备获取作物信息设定合适的飞行高度、减小作业成本提供参考。     

植保无人机喷施雾滴沉积特性的荧光示踪分析

航空施药雾滴沉积特性的准确检测对施药参数选择和施药质量优化至关重要。该研究以3WQF-80-10型植保无人机为试验对象,选取典型飞行工况,通过水敏纸和基于荧光示踪的航空施药沉积检测系统同步获取展向雾滴沉积覆盖率,研究对比了该机型在典型飞行工况条件下的雾滴沉积离散性和连续性分布,评估基于荧光示踪的沉积检测系统对雾滴沉积检测效果与适用性。试验结果表明:荧光示踪法与水敏纸法所得雾滴沉积率分布曲线整体趋于一致,2种方法的检测结果相关性拟合优度(R2)为0.88~0.96;由于植保无人机旋翼下洗风场胁迫细小雾滴沉降至非水敏纸布样位置,致使荧光示踪法测得的平均雾滴覆盖率曲线出现更多峰值,覆盖率值高于水敏纸法测量结果。植保无人机飞行速度为2 m/s,飞行高度为3 m的作业条件下,与水敏纸离散布样方式相比,荧光示踪连续布样方式测得雾滴覆盖率提高16.92%,当飞行速度为4 m/s,飞行高度为9 m时,后者较前者提高97.77%。植保无人机作业工况对施药雾滴沉积覆盖率影响方面,飞行速度2 m/s,飞行高度3 m的工况下,雾滴沉积覆盖率最高,为8.34%和7.14%;随着植保无人机飞行高度和速度增加,雾滴沉积覆盖率降低。针对植保无人机下洗风场作用下施药雾滴沉积质量检测,与离散布样方式相比,连续性样品采集可获取更丰富的雾滴空间沉积分布细节。该研究可为无人机低空低量施药雾滴沉积检测和无人机下洗风场对雾滴沉积分布影响研究提供方法参考。     

光照与阴影对无人机热红外遥感监测土壤含水率的影响

为探究作物冠层受阳光直射或阴影遮挡对无人机热红外遥感诊断作物水分胁迫、监测土壤含水率的影响，该研究以不同灌溉处理的夏玉米为研究对象，将热红外图像划分为光照冠层、阴影冠层、光照土壤、阴影土壤4个部分，分别提取光照温度与阴影温度后计算了11:00、13:00、15:00的冠气温差（冠层温度与大气温度之差，ΔT）、作物水分胁迫指数（crop water stress index，CWSI）、蒸发比（潜热通量与有效能量的比值，evaporative fraction，EF），并对比了3种指数在不同时刻使用光照温度（ΔT_L、CWSI_L、EF_L）与阴影温度（ΔT_S、CWSI_S、EF_S）后对土壤含水率的监测效果变化情况。结果表明：1）3种指数的监测效果会随时间发生变化，11:00与15:00时EF监测效果较好，13:00时CWSI监测效果较好，ΔT的监测效果较差但随时间波动最小；2）拔节期在区分光照温度与阴影温度后监测效果在11:00时提升幅度最大，EF、EF_S、EF_L的R²分别为0.54、0.65、0.78，CWSI、CWSI_S、CWSI_L的R²分别为0.47、0.64、0.70，抽雄期与灌浆期使用光照温度对监测效果提升不大，但使用阴影温度的指数监测效果有明显降低，在13:00时CWSI_S较CWSI有最大降幅，R²降幅分别为0.11、0.06；3）在拔节期与抽雄期使用11:00的EF_L，在灌浆期使用13:00的CWSI能取得最好的土壤含水率监测效果，预测土壤含水率的R²分别为0.75、0.75、0.89。该研究可以为无人机热红外监测土壤含水率提供参考。     

