全球不同气候区小麦产量构成要素对生殖期增温的响应

【目的】全球气候变暖对小麦生长发育有重要影响,尤其是小麦生殖期增温。然而,全球不同气候区小麦产量及其构成要素对其生殖期增温的响应还未系统量化。因此,急需明确全球范围不同气候区小麦生长发育对其生殖期增温的响应特征和一般规律。【方法】收集并筛选出全球范围内,涉及小麦生殖期增温对其产量构成要素影响的文献61篇,运用整合分析(Meta-analysis)量化生殖期增温0~5℃和大于5℃的极端高温对不同气候区小麦产量及构成要素的影响程度,阐明小麦生殖期内昼夜不同时段增温对小麦产量的影响规律。【结果】生殖期增温0~5℃对小麦产量及其构成要素均呈显著负效应,其中小麦产量减少了11.7%,千粒重、穗粒数和穗数分别减少7.4%、5.0%和3.5%。不同气候区小麦产量降幅对其生殖期增温(0~5℃和5~10℃)的响应不同,具体表现为亚热带季风区(15.2%和38.8%)>温带海洋性气候和温带大陆性气候(14.9%和30.6%)>地中海气候(10.6%和15.6%)>温带季风气候(9.3%和10.2%);小麦千粒重降幅为温带大陆性气候(24.7%和21.1%)和温带季风气候(10.5%和28.0%)>温带海洋性气候(9.7%和15.0%);尤其在生殖期增温5~10℃,亚热带季风和温带季风气候的小麦产量各构成要素降幅比0~5℃更大。另外,小麦生殖期夜间增温导致小麦产量的降低(14.7%)大于白天增温(11.3%)。【结论】全球不同气候区小麦生殖期增温造成小麦减产主要是由于千粒重和穗粒数的显著减少,而且小麦生殖期夜间增温对小麦产量的负效应大于白天增温。本文研究结果可为未来小麦育种提供新视角,也可为应对气候变化、维持或提高小麦产量提供科学依据。     

长期施肥对中国农田土壤溶解性有机碳氮含量影响的整合分析

【目的】施肥是影响农田土壤溶解性有机碳、氮的重要因子。探讨在不同利用方式、熟制、土壤pH等条件下长期施肥对土壤溶解性有机碳(DOC)、溶解性有机氮(DON)含量的影响,为农田土壤碳氮管理提供指导。【方法】收集2000—2019年已发表文献72篇,获得相对独立数据(510组DOC和208组DON),采用整合分析(Meta-analysis)方法定量分析不同利用方式、熟制和土壤pH下施肥对DOC和DON含量的影响。【结果】与不施肥相比,施肥均能显著提高土壤DOC和DON含量,其中施有机肥(单施或配施)的提高幅度(60%和93%)是化肥(13%和29%)的4.6倍和3.2倍。不同利用方式下,施肥能显著提高旱地土壤DOC和DON含量,且旱地施用有机肥提升土壤DOC和DON的幅度显著高于水旱轮作。不同熟制比较,一年一熟下施用有机肥后DOC含量提高85%,显著高于一年两熟(38%);不同pH土壤比较,碱性土壤(pH>7.5)上施用有机肥后DOC和DON含量分别提高了85%和162%,显著高于6.5相似文献   

