几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践

自2001年起,甘肃农业大学的研究者在甘肃省定西市安定区李家堡镇布设了不同保护性耕作措施下春小麦→豌豆和豌豆→春小麦轮作系统的定位试验,以研究免耕不覆盖(NT)、传统耕作秸秆还田(TS)、免耕秸秆覆盖(NTS)、传统耕作地膜覆盖(TP)和免耕地膜覆盖(NTP)等保护性耕作措施在黄土高原旱作农田生态系统中的效应。本文就近10年依托该试验获取的相关研究结果进行综述,重点阐述特定土壤、气候、农作制度下土壤理化性状、土壤微生物及其酶活性、土壤温室气体排放、作物生理生态等对上述几种保护性耕作措施的响应。初步得到免耕秸秆覆盖措施有助于形成良好的土壤结构、减少土壤侵蚀、改善土壤持水特性、提高土壤养分利用效率、改善土壤微生物区系、增强作物光合效能、增加作物产量等结论,对筛选出当地适宜的耕作模式、改善区域土壤质量、促进农业可持续发展有重要意义。在此基础上,提出目前该项研究存在的问题和今后重点关注的方向:1)保护性耕作土壤碳循环机理;2)覆盖方式的创新;3)温室气体排放测量方法的改进与完善。     

秸秆还田及施肥对小麦复种油菜农田土壤呼吸的影响

在甘肃省石羊河绿洲灌区连续3 a的小麦复种油菜田间定位试验的基础上,采用EGM-4密闭式土壤呼吸测量系统,测定了不同施肥水平和不同秸秆还田方式下小麦复种油菜农田的土壤呼吸速率。结果表明：在整个观测期内, 土壤呼吸速率最高值出现在8月下旬（152.06~199.58 mg•m^-2•h^-1）,最低值出现在10月中旬（12.67~19.01 mg•m^-2•h^-1）。土壤呼吸速率日变化呈单峰曲线,最高值出现在12:00-14:00, 4:00左右达最低值;不同秸秆还田方式下, 高茬收割免耕播种油菜的处理明显降低了土壤呼吸速率,且在秸秆处理后的油菜生育期内降低效果更加明显;不同施肥水平下,在N、P减量15%的情况下,土壤呼吸速率显著下降;各试验处理措施下, 土壤呼吸速率与5 cm和10 cm土壤温度、30 cm各层土壤含水量均呈极显著正相关,并且土壤呼吸速率与0~30 cm土壤水分的相关性较土壤温度高;不同处理下土壤呼吸速率与土壤孔隙度基本上呈负相关,但是两者之间相关性并不显著。     

全膜覆土穴播平作对冬小麦不同器官含水率动态变化效应

2008—2010年度,通过田间试验,研究了全膜全生育期覆土穴播平作栽培技术(简称M)对冬小麦叶片、秆鞘(节秆和叶鞘)、颖壳(颖壳和穗轴)、整株与籽粒在不同生育阶段的含水率动态变化,并以相应的千粒重大小来衡量水分消耗的效应,目的在于揭示水分在不同器官内的分布、流动和消长规律,为该技术在旱区大面积推广提供理论参考。设计M和露地(CK)、10粒/穴密度(相当于267.75kg·hm-2的播种量)、重复3次、随机区组排列的二因素试验。结果表明,M能够显著(P0.01)增加各器官水分含量,在不同生育期内总体水分含量显著高于CK;返青至完熟阶段,M叶片、秆鞘、整株的平均含水率分别显著(P0.05)高于CK处理4.76%、3.0%、4.76%;扬花至灌浆,M处理的籽粒与颖壳平均含水率显著高于CK 3.33%(P0.05)与6.12%(P0.01)。CK千粒重略高(P0.05)于M处理0.29%~2.73%,但在群体和穗粒数上显著(P0.01)比M低16.69%~35.11%与4.03%~5.11%,从而影响了最终产量的提高,显著(P0.01)低于M 29.87%~34.73%。M处理能够满足较高的公顷穗数和穗粒数生长发育要求,从而通过大群体和高的籽粒产量获得高产,也是M供给、调配、协调不同生育阶段植株、不同部位水分能力的体现。相关性分析表明,M显著地影响各器官的水分分布和流动关系,叶片与整株的含水率同步性最高。同时,M也在一定程度上解决了大群体营养器官冗余导致的水分和养分偏耗与供应不足问题。本研究揭示了全膜覆土穴播平作栽培条件下冬小麦不同部位水分消长动态和规律,为该技术在不同降水区域推广使用提供参考依据。     