植保无人机飞行参数对油茶授粉雾滴分布及坐果率的影响

为了探究植保无人机授粉喷施时对油茶坐果率的影响,该文采用大疆T20型无人机开展授粉试验研究。通过设置植保无人机不同飞行高度和飞行速度,比较分析各试验组的雾滴分布情况,探究植保无人机飞行参数对油茶授粉雾滴分布的影响,以及雾滴分布对油茶坐果率的影响。结果表明：油茶树冠层对于植保无人机喷施的雾滴有较强的阻碍作用;植保无人机授粉喷施的雾滴沉积量随着飞行速度的增加而逐渐减少;随着植保无人机飞行高度增加,雾滴沉积量呈现先升后降的趋势;当飞行速度为3m/s、飞行高度为2.5m时,植保无人机授粉效果最好,油茶树上层平均坐果率达到42.67%,油茶树下层平均坐果率为36.00%;油茶坐果率与雾滴沉积量之间呈正相关,斜率K为25.267,修正后的R²为0.806。该研究结果可为植保无人机开展油茶林授粉喷施作业提供重要的数据支撑,为提高油茶产量提供理论依据。     

基于空间质量平衡法的植保无人机施药雾滴沉积分布特性测试

为了探究飞行方式、飞行参数及侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和旋翼下旋气流场分布的影响,该文基于无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法,测定了3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机在不同飞行方式(前进、倒退)、飞行高度和侧风速条件下的喷雾雾滴空间不同部位的沉积率和下旋气流风速。结果表明:对于该型无人机,在飞行高度(3.0±0.1)m、速度(5.0±0.2)m/s、1.2 m/s侧风速条件下,机头朝前与机尾朝前2种飞行方式对雾滴分布有显著影响,机尾朝前的飞行方式底部沉积比例可达60%,作业效果更佳;在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3)m/s速度和0.8 m/s侧风速条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴沉积率变异系数与高度呈现线性负相关,线性回归方程决定系数为0.9178,即高度越高雾滴分布均匀性越好;在(3.0±0.1)m高度和(5.0±0.3)m/s速度条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴加权平均沉积率与侧风风速呈线性正相关,线性回归方程决定系数为0.9684,即侧风速越大雾滴越集中分布在下风向处;飞行方式、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度,减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。研究结果可以为植保无人机设计定型、田间喷雾作业参数确定和作业条件的选择提供理论参考。     

大型喷灌机变量灌溉技术研究进展

变量灌溉具有借助变量灌水方法、定位方法和控制系统在田块内改变灌水深度,应对特定的土壤、作物和其他条件的能力,是解决大型喷灌机较大单机控制面积内土壤、作物空间变异问题,提高灌溉水利用效率,充分挖掘整个田块作物生产潜力的水分管理方法。由于变量灌溉技术研究起步较晚,中国的研究刚处于起步阶段,尚缺乏成熟的变量灌溉管理理论与技术。该文在系统总结国内外研究成果的基础上,从变量灌溉内涵、大型喷灌机变量灌溉系统构建、变量灌溉管理分区、决策支持系统以及变量灌溉效益5个方面分析了大型喷灌机变量灌溉技术研究进展。结果表明,目前关于大型喷灌机变量灌溉系统组成方法的理论研究相对比较成熟,其主要由变量供水装置、定位系统、控制系统三部分组成,大型喷灌机变量灌溉系统软硬件开发尚存在较大的发展空间。基于作物生长指标的变量灌溉动态处方图、将变量灌溉技术与非充分灌溉原理相结合的水分管理决策方法,以及利用变量灌溉施肥系统进行喷灌水肥一体化研究,代表着集约化农田大型喷灌机水肥精准管理的重要发展方向。该文可为提高大型喷灌机水分管理水平,实现精准灌溉提供参考。     

旋翼式无人机授粉作业冠层风场分布规律

为提高杂交水稻机械化种植效率,扩大父母本种植行宽比,采用旋翼式无人机进行辅助授粉作业。旋翼风场是由无人机旋翼旋转推动空气进行流动作用在作物冠层而形成。风场的覆盖宽度、风场内各方向风速的大小以及风场的分布规律将会直接影响到农用无人机田间作业的效果。该文结合无人机的飞行参数使用风速参数采集系统获取18旋翼无人机的授粉作业风速,其中对于矩阵数据(100×60)的行数据和列数据的意义进行了充分的讨论,总结了行、列数据的特点并结合试验实际情况对数据进行处理。发现3向风速数据的时序变化规律保持有一致性,X向风速在最大值时刻之前其平均值要大于Y向与Z向风速;X向、Y向风速值时序曲线之间的形状特征差异小于X向与Z向或者Y向与Z向之间的形状特征差异。而从3向风速值的空间变化分布情况也可看出无人机飞行轨迹与传感器行阵列交汇点处(9#~11#)所采集风速平均值最大,考虑到测量误差值,随着采样点距离飞行轨迹越远,采样点对应风速值衰减越多。综合二维风场数据可知3向风场宽度对比结果为Y向X向Z向。在此基础上,采用高斯法拟合等方式对行数据及列数据进行计算,通过对比各统计项的参数,拟合列数据建立风速数据与时间关系的5阶指数函数模型;拟合行数据作为风速数据与采样点分布距离关系的6阶指数函数模型。利用矩阵变换基于行、列数据模型最终建立水稻冠层处无人机旋翼X向二维风场理想模型,且由模型图中可发现无人机沿冠层飞行时旋翼X向风场的分布形状存在"陡壁"效应,即无人机旋翼下风速达到最大值,前向风速增大率要明显高于后向减小率,整个风场"陡壁"沿无人机飞行方向左右对称。研究将为无人机辅助授粉通过改变风场实现新的作业方法提供参考。     