引入水稻“移栽时间效应”和光敏感性算法改进ORYZA模型并验证

  【目的】  水稻生长模型是实现水稻管理自动化的重要工具。现有水稻模型未充分体现水稻生长的“移栽时间效应”,模型参数较多,使用较复杂。基于这些问题改进和完善水稻生长模型,以提高模型的准确性和实用性。  【方法】  在ORYZA与RCSODS模型的基础上,结合已有水稻生育期时间节点计算方法及其对干物质积累与分配的影响权重,在模型中增加移栽时间效应和水稻动态消光系数方程。利用2003—2012年黑龙江省绥化市庆安县农业气象站的发育期、产量和气象数据,验证了改进后的水稻生长模型的模拟效果,对比分析改进前后的效果差异。  【结果】  改进后模拟的返青期、分蘖期、孕穗期、抽穗期与成熟期和实际发育期时间节点的残差均方根 (RMSE) 分别为1.17、1.41、1.00、2.23和2.12天,整个发育期模拟RMSE与RE (相对误差) 平均为1.6天与1.3%。试验点位多年产量范围在6495～8715 kg/hm2,模拟值为7230～8207 kg/hm2,其中产量模拟最小误差为210 kg/hm2,平均RMSE与RE分别为714 kg/hm2与9.2%,模型相对误差率保持在10%以内。移栽前有效积温与水稻完成基本营养生长期所需的有效积温呈显著正相关 (R2 = 0.7837,P = 0.003),根据移栽时有效积温调整发育期模型第一阶段 (基本营养阶段)生长速率参数,使发育期的模拟误差缩小3倍,产量模拟误差缩小34%。  【结论】  引入移栽前有效积温与基本营养生长期发育速率之间关系的响应方程,极大地提升了发育期模型的模拟效果;引入动态水稻消光系数方程,小幅度地提升了产量的模拟效果。改进后的模型可以促进水稻模型的发展,并更加准确地指导水稻生产。     

中国不同气候区小麦产量及发育期持续时间对田间增温的响应

【目的】气候变暖对小麦生长发育有重要影响。然而,中国不同气候区小麦生长发育对温度升高的响应程度仍未系统量化。因此,急需阐明不同气候区增温及不同时段增温对小麦产量及发育期持续时间的影响程度,揭示小麦产量及发育期对增温的响应规律。【方法】本文搜集了1990-2017年间已发表的关于中国小麦全生育期田间持续增温条件下小麦产量变化的21篇文献,运用整合分析（Meta-analysis）量化田间不同增温幅度及不同时段增温对中国小麦产量及生育期的影响程度,系统阐明其在不同气候区的差异及规律。【结果】（1）亚热带季风区增温（0-3℃）显著增加小麦产量、千粒重和穗粒数,其平均增幅分别为8.2%、6.3%和4.7%;温带季风区增温（0-3℃）显著增加小麦产量、穗粒数和穗数,其平均增幅分别为6.8%、3.9%和5.5%,而温带大陆性气候区增温（0-3℃）显著降低小麦产量、千粒重和穗粒数,其平均降幅分别为10.2%、5.9%和8.3%。其中,亚热带季风区增温0-2℃,小麦产量显著提高了8.5%,而增温2-3℃时,小麦并未增产;温带季风气候区小麦增产愈为明显,当增温2-3℃时小麦的增产幅度达14.5%;相反,在温带大陆性气候区增温0-2℃和2-3℃时,小麦分别显著减产10.1%和15.9%。（2）亚热带季风区和温带大陆性气候区增温（0-3℃）小麦全生育期持续时间分别缩短了3.3%和7.1%,相反,在温带季风区,增温并未明显改变小麦全生育期持续时间;与此同时温带大陆性气候区和温带季风气候区的生殖期持续时间并无明显变化,而亚热带季风区小麦生殖生长持续时间却显著增加（8.7%）。（3）总体来看（季风气候区所有独立研究结果）夜间增温0-2℃和2-3℃对小麦产量有显著影响,小麦分别增产10.5%和15.0%。【结论】田间增温会显著影响中国粮食主产区小麦产量以及发育期持续时间,但不同气候区及不同时段增温对小麦生长和发育的影响不同。本研究结果可为未来气候变化新态势下中国粮食主产区种植制度优化与合理布局提供科学依据。     

