节水灌溉下复合微生物有机肥对水稻光合与产量的影响

为研究寒地黑土区节水灌溉配施复合微生物有机肥对水稻光合特性及产量的影响,在节水灌溉条件下设置了4个复合微生物有机肥施用水平:OF20(20 kg/hm~2)、OF40(40 kg/hm~2)、OF60(60 kg/hm~2)和OF80(80 kg/hm~2),同时以单施无机肥为对照(CK)处理,研究水稻光合特性及其产量的变化趋势。结果表明:随着复合微生物有机肥施用量的增加,水稻各生育时期的叶片净光合速率(P_n)、最大光化学量子效率(F_v/F_m)、反应中心的潜在活性(F_v/F_o)以及光化学系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心激发能捕获效率(F_(v')/F_(m'))均呈先升、后降的趋势;在抽穗期和乳熟期,实际光化学量子效率(Φ_(PSⅡ))和光化学荧光淬灭系数(q_P)均随复合微生物有机肥施入量的增加先增大、后减小,在OF60处理时达到最大值,且均高于CK处理;气孔限制值(L_s)随着复合微生物有机肥施用量的增加,先减小后增大,且低于CK处理;非光化学荧光淬灭系数(q_N)在不同复合微生物有机肥施用量处理下并无显著差异;施加复合微生物有机肥处理的水稻产量高于CK处理,其中OF60处理产量最高,且米质优于CK处理。综合分析,施用60 kg/hm~2复合微生物有机肥处理效果最佳,研究结果可为寒地黑土区节水灌溉条件下合理配施复合微生物有机肥提供理论依据和参考。     

Experimental study on radiation utilization efficiency and soil temperature in paddy field with different irrigation methods in Northeast China

Paddy and Water Environment - In order to investigate the radiation utilization efficiency and soil temperature with different irrigation methods in cold region and black glebe, northeast, China,...     

Evaluation of different irrigation methods based on deep evaluate model named IMDEM

To reduce the consumption of agricultural irrigation water, which is the most part of the total water consumption, choosing the most efficient irrigation method is the best way to save agriculture water. Different from the former studies, a comprehensive evaluation method named Irrigation Method Deep Evaluation Model (IMDEM) was proposed to evaluate irrigation methods of farmland. IMDEM consists of two parts: indicator screening and Deep Evaluate Model. In the first stage, to screen the preliminary indicators and select final indicators which were used for evaluating different irrigation methods, a method named GApriori consisting of generative adversarial network (GAN) and Apriori algorithm was presented. In the second, to choose the most efficient irrigation method, Deep Evaluate Model, which includes GAN and convolutional neural network (CNN). From 2017 to 2019, field experiments were carried out in the semi-humid area in Heilongjiang Province in China. Irrigation methods during the experiment period were chosen control irrigation, wet irrigation, and flood irrigation. And 14 preliminary indicators were summarized in yield and yield components, agronomic characters, photosynthetic characteristics, and resource use efficiency. IMDEM results show that accuracy, macro-average precision rate, macro-average recall rate, and macro-average F1 value were 79%, 81%, 81%, and 79%, respectively. Additionally, after evaluated by IMDEM, control irrigation is the most suitable irrigation method in the semi-humid area of Heilongjiang Province in China. Different from former studies, IMDEM has three contributions: (1) Due to data acquisition difficulty and less data volume in the field experiment, former studies have used many replicate experiments to obtain data. Therefore, the IMDEM proposed in this paper was used GAN to generate a large amount of real-fake data for training the evaluation model. (2) Different from the traditional indicator screening methods that calculate the contribution of each indicator. The IMDEM screening indicators by counting the frequency and association relationship of indicators appearing in each sample. (3) Different from the traditional evaluation method of farmland irrigation methods that only compares rice growth period data. This paper proposed the IMDEM for comprehensive evaluating irrigation methods. And IMDEM has high accuracy for the level prediction of generated data.

     

节水灌溉下不同氮肥施加对稻米品质变异性的影响

为探讨黑土区不同氮肥施加对稻米品质及变异性影响,在节水灌溉条件下以0、60、85、110、135、160 kg/hm~2氮肥处理的典型黑土区水稻生长基质为例,采用水稻成熟期蛋白质含量、直链淀粉含量、垩白度3个主要品质指标田间系统采样数据为研究对象,运用地统计学原理探讨了水稻3个品质指标的变异性,并建立了半变异函数模型。结果表明:不同施氮量不仅能够促进稻米品质的改善,而且可以改变田间区域内稻米品质的变异性,除垩白度和不施氮肥处理的蛋白质含量属中等变异外,其他处理下的水稻3个品质指标均属于弱变异。3个指标中直链淀粉含量正相关范围最大,大于蛋白质含量和垩白度正相关范围,表明黑土区不同氮肥管理对直链淀粉含量变异结构影响最大。同时随着施氮量的增加,土壤中硝态氮和铵态氮呈先增加后减小的变化趋势,不同施氮量土壤硝态氮和铵态氮含量的变化与稻米品质变异强度的顺序恰好相反,由大到小为WS0、WS60、WS85、WS160、WS135、WS110,通过相关性分析得出硝态氮对稻米品质变异性起主导作用,表明不同氮肥的施加可以通过改变土壤中硝态氮和铵态氮的含量进而对稻米品质变异性有一定的影响。综合来看最佳氮肥施用量为110 kg/hm~2,水稻3个品质指标及其生长基质均具有较好的区域化特征和空间结构。同时引入地统计学理论不仅弥补了经典统计分析的不足,而且可为水肥—土壤—作物系统信息进行空间结构和定量化研究提供理论依据。     

