入射角度对气力射播小麦种粒入土参数影响的试验研究

针对稻麦轮作区黏湿土壤条件下的小麦机械化播种,为避免传统接触式小麦播种技术存在的粘附堵塞严重和作业阻力、功耗大等问题,该文采用非接触式小麦气力射播技术理论,通过自制的小麦气力射播试验台,开展整洁种床土壤条件下入射角度对气力射播小麦种粒入土参数影响的试验研究。试验结果表明:随着入射角度的增加,相同加速气压下小麦种粒的射播速度垂直分量和射播深度不断增加,小麦种粒触土后产生水平滑移和弹跳的几率变小,且各入射角度下射播深度与射播速度呈正相关关系,不同入射角度下小麦种粒呈现出不同射播深度和土壤冲击效果,小麦种粒未产生损坏情况;当入射角度≥45°和射播速度垂直分量≥25 m/s时,小麦种粒可被完全射播入土壤中且出苗率大于86%,90°入射角度下的射播效果最好。同时,为实现田间作业时小麦种粒的垂直射播入土,应使射播速度水平分量与机具作业速度相等且射播速度垂直分量≥25m/s。试验结果可为非接触式小麦射播装备的研制提供基础数据和技术支撑。     

黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征

[目的]研究东北黑土区农地土壤温度变化特征,为冻融作用程度量化分析和冻融作用对土壤侵蚀影响提供基础数据。[方法]利用2015—2018年黑龙江省宾州河流域典型农地2 m土壤剖面11月至翌年4月土壤温度观测资料以及气温数据,分析了冻结和融化过程中土壤温度变化特征以及土壤温度对气温变化的响应,确定土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数。[结果] 11月至翌年2月的冻结期,土壤温度随土层深度的增加而增加;3—4月份土壤温度梯度发生反向改变,当土壤完全消融后,土壤温度随着土层深度的增加而递减,土壤最大冻结深度为80 cm。研究结果还表明,0—60 cm土层的土壤温度均与气温呈极显著正相关,其相关性随土壤深度增加而减小;而80 cm以下土层,土壤温度均与气温呈负相关。[结论]研究区土壤冻结和融化过程分别呈单向冻结和双向融化现象,冻融循环主要发生在农地耕层0—20 cm土层,其年最大冻融循环次数分别为12次和7次,为设计黑土冻融循环模拟试验提供了数据支持。     

Effects of part and whole straw returning on soil carbon sequestration in C3–C4 rotation cropland

Long‐term no‐tillage management and crop residue amendments to soil were identified as an effective measure to increase soil organic carbon (SOC). The SOC content, SOC stock (SOCs), soil carbon sequestration rate (CSR), and carbon pool management index (CPMI) were measured. A stable isotopic approach was used to evaluate the contributions of wheat and maize residues to SOC at a long‐term experimental site. We hypothesized that under no‐tillage conditions, straw retention quantity would affect soil carbon sequestration differently in surface and deep soil, and the contribution of C3 and C4 crops to soil carbon sequestration would be different. This study involved four maize straw returning treatments, which included no maize straw returning (NT‐0), 0.5 m (from the soil surface) maize straw returning (NT‐0.5), 1 m maize straw returning (NT‐1), and whole maize straw returning (NT‐W). The results showed that in the 0–20 cm soil layer, the SOC content, SOCs, CSR and CPMI of the NT‐W were highest after 14 years of no‐tillage management, and there were obvious differences among the four treatments. However, the SOC, SOCs, and CSR of the NT‐0.5 and NT‐W were the highest and lowest in 20–100 cm, respectively. The value of δ¹³C showed an obviously vertical variability that ranged from –22.01‰ (NT‐1) in the 0–20 cm layer to –18.27‰ (NT‐0.5) in the 60–80 cm layer, with enriched δ¹³C in the 60–80 cm (NT‐0.5 and NT‐1) and 80–100 cm (NT‐0 and NT‐W) layers. The contributions of the wheat and maize‐derived SOC of the NT‐0.5, NT‐1 and NT‐W increased by 11.4, 29.5 and 56.3% and by 10.7, 15.1 and 40.1%, relative to those in the NT‐0 treatment in the 0–20 cm soil layer, respectively. In conclusion, there was no apparent difference in total SOC sequestration between the NT‐0.5, NT‐1, and NT‐W treatments in the 0–100 cm soil layer. The contribution of wheat‐derived SOC was higher than that of maize‐derived SOC.     

