基于作物需水与自然降水适配度的湖南省防旱避灾种植制度优化

季节性干旱对湖南省农业生产造成很大影响,明确防旱避灾种植制度,可为指导当地农业生产提供科学依据。基于湖南省代表站点1981-2007年的气候数据和作物生育期资料,依据干燥度和地形地势特点,划分不同类型区,并在各区域内选取代表站点和代表性种植制度,采用FAO推荐的分段单值平均作物系数法订正了作物系数。比较了主要种植制度的作物需水与自然降水适配度及作物需水与自然降水适配度保证指数,确定了湖南省基于自然降水的防旱避灾种植制度。研究结果表明:各区域基于自然降水资源的防旱避灾种植制度分别为:(1)湘中偏北湿润中低海拔地形复杂区和湘东北半湿润中低海拔山地丘陵区为麦-稻和薯-稻种植模式;(2)湘北半湿润低海拔平原区为油-棉、油-稻和豆-稻种植模式;(3)湘东偏北半干旱低海拔平原与盆地丘陵过渡区为油-苕、油-棉和油-稻种植模式;(4)湘东南较干旱中低海拔丘陵区为油-稻、麦-稻和薯-稻种植模式;(5)中南部较干旱中低海拔盆地区为油-稻和油-棉种植模式;(6)湘西北较湿润中高海拔中山低山区为薯-稻和油-苕种植模式;(7)湘西南较湿润中高海拔丘陵区为油-苕、油-稻、麦-稻和薯-稻种植模式;(8)湘西干旱高海拔山地丘陵区为油-苕和油-棉种植模式。     

江淮地区不同水旱轮作模式的资源利用效率与经济效益比较

江淮地区是中国主要的二熟制耕作区,水旱轮作是该区典型种植模式。本研究依托安徽庐江国家现代农业示范区试验基地,设置小麦-水稻、油菜-水稻和休闲-水稻3种种植模式,比较了2016—2018年不同模式作物周年产量、积温利用率、氮磷钾养分利用率和经济效益。结果表明:麦稻模式周年平均产量比油稻模式和休闲-水稻模式分别高4018和5767 kg·hm~(-2);三种模式水稻季产量差异不显著,差异主要来自冬季作物,小麦平均产量是油菜的3倍以上;在经济效益上,麦稻模式的净收益最高,平均净收益比油稻模式和休闲-水稻模式分别高6246和5182元·hm~(-2),增幅分别为59.69%和44.95%;受气候、病害影响,油稻模式年季间收益相差较大;在积温利用上,油稻模式的积温利用效率最高,比麦稻模式和休闲-水稻模式分别高9.98%和39.33%;在养分利用方面,麦稻模式的养分利用效率最低,其氮磷钾的两年平均养分平衡指数均显著高于其他两种模式,休闲-水稻模式的氮素利用率最高,油稻模式的磷钾利用率最高。综上,在经济效益方面,油稻模式显著低于麦稻模式,但油稻模式的有效积温利用率高,环境风险小。提高油菜机械化生产水平是促进油稻模式发展的关键所在。此外,冬季闲田光热浪费严重,亟待筛选出适应力强、环境友好的冬季填闲作物。     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅵ.防旱避灾种植模式优化布局

南方地区是我国重要的农业种植区,季节性干旱严重影响该地区的农业生产.本文基于南方地区不同干旱分区中选取的13个典型地区1981-2007年气象资料和作物生育期、产量等资料,依据各地逐年降水量将其分为干旱年、正常年和丰水年3种不同降水年型,利用作物水分临界期需水量与降水量的耦合度、气象产量、单位面积产值以及全生育期的水分利用效率和降水量5个指标,对典型地区种植模式的综合效益进行评价,得到南方不同区域不同降水年型下的优化种植模式.结果表明: 半干旱区在干旱年型下,宜采取2种抗旱种植模式：马铃-玉米-甘薯和冬小麦-中稻-甘薯.半湿润区在干旱年型下,种植模式以冬小麦-中稻-甘薯最优,油菜-中稻-甘薯次之.在温润区(即典型的季节性干旱区),江南地区在3种年型下均以马铃薯-双季稻最优;西南地区宜搭配抗旱作物进行三熟制种植,如冬小麦-中稻-甘薯、冬小麦-玉米-甘薯、马铃薯-双季稻等.从最大程度利用水热资源角度考虑,三熟种植模式最优,以水旱轮作为主,丰水年型宜搭配水稻.     

