棉花氮肥和水分运筹的动态知识模型

通过分析和提炼棉花氮肥运筹和水分管理的最新研究资料,在综合考虑气候条件、土壤理化性质、产量目标、品种特性等影响因子的基础上,根据养分平衡原理和水分需求规律,建立了棉花氮肥和水分运筹的动态知识模型．模型可用于精确定量不同环境和不同产量目标下的氮肥和水分需求总量及其在不同生育时期的分配比例等．利用不同生态点、不同品种、不同土壤类型和不同产量目标等资料对氮肥和水分运筹知识模型进行了验证．结果表明模型具有较好的决策性和适应性．     

油菜播栽方案设计的动态知识模型

运用知识工程和系统建模方法,在总结、归纳和提炼油菜生长发育与生态环境、品种类型、生产技术水平和产量目标关系的基础上,建立了具有时空适应性的油菜播栽方案设计的动态知识模型,可用于精确定量不同环境和生产条件下油菜品种的适宜播期、基本苗、播种量和移栽方案.利用南京、郑州和保定3个地点的常年逐日气象资料以及各点不同品种和播种方式资料对播栽方案设计模型进行实例分析,结果表明,该知识模型对播期和基本苗设计均具有较好的决策性、解释性和适用性.     

油菜肥料运筹的动态知识模型

通过分析和提炼油菜施肥管理方面的最新研究资料,利用养分平衡原理,以产量目标和土壤理化特性等为基础,建立了系统化和广适性的油菜肥料运筹动态知识模型。该模型可用于精确定量不同环境条件下油菜生产过程中的总施氮量、施磷量、施钾量和施硼量、有机氮与无机氮的比例以及氮、磷、钾基肥与追肥的比例等。利用南京、仪征和如皋3个不同生态点常年气象资料、不同土壤类型和不同产量目标等对所建肥料运筹知识模型进行了实例分析,结果表明,所建知识模型总体上具有较好的决策性和适用性。     

水稻适宜播种期设计的动态知识模型研究

在查阅研究大量文献资料和咨询作物栽培专家的基础上,总结、归纳和提炼水稻生长发育特性与品种类型、生态环境和耕作制度的动态关系,运用知识工程和系统建模方法,提出了具有广泛时空适应性的水稻适宜播期动态知识模型,该模型可用于精确设计不同环境和生产条件下水稻品种的适宜播期,为了验证模型的通用性,利用南京、天津、广州、昆明、沈阳、常德和乌鲁木齐等7个代表性生态点的常年、偏暖年和偏冷年每日气象资料以及各点典型品种资料、不同育秧方式和不同稻作制度,对播期设计模型进行了实例分析,结果表明模型预测结果与当地实际情况基本吻合,从而证明知识模型能有效地利用好决策地点的光温水等自然资源,模型具有较好的广适性和决策性。     

气象因子对棉籽脂肪和蛋白质含量的影响

为确定影响棉籽脂肪和蛋白质含量的主要气象因子,量化主要影响因子的作用程度,研究于2005年在黄淮棉区(徐州、安阳)、长江下游棉区(淮阴、南京)多个生态点设置了不同品种的田间实验,供试品种为科棉1号和美棉33B.研究结果显示棉籽脂肪和蛋白质含量随生态点和开花期呈极显著变化.黄淮棉区棉籽脂肪含量、蛋白质含量最大值出现的棉铃开花期较长江下游棉区推迟.棉籽脂肪含量、蛋白质含量与气象因子的相关分析显示,二者与铃期气温日较差呈显著负相关关系,与铃期日均气温、平均日最高气温、平均日最低气温、平均地温显著正相关.通径分析和逐步回归分析显示,各气象因子中铃期平均日最低气温是最主要的影响因子.棉籽脂肪含量、蛋白质含量随铃期平均日最低气温的变化可用三次多项式拟合,决定系数均达到0.75以上.日最低气温22～23℃最适宜棉籽脂肪和蛋白质含量的形成,低于15℃时棉籽脂肪不能正常积累.     