基于微波反射法的谷物含水率在线检测装置研制

针对稻麦联合收割机在收获作业时难以对小麦、水稻等谷物的含水率进行准确在线测量的问题,该文基于微波反射法研究了谷物含水率在线检测方法,建立了稻麦含水率检测模型,研发了一种稻麦联合收割机谷物含水率在线检测装置。该装置采用微波测量模块对稻麦含水率进行非接触式测量,设计了电压转换电路将微波参数转换成电压信号,采用滑动平均滤波算法进行信号滤波,最后通过标定试验所建立的含水率检测模型进行稻麦含水率计算,计算结果经CAN总线通讯在显示器上实时显示。基于上述理论研究、技术开发和结构设计对所研制的谷物含水率在线检测装置分别进行了室内静态试验和田间收割试验研究,试验结果表明:检测装置的对稻麦含水率的测量范围为14%～34%,在室内静态试验和田间收割试验中的性能标准差分别为0.458 3%和1.078 0%,相对误差分别在2.5%和5%左右,具有良好的准确性与实用性。     

河道淤泥和堆肥蛭石混合发酵制备基质及其育苗效果

农村河道清淤产生的淤泥,体量大、有机物浓度高,处置不当会造成二次污染。现代农业的工厂化育苗需求大量的营养土,就地取土导致耕地退化。该研究利用功能微生物发酵淤泥制备育苗基质,研究不同菌株发酵基质的物理和生物学性状,基质培育西瓜苗的生长、生理参数和抗逆性能。结果表明:微生物处理均能够提升淤泥基质物理和生物学性能,同时能够提升育苗质量。其中Trichoderma harzianum T83(T83)、Bacillus amyloliquefaciens IAE(BIAE)菌株发酵基质性能最好。相较于对照处理基质的最大持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、通气孔隙度,T83处理分别增加了64.25%、52.65%、45.05%、56.11%;BIAE处理分别增加了101.17%、45.43%、61.43%、38.14%。相较于对照处理西瓜苗的株高、鲜质量、干质量、叶绿素含量、根系活力、根际真菌、细菌数量,T83处理分别增加了66.85%、52.07%、72.16%、43.13%、54.93%、110.62倍、1.63倍;BIAE处理分别增加了80.40%、57.34%、82.37%、54.88%、46.40%、67.26%、2.60倍、2.94倍。T83和BIAE处理西瓜苗叶片过氧化氢酶和超氧化物歧化酶酶活显著增加,根系丙二醛含量显著降低。真菌菌株T. harzianum T83和细菌菌株B. amyloliquefaciens IAE发酵淤泥,能够显著提升其农用品质,为淤泥高附加值化农用提供一条可行的途径。     

Impacts of natural polymer derivative neutral polysaccharide Jag S and cationic hydroxypropyl polysaccharide Jag C162 on rainfall infiltration on an experimental loess hillslope

ABSTRACT

Developing effective measures to improve soil structure and increase soil infiltration in the Loess Plateau located in arid and semiarid areas is important for soil and water conservation. Simulated rainfall experiments were conducted to determine the effects of two new natural polymer derivatives, namely neutral polysaccharide (Jag S) and cationic hydroxypropyl polysaccharide (Jag C162), on rainfall infiltration and their underlying mechanisms. The proportions of different sizes of water-stable soil aggregates were analyzed after spraying four different concentrations (0, 1, 3, and 5 g m^?2) of Jag S and Jag C162 under rainfall intensities of 1, 1.5, and 2 mm min^?1 and a slope gradient of 15°. Treatments with Jag S and Jag C162 significantly improved the rainfall infiltration rates (IRs) compared with the control. Moreover, applying 1 and 3 g m^?2 Jag S effectively increased the IRs by 22.81% and 13.69%, respectively. Treatment with Jag C162 also increased the rainfall IRs by 39.47%, 46.59%, and 46.50%. Furthermore, the content of >0.25 mm water-stable soil aggregates increased from 27.19% to 90.42% before rainfall and from 9% to 50% after rainfall. Compared with Jag C 162, treatment with Jag S was less effective on improving rainfall infiltration and aggregate content. In particularly, application of 5 g m^?2 Jag S improved the soil aggregate content but weakened rainfall infiltration because of the higher viscidity and consistency of the Jag S solution. Overall, spraying appropriate amounts of Jag C162 and Jag S on the loess slope surface can increase the water-stable soil aggregate content, resulting in improved rainfall infiltration and reduced soil erosion. Thus, application of two new natural polymer derivatives is a possible alternative conservation practice in the Loess Plateau.     

