禾豆间作氮素高效利用机理及农艺调控途径研究进展

为保障粮食安全,农业生产中化肥使用极为普遍,但过量使用,往往引起地下水污染、温室效应加剧、生物多样性降低等多种环境和生态问题。禾豆间作系统由于不同作物生物学特性和氮素利用存在差异,进行合理调控可充分发挥生物固氮优点,从而减少化肥投入,提高生产效益,是一种稳产、高产、高效可持续的种植体系。该系统中"氮转移"、"氮阻遏"消减和氮素时空分异是目前研究的热点,也是促进豆科作物固氮、减少化肥投入的有效途径,可实现禾、豆两种作物对氮素的高效利用。特别是该系统中作物品种、施氮制度、空间布局以及种植密度等农艺措施是对种间关系进行调控的必要手段,合理优化可有效促进禾/豆间作竞争与互补协同作用,增强氮素协调利用,从而挖掘两种作物对氮素高效利用的生物学潜力。为此,本文基于前人研究成果和农业可持续发展观点,重点综述了国内外有关禾豆间作氮素高效利用主要机理及相关农艺调控途径的研究现状,旨在为构建简易、高产、高效、氮肥节约型禾豆间作模式提供有力的科学依据和理论支撑。     

小麦间作玉米农田耗水特性及产量变化对根系分隔的响应

通过田间试验,研究了小麦间作玉米塑料薄膜隔根(PW//C)、尼龙网隔根(NW//C)、不隔根(W//C)及单作玉米(C)和单作小麦(W)对土壤水分、棵间蒸发和水分利用效率的影响。结果表明,根系分隔显著影响作物的耗水特性,从而显著影响作物产量及水分利用效率的提高。小麦收获前,W//C、NW//C和PW//C处理玉米带土壤水分含量均高于小麦带,分别提高2.38%、3.82%和6.13%;小麦收获后,NW//C和PW//C处理玉米带土壤水分含量却均低于小麦带,分别降低5.41%和16.07%,而W//C处理玉米带和小麦带间水分差异不显著。根系分隔显著增大了间作模式的作物棵间蒸发量,NW//C和PW//C较W//C处理分别显著提高6.71%和20.13%。以单作小麦、单作玉米加权平均为对照,W//C、NW//C和PW//C处理分别显著提高经济产量33.60%、26.93%和24.69%,增大耗水量-0.2%、1.02%和6.69%,显著提高水分利用效率34.93%、26.67%和17.80%。W//C处理较NW//C和PW//C处理分别提高经济产量5.25%和7.14%,降低耗水量1.21%和6.64%,提高水分利用效率6.52%和14.54%。     

丸粒化处理对胡麻种子萌发和幼苗生长的影响研究

采用二因素裂区设计,以保水剂和活性炭、硅藻土、凹凸棒为填充剂的包衣材料制作丸粒化胡麻种子,研究了丸粒化处理对胡麻种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明:与不加保水剂相比,保水剂质量与种子质量为1∶1时,丸粒种子的活力指数和出苗率显著提高20.11%、18.62%;随着保水剂含量的增加,幼苗的根冠比显著减小3.25%。包衣剂中以活性炭:凹凸棒=1∶1为填充剂的发芽率和出苗率比不加填充剂的明显提高6.79%、22.41%,幼苗生长最健壮。与未丸粒化的种子相比,当保水剂质量与种子质量为1∶1时,以活性炭:凹凸棒=1∶1为填充剂的丸粒种子发芽指数、活力指数和出苗率显著提高,而且幼苗的茎粗、叶面积和根冠比分别显著增加11.02%、27.35%、28.07%。可见,适量的保水剂(保水剂质量与种子质量为1∶1)和以活性炭、凹凸棒为填充剂的包衣剂能提高胡麻种子活力,增加出苗率,使幼苗的干物质重增大,根系发达,根冠比提高,为胡麻高产奠定了良好的基础。     