基于APSIM模型识别气象因子对内蒙春小麦潜在产量的影响

基于内蒙农业气象试验站春小麦多年田间试验数据和逐日气象数据,分析了农业生产系统模型APSIM在内蒙春小麦产区的适应性,运用灰色关联法提取影响春小麦产量的优势因子,确定影响春小麦潜在产量的最优气象因子,探讨潜在产量对气候变化的响应规律。结果表明:1961—2014年内蒙春小麦潜在产量总体呈降低的变化趋势,平均值为3560.84 kg·hm~(-2),其中20世纪80年代潜在产量最高为3681.33 kg·hm~(-2),21世纪初最低,为3432.82 kg·hm~(-2);区域间差异明显,近54年内蒙春小麦潜在产量分布由中间向东部和西部呈条带状逐渐增加,且3个区域中西部麦区潜在产量最大;影响内蒙古不同区域春小麦潜在产量的最优气象因子不同,其中,影响内蒙古东部麦区春小麦潜在产量的气象因子主要为生育期内平均最低温度和平均土壤表层温度,其次为平均温度、总辐射量和平均最高温度;影响西部春小麦潜在产量形成的因子为平均土壤表层温度、平均温度和平均最高温度,平均最低温度、总潜在蒸散量和空气湿度次之,而由总降水量和风速引起的内蒙古春小麦产量的变化不明显;中部麦区春小麦潜在产量形成对太阳总辐射和土壤表层温度最敏感,其次是平均最低温度、平均温度和平均最高温度,对平均风速和总降水量最不敏感。以上结果为今后在气候变化背景下开展解析内蒙小麦产区春小麦生长发育进程及产量形成的限制因素等研究提供了技术支撑。     

APSIM模型在西南地区的适应性评价——以重庆冬小麦为例

利用重庆市4个代表性站点的小麦田间观测数据和同期逐日气象数据对APSIM模型在重庆小麦产区的适应性进行研究,确定了12个小麦品种的作物参数.结果表明:模拟小麦的播种至出苗、开花和成熟各阶段天数与实测值具有较好的一致性,其均方根误差值分别为0~3、1~8和0~8 d;模拟的12个小麦品种中,模拟与实测地上部分生物量的归一化均方根误差(NRMSE)均低于30%,10个品种模拟与实测产量的NRMSE均低于30%,作物生育期、地上部分生物量和产量的模拟结果均在可接受范围内波动.说明APSIM模型对不同品种冬小麦的生育期、地上部分生物量和产量模拟效果较好,该模型在重庆地区具有较好的适应性,为后续基于模型评估该地区小麦生产提供了基础支撑.     

基于生态效应的水稻籽粒蛋白质含量预测模型研究

在中国、日本、泰国不同生态环境下进行多品种籼型和粳型水稻(Oryza sativa)的区域种植试验,通过分析水稻籽粒蛋白质含量与纬度、海拔、抽穗后温度和太阳辐射等气候生态因子的相互关系,确立了影响水稻籽粒蛋白质积累的主要气候生态因子函数,并使用权重系数来进一步修订各气候生态因子对水稻籽粒蛋白质的作用,构建出基于生态效应(主要气候生态因子函数)的水稻籽粒蛋白质含量预测模型。利用不同年份、不同生态点、不同品种类型的试验资料对所建模型进行了检验,籼稻和粳稻籽粒蛋白质含量的预测误差RMSE平均分别为0.27%和0.24%;籼稻试验点和粳稻试验点的预测误差平均为0.25%和0.22%,表明模型总体上具有较好的预测性和实用性。     

水稻籽粒直链淀粉含量的生态模型研究

在中国、日本和泰国不同生态环境下进行了多品种籼稻和粳稻的种植试验,通过分析水稻籽粒直链淀粉含量与纬度、海拔、温度、太阳辐射等气候生态因子的相互关系,确立了影响水稻籽粒直链淀粉积累的主要气候因子函数,并使用权重系数进一步修订各个气候生态因子对籽粒直链淀粉的作用,构建出基于生态效应(综合气候因子函数)的水稻籽粒直链淀粉含量预测模型.利用不同年份、不同生态点和不同品种类型的试验资料对所建模型进行了检验,籼稻和粳稻籽粒直链淀粉含量的预测误差(RMSE)平均分别为0.4%和0.5%;籼稻和粳稻种植区的预测误差(RMSE)平均为0.39%和0.50%,表明模型具有较好的预测性和实用性.     