长期不同施肥红壤粒径分布的多重分形特征

【目的】通过探讨长期不同施肥后红壤粒径分布非均匀性和异质性的变化特征,揭示不同施肥模式对土壤粒径分布的影响,为农田土壤发育过程以及科学合理利用红壤提供理论支撑。【方法】以湖南省祁阳试验点红壤旱地长期定位试验（1990年至今）为依托,采用激光粒度分析仪测定1990年初始土样（O）与连续22年不施肥（CK）、单施化肥（NPK）、有机无机配合施用（NPKM）和单施有机肥（M）4种施肥模式下小麦-玉米轮作系统中耕层土壤（0-20 cm）颗粒分布;应用多重分形理论以盒计维方法分析了土壤粒径分布多重分形参数的变化趋势;并对多重分形参数、土壤颗粒与土壤有机质进行相关性分析,阐明多重分形参数表征土壤粒径分布的精准性。【结果】多重分形参数可以反映土壤粒径分布的非均匀程度,与红壤黏、粉粒含量、土壤有机质含量显著相关;运用多重分形参数表征土壤粒径分布具有较高的灵敏性与精准度。红壤粒径广义维数（D(q)）在﹣10≤q≤10的范围内,其中D(q＜0)比D(q＞0)更为敏感,表明广义维数（D(q)）在稀疏区域的标度性低于密集区域的标度性。与初始土样（O）相比,长期不同施肥对容量维数（D0）与信息维数（D1）无显著影响,但显著提高了关联维数D2（0.864-0.883）、D1/D0（0.921-0.932）;处理间均表现为M、NPKM＞NPK、CK、O,也显著提高了奇异强度α0（1.129-1.177）和奇异谱宽Δα（1.966-2.707）等多重分形参数,处理间均表现为NPK、CK＞M、NPKM＞O。【结论】在成土条件、种植制度和管理措施均一致的条件下,无论是单施有机肥（猪粪）还是有机肥（猪粪）配合施用化肥均可以显著提高红壤粒径分布局部密集程度,促进土壤细化,加快土壤不均匀性发展,增强了土壤颗粒异质性。多重分形参数可以表征土壤粒径分布的细微差别,为土壤粒径分布的精准研究提供了技术支持。     

基于不同施肥模式添加生物炭后菜地土壤CO2释放特征及不同形态碳含量变化

【目的】研究4种常规施肥模式下,添加生物炭后菜地土壤（褐潮土）CO₂释放量、可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（SMBC）含量的变化,阐明添加生物炭对土壤CO₂释放及不同形态碳的影响。【方法】采用室内恒温好氧培养-气象色谱测定方法,在不施肥（CK）、施有机肥（M）、施化肥（F）、有机无机混施（M+F）4种模式下投入2%和4%（质量比：生物炭/土壤干重）生物炭,定期采集气样和土样,分析土壤CO₂的释放量及DOC、SMBC含量的动态变化,并分析DOC、SMBC含量变化与CO₂释放量变化之间的相关关系。【结果】在F和M+F基础上,添加生物炭处理的土壤CO₂释放速率在培养前期（2—8 d）显著高于未添加生物炭处理,而在10—60 d,二者CO₂释放速率无显著差异;在CK和M基础上,添加与未添加生物炭处理在整个培养期间CO₂释放速率没有显著差异。在CK基础上,添加2%和4%生物炭后CO₂累积释放量分别为2 839和3 272 mg·kg^-1,与CK（3 134 mg·kg^-1）相比均无显著差异;而在F和M+F基础上,添加2%和4%生物炭后CO₂累积释放量均显著提高,分别提高20.6%和19.8%、29.9%和40.7%。相关分析表明,未添加生物炭处理DOC、SMBC含量与CO₂释放量之间无相关关系,而添加生物炭处理DOC、SMBC含量与CO₂释放量极显著相关。【结论】将生物炭单独投入未施肥土壤中,土壤CO₂排放量未出现明显增加或降低;在有机肥基础上添加生物炭,土壤CO₂排放量随着生物炭投入量的增加而增加;在化肥、有机无机配施基础上添加生物炭后,土壤CO₂排放增加比例最高。     