气候变化对甘肃省粮食生产的影响研究进展

甘肃省气候自1986年起向整体暖干化、局部暖湿化转型突变.与1960年相比,转型后2010年平均气温升高了1.1 ℃,平均降水量减少了28 mm,干旱半干旱区南移约50 km.气候变暖使甘肃省主要作物生育期有效积温增加,生长期延长,熟性、布局和种植制度改变,宜种区和种植海拔增加,多熟制北移,夏粮面积缩小,秋粮面积增大.弱冬性、中晚熟品种逐步取代强冬性、中早熟品种,有利于提高光温利用率,增加产量.暖湿型气候增加了绿洲灌区作物的气候生产力,暖干型气候降低了雨养农业区的气候产量,水分和肥力条件是决定因素.以提高有限降水利用率和利用效率、改善和提升土壤质量及肥力为核心,选育强抗逆、弱冬性、中晚熟、高水分利用效率的作物新品种,建立适温、适水的种植结构和种植制度,是甘肃省应对气候变化进行粮食生产的主要发展方向.     

不同保护性耕作措施对旱作农田土壤水分的影响

研究了黄土高原西部旱农区传统耕作措施和五种保护性耕作措施对土壤水分垂直分布、动态变化、作物耗水量、水分利用效率及作物产量的影响。结果表明,不同保护性耕作措施对表层0~10cm土壤水分含量影响较大,免耕秸秆覆盖(NTS)在作物播种期可以显著增加播种期表层土壤含水量。0~200cm土壤剖面贮水量年变化分春夏作物旺盛生长失墒期(5月中旬~7月中旬)、夏秋雨季增墒期(7月中旬~10月下旬)和冬春稳墒期(11月~翌年5月上旬)3个阶段。尽管不同保护性耕作措施对0~200cm剖面贮水量影响不大,但作物耗水量却存在显著差异。免耕秸秆覆盖在增加作物耗水量的同时也提高了作物产量以及水分利用效率。地膜覆盖在有些年份也有利于降水的高效利用和作物产量的提高,但与秸秆覆盖相比不利于土壤肥力的持续提高。而且,如果种植小麦,出苗前若一次性降水较多时地膜覆盖将造成严重板结,影响出苗,进而降低产量和水分利用效率。因此,在黄土高原西部旱农区实施免耕 秸秆覆盖的保护性耕作措施,既有利于作物对有限降水的高效利用,提高作物产量,也可以促进农业可持续发展。     

夏闲期轮耕对小麦田土壤水分及产量的影响

2007-2010年在宁南旱区研究了夏闲期免耕/深松/免耕(T1)、深松/免耕/深松(T2)、连年翻耕(CT)3种耕作方式对麦田土壤水分及产量的影响.结果表明:经过3年夏闲期T1和T2处理后,农田土壤蓄水效率平均分别较连年翻耕处理提高15.2％和26.5％;T1和T2处理的降水潜在利用率较高,分别达到37.8％和38.5％,降水生产效率平均分别较连年翻耕处理提高9.9％和10.7％.夏闲期轮耕能显著降低休闲期的土壤无效蒸发,有效保蓄小麦生长期的土壤水分.在冬小麦生长前期,T1和T2处理0～200 cm土层土壤水分平均分别较连年翻耕处理增加6.8％和9.4％;在拔节-抽穗-灌浆期,与连年翻耕处理相比,两处理可显著提高0 ～ 200 cm土层土壤蓄水量,对作物产量的贡献率较高.不同轮耕模式在增加作物耗水量的同时也提高了作物产量及水分利用效率,与CT处理相比,3年T1和T2处理作物耗水量平均分别提高5.2％和6.1％,产量分别增加9.9％和10.6％,作物水分生产效率分别提高4.5％和4.3％.相关分析表明,在干旱缺水的宁南地区,冬小麦播种期、拔节-抽穗-灌浆期的土壤蓄水量可显著影响产量,尤其抽穗期的土壤蓄水量对产量的影响更大.     