亏缺灌溉对马铃薯生长产量及水分利用的影响

为了解析马铃薯不同品种对水分亏缺的响应,探讨不同品种对水分需求量的差异,该研究在大田遮雨棚滴灌下,以马铃薯品种‘青薯9号’和‘大西洋’为材料,参考西北区和本试验区的年平均降雨量,设置5个水分处理,将参考试验区年平均降雨量的值划分为正常灌水(A),逐级调亏灌水量的值划分为轻度(B)、中度(C)、重度(D)和特重度(E)亏缺灌水处理,研究灌水量对不同品种马铃薯植株生长(株高、茎粗、叶面积)、生物量与分配、叶片相对含水量、产量与构成因素、水分利用的影响。结果表明:正常灌水下,‘青薯9号’株高增长速度大于‘大西洋’,且测定期内持续增高,但‘大西洋’叶面积快速扩增期的扩增速度大于‘青薯9号’;2个品种各器官干质量变化趋势不一致,‘大西洋’各器官干质量呈增长趋势,‘青薯9号’茎叶和根干质量呈前期增长后期下降、块茎干质量呈显著增加趋势(P0.05),且‘青薯9号’块茎生物量分配比例最高值为57.96%,仅是‘大西洋’最高值的67.43%;2个品种叶片相对含水量均呈先升高后降低的变化趋势;‘大西洋’单株结薯数、单株产量、公顷产量、商品薯率高于或显著高于亏缺灌溉(P0.05),‘青薯9号’仅商品薯率和大薯率高于或显著高于亏缺灌溉(P0.05),其他指标则显著低于轻度亏缺灌溉(P0.05),水分利用效率和灌水效率分别为152.62kg/(hm~2·mm)和130.70%。亏缺灌溉下,随水分亏缺度加重,‘大西洋’株高、茎粗和叶面积扩增的抑制大于‘青薯9号’,2个品种叶片相对含水量降低、生物量积累的增速和绝对值降低、产量和大薯率显著下降(P0.05),且‘青薯9号’上述指标的降幅小于‘大西洋’,其中轻度亏缺灌溉下,‘青薯9号’单株结薯数和公顷产量具有补偿效应,较正常灌水分别增加22.79%和11.71%,水分利用效率提高41.48%、灌水效率提高60.05%,抗旱系数为1.12。因此,‘青薯9号’轻度亏缺灌溉,可控制其地上部旺盛生长,利于块茎形成和膨大,‘大西洋’应保证充足水分供给,不宜亏缺灌溉。     

CT扫描分析秸秆隔层孔隙特征及其对土壤水入渗的影响

为阐明不同物理形态玉米秸秆建立的隔层对盐碱土壤灌溉水入渗特征的影响机制,该文采用室内模拟试验方法,在距地表40～45 cm处均匀铺设同一隔层厚度(5 cm)段状秸秆(SL)、颗粒状秸秆(SK)与粉末状秸秆(SF),以不埋设秸秆隔层为对照(CK),并利用CT扫描和图像处理技术,定量分析不同形态秸秆隔层内部孔隙度、孔隙大小分布、连通度等孔隙参数及其与灌溉水入渗特征之间的关系。结果表明:与CK处理相比,不同物理形态的玉米秸秆隔层均显著提高了40～45 cm隔层处总孔隙度,其中以SF处理最高,分别较CK、SL与SK处理显著提高了29.25、12.09与12.61个百分点(P 0.05),但SL与SK处理间差异不显著。SF处理在灌溉水入渗各阶段均显著增加了孔隙直径≤1 mm的孔隙度(P 0.05),入渗开始前、结束后分别较SL与SK处理提高了19.18、17.25和9.45、9.41个百分点,从而增大了封闭气体体积,导致灌溉水入渗速率较慢,而SL处理在灌溉水入渗开始前孔隙直径1 mm孔隙度较SK处理提高了1.04个百分点,但在入渗结束后SK处理孔隙直径1 mm孔隙度较SL处理显著提高,这种 1 mm大孔隙的变化导致SK处理出现湿润锋通过秸秆隔层耗时长于SL处理,而湿润锋通过隔层后至土柱底部耗时短于SL处理的现象。相关性分析结果表明:湿润锋通过秸秆隔层用时与入渗开始前、结束后隔层处总孔隙度、≤1 mm直径孔隙度均呈极显著正相关,与入渗前 1 mm直径孔隙度呈极显著负相关(P 0.01),而在入渗结束后这种大孔隙的作用减弱,但≤1 mm孔隙度的阻渗作用依旧显著,孔隙连通度对灌溉水入渗速率的影响较总孔隙度小。可见,不同形态玉米秸秆隔层均影响灌溉水入渗过程,CT扫描技术可作为定量研究秸秆隔层内部孔隙结构及其对灌溉水入渗影响机制的手段,该结果可为筛选和建立盐碱土壤最佳灌溉淋盐效果的物理形态秸秆隔层提供参考。     