深层坑渗灌条件下葡萄果浆成熟期冠层温度的试验研究

在深层坑渗灌为基础的大田试验条件下,研究了极端干旱气候区成龄葡萄果浆成熟期不同水分处理条件下冠层温度的变化规律。主要得到如下结论:从气象学理论的角度阐明了冠层温度与大气温度之间的关系,分析了不同水分处理下冠层温度和大气温差日变化过程的原因;建立了以能量守恒定律为基础的冠层温度模拟模型;大气温度与冠层温度的变化趋势基本一致,二者存在很好的线性关系;建立了以灌溉定额为参数的冠层温度与大气温度的拟合模型并进行了分析;确定了吐鲁番鄯善地区葡萄果浆成熟期最优灌水量为160.428 m3亩-1。     

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。     

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。     

覆盖与灌溉条件下农田耕层土壤养分含量的动态变化

试验于2002-2003年在中国科学院地理所禹城综合试验站进行，研究了秸秆覆盖和灌溉相结合条件下冬小麦-夏玉米一年两熟农田耕层土壤有机质及速效养分含量的动态变化．结果表明：秸秆覆盖对提高土壤有机质含量有重要作用。不覆盖农田中，灌溉可降低有机质含量。而覆盖农田中，这种降低作用不显著。在冬小麦生育期间，灌溉可使碱解氮的含量下降．覆盖处理下降的程度更大。秸秆覆蓝可明显提高速效磷的含量，灌溉可使其含量进一步增加。秸秆覆盖可明显提高耕层内速效钾的含量，夏玉米生育期间．灌溉处理速效钾含量升高。     

环渤海低平原农田多水源高效利用机理和技术研究

淡水资源严重匮乏是影响环渤海低平原粮食生产可持续发展的重要限制因素。本文针对该区粮食生产中水分利用效率低、提升潜力巨大,同时该区浅层微咸水资源和降水资源较丰富的现状,以中国科学院南皮生态农业试验站最近3年试验研究结果为基础,综述了在挖掘咸水利用潜力、提高雨水和灌溉水利用效率方面研究工作进展。针对冬小麦夏玉米一年两作种植,研究结果显示品种间产量和水分利用效率(WUE)差异显著,最高和最低品种差异达20%左右,通过选用节水高产品种可显著提升产量和WUE;冬小麦通过拔节期灌溉关键水,在促进地上部生物量积累同时,显著促进地下根系生长,使冬小麦充分利用土壤储水,实现限水灌溉下稳产高效;夏玉米通过缩小行距增大株距的缩行匀播,可提升夏玉米苗期单株作物根系所占土壤体积空间,增加水分养分对作物的有效性,提高夏玉米成苗率和苗期所截获辐射量,比常规种植产量提高10%左右;冬小麦在拔节期利用含盐量不大于4 g×L~(-1)的浅层微咸水替代淡水灌溉,产量与淡水灌溉相同;浅层微咸水替代淡水灌溉并配套土壤有机质提升技术和利用夏季降水淋盐,可实现微咸水灌溉下周年土壤盐分平衡。通过上述措施实施,实现以咸补淡、以淡调盐、多水源互补高效利用,在不影响作物产量条件下可节约深层淡水资源,促进区域灌溉农业可持续发展。     