基于时序植被指数的华北地区作物物候期/种植制度的时空格局特征

随着气候变化对农业系统的影响不断加剧,为保障粮食安全,须掌握变化中的自然与人文因素,而农业生态系统中变化最为明显直观的是农作物物候特征,如何提取大区域尺度上农作物物候期以及种植制度的时空格局特征,是评价区域粮食安全的重要因素.基于多时相遥感信息可以有效反映年内/年际农作物物候特征变化的原理,首先利用近10a来的SPOT/VGT-NDVI时间序列数据,在进行数据序列平滑重构处理基础上,提取了华北地区农作物典型物候期的数量分布与空间格局特征;然后,基于上述物候期的分异特性建立了一年一熟和一年二熟等种植制度类型的遥感识别标志;最后,重点分析了上述种植制度的空间格局及其时间波动特征,并利用农业统计资料对提取结果进行了简单验证.分析结果表明,作物物候期特征的数量分布和空间分布在不同生长季均具有显著差异,直接体现了与外界环境条件(诸如区域温度、降水和光照等)的匹配程度以及作物类型自身的生长特征;从主要种植制度空间分布来看,华北地区南部地区农作物类型以夏收作物和二熟秋收作物为主,与之对应的农田种植制度以一年两熟为主;华北地区北部主要为一熟制区域,作物类型以一年一熟秋收作物为主,作物种植制度空间分布随着纬度递减呈现出简单到复杂的总体趋势;从近10a的种植情况来看,一年一熟作物种植面积最大,年际变化幅度亦较大,一年二熟的夏收作物种植比例次之,而年际变幅最小,二熟秋收作物比例最低,其年际变幅居中.研究中亦提出,在进一步加强多时相遥感技术监测大区域农业生态系统动态变化的同时,亦需深入探讨作物物候特征及种植制度变化的驱动因素及其对国家粮食安全的影响.     

青菜/油菜茬口下水稻栽植方式对温光资源利用和产量的影响

轻简化栽培和优质稻是当前我国水稻生产的主要方向,气象因子是对水稻生长发育和产量形成影响最大的环境因素,但在不同轻简化栽植方式下水稻产量与其田间小气候的关系鲜有研究。为探究西南地区不同前作下杂交稻各生育阶段温、光和水等气候因子与水稻产量形成的关系,在2019—2020年,以杂交籼稻‘宜香优2115'为试验材料,采用两因素裂区设计,主区为青菜和油菜2种前作,副区为机直播、毯苗机插和人工移栽3种栽植方式,研究杂交稻产量对气候因子的响应及水稻植株对温光资源的利用。结果表明: 与油菜-水稻模式相比,青菜-水稻模式下杂交稻积温生产效率和降水生产效率显著提高,进而提高了有效穗数、结实率和千粒重,2年产量分别提高了12.7%和8.3%。与人工移栽相比,机插稻提高了单位面积有效穗数、全生育期光能生产效率、积温生产效率、籽粒光能利用效率和降水生产效率,2年平均产量提高了4.6%;而机直播全生育期降水生产效率、光能生产效率、积温生产效率、籽粒光能利用效率、每穗粒数和千粒重都显著降低,导致2年平均产量下降了8.7%。与2019年相比,2020年机插稻和人工移栽稻在同一茬口下提前一个月播种造成花后生育期缩短、气温降低和降雨量增多,导致有效积温和光辐射量大幅减少,积温生产效率、光能生产效率、降水生产效率和籽粒光能利用效率以及每穗粒数、结实率和千粒重均大幅降低,进而导致产量严重降低。用偏最小二乘法回归分析建立的气象因子产量预报方程标准化回归系数显示,水稻产量与阶段生育期或全生育期内有效积温和总辐射量呈正相关关系,与全生育期内降水量呈显著负相关关系。综上,青菜-水稻模式下机插秧与西南地区稻季光温资源匹配度最高,更有利于温光资源的充分利用和获得高产,但不宜过早播种或移栽。     

