温室秸秆不同还田量条件下DSSAT-CROPGRO-Tomato模型的调参与验证

为了探讨番茄生长模拟模型DSSAT-CROPGRO-Tomato能否准确模拟秸秆还田条件下北方日光温室番茄的生长发育和产量形成过程,基于2016年和2018年温室番茄小区试验数据对模型进行验证。试验设置4个秸秆还田量处理,分别为0(S₀)、1.5×10⁴(S₁)、3×10⁴(S₂)和4.5×10⁴kg·hm^-2(S₃)。利用GLUE参数估计模块获得不同方案相应的作物遗传参数,通过分析和对比番茄物候期、鲜果产量、最大叶面积指数、土壤水分、土壤无机态氮和地上干物质量的实测值与模拟值,验证模型模拟精度并确定最优方案。结果表明,参数PODUR(最优条件下最终果实负载所需光热时长)和SLAVR(比叶面积)的变异系数较大,分别为28.53%和14.13%。模型在2016年所有处理为参数估计方案时模拟精度最高,其ARE和nRMSE分别为10.33%和7.12%。模型对温室土壤水分、番茄生长和产量的模拟精度较高。留一交叉验证法体现模型对温室番茄产量总体误差在18.68%~21.95%。说明CROPGRO-Tomato模型可以较准确模拟秸秆不同还田量条件下沈阳日光温室番茄生长和产量形成过程。     

灌水量对温室番茄土壤CO2、N2O和CH4排放的影响

为揭示不同灌水量对温室番茄土壤CO₂、N₂O和CH₄排放及作物产量的影响,提出有效的减排措施,试验设置充分灌溉(1.0W,W_1.0;W为充分供水的灌水量)、亏缺20%灌溉(0.8W,W_0.8)和亏缺40%灌溉(0.6W,W_0.6)3个灌水水平,采用静态暗箱/气相色谱法于2017年4—12月对两茬温室番茄土壤CO₂、N₂O和CH₄进行全生长季监测,分析土壤CO₂、N₂O和CH₄排放对不同灌水量的响应.结果表明: 番茄两个生长季中,土壤CO₂、N₂O和CH₄排放量均随着灌水量增加呈现逐渐增加的趋势(W_1.0＞W_0.8＞W_0.6),除W_0.6和W_1.0处理间土壤N₂O排放具有显著差异外,其他各处理间气体排放差异均不显著.与W_1.0处理相比,W_0.6和W_0.8处理土壤CO₂排放分别减小了12.2%和8.3%,N₂O分别减小了19.1%和8.0%,CH₄分别减小了11.0%和6.2%.番茄产量和由土壤N₂O和CH₄引起的全球增温潜势(GWP)均随灌水量增加而增加;与W_1.0处理相比,W_0.6处理产量和GWP显著减小,降幅分别为17.0%和22.9%,而W_0.8处理对两者未产生显著影响.单位产量GWP随灌水量增加表现为先增加后降低的趋势(W_0.8＞W_1.0＞W_0.6),处理间差异不显著.灌溉水利用效率(IWUE)随灌水量增加而降低,与W_1.0处理相比,W_0.6和W_0.8处理IWUE分别增加了38.3%和9.4%.回归分析表明,土壤CO₂排放通量与土壤水分呈指数负相关关系;土壤CH₄通量与土壤水分呈线性正相关关系;当土壤温度小于18 ℃和大于18 ℃时,土壤N₂O排放通量与土壤温度间均呈指数负相关关系.灌水增加了番茄产量和温室气体排放,但降低了IWUE.综合考虑番茄产量、IWUE和温室效应,推荐W_0.8处理为较佳的灌溉模式.     

滴灌频率和灌水量对榆林沙土马铃薯产量、品质和水分利用效率的影响

针对陕北榆林沙土马铃薯农田灌溉不合理的问题,采用滴灌水肥一体化技术,设置4 d(D₁)、8 d(D₂)和10 d(D₃)3个滴灌频率及60%ET_c(W₁,ET_c为作物需水量)、80%ET_c(W₂)和100%ET_c(W₃) 3个灌水量水平,共9个处理,在生育期内对马铃薯生长、产量和品质等指标进行观测,分析马铃薯各指标对不同灌水处理的响应规律.结果表明: 同一滴灌频率下,W₃处理的株高、叶面积指数、干物质、产量和经济效益高于W₁和W₂处理;W₁处理的灌溉水利用效率(IWUE)最高,而水分利用效率受灌水量的影响不显著;W₃处理下产量达43442 kg·hm^-2,比W₁和W₂处理分别高23.3%和11.6%;W₃处理下纯收益达23492元·hm^-2,比W₁和W₂分别高40.4%和18.7%;W₃处理的块茎淀粉和维生素C