长期施肥下我国南方不同轮作制度水稻的高产稳产性分析

采用产量可持续性指数(SYI)法,研究了我国稻作系统下8个长期试验点各8个不同肥料处理下水稻产量的稳产高产性特征,其中施肥模式包括氮磷钾化肥(NPK)的不同组合(N、NP、NK、PK、NPK)、全施用有机肥(M)、化肥配施肥有机肥(NPKM)及不施肥(CK)共8个处理。结果表明:不同施肥下水稻的SYI值不同,不施肥和化肥偏施(N、NK和PK)水稻SYI值较低(0.33~0.49),而NP、NPK、M及NPKM处理水稻SYI值较高(0.51~0.64)。不同区域间水稻SYI值(CK或NPK)差异不显著,但不同轮作间差异显著,其中单季稻(0.49)显著高于早稻(0.44)和晚稻(0.47)。水稻各处理的SYI值与其平均产量间呈极显著的正相关关系,而与产量变异系数为显著负相关,表明可以通过提高水稻产量及其稳定性来提高水稻产量的可持续性。因此,施肥是影响水稻SYI值的重要因素,化肥配施及有机无机配施均能获得较高SYI值,维持较高的水稻可持续性,是可推荐的稻田施肥模式。     

2050年农田土壤温室气体排放及碳氮储量变化SPACSYS模型预测

【目的】 优化华北平原农田土壤的施肥措施,实现维持农田作物产量、提升土壤肥力的同时减少温室气体排放。 【方法】 基于长期定位试验观测数据,选取氮磷钾化肥 (NPK)、有机肥配施化肥 (NPKM) 和单施有机肥 (OM) 三个试验处理来评价和验证过程模型 (SPACSYS) 对不同施肥措施下的作物产量、土壤有机碳 (SOC) 和土壤全氮 (TN) 储量及土壤CO₂和N₂O排放动态变化的模拟效果,并预测至2050年不同施肥情景和肥料配施情景下作物产量、SOC、TN储量及土壤CO₂和N₂O排放量。 【结果】 统计分析结果表明,SPACSYS模型的小麦和玉米产量模拟值与实测值的相关系数R2为0.63～0.78,RMSE为3.78%～4.86%,EF为0.59～0.73;土壤有机碳和全氮储量模拟值与实测值的R2为0.73～0.89,RMSE为2.69%～3.79%,EF为0.67～0.82;土壤CO₂和N₂O排放量模拟值与实测值的R2为0.16～0.80,RMSE为4.03%～9.99%,EF为0.24～0.78,相关性均达到显著水平,表明SPACSYS模型模拟值的可靠性和准确性较高。利用该模型进行预测,结果显示到2050年,在当前施氮水平下,减氮50%会显著降低玉米产量约9%;减氮25%,与单施化肥处理相比,有机肥配施化肥处理和单施有机肥处理分别显著提高SOC年均储量约31%和62%,提高TN年均储量约18%和6%,而CO₂和N₂O年均排放量均没有显著增加。 【结论】 SPACSYS模型可以模拟中国华北平原典型农田冬小麦?夏玉米轮作体系的农作物产量、SOC和TN储量以及土壤CO₂和N₂O的排放情况。但是模型低估了OM处理的全氮储量,下一步研究需对模型做相应改进。至2050年,施用化肥和有机肥均可不同程度地提高有机碳和全氮储量,且该地区可适当降低氮肥施用量 (减氮25%),并采用有机肥配施化肥或单施有机肥的方式来维持作物产量、提升土壤肥力,同时降低温室气体排放。      