行距比例及密度对绿洲灌区玉米水分利用效率的互作效应

探究是否可以将行距比例和种植密度集成于同一作物生产系统中来提高作物产量,增加水分利用效率。以玉米五谷568为研究材料,于2017—2018年进行大田试验,设7∶3(L_1,宽行56 cm∶窄行24 cm),6∶4 (L_2,宽行48 cm∶窄行32 cm),5∶5(L_3,等行距40 cm) 3个行距比例水平,82 500株/hm~2(D_1)、90 000株/hm~2(D_2)、97 500株/hm~2(D_3)、105 000株/hm~2(D_4)、112 500株/hm~2(D_5) 5个种植密度,探讨不同行距比例及密度处理对玉米的耗水特征、产量及水分利用效率的影响。结果表明,L1行距比例可有效降低玉米耗水量,但会增加棵间蒸发,对E/ET影响不显著,其中2017年L_1较L_3能有效降低耗水量11.9%,2018年无显著差异;此外与传统行距比例相比,L_1行距比例具有增产优势,玉米增产5.2%～10.5%,提高水分利用效率6.5%～8.7%。密度间比较,D_3密度较传统密度D_1能有效降低耗水量、棵间蒸发量以及E/ET,对玉米增产及水分利用效率的提高有促进作用;其中D_3密度较传统密度D_1耗水量降低13.3%,2018年差异不显著;棵间蒸发量减小7.1%～7.2%;E/ET减小6.8%～19.2%;玉米增产7.5%～17.1%;水分利用效率提高23.9%～46.2%。2年L_1D_3较传统处理L_3D_1耗水量降低12.8%～30.6%;棵间蒸发量降低8.5%～10.4%;E/ET降低7.3%～7.5%;玉米产量增加7.7%～25.5%;水分利用效率提高36.0%～41.2%。因此,在河西绿洲灌区,7∶3(L_1,宽行56 cm∶窄行24 cm)行距比例结合97 500株/hm~2(D_3)种植密度可有效增加玉米产量,提高玉米水分利用效率。     

有机无机肥配施对胡麻的耗水特性和干物质积累与分配的影响

为了探讨提高胡麻产量的合理施肥措施,以不施肥(T1)和施化肥(T2)为对照,比较了施用胡麻油渣(T3)、农家肥(T4)、化肥与胡麻油渣配施(T5)以及化肥与农家肥配施(T6)不同肥料对"张亚2号"胡麻耗水特性和干物质积累与分配的影响。结果表明,与T1和T2处理相比,T5和T6处理在现蕾至盛花期和盛花至成熟期的耗水量显著提高,100—140cm土层土壤贮水消耗量显著增加,其中T5处理在120—140cm土层土壤贮水消耗量较T1和T2处理分别显著增加30.50%和30.04%。说明有机无机肥配施有利于提高土壤水分的利用,尤其是土壤深层贮水的利用,以满足胡麻现蕾后的水分需求。T5和T6处理现蕾至盛花期和盛花至成熟期干物质积累量显著高于其他处理,开花后和成熟期每株干物质积累量分别高达132.65~146.22mg和377.42~402.49mg。T5处理的籽粒产量与T6处理无显著差异,但均显著高于T1和T2处理。水分利用效率以T5处理的最高,显著高于T1和T2处理38.90%和10.01%。因此,化肥和胡麻油渣配施是本试验条件下胡麻最佳的施肥方式。     

金昌市农户玉米施肥现状调查评估

为了解金昌市农户玉米施肥情况,2015年7月通过问卷调查与田间实地观测相结合的方式,在金昌市金川区及永昌县进行了玉米生产及养分资源投入现状的调查与分析。结果表明:金昌市的玉米种植面积占总调查耕地面积的64.17%,玉米平均产量为(14 762.87±1 649.17)kg/hm~2。玉米生产中N与P_2O_5施用量的变化范围分别为265.5～1 101.0 kg/hm~2和60.0～668.3 kg/hm~2,平均施用量分别为(510.3±178.2)、(235.1±114.5)kg/hm~2。N、P_2O_5及总养分的偏生产力平均值分别为(33.50±19.18)、(77.55±43.77)、(19.93±7.95)kg/kg。说明金昌市农户在玉米生产肥料施用中存在的主要问题是养分投入配置不合理及肥料利用率偏低。     

