河北平原中低产区小麦与玉米生产现状及增产潜力分析

本文基于2000—2013年MODIS/NDVI遥感信息与主要粮食作物的统计数据,分析了河北平原中低产区冬小麦和玉米生产的时空格局,并利用各县粮食作物主要生育期累积NDVI的逐年值、14年的最大值及单产统计数据,采用最小二乘法原理,进行数值曲线拟合,构建了单产遥感估测模型,估算了河北平原中低产区冬小麦和玉米的增产潜力。结果表明:1)冬小麦在邯郸和衡水的最大生产力水平较高,在沧州、廊坊及邢台中部的最大生产力水平较低,即后者挖掘增产潜力之后也很难达到前者的最大生产力水平;玉米的最大生产力水平普遍较高,挖掘增产潜力后均可达到较高的生产力水平。2)冬小麦和玉米总产增产潜力在沧州和邯郸较大;冬小麦单产增产潜力多低于10%,平均增产356 kg?hm?2(5.87%);玉米单产增产潜力多高于10%,平均增产798 kg?hm?2(12.33%);单产增产潜力区域分布不同,冬小麦为廊坊保定沧州邯郸邢台衡水,玉米为邢台邯郸保定沧州衡水廊坊。3)以河北平原近14年来作物累积NDVI的最大值估算的全区冬小麦增产潜力为3.90亿kg,玉米增产潜力为9.62亿kg,二者合计可增产13.52亿kg,约相当于区域冬小麦和玉米理论可达增产潜力的1/5。本文估测粮食作物增产潜力的方法可以应用于估测多尺度范围、不同作物的增产潜力,研究结果可为相关部门的决策和管理提供依据。     

基于无人机数码影像的冬小麦叶面积指数探测研究

叶面积指数(LAI)是评价作物长势的重要农学参数之一,利用遥感技术准确估测作物叶面积指数(LAI)对精准农业意义重大。目前,数码相机与无人机系统组成的高性价比遥感监测系统在农业研究中已取得一些成果,但利用无人机数码影像开展作物LAI估测研究还少有尝试。为论证利用无人机数码影像估测冬小麦LAI的可行性,本文以获取到的3个关键生育期(孕穗期、开花期和灌浆期)冬小麦无人机数码影像为数据源,利用数字图像转换原理构建出10种数字图像特征参数,并系统地分析了3个生育期内两个冬小麦品种在4种氮水平下的LAI与数字图像特征参数之间的关联性。结果表明,在LAI随生育期发生变化的同时,10种数字图像特征参数中R/(R+G+B)和本文提出的基于无人机数码影像红、绿、蓝通道DN值以及可见光大气阻抗植被指数(VARI)计算原理构建的数字图像特征参数UAV-based VARIRGB也有规律性变化,说明冬小麦的施氮差异不仅对LAI有影响,也对某些数字图像特征参数有一定影响;在不同条件(品种、氮营养水平以及生育期)下的数字图像特征参数与LAI的相关性分析中,R/(R+G+B)和UAV-based VARIRGB与LAI显著相关。进而,研究评价了R/(R+G+B)和UAV-based VARIRGB构建的LAI估测模型,最终确定UAV-based VARIRGB为估测冬小麦LAI的最佳参数指标。结果表明UAV-based VARIRGB指数模型估测的LAI与实测LAI拟合性较好(R2=0.71,RMSE=0.8,P0.01)。本研究证明将无人机数码影像应用于冬小麦LAI探测是可行的,这也为高性价比无人机遥感系统的精准农业应用增添了新成果和经验。     

华北平原典型冬小麦农田生态系统能量平衡与闭合研究

准确量化分析地气之间的物质和能量交换对于水资源管理和农业可持续发展是十分重要的。能量平衡闭合是评估观测数据准确性和分析地表能量平衡的一个重要的评价指数。本研究利用开路涡度相关系统和全要素自动气象站对华北平原典型冬小麦农田生态系统2013—2014年度的能量通量及常规气象要素进行了连续观测,分析了冬小麦农田各能量通量的日变化和年变化特征,计算冬小麦在4个生育时期(出苗期、越冬期、拔节期和灌浆期)的能量闭合和波文比。结果表明:在日尺度上,选取的4个生育时期净辐射和各能量分量的日变化趋势均为单峰二次曲线,净辐射、显热通量和潜热通量的峰值出现在12:00—13:00,土壤热通量的峰值出现在14:00—15:00。在年尺度上,净辐射和潜热通量的变化趋势较为一致,均在越冬期达到最低值114.51 W·m~(-2)和13.47 W·m~(-2),而在灌浆期达到最大值327.02 W·m~(-2)和116.56 W·m~(-2)。选取的4个生育时期的代表性观测日期能量闭合良好,能量闭合率分别为0.49、0.77、0.81和0.76。4个生育时期内波文比值日变化趋势均呈倒"U"型,出苗期波文比在14:00达到最大值2.12;越冬期、拔节期和灌浆期在10:00左右达到最大值,分别为1.48、0.31和0.58。本文的定量化结果可为华北平原农田生态系统水热通量等研究提供依据。     