15N示踪分析节水灌溉下水稻对不同时期氮肥的吸收分配

为揭示节水灌溉下水稻对肥料氮素吸收利用情况,利用~(15)N示踪技术分别标记施用的基氮肥、蘖氮肥、穗氮肥,将传统淹水灌溉作为对照,研究了稻作控制灌溉模式下成熟期水稻基肥、蘖肥、穗肥氮素的积累量及各时期肥料氮素在水稻地上部各器官的分布情况,并对比研究了两种灌溉方式不同施氮水平下的各期肥料利用率。试验结果表明:稻作控制灌溉模式较传统淹水灌溉显著提高了水稻地上部干物质积累量、氮素总积累量及产量,起到了"节水、高产"的作用;不同施氮量下水稻氮素总积累量中肥料氮素的占比约为16.49%~22.23%,不同灌溉方式之间差异并不显著;不同施氮水平控制灌溉处理水稻的肥料氮素总利用率为31.82%~36.29%、基肥氮素利用率为10.91%~15.36%、蘖肥氮素利用率为34.84%~36.90%、穗肥氮素利用率为55.78%~63.85%,稻作控制灌溉模式下除水稻对基肥氮素的利用率较低外,肥料氮素总利用率、蘖肥和穗肥氮素利用率均优于传统淹水灌溉,肥料氮素得到了高效利用,降低了肥料氮素残留引起环境污染的风险,相关性分析表明:肥料氮素的总利用率与蘖肥和穗肥氮素利用率呈极显著正相关,研究结果可为进一步提高稻作控制灌溉条件下肥料氮素利用率提供理论依据。     

水氮管理模式下水稻碳氮吸收、土壤呼吸与产量效应

在大田试验下,设置控制灌溉和全面淹灌2种水分管理模式,并设置6个施氮水平(0、60、85、110、135、160 kg/hm2),研究不同水氮管理模式对水稻不同器官的碳、氮含量和土壤呼吸速率的影响,同时测定不同处理的水稻产量。研究结果表明:水稻不同器官的碳、氮含量和土壤呼吸速率在控制灌溉条件下均大于全面淹灌。不同器官含碳量变化相类似但不完全一致,随着施氮量的增加,各处理之间与对照相比,升降幅度不显著(P0.05)。随着施氮量的增加,不同器官含氮量递增,施氮量在135、160 kg/hm2处理与对照相比,增加幅度较其他处理显著(P0.05),而同一处理随着生育期的进行,含氮量呈下降趋势。但就不同器官碳氮比而言,135、160 kg/hm2处理明显小于其他处理(P0.05)。综合说明氮肥的高投入并不利于水稻植株的碳氮积累代谢与分配。通过对不同处理土壤呼吸速率分析可知,110 kg/hm2处理在2种水分处理条件下的土壤呼吸速率均大于其他施氮量处理。在综合考虑产量的前提下,C110处理为最佳的水肥耦合模式。该研究可为黑龙江冷凉区水稻节水增产、氮素减排提供技术依据。     

水肥耦合对水稻生长土壤呼吸与无机氮的影响

为研究不同灌水方式配施腐植酸肥对水稻干物质转运、碳含量和土壤呼吸速率以及无机氮含量的影响,在大田试验条件下设置了3种灌水方式（控制灌溉、淹灌和浅湿灌溉）和5种施肥方式（100%尿素（T1,为当地传统施肥方式,纯氮量110kg/hm2）、30%腐植酸肥+70%尿素（T2）、50%腐植酸肥+50%尿素（T3）、70%腐植酸肥+30%尿素（T4）和100%腐植酸肥（T5,1500kg/hm2）),共计15个试验处理,并对水稻的抽穗后期干物质转运、成熟期水稻各器官的碳含量以及土壤呼吸速率和无机氮含量进行观测。结果表明：水肥处理影响了水稻的干物质转运、碳含量和土壤呼吸速率以及氮素形态的积累,在CT5、WT5和FT5处理下水稻抽穗后期茎叶干物质转运相比较其他水肥处理,具有显著优势,且在成熟期各器官的碳含量也相对较大;随着腐植酸肥的增加,3种灌水方式下的土壤呼吸速率逐渐增大,控制灌溉不同施肥处理下的土壤呼吸速率大于淹灌和浅湿灌溉,而淹灌和浅湿灌溉各处理之间的差异不显著;腐植酸肥的增加,提高了土壤铵态氮和硝态氮含量,并在CT5处理下达到最大值。因此,控制灌溉下施加1500kg/hm2腐植酸肥,能够提高水稻的生长和改善土壤的呼吸和无机氮含量,综合考虑CT5处理为最佳的水肥模式。     