前茬小麦秸秆处理方式对河西走廊地膜覆盖玉米农田土壤水热特性的影响

【目的】农田土壤水热特性是决定作物生长发育和资源利用效率的关键因素,研究前茬处理方式对后茬农田土壤水热特性的影响,为试区高效麦玉轮作模式耕作措施的优化提供依据。【方法】在甘肃河西绿洲灌区,通过田间试验,研究前茬小麦秸秆不同处理方式和耕作措施（25 cm高茬收割立茬免耕-NTSS,25 cm高茬等量秸秆覆盖免耕-NTS,25 cm高茬等量秸秆翻压-TIS和传统低茬收割翻耕-CT）对后茬地膜覆盖栽培玉米农田土壤水热特性的影响。【结果】与CT相比,NTSS、NTS可提高后茬地膜覆盖玉米农田0-110 cm土层播种至苗期、拔节至大喇叭口期、吐丝至开花期的平均土壤含水量,分别高5.0%-7.8%、4.4%-5.4%和4.8%-7.1%,NTSS与NTS间的平均土壤含水量差异不显著;灌浆期内,NTS的土壤含水量比CT高4.7%,但NTSS与CT差异不显著,NTS具有保持后茬地膜覆盖玉米全生育期良好土壤水分含量的优势。NTSS、NTS减小了后茬地膜覆盖玉米吐丝期之前的耗水量,增大了吐丝期之后的耗水量,有效协调玉米生育前期与后期需水矛盾,以NTS的效果更突出。NTSS、NTS可有效改善后茬地膜覆盖玉米农田表层0-25 cm土壤的热量条件,NTS调控效应更强,2010年,NTS 8:00时的平均土壤温度比CT高0.76℃;2个试验年度内,NTS 14:00和18:00时的平均土壤温度比CT分别低3.67-3.87℃和1.19-1.30℃,说明前茬小麦秸秆免耕覆盖在昼夜低温期具有保温效应,而高温时具有降温作用。NTSS、NTS降低了后茬地膜覆盖玉米农田土壤积温,其中NTS处理玉米播种至拔节期、拔节至吐丝期、吐丝至灌浆末期的土壤积温比CT分别低67.1-76.2℃、29.3-50.5℃和46.7-75.3℃,降幅大于NTSS。从玉米不同生育时期平均大气-土壤温差可知,NTS在低温季有保持土壤温度的作用,在高温季节有相对降温的作用,是减少气温变化对玉米生长发育过度影响的重要机制。与CT相比,NTSS、NTS、TIS提高了后茬地膜覆盖玉米的籽粒产量,增产幅度为11.3%-17.5%,其中NTS两年籽粒产量最高,分别达到13 470和13 274 kg·hm^-2,较TIS高5.6%-9.0%。【结论】前茬小麦秸秆免耕覆盖（NTS）是绿洲灌区地膜覆盖玉米适宜的前茬处理措施。     