冬季抗旱措施对小麦耗水特征与生育性状的影响

在2010—2011年小麦生长季节降水量为47.7 mm条件下,采用冬季抗旱处理时期(1月28日、2月12日、2月27日)、冬季抗旱措施与春一水灌水量组合(冬季喷灌+春一水灌水量75 mm、漫灌措施+春一水灌水量75 mm,冬季覆盖牛粪措施+春一水灌水量90 mm)2因素设计,研究了河北低平原区高产条件下冬小麦耗水特征和生育性状。结果表明:各处理的小麦全生育期总耗水量为384.93~464.24 mm,产量水分利用效率为15.23~20.87 kg·hm-2·mm-1。播种到越冬期和起身到灌浆期是小麦耗水量较大的时期。同一处理时期不同水肥措施下,随灌水量的增加,耗水量有增加趋势,水分利用效率与灌溉水利用效率有降低趋势;其中以牛粪覆盖措施小麦产量和灌水利用效率最高,喷灌措施小麦产量水分利用效率高于漫灌。同期不同水肥措施对小麦干物质再分配的影响表现为:牛粪覆盖措施和对照促进了小麦开花前营养器官贮存的同化物向籽粒再分配,喷灌和漫灌提高了小麦开花后干物质积累量和籽粒中来自花后积累干物质的比例。不同处理时期同一水肥措施比较,随处理时期推迟籽粒产量有增加趋势。以上结论可为指导小麦冬季田间旱情补救措施提供理论依据。     

冀京津冬小麦灌溉需水量时空变化特征

利用冀京津地区20个气象站点1961-2010年气象资料和1980-2009年冬小麦生育期资料,采用美国农业部土壤保持局推荐方法计算有效降水量,同时利用FAO推荐的Penman-Monteith方法计算冬小麦全生育期和4个主要生育阶段的需水量,并对冬小麦生育阶段灌溉需水量进行探讨。结果表明,过去50a来,冀京津冬小麦生育期内有效降水量呈增加趋势,空间上呈经向分布特点,表现为从西向东梯状增加的趋势。而冬小麦的需水量呈减少趋势,其中抽穗-乳熟期减少幅度最大,全生育期需水量的空间分布呈带状特征,全区差异较大。抽穗-乳熟期分布由东南向北递减。为满足冬小麦需水要求,全生育期灌溉需水量为291~381mm,灌溉需水量较多的地区为沧州市和衡水市一带。其中需水较多的生育阶段为拔节-抽穗期和抽穗-乳熟期。在空间上,拔节-抽穗期灌溉需水量以沧州市为中心,向南北两侧递减;抽穗-乳熟期灌溉需水量南高北低,有明显的带状分布特征。研究结果可为冀京津冬小麦适时定量灌溉和提高水分利用效率提供基础数据支撑。     

气候变化对河南省主要农作物生育期的影响

利用河南省7个农业气象观测站1981-2004年冬小麦、夏玉米的生育期观测资料和同期的气象资料,分析了这两种作物主要生育期的变化趋势及对气候变化的响应。结果表明:河南省冬小麦自返青到成熟的各生育期均表现出提前的趋势,其中以拔节期提前最明显;冬小麦全生育期缩短,存在1.3d/10a的总减少趋势;相关分析显示导致冬小麦生育期提前的主要原因是2-5月平均气温的上升和3月日照时数的增加。夏玉米所有生育期都表现出延迟的趋势,以成熟期延迟程度最大;夏玉米全生育期天数呈现出显著增加的趋势,增加速率为2.1d/10a;6-9月总降水量减少是造成夏玉米生育期延迟的主要原因。     

华北低山丘陵区冬小麦田土壤呼吸变化规律及其影响机制

利用2005年11月-2006年6月由Li-8100土壤呼吸自动观测系统及AR5土壤温度湿度自动观测系统观测数据,分析了华北低山丘陵区冬小麦田土壤呼吸变化规律及其影响机制。结果表明:(1)冬小麦返青前后的土壤呼吸速率(SRR)在晴或多云天气条件下都要高于阴天,SRR的日变化都表现为单峰变化趋势。(2)冬小麦生育期SRR的日际变化特征为:返青前SRR保持在较低水平,平均为0.63μmol.m-.2s-1;返青后SRR迅速增加,至抽穗期达到最大,此后保持稳定,平均为2.18μmol.m-.2s-1;收割后SRR降低。整个生育期SRR的平均值为1.28μmol.m-.2s-1。(3)冬小麦田浅层土壤温度(包括地表温度、地下5cm、10cm、15cm、20cm土壤温度,p<0.01)与SRR间都存在显著的指数关系,其中20cm土壤温度与SRR相关性最好,Q10值(5~20℃间气温每增加10℃呼吸增加的倍数)从表层至地下20cm依次为:2.09、2.29、2.39、2.51、2.63;土壤含水量过低对土壤呼吸有抑制,当土壤含水率在20%~30%时,SRR主要受土壤温度影响,与土壤含水量的关系不显著。     