华北高产粮区基于种植制度调整和水氮优化的节水效应

冬小麦/夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物主要的种植方式。冬小麦生育期降水少,春季灌溉是保证其高产的必要措施。基于上述问题,在华北平原高产粮区设置田间试验,研究了调整种植制度和水氮优化等措施下的节水效应。结果表明,将一年两熟的冬小麦套种夏玉米调整为冬小麦直播夏玉米,并结合水氮优化等措施,能降低作物耗水15%,提高灌溉水利用效率52%～54%,而产量并没有下降;而将一年两熟调整为两年三熟和一年一熟,尽管能降低作物耗水24%～31%,且能提高灌溉水利用效率58%～172%,但产量却下降16%～27%。综上所述,该区将现行的一年两熟制中的套种调整为直播,并加以水氮优化等措施,是目前较为适宜的种植方式。考虑到该区水资源严重短缺的现实,两年三熟制可能是未来的种植趋势,但需要挖掘其产量潜力。     

不同矿化度微咸水灌溉冬小麦对下季作物产量和周年土壤盐分平衡的影响

冬小麦夏玉米一年两熟是环渤海低平原主要粮食作物种植模式,该区淡水资源匮乏,但浅层微咸水相对丰富,在降水较少的冬小麦生长季,适当利用微咸水代替淡水灌溉对维持冬小麦稳产高产有重要作用。冬小麦季实施微咸水灌溉后土壤盐分累积如何影响下季作物夏玉米生长以及对土壤周年盐分平衡影响,是微咸水能否长期安全利用的关键。为探究上述问题,于2015—2019年连续4年在环渤海低平原中国科学院南皮生态农业试验站进行冬小麦季不同矿化度微咸水灌溉定点试验,共设置含盐量为1 g·L~(-1)淡水(F)、3 g·L~(-1)微咸水(S3)、4 g·L~(-1)微咸水(S4)、5 g·L~(-1)微咸水(S5) 4个梯度,在拔节期灌水1次,灌水量均为70 mm;另以生育期不灌水作为对照(旱作, CK)。结果表明,不同矿化度微咸水灌溉处理间冬小麦产量没有显著差异,但平均比CK显著增产31.6%。同时,冬小麦生长季微咸水灌溉均增加了收获时1 m以上土层的含盐量,并随灌溉水含盐量增加而增加;对1 m以下土层含盐量影响不明显。夏玉米播种时灌溉70 mm淡水不仅解决了土壤墒情不足问题,并可使0～20 cm土层盐分控制在1 g·kg~(-1)以下,保证夏玉米出苗和群体建立,对夏玉米产量没有显著影响。经过夏季降雨的淋洗, S3、S4和S5处理0～40cm土层含盐量降低幅度超过30%,深层土壤含盐量变化不明显,1m以上土层可以实现周年盐分平衡。本研究表明冬小麦-夏玉米一年两季种植,冬小麦耐盐能力较强的特征使其生育期可以通过不大于5g·L~(-1)的微咸水灌溉维持稳产,在保证夏玉米出苗水进行灌溉的条件下,夏玉米季通过雨季降水淋盐维持0～1m主要根层土壤不发生明显积盐过程,可实现长期微咸水灌溉下土壤和作物安全。     

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。     

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。     

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。     

华北平原冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素环境承受力分析

通过田间试验研究了华北地区冬小麦/夏玉米轮作体系对氮素的环境承受力。结果表明,冬小麦和夏玉米达到最高产量时的施氮量分别是112和180.kg/hm2。氮肥利用率和农学利用率随施氮量的增加而降低,生理利用率表现出抛物线的趋势。在农户习惯施氮条件下,冬小麦和夏玉米的氮肥利用率分别是10%和6%,每千克氮肥分别增产2和3千克。灌水和集中降雨是引起土壤硝态氮明显下移的主要因素。氮素平衡计算的结果表明,低施氮量时,氮素盈余以残留Nmin为主,高量施氮则以表观损失为主。将收获后090.cm土壤中的硝态氮的量控制到150kg/hm2,可以在兼顾环境的前提下获得较高的产量;此时冬小麦季的施氮量是122.kg/hm2,产量(干物重)达到最高产量4331.kg/hm2;夏玉米季的施氮量是145.kg/hm2,产量(干物重)是7965.kg/hm2,达到最高产量的97%。