不同生态环境与播种期下小麦籽粒品质变异规律的研究

选用 6个不同品质类型小麦品种在 4个生态点进行分期播种试验, 系统分析了不同生态环境下小麦籽粒产量与品质的变异特征及其与主要气候生态因子间的关系。结果表明 :生态点、品种以及地点×品种互作对籽粒产量、千粒重、蛋白质、湿面筋和淀粉含量、沉降值与降落值的影响均达到显著水平 ;不同播种期处理对产量与淀粉含量的影响达到极显著水平, 而播种期×品种互作对千粒重、降落值、淀粉含量及沉降值的效应达到显著水平 ;地点×播种期×品种互作仅对产量、湿面筋、淀粉含量与沉降值有显著的影响。在 4个不同生态点中, 南京点的籽粒蛋白质与湿面筋含量最低, 但淀粉含量最高 ;徐州点的产量和千粒重最大 ;泰安点的蛋白质含量与湿面筋含量最高, 沉降值最小 ;保定点的产量、千粒重最小, 但沉降值最大。不同播种期处理下, 适播与晚播的籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、淀粉含量、沉降值与降落值都显著高于早播, 而早播期的产量和千粒重最大。各小麦品种在不同地点与播种期下产量与品质性状的变异中以降落值的变异系数为最大, 淀粉的变异为最小。开花至成熟期的日均温与淀粉含量呈线性负相关, 与产量、蛋白质和湿面筋含量及降落值呈二次曲线相关关系 ;日温差与产量和千粒重呈二次曲线相关关系, 籽粒蛋白质和湿面筋含量、沉降值及降落值则随昼温差的增加线性递增 ;开花至成熟期降雨量与产量、千粒重都呈现先升后降的二次曲线相关关系, 而与籽粒蛋白质含量和降落值呈现线性负相关关系 ;籽粒蛋白质和湿面筋含量与降落值随开花至成熟期的累计日照时数呈现线性正相关关系。     

长期不同施肥处理对苹果产量、品质及土壤肥力的影响

通过连续7年(2003-2010年)的田间定位试验,研究了不同施肥处理\[不施肥对照,CK;不施N肥只施PK肥,PK;不施P肥只施NK肥,NK;不施K肥只施NP肥,NP;单施NPK化肥,NPK;单施有机肥(猪粪),M;化肥有机肥配施(化肥有机肥氮各占一半),NPKM\]对渭北旱塬富士苹果产量、品质及果园土壤养分含量变化的影响.结果表明: 施肥可以提高苹果产量,连续7年不同施肥处理苹果平均产量较对照提高14.4%～63.8%,各处理苹果年平均产量顺序为:NPKM＞NPK≥M＞NP≥NK＞PK＞CK.NPKM、M、NPK处理随着试验时间的推移,果实可溶性糖、维生素C、可溶性固形物含量呈上升趋势,NPKM、M处理不同年际间波动相对较小;NPKM处理糖酸比5年较对照提高了30.9%,维生素C含量提高了17.5%.长期合理施肥有利于提高土壤有机质,NPKM、M处理0～20 cm土层有机质含量提高幅度最大,分别提高了28.8%和29.3%. NPK、NPKM、M处理土壤各层速效氮、有效磷、速效钾含量较试验前均有显著提高,NPK处理0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层速效氮含量分别提高了22.7%、37.3%和53.4%.与NPK处理相比,NPKM处理的土壤速效磷含量提高了18.7%,且不同处理土壤速效磷含量上层显著大于下层.
     

长期不同施肥下水稻产量及土壤有机质和氮素养分的变化特征

利用开始于1982年的湖南祁阳官山坪水稻长期(1982-2010年)定位试验,研究不同施肥条件下水稻产量及土壤有机质、氮素养分的动态变化特征,试验设置NPK、NPKM(M为牛粪)、 NPM、NKM、PKM、M和CK等7个处理.28年长期不同施肥处理结果表明：肥料的施用均能提高土壤有机质、全氮、碱解氮含量和水稻产量.氮、磷、钾化肥+有机肥(NPKM)处理的水稻产量一直保持最高水平,氮、磷、钾化肥(NPK)处理随着试验年限的延长呈下降趋势,其水稻产量逐渐低于其他施肥处理.单施有机肥或有机无机肥配施各处理土壤有机质含量在试验开始后的前16年有一个快速增加的过程,之后略有下降,然后仍保持增长趋势;NPK化肥处理土壤有机质含量仅在试验开始后的前8年增加较快,之后在一个相对稳定的范围内波动.各施肥处理在试验开始后的前8年内土壤全氮含量均呈快速积累趋势,以NPKM处理增幅最大.各施肥处理土壤碱解氮含量在试验开始后的前12年增加较慢,平均每年增加0.66～2.25 mg·kg^-1,1994-1998年增加较快,平均每年增加6.45～32.45 mg·kg^-1;1998年之后,各施肥处理土壤碱解氮含量均略有下降,其中,有机无机肥配施处理增加较快,单施化肥处理增加较慢.表明有机肥的施用是红壤性水稻土有机质和氮素营养水平稳定提升的关键措施,是红壤稻田土壤可持续利用的重要保障.     