川西平原灌区不同水旱轮作模式周年土壤呼吸特征

水旱轮作是川西平原灌区重要的稻田种植模式,为探究本区域不同水旱轮作模式对周年土壤呼吸的影响,在四川崇州设置蒜-稻(GR)、麦-稻(WR)和油-稻(RR)三种水旱轮作模式,采用静态箱-气相色谱法测定不同模式周年土壤呼吸,并同步测定温度、水层高度等水热生态因子。结果表明:三种轮作模式周年土壤呼吸累积排放量表现为GRRRWR,分别为193.36、160.27、157.28 kg/hm~2;土壤呼吸速率日动态规律基本一致,均表现为单峰型变化趋势,最高值出现在12:00—15:00,6—8月的日变幅高于其余月份;土壤呼吸速率季节动态均呈双峰型变化趋势,在6月和9月达到峰值,其中GR模式土壤呼吸速率年均值最高;三种模式土壤呼吸速率均受0—10 cm、10—20 cm土壤温度的显著影响,而与土壤含水量无显著相关性。土壤温度是旱季土壤呼吸速率季节变化的主要影响因素,土壤水层深度和土壤温度共同作用影响了稻季土壤呼吸速率的变化。     

保护性耕作对陇中旱作农田水分特征的影响

陇中旱农区生产力水平低而不稳,而保护性耕作措施是农业可持续发展的重要途径.本研究依托2001年建立在陇中旱农区的长期不同耕作措施的定位试验,研究了不同耕作措施对土壤水分入渗、蒸发、作物产量和水分利用效率的影响.该试验共设6个处理,分别为传统耕作(T)、免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆翻入(TS)、传统耕作+覆膜(TP)、免耕覆膜(NTP),春小麦和豌豆年间轮作.结果表明:与T处理相比, NTS处理的小麦地和豌豆地的土壤容重显著降低,总孔隙度显著增加.保护性耕作措施降低了豌豆地0～5 cm土壤渗吸率,NTS处理渗吸率比T处理降低56.2%.保护性耕作提高了土壤饱和导水率,无论小麦地和豌豆地,NTS均比T处理显著提高了饱和导水率,增幅为52.8%～107.1%.保护性耕作显著降低了作物生育期棵间蒸发量,NTP、TP、NTS比T处理降低了14.4%～50.8%,并减弱了雨后土壤蒸发.保护性耕作提高了作物产量和水分利用效率,NTS、TP、NTP的产量比传统耕作提高了9.5%～62.8%,水分利用效率比传统耕作提高了0.4%～50.9%.因此,在陇中旱农区,保护性耕作措施可以提高水分利用效率,增加作物产量.     

陇东黄土旱塬作物组合系统农田耗水规律研究

本文根据１９８８－１９９１年陇东黄土旱塬作物组合模式（即作物轮作与复种模式）田间试验土壤水分测定资料,对作物组合系统中主要组分作物田间耗水量及其构成特征、变异规律及农田土壤水分的利用程度进行了研究,并探讨了不同作物组合系统的田间耗水量及其构成特征。结果表明,不同作物组合系统的田间耗水量及其构成特征存在明显差异;作物田间耗水量是一个动态变量,因作物种类、降水年型等不同而异,并与生育期有效降水量呈显著正相关;来自播前土壤有效储水的土壤供水量对秋播作物冬小麦和冬油菜生育期水分不足有重要补偿作用,是维持其较高的生产稳定性的关键原因;无论丰水年还是欠水年,冬小麦、玉米、谷子和马铃薯４种主要作物在农田水分利用程度上均存在一定差异。     

不同降水年型下长期施肥旱地小麦产量效应

以黄土高原30年长期肥料定位试验为基础,依据降水将生育年划分为干旱年、平水年和丰水年,研究不同施肥方式对黄土高原冬小麦产量、肥料贡献率和降水利用率的影响.结果表明: 小麦连续种植30年中,氮磷配施和氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率显著高于不施肥和单施肥处理,氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率分别达到3480 kg·hm^-2、61.45 kg·kg^-1、6.13 kg·mm^-1·hm^-2;不同降水年型下,丰水年小麦产量、肥料贡献率和降水利用率相对较高;使用逐步回归分析可知,不同降水年型下小麦产量主要受氮磷肥施用量、休闲期降水和越冬期降水影响.黄土旱塬可以通过提高氮磷用量同时适当施用钾肥,以及在休闲期做好蓄水保墒工作来提高小麦产量.     