基于Δ13C的不同水氮管理对水稻水分利用效率的影响

为揭示不同水氮管理的水稻叶片水分高效利用机理,基于作物生长发育过程中发生的碳同位素分馏效应对作物的长期水分利用效率的指示特性,研究了不同水氮管理对水稻叶片气体交换参数、叶片瞬时水分利用效率(LWUEins)、内在水分利用效率(LWUEint)和碳同位素分辨率(Δ~(13)C)的影响,分析了不同水氮管理下水稻叶片Δ~(13)C与叶片水分利用效率关系。结果表明:稻作控制灌溉模式下配施适量氮肥可以提高水稻叶片气孔导度(Gs),促进叶片胞间与外界气体交换,提高叶片净光合速率(Pn),维持较高的LWUEins、LWUEint,过量施氮会增加水稻对水分亏缺的敏感性,使水稻Gs降低,不利于叶片尺度水分的高效利用;抽穗开花期控制灌溉模式下施氮量较高时叶片水分利用效率较大,同一施氮量处理控制灌溉水稻LWUEins、LWUEint和WUE均高于淹水灌溉,起到了节水高产的效果。通过统计分析可知,不同水氮管理下抽穗开花期水稻叶片Δ~(13)C与LWUEins、LWUEint和WUE均呈负相关,叶片Δ~(13)C对LWUEint的指示性优于LWUEins,且在控制灌溉下叶片Δ~(13)C与LWUEins、LWUEint的相关性较淹水灌溉更为显著;拔节孕穗期及抽穗开花期水稻叶片Δ~(13)C可以很好地表征水稻WUE。结果表明,通过测定水稻不同时期叶片Δ~(13)C能够为预测不同水氮调控下水稻水分利用效率提供参考。     

基于稳定碳同位素的寒地黑土区玉米水分利用效率研究

为了进一步探究不同灌溉制度对寒地黑土区玉米水分利用效率(WUE)的影响,以玉米大田试验数据为基础,研究了玉米耗水规律以及叶片和产量水平的水分利用效率的变化规律,寻找符合东北地区玉米节水高产要求的灌水方案。同时研究了玉米叶片和籽粒碳同位素分辨率(Δ13C)与不同水平水分利用效率的关系,验证了玉米稳定碳同位素分辨率对作物不同水平水分利用效率的指示作用。研究结果表明,全生育期灌溉定额为800 m3/hm2,灌水4次时玉米产量最高为14 920.62 kg/hm2,但此时产量水平水分利用效率(WUEy)较低;全生育期灌溉定额为600 m3/hm2,灌水4次时玉米WUEy最大为3.74 kg/m3,但产量偏低,综合考虑产量和水分利用效率,得出符合该地区玉米节水高产要求的灌水方案为全生育期灌水800 m3/hm2,灌水3次(苗期、拔节期、抽雄期),此时玉米WUEy为3.65 kg/m3,产量较最大值未发生明显下降。拔节期玉米叶片碳同位素分辨率(ΔLB)、成熟期叶片碳同位素分辨率(ΔLC)和籽粒碳同位素分辨率(ΔF)变化范围分别为0.451%~0.542%、0.505%~0.598%、0.496%~0.526%。叶片碳同位素分辨率(ΔL)、ΔF与瞬时水分利用效率(WUEi)、内在水分利用效率(WUEn)、WUEy均呈负相关,ΔL与WUEn的相关性优于其与WUEi的相关性,ΔF对WUEy指示作用优于ΔL对WUEy的指示作用,玉米ΔL、ΔF可分别作为指示WUEn和WUEy的重要指标。研究结果可为东北地区玉米生产提供理论支持及数据参考。     

不同水氮管理下玉米叶片衰老对氮转移效率的影响

为阐明不同水氮管理模式下玉米叶片衰老过程对玉米中氮素转移的影响,进行了大田试验,通过设置3个灌溉水平（150、300、450m3/hm2）和4个施氮水平（0、180、220、260kg/hm2）,探究不同水氮组合下玉米叶片衰老启动时间、叶片衰老速率、最大绿叶衰减速率出现时间及叶片衰老过程对叶片氮转移效率和籽粒灌浆过程的影响。结果表明：各处理叶片衰老启动时间均发生在吐丝后10d左右,其受灌水和施氮影响较小;在灌水充足条件下,增加施氮量可以降低叶片衰老速率,延长最大绿叶衰减速率出现时间;施氮量相同时,随灌水量增加吐丝期叶片氮素积累量呈先增加、后减小的趋势;在一定范围内,叶片氮转移效率随最大绿叶衰减速率出现时间的增加而提高,最高可提升25.78个百分点;籽粒灌浆速率呈先慢后快、最后趋于平缓的变化规律,且在吐丝后30～40d达到最大,延缓叶片衰老速率有助于提高百粒质量;当灌水量为300m3/hm2、施氮量为260kg/hm2时,最大绿叶衰减速率出现时间为吐丝后48.90d,叶片氮转移效率最高,百粒质量最大,是最佳灌水、施氮组合。