基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究

作为黄土高原地区沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的梁峁坡面,在强降雨下其产流产沙对沟缘线以下坡面及沟道侵蚀有着重大影响。该研究根据野外实地考查构建5°～35°变坡段实体模型,进行6场间歇性人工模拟降雨试验,并借助基于三维重建技术的PhotoScan软件获取坡面DEM,将其侵蚀演化过程进行图形化、数字化,定性定量揭示其侵蚀形态演变特征。研究表明:1)梁峁坡面细沟侵蚀历经4个阶段:面蚀阶段,即产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑,宽度5～9 cm,深度1～4 cm;细沟形成阶段,由面蚀所产生的微小跌坑在径流作用下长、宽、深均不断增大,最大分别达到266、7.6、13.8cm;细沟网形成阶段,细沟出现分叉及联通,有明显流路;小切沟形成阶段,伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和沟底下切,最大沟长及最大沟深较细沟形成时增大3倍以上。2)对比次降雨过程基于三维建模所计算侵蚀量与实测侵蚀量,第1场降雨试验因地表疏松颗粒较多导致实测侵蚀量比建模计算侵蚀量大而引起较大偏差(20.82%),其他场次偏差均在10%左右或以下,总体来说,该技术可以较好地应用于侵蚀发育过程的研究。该研究实现侵蚀演变关键过程图形化、数字化,有助于人们定性、定量了解和认识梁峁坡面侵蚀过程,且对于创新侵蚀过程研究方法亦具有实践指导价值。     

中国粮食主产区化肥施用时空特征及生态经济合理性分析

研究粮食主产区化肥施用状况能够为化肥减量增效、防治化肥损失引起的面源污染、保障国家粮食安全提供决策参考。该研究在分析中国粮食主产区化肥施用强度的时空变化特征的基础上,根据大田粮食作物对氮磷钾的养分要求,提出化肥施用生态经济合理性评价方法,并对中国粮食主产区化肥施用生态经济合理性进行评价。研究表明:从1993到2017年,中国粮食主产区化肥施用强度从205.5 kg/hm~2增加到319.9 kg/hm~2,其中氮、磷、钾化肥的施用强度分别从133.8、48.0、23.7 kg/hm~2增加到162.6、84.2、73.2 kg/hm~2;总化肥及氮、磷、钾化肥施用生态经济适宜量分别从217.4、108.7、54.4、54.4 kg/hm~2增加到300.6、150.3、75.2、75.2 kg/hm~2;氮肥施用强度在1993年已经超过了其生态经济适宜量,磷肥从2001年开始超过了其生态经济适宜量,钾肥在2009年后逼近其生态经济适宜量;1993-2007年间,河南、山东、江苏一直是高强度施肥省份,其他次高强度施肥的省份由高强度施肥省份逐步向周围扩散。2017年,河南为化肥施用生态经济不合理区,化肥施用明显过量;河北、江苏、安徽、山东和湖北则属于经济合理生态不合理区,化肥施用有所过量;湖南、吉林、辽宁和内蒙古施肥适当,属于施肥生态经济合理区;黑龙江、四川和江西为施肥生态合理经济不合理区,化肥施用不足。因此,中国粮食主产区化肥施用强度及生态经济合理性差异较大,总体施肥过量,部分地区存在施肥不足的情况。节肥增效、防治农业面源污染要坚持分类指导、因地减量的原则,完善配方测土施肥政策和技术手段,大力推进信息技术和有机肥利用,走有机无机肥相结合道路。