三峡库区花岗岩坡耕地不同种植方式下水土流失定位研究

对三峡库区花岗岩坡耕地不同种植方式下水土流失规律的定位研究表明,库区雨季主要集中在5～8月,降雨量约占全年总降雨量的60%以上;此期间的土壤侵蚀量也占全年总侵蚀量的60%以上,其中6、7月土壤侵蚀量约占全年的1/2.不同种植方式下地面覆盖率差异较大,三熟制下或与多年生植物(牧草、黄花菜)间作时地面的覆盖率明显大于两熟制,夏季作物为花生时雨季的地面覆盖高于夏作为红薯,其土壤及养分流失量亦相对较低.不同种植方式下土壤及养分流失的大小顺序为油(麦)红薯>油菜(小麦)玉米红薯>油菜(小麦)玉米花生>油菜(小麦)金荞麦花生,油菜(小麦)黄花花生.研究结果还表明,在良好的种植与管理方式下,坡耕地土壤流失量仍可被控制在允许范围内.     

气候变化背景下东北三省主要粮食作物产量潜力及资源利用效率比较

以东北地区喜温作物和喜凉作物的潜在种植区为研究区域,基于研究区域内65个气象台站1961—2010年地面气象观测数据,结合作物生育期资料,应用作物产量潜力逐级订正法,分析不同作物各级产量潜力时空分布特征,明确作物各级产量潜力受气候资源限制程度,比较气候资源利用效率差异.结果表明： 1961—2010年,东北三省6种作物（玉米、水稻、春小麦、高粱、谷子和大豆）的光温产量潜力呈明显的西高东低的空间分布特征,作物气候产量潜力除春小麦外其他作物均呈现南高北低的空间分布规律.6种作物受温度限制的产量潜力损失率呈东高西低的空间分布特征,大豆受温度限制引起的产量潜力损失率最高,平均为51%,其他作物为33%～41%;因降水制约引起的潜力损失率分布有明显的区域性差异,在松嫩平原和长白山区各有一个高值区,春小麦因降水亏缺引起的产量潜力损失率最高,平均为50%,其他4种雨养作物集中在8%～10%.东北三省各作物生长季内光能利用效率在0.9%～2.7%,其中玉米>高粱>水稻>谷子>春小麦>大豆;雨养条件下,玉米、高粱、春小麦、谷子和大豆各作物的降水利用效率在8～35 kg·hm^-2·mm^-1,其中玉米>高粱>春小麦>谷子>大豆.在光能利用效率和降水利用效率均较低的长白山区和小兴安岭南部地区,可采取合理密植、选择适宜品种、适时施肥、蓄水保墒耕作以及优化作物布局等措施提高资源利用效率.     

栽培模式对冬小麦光能利用和产量的影响

以‘泰农18’小麦为材料,于2012—2013年进行大田试验,设置当地农民习惯栽培模式(FP)、超高产栽培模式(SH)和高产高效栽培模式(HH)3个处理,研究了不同栽培模式对小麦光能截获量、光能利用效率、干物质积累量、收获指数、籽粒产量和肥料偏生产力的影响.结果表明: SH模式小麦全生育期的光能截获量、光能利用效率、干物质积累量和籽粒产量显著高于FP模式.相对于FP模式,虽然HH模式的小麦全生育期光能截获量较低,但其光能利用效率、干物质积累量及收获指数均显著提高,从而使其籽粒产量显著提高.相对于SH模式,虽然HH模式的籽粒产量在高、低肥力水平下分别降低3.8%和2.8%,而氮、磷、钾肥的偏生产力在两肥力水平下分别提高26.4%、68.5%、92.6%.在本试验条件下,综合考虑籽粒产量和养分利用效率,以“降肥、增密、延播”为技术特点的高产高效栽培模式为推荐的优化栽培模式.     