氮肥后移对绿洲灌区玉米干物质积累和产量构成的调控效应

【目的】针对绿洲灌区传统施氮技术下,全膜覆盖玉米生育后期土壤氮肥供应不足、早衰和减产等问题,探讨氮肥后移对玉米干物质积累和产量构成的影响,以期为优化试区氮肥管理提供理论依据。【方法】2012—2015年,于河西绿洲灌区进行大田试验,在总施氮量相同且基肥和大喇叭口期追肥分别占总施氮量20%和40%条件下,设3个施氮处理:氮肥后移20%(拔节肥10%+花粒肥30%,M1)、氮肥后移10%(拔节肥20%+花粒肥20%,M2)和传统施氮(拔节肥30%+花粒肥10%,M3),研究不同氮肥追施制度对玉米干物质积累动态和产量构成的调控效应。【结果】氮肥后移增大了玉米干物质最大增长速率和干物质平均增长速率,提前了干物质最大增长速度出现的天数。在氮肥后移20%施氮制度下,玉米干物质最大增长速率和干物质平均增长速率分别较传统施氮处理提高15.6%和6.6%,玉米干物质最大增长速率出现的天数较传统施氮提前2.9 d。施氮制度对玉米生物产量、籽粒产量、收获指数、有效穗数、穗粒数和千粒重均有显著影响。氮肥后移20%施氮制度下,玉米生物产量较传统施氮处理高6.6%,但氮肥后移10%处理生物产量与传统施氮处理差异不显著;氮肥后移20%和10%处理玉米的籽粒产量分别较传统施氮处理提高14.1%和5.1%;氮肥后移20%施氮处理收获指数较传统施氮处理高7.5%,但氮肥后移10%施氮处理与传统施氮处理差异不显著;氮肥后移20%施氮处理下,玉米有效穗数、穗粒数和千粒重分别较传统施氮处理高8.9%、12.9%、5.8%,但氮肥后移10%处理的千粒重与传统施氮处理差异不显著。通径分析表明,氮肥后移主要通过提高有效穗数,进一步提高穗粒数和千粒重,从而提高产量。说明氮肥后移20%施氮处理通过优化玉米有效穗数、穗粒数和千粒重对产量产生了调控作用。【结论】在河西绿洲灌区,总施氮量450 kg·hm~(-2)时,玉米拔节期追肥45 kg·hm~(-2)、大喇叭口期追肥180 kg·hm~(-2)、花后10 d追肥135 kg·hm~(-2)为该区获得玉米高产的理想施氮制度。     

不同种植密度对施氮条件下玉米灌浆期叶片光合特性的影响

明确不同种植密度对施氮条件下玉米灌浆期叶片光合特征的影响,对通过种植密度调控玉米个体光合作用与群体产量关系,实现玉米稳产丰产具有理论和实践指导意义。在甘肃河西走廊,通过3 a田间试验,以施氮360 kg/hm²(N360)和不施氮(N0)为主区,玉米种植密度75 000株/hm²(D1)、87 000株/hm²(D2)和99 000株/hm²(D3)为副区,研究施氮条件下玉米灌浆期叶片光合特征对不同种植密度的响应。结果表明,试区玉米灌浆期光合有效辐射和大气温度最大值出现在14:00,最小值出现在6:00,而空气相对湿度最大值出现在6:00,最小值出现在14:00。施氮能够显著增加玉米灌浆期叶片净光合速率(P_{n)、叶片蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs),N360较N0在8:00-18:00的Pn平均增加19.5%~41.7%、Tr平均增加27.4%~44.1%、Gs平均增加27.4%~44.1%,但叶片胞间CO2浓度（Ci）显著降低;随着种植密度的增大,玉米灌浆期8:00―18:00的Pn、Tr、Gs呈降低趋势;N360D2与N360D1玉米灌浆期Pn差异不显著,显著大于其他处理。施氮水平和种植密度对玉米灌浆期8:00―16:00的叶片水分利用效率均无显著影响。N360较N0同时增加玉米籽粒产量和生物产量,但使玉米收获指数降低3.5%~5.3%;在N0中D2玉米籽粒产量大于D1和D3,而在N360中D2玉米籽粒产量与D3无显著差异,均显著大于D1;N360D2与N360D1的玉米籽粒产量无显著差异,均大于其他处理。总之,在施氮360 kg/hm²条件下,种植密度从75 000株/hm²增加到87 000株/hm²,能够使玉米灌浆期叶片光合速率保持在较高水平,提高收获指数,促进生物产量向籽粒产量的转化效率,获得最大籽粒产量。}