藏东南林芝地区典型农业土地利用方式对土壤微生物群落特征的影响

为研究藏东南林芝地区土壤微生物群落对农业土地利用方式的响应特征及其关键影响因素,可深入认识农业土地利用对该区域生态系统稳定性的影响,并为该地区农业土地资源合理利用提供科学依据。采集藏东南林芝地区2种典型农业土地利用方式(农田及放牧草地)土壤样品,以自然森林土壤样品为对照,利用磷脂脂肪酸法(PLFA)和MiSeq高通量测序分析不同土地利用方式下土壤微生物数量、多样性和群落组成的差异性,并结合土壤理化指标探讨影响土壤微生物群落组成和结构的关键因素。结果表明:与自然森林相比,农田和放牧草地土壤中微生物PLFA总量降低了38.7%~51.8%,其中革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、放线菌和真菌的生物量分别降低了26.1%~47.6%、40.0%~61.1%、44.1%~60.6%和5.2%~31.3%。农田种植显著降低土壤真菌的多样性,其丰富度、香农多样性相比于森林土壤分别降低了53.0%和71.4%,而细菌群落的丰富度、香农多样性则显著降低了15.7%和5.1%。农田种植显著增加土壤细菌中放线菌门(A ctinobacteria)的相对丰度,但是显著降低了浮霉菌门(Planctomycetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度,放牧草地则显著促进拟杆菌门(Bacteroidetes)和蓝藻门(Cyanobacteria)的生长。农业土地利用显著提高土壤真菌群落中担子菌门伞菌纲(A garicomycetes)的优势度,其在农田和放牧草地土壤中的相对丰度分别是自然森林土壤的23倍和19倍,而子囊菌门(A scomycota)和接合菌门(Zygomycota)的相对丰度则分别降低了67.7%~89.6%和58.7%~67.4%。基于距离矩阵的冗余分析表明,土壤细菌和真菌的群落结构在3种土地利用方式下有显著差异。土壤微生物的数量、多样性和群落组成受到土壤pH值、土壤有机碳、土壤C/N等理化性质的显著影响,并且土壤真菌对环境因子改变的响应比细菌敏感。研究表明,典型农业土地利用方式导致藏东南林芝地区土壤微生物群落的数量和多样性相比于自然植被显著降低,并改变细菌和真菌的群落组成和结构,而且真菌对农业土地利用方式的响应比细菌敏感。     

施用有机肥对我国作物氮肥利用率影响的整合分析

【目的】化肥配施有机肥是提高作物氮肥利用率（NUE）的重要措施之一。但由于作物的氮肥利用率受到施氮量、土壤性质和气候条件等因素的影响,且多数研究只在某一特定区域或条件下进行,对于全国不同区域施用有机肥对氮肥利用率影响的研究缺乏系统分析和比较。因此,探明化肥配施有机肥对氮肥利用率的影响,量化不同土壤和气候条件下氮肥利用率对有机肥施用的响应,可指导区域性的有机肥施用,为化肥减施增效提供重要的理论依据。【方法】本研究收集了公开发表的文献110篇,建立了412组包含化肥配施有机肥（NPKM）和单施化肥（NPK）处理的氮肥利用率的数据库。采用整合分析（Meta-analysis）和随机森林（Random Forest）方法分析了全国不同区域的氮肥利用率在NPK和NPKM处理下的差异,定量化了施氮量、土壤性质和气候条件等因素对有机肥正效应的贡献率。【结果】全国来说,相比NPK,NPKM处理下氮肥利用率提高了3.6个百分点。除东北地区外,在其他地区NPKM均显著提高了氮肥利用率,提高幅度依次为西北>华北>南方>华东。土壤性状中影响有机肥“增效”作用的主要因素是有机质、pH、速效钾和全氮含量,其中土壤有机质含量越低,配施有机肥后氮肥利用率的提高幅度越大;在碱性土壤上配施有机肥对氮肥利用率的提高幅度分别是中性土壤和酸性土壤的1.3和1.8倍。另外,不同气候类型下配施有机肥对氮肥利用率的提高幅度存在差异,表现为温带大陆性气候区>温带季风性气候区>亚热带季风性气候区。【结论】施用有机肥可显著提高作物的氮肥利用率,且在有机质含量较低、降雨量较少的西北地区配施有机肥后氮肥利用率的提高幅度最大。