Rain use efficiency as affected by climate warming and biofuel harvest: results from a 12‐year field experiment

The efficiency of a terrestrial ecosystem to use rainfall in production is critical in regulating the ecological functions of the earth system under global change. However, it remains unclear how rain use efficiency (RUE) will be altered by changes in climate and human activities such as biofuel harvest. In this study, we used RUE data from a long‐term experiment in a tallgrass prairie to analyze the effects of warming and biofuel harvest (clipping). From 2000 to 2011, experimental warming enhanced RUE in most years, with larger positive effects in normal and wet than dry hydrological years. Clipping decreased RUE in dry and normal hydrological years, but had no impact on RUE in wet years. The observed RUE responses resulted from treatment‐induced changes in both biologically ineffective (i.e., runoff and soil evaporation) and effective (i.e., transpiration) parts of precipitation. For example, litter cover was increased in warming plots, but reduced by clipping, leading to negative and positive effects on runoff and soil evaporation, respectively. The dominance of C₄ species, which usually have higher water use efficiency than C₃ species, was enhanced by warming, but reduced by clipping. Moreover, RUE was positively correlated with ratios of rainfall in the late growing season (June–August), when the growth of C₄ plants was most active, relative to that in the other seasons. Our results indicate that RUE is positively influenced by climate warming, but negatively affected by biofuel harvest in tallgrass prairie of the Great Plains. These findings highlight the important roles of plant community structure and temporal distribution of precipitation in regulating ecosystem RUE.     

马铃薯/大豆套作对3个大豆品种光合指标和产量的影响

以大豆品种中黄30(早熟)、冀豆17(中熟)和齐黄34(晚熟)单作为对照,在大田条件下,研究马铃薯/大豆套作模式中3个品种生育期叶面积指数的变化及干物质积累的特征,分析套作马铃薯收获前后对大豆光合指标、产量及其构成因素的影响.结果表明： 生育前期阴蔽导致套作大豆叶面积指数(LAI)降低,干物质积累变缓,营养生长期相对延长,不同品种套作大豆光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)和气孔导度(g_s)均低于单作.生育后期套作大豆生长加快,尤其是马铃薯收获后晚熟品种增幅显著提高.此时,套作大豆受光条件得到较大改善,表现出较强的补偿效应,LAI、干物质积累、P_n和g_s相对于单作上升幅度加大,接近于单作大豆,但不同品种补偿能力不同.与单作相比,套作模式下不同大豆品种的有效荚数、单株粒数及每荚粒数均有所降低,其中早熟品种分别显著下降22.0%、36.0%、17.6%,中熟品种下降5.1%、13.1%、8.9%,晚熟品种下降5.7%、7.6%、2.1%.套作模式下,中、晚熟大豆品种的产量较早熟品种分别高92.4%和163.4%,总土地当量比(LER)分别达到1.81和1.84.表明中、晚熟大豆品种与马铃薯组合套作优势更强,有利于马铃薯收获后大豆的补偿生长,促进套作大豆产量提高,充分发挥了复合群体的产量优势.     

Precipitation amount and event size interact to reduce ecosystem functioning during dry years in a mesic grassland

Ongoing intensification of the hydrological cycle is altering rainfall regimes by increasing the frequency of extreme wet and dry years and the size of individual rainfall events. Despite long‐standing recognition of the importance of precipitation amount and variability for most terrestrial ecosystem processes, we lack understanding of their interactive effects on ecosystem functioning. We quantified this interaction in native grassland by experimentally eliminating temporal variability in growing season rainfall over a wide range of precipitation amounts, from extreme wet to dry conditions. We contrasted the rain use efficiency (RUE) of above‐ground net primary productivity (ANPP) under conditions of experimentally reduced versus naturally high rainfall variability using a 32‐year precipitation–ANPP dataset from the same site as our experiment. We found that increased growing season rainfall variability can reduce RUE and thus ecosystem functioning by as much as 42% during dry years, but that such impacts weaken as years become wetter. During low precipitation years, RUE is lowest when rainfall event sizes are relatively large, and when a larger proportion of total rainfall is derived from large events. Thus, a shift towards precipitation regimes dominated by fewer but larger rainfall events, already documented over much of the globe, can be expected to reduce the functioning of mesic ecosystems primarily during drought, when ecosystem processes are already compromised by low water availability.