不同pH和供Zn条件下HCO_3~-对冬小麦幼苗生长和锌营养的影响

采用营养液培养法,研究了不同pH和供Zn条件下高浓度HCO3-(10 mmol L-1)对小麦幼苗生长,尤其是对锌营养的影响,结果表明:当营养液起始pH为6时,HCO3-在缺Zn时对小麦根系生长的抑制作用较为明显,而正常供Zn时的影响较小。当营养液起始pH为8时,不论缺Zn还是供Zn,添加HCO3-对根系和地上部均未表现出明显的抑制作用。HCO3-在酸性营养液中能极大促进小麦植株根系和地上部尤其是根系对Zn的吸收,而在碱性条件下则抑制小麦幼苗根系和地上部对Zn的吸收。此外,HCO3-能显著抑制Zn从根系向地上部分的转运,从而造成在根系中的大量积累。HCO3-加入营养液后会生成少量的CO32-,并使营养液pH维持在较高水平上。     

Diesel and glyphosate price changes benefit the economics of conservation tillage versus traditional tillage

Recent increases in diesel price and decreases in glyphosate [N-(phosphonomethyl) glycine] price should favor the profitability and farmer acceptance of herbicide-intensive conservation tillage systems versus fuel-intensive traditional tillage (TT) systems. Profitability results from a long-term field experiment that compared TT, minimum tillage (MT), and delayed minimum tillage (DMT) systems for winter wheat–(Triticum aestivum L.)summer fallow in eastern Washington, USA were calculated using both 1998 and 2005 input prices. Net returns for the MT and DMT systems increased by US$ 6.37 and 6.30 (rotational ha)⁻¹, respectively, and net returns to the TT system decreased by US$ 2.36 (rotational ha)⁻¹ when 2005 versus 1998 prices were used. Here, rotational ha equals 0.5 ha fallow and 0.5 ha wheat. Focusing on the dominant crop of soft white winter wheat (SWWW), the 2005 price hikes pushed diesel costs up for all systems, from US$ 6.81 (rotational ha)⁻¹ for DMT to US$ 9.00 (rotational ha)⁻¹ for TT. The cost of diesel for the conservation tillage systems, relative to the cost for TT, decreased by US$ 1.50–2.20 (rotational ha)⁻¹. The conservation tillage systems accrue greater savings from the price reduction in glyphosate because they consume more of this herbicide. An unanticipated result was that relative cost savings from price changes in N fertilizer rivaled those from diesel and glyphosate because anhydrous NH₃–N was exclusively used in the experiment for TT and aqueous NH₃–N for MT and DMT. The price of anhydrous NH₃–N increased from US$ 0.55 kg⁻¹ in 1998 to 0.85 kg⁻¹ in 2005, a 56% increase. Aqueous NH₃–N only increased from $0.75 kg⁻¹ in 1998 to 0.85 kg⁻¹ in 2005, a 15% increase. The greater price increase for anhydrous NH₃–N penalized the TT system because of its use of this fertilizer. If the same source of N fertilizer were used on all three tillage systems, this fertilizer cost effect would disappear. Nonetheless, the conservation tillage systems still retained a statistically significant profitability advantage over TT even if the same fertilizer was used throughout. The sharp price increase for diesel and the concurrent price decrease for glyphosate herbicide favored the conservation tillage systems over TT in this study. Results provide strong evidence for the superior profitability of conservation tillage winter wheat–summer fallow under current economic conditions.     

Soil freeze-thaw cycle experiments: Trends, methodological weaknesses and suggested improvements

Although freeze-thaw cycles can alter soil physical properties and microbial activity, their overall impact on soil functioning remains unclear. This review addresses the effects of freeze-thaw cycles on soil physical properties, microorganisms, carbon and nutrient dynamics, trace gas losses and higher organisms associated with soil. I discuss how the controlled manipulation of freeze-thaw cycles has varied widely among studies and propose that, despite their value in demonstrating the mechanisms of freeze-thaw action in soils, many studies of soil freeze-thaw cycles have used cycle amplitudes, freezing rates and minimum temperatures that are not relevant to temperature changes across much of the soil profile in situ. The lack of coordination between the timing of soil collection and the season for which freeze-thaw cycles are being simulated is also discussed. Suggested improvements to future studies of soil freeze-thaw cycles include the maintenance of realistic temperature fluctuations across the soil profile, soil collection in the appropriate season and the inclusion of relevant surface factors such as plant litter in the fall or excess water in the spring. The implications of climate change for soil freeze-thaw cycles are addressed, along with the need to directly assess how changes in soil freeze-thaw cycle dynamics alter primary production.