耕作方式与施肥对陇东旱塬冬小麦-春玉米轮作农田土壤理化性质及产量的影响

以陇东黄土旱塬已进行7年的田间定位试验为基础,分析了免耕和传统耕作条件下5个施肥处理冬小麦收获期土壤水分、土壤容重（2011年）及土壤养分和产量（2005-2011年）变化,探讨了耕作方式和施肥对冬小麦-春玉米轮作农田土壤蓄水保墒效果及土壤肥力和产量的影响.结果表明： 2011年免耕条件下0～200 cm各土层土壤含水量、0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重及土壤有机质、速效氮、速效磷含量均高于传统耕作.相同耕作条件下氮磷化肥与有机肥配施处理的土壤有机质、速效氮、速效磷含量高于其他施肥处理;不同耕作方式及施肥处理下速效钾呈逐年减少的趋势;传统翻耕处理的产量高于免耕,相同耕作条件下氮磷化肥与有机肥配施处理产量最高,不施肥对照产量最低.不同耕作方式和施肥处理的土壤蓄水保墒能力和肥力效应以免耕优于传统翻耕,产量以传统翻耕下有机无机肥配施处理最好.     

施肥对设施菜地土壤磷累积及淋失潜能的影响

以不同肥力设施菜地土壤为研究对象,通过填装土柱模拟试验,研究不同施肥措施对磷素累积及淋溶的影响.结果表明： 随着淋溶时间的延长,磷素淋溶量增加,但累积淋溶量较少,说明本试验中磷素淋溶损失的风险较小,主要累积在土体内的不同土层中.试验结束时,土壤肥力和施肥处理均显著影响不同土层中全磷和速效磷含量.与低肥力土壤相比,中肥力土壤全磷和速效磷增幅为14.3%和12.2%,高肥力土壤增幅为33.3%和37.7%.有机肥化肥混施处理(M+NPK)土壤全磷含量显著高于单施化肥(NPK)和有机肥(M)处理,增幅分别为5.7%和4.3%;M及M+NPK处理中速效磷含量显著高于NPK处理,增幅分别为13.0%和3.1%.10～20 cm土层全磷和速效磷含量最高,0～10和10～20 cm土层全磷和速效磷含量显著高于20~40 cm土层.
     

基于GIS的黄土丘陵沟壑区作物生产潜力模拟研究

从YIELD模型的来源、输入文件及基本参数,模型中作物生产力计算各个子模型以及计算流程4个方面作了简单的叙述,以黄土丘陵沟壑区典型小流域晋西狼窝沟为例,在地理信息系统（GIS）技术十,应用YILD模型对该流域的作物生产潜力进行了模拟,并从作物类型,地类,耕作措施及气候条件4个方面对影响该流域作物产量的因素进行了分析。结果表明,该模型对不同作物的模拟产量在总体上与实体产量基本相符合,表明模型可以应用于黄土丘陵沟壑区的作物产量模拟之中,对于不同地类来说,坝地的土壤水分和以力条件明显高于梯田和坡耕地,因而坝地的模拟产量地高于梯田和坡地,但三者之间的差距没有实测产量显著,耕作措施是提高作物生产力的有效途径,对地膜覆盖,梯田以及施肥等耕作措施的模拟产量表明,这3种耕作措施均能有效的物生产力;其产量提高率均平均在85％以上,其中以施肥对作物的增产作用最大,增产率高达95％,,这与实测产量资料基本一致;气候条件是影响作物生产的直接因素,模拟结果表明模型对降水量和温度等气候条件十分敏感,不同年份降水量和温度的差异将直接导致作物生产力的显著不同。对YIELD模型的模拟结果分析表明,该模型可以有效地应用于黄土丘陵沟壑区的作物生产潜力研究。     

Bayesian Inference of Baseline Fertility and Treatment Effects via a Crop Yield-Fertility Model

To effectively manage soil fertility, knowledge is needed of how a crop uses nutrients from fertilizer applied to the soil. Soil quality is a combination of biological, chemical and physical properties and is hard to assess directly because of collective and multiple functional effects. In this paper, we focus on the application of these concepts to agriculture. We define the baseline fertility of soil as the level of fertility that a crop can acquire for growth from the soil. With this strict definition, we propose a new crop yield-fertility model that enables quantification of the process of improving baseline fertility and the effects of treatments solely from the time series of crop yields. The model was modified from Michaelis-Menten kinetics and measured the additional effects of the treatments given the baseline fertility. Using more than 30 years of experimental data, we used the Bayesian framework to estimate the improvements in baseline fertility and the effects of fertilizer and farmyard manure (FYM) on maize (Zea mays), barley (Hordeum vulgare), and soybean (Glycine max) yields. Fertilizer contributed the most to the barley yield and FYM contributed the most to the soybean yield among the three crops. The baseline fertility of the subsurface soil was very low for maize and barley prior to fertilization. In contrast, the baseline fertility in this soil approximated half-saturated fertility for the soybean crop. The long-term soil fertility was increased by adding FYM, but the effect of FYM addition was reduced by the addition of fertilizer. Our results provide evidence that long-term soil fertility under continuous farming was maintained, or increased, by the application of natural nutrients compared with the application of synthetic fertilizer.     