不同耕作措施旱地小麦生产应对气候变化的效应分析

为探索气候变化对小麦产量影响的机制和规律,在田间试验的基础上通过调试APSIM模型参数,并对模型进行检验,然后用APSIM模型模拟温度和CO₂浓度两因素七水平小麦产量,分析了3种耕作措施下小麦产量对温度和CO₂浓度的响应及敏感性强度。结果表明,不同耕作措施条件下,小麦产量随CO₂浓度升高呈二次抛物线上升型变化,但会出现报酬递减,且免耕覆盖的增产效应大于传统耕作和免耕2种耕作措施;小麦产量随温度升高呈二次抛物线型变化,其中传统耕作和免耕呈二次抛物线递减型变化,并呈叠加递减效应,而免耕覆盖呈二次抛物线拐点型变化,拐点值为0.94℃时,小麦产量可达到2 818.3 kg/hm²。温度和CO₂浓度互作对小麦产量的敏感性分不敏感、正敏感和负敏感区域,且免耕覆盖的敏感性变化较小。在3种耕作措施中,免耕覆盖CO₂浓度升高小麦的增产效应可以补偿高温所导致的减产,并且温度和CO₂浓度具有更好的协同促进作用。免耕覆盖小麦生产具有较好应对温度和CO₂浓度变化的能力,可以缓减气候变化带来的负效应。     

保护性耕作对农田杂草群落组成及物种多样性的影响

以陇中黄土高原旱地连续7 a保护性耕作定位试验为基础,通过测定株数、盖度、鲜重等指标,计算了农田杂草群落的优势度、物种丰富度、香农威纳指数、辛普森指数、均匀性指数、相似性指数,并分析了不同耕作方式对农田杂草群落组成及物种多样性的影响,结果表明:传统耕作秸秆覆盖、免耕、免耕秸秆覆盖3种耕作方式下,豌豆、小麦田的藜科杂草发生较为普遍,灰绿藜(Chenopodium glaucum)、藜(Chenopodium album)、地肤(Kochia sco-paria)、猪毛菜(Salsola collin)的综合优势度达43.78,3种耕作方式下杂草群落物种多样性差异不显著(P<0.05).杂草群落之间种相似性系数的变化表明,传统耕作秸秆覆盖、免耕及免耕秸秆覆盖经过多年实施后,农田杂草群落开始逐步向较稳定的传统耕作杂草群落方向演替.     

氮素水平对单作和间套作小麦玉米叶片叶绿素含量及品质的影响

以间套作小麦玉米、单作小麦和单作玉米为研究对象,通过田间试验研究了氮素水平对单作和间套作小麦玉米叶片叶绿素及品质的影响。主要结果为:在同一施氮水平下,间套作小麦旗叶叶绿素含量大于相应单作;单作和间套作小麦开花期旗叶叶绿素含量和蛋白质含量、沉淀值之间都呈显著正相关(r分别为0.960*,0.948*,0.968*,0.957*)。在相同施氮水平下,单作玉米叶绿素含量高于相应间套作玉米;单作和间套作玉米孕穗期叶绿素含量与其蛋白质含量之间也呈显著正相关(r分别为0.861*和0.870*)。     

以色列的持续高效农业

以色列国土沙漠占２／３。降雨时空分布差异极大，年降水总量１６亿ｍ３左右，仅为农业用水总量的７５％。大部分地区地下水含盐量过高，利用难度大。就在这样严酷的条件下，以色列人依靠先进的科学技术和灵活的政策措施实现了农业的高效持续发展，取得了举世瞩目的杰出成就。回顾农业发展的历程发现，五六十年代以色列仍然是一个８０％左右的粮食依靠进口的国家，１９８０年农产品出口净创汇已逾３亿美元，１９９７年农业产值已占国民生产总值的５％，农产品出口值占总出口值的５．６％，达７．４亿美元。以色列已成为农业高度发达的国家。…     