Effects of P,K, and liming on soil pH,Al, Mn,K, and forage barley dry matter yield and quality for a newly-cleared Cryorthod

Forage barley dry matter yield and quality, as well as soil pH, Al, and Mn were monitored in response to P, K, and lime application on a newly cleared Typic Cryorthod (Orthid Podzol). The overall yearly yield level was affected by precipitation. Without liming soil acidification occurred after three years of production. The liming rate of 2.2 Mg.ha⁻¹ was found optimal for maintaining initial pH levels (5.66) and increasing forage barley yields. It was also found optimum for K and P utilization for these first years of production. Soil pH dropped an average of 0.33 units over the three years on unlimed P plots and 0.46 units over 4 years on K plots. Phosphorus and K fertilization increased N utilization and resulted in decreased soil acidification. Phosphorus availability was greater in the first year of cropping than in subsequent years, this was likely due to the effects of higher available moisture, liming release of native P, and effects of initial fertilization. There was a 148% increase in total dry matter yield and an 85% increase in protein yield of forage barley with P application. Liming increased total forage barley yields an average of 69% and total protein yields 48%. Reduced barley yields in unlimed plots were due to low soil pH. After two years of cultivation, unlimed plots contained exchangeable Al and soluble Mn levels reported toxic for other soils. The higher liming rates of 4.4 and 6.6 Mg.ha⁻¹ reduced soluble Mn to near critically low levels. soil Al and Mn were highly correlated to pH. Soil exchangeable Al, Mn, and soluble Mn along with tissue Al were inversely correlated to percentage yield. The average yield respone to three levels of applied K, increased from zero initially to 67% by the fourth year. Total dry-matter production increased 32% and total protein yield increased an average of 32% and total protein yield increased an average of 15% with K fertilization over four years. About 60% of the yield response occurred between the 0 and 22kg K.ha⁻¹ rates. Initial soil exchangeable K levels were not maintained even at the highest 66kg K.ha⁻¹ treatment. Soil exchangeable Al and soluble Mn were elevated with dropping pH. Soil K reserves and resupply of exchangeable K in these soils over the long term will be an important factor in crop production.     

Yield of micropropagated sugarcane varieties in different soil types following inoculation with diazotrophic bacteria

It is well described that the beneficial interactions between plants and bacteria are genotype and site specific. Brazilian sugarcane varieties can obtain up to 70% of their nitrogen requirement from biological nitrogen fixation (BNF), and this contribution is related to the Brazilian breeding and selection processes, by example of the variety SP70-1143. In this study the effect of two inoculation mixtures containing diazotrophic bacteria in our earlier pot experiment was evaluated with two sugarcane varieties, a known responder, SP70-1143, and a newly selected variety, SP81-3250, to investigate the sugarcane genotype effect and the role of the mixtures. The sugarcane varieties SP70-1143 and SP81-3250 were grown under commercial field conditions at three sites with contrasting soil types: an Alfisol, an Oxisol and an Ultisol that means a low, medium and high natural fertility respectively. The stem yield and BNF contribution in response to bacterial inoculation were influenced by the strain combinations in the inoculum, the plant genotype, and the soil type and nitrogen fertilization, confirming the genetic and environmental influence in PGP-bacteria interactions. Inoculation effects on the BNF contribution and stem yield increased in the variety SP70-1143 grown in the Alfisol without nitrogen fertilization for three consecutive crops, and it was equivalent to the annual nitrogen fertilization. The plants grown in the Oxisol showed small increases in the productivity of the variety SP70-1143, and in the Ultisol the sugarcane plants presented even decreases in the stem productivity due to inoculation with diazotrophic bacteria mixtures. The results demonstrate the feasibility of the inoculation technology using diazotrophic bacteria in micropropagated sugarcane varieties grown in soils with low to medium levels of fertility. In addition, the results also indicated that specific plant – bacteria – environment combinations are needed to harness the full benefits of BNF. Section Editor: C. P. Vance