土壤-植物根系复合体本构关系的理论研究

为研究土壤-根系复合体强度问题,运用土壤力学理论和复合材料力学方法分析了土壤-根系复合体的力学特性和力学模型;在弹性、横观各向同性条件下,计算得出了表征土壤-根系复合体应力-应变关系的本构方程。研究结果表明:土壤-根系复合体的强度,不仅与土壤和根系的材料特性、形态结构、含水率以及根系含量有关,而且与土粒和土粒之间、土粒和根系之间的黏聚力、内摩擦力密切相关。     

不同保护性耕作措施下旱作春小麦和豌豆叶水势及其影响因素的研究

通过设置在陇中黄土高原丘陵沟壑区的长期定位试验,研究了不同耕作措施下旱作春小麦和豌豆叶水势的变化特征及其与环境因子的关系.结果表明:免耕秸秆覆盖处理各生育期春小麦和豌豆叶水势的日均值均高于其它处理;整个生育期春小麦各处理的叶水势与土壤含水量之间呈显著正相关,其中免耕秸秆覆盖、免耕不覆盖、传统耕作秸秆还田处理下叶水势与土壤含水量之间达到极显著水平.不同保护性耕作措施下春小麦和豌豆叶水势与气温、大气相对湿度、太阳辐射显著相关,其中小麦和豌豆的大气相对湿度是影响春小麦叶水势日变化的最重要的气象因子.     

全膜覆土穴播冬小麦农田土壤含水率与耗水量时空动态简

 ２００８—２０１０年度,通过田间试验,研究了全膜全生育期覆土穴播平作栽培技术（简称Ｍ）对冬小麦全生育期０～１００ｃｍ 土层内土壤含水率和耗水量时空动态的影响,以期为提高全膜覆盖冬小麦土壤水分利用效率、优化地膜覆盖技术提供理论参考。设计Ｍ 和露地（ＣＫ）、１０粒／穴密度（相当于２６７．７５ｋｇ／ｈｍ^２ 的播种量）、重复３ 次、随机区组排列的二因素试验。结果表明,Ｍ 全生育期显著影响到３０～４０ｃｍ 和４０～５０ｃｍ 土层水分;Ｍ 在抽穗和灌浆前期能够显著影响３０～５０ｃｍ 土层含水率,使供水峰值提前出现。Ｍ 灌浆中、后期能够充分调动５０～６０ｃｍ 水分到０～３０ｃｍ 土层,对６０～７０ｃｍ 产生显著的提升作用以补充上层水分的亏缺。Ｍ 也有效拉升７０～９０ｃｍ 区域水分的向地表运动,作为重要的水源在生长关键期发挥有效补给作用。本试验结果同时表明,Ｍ 的水分利用高效区域主要发生在０～９０ｃｍ;对９０～１００ｃｍ 含水率和耗水量动态变化的分析表明,Ｍ 效应可以达到１００ｃｍ 以下。露地栽培（ＣＫ）在相同时期、相同土层,水分补给现象不显著;在灌浆中、后期,对５０～７０ｃｍ 水分的利用率较高,造成阶段性的水分高消耗和含水率快速降低现象,无法及时获得补给;对水分的利用主要发生在０～７０ｃｍ 土层。此外,Ｍ 最大的效应之一就是在生育期内、０～４０ｃｍ 土层内拥有的水分含量总体远高于ＣＫ。对各层相关分析表明,取样层次、取样阶段、覆膜与含水率存在显著关系;Ｍ 条件下,水分呈连续体,在补给、平衡能力方面显著高于ＣＫ,从而保证了小麦的生长。该技术能够显著提升中、深层土壤水分,有效保蓄土壤水分,从而增强小麦抗旱能力;其对旱地冬小麦生产或可产生较大的影响,值得进一步深入研究。较之以往雨养旱区小麦覆膜技术有突破,即全生育期全地面平作覆膜、膜上覆土１～２ｃｍ、一膜多年连用、免耕,解决了苗穴错位、前期低温有碍生长、后期高温逼熟问题,达到变无效降水为一部分或绝大部分有效、高效保墒、增温提墒、调动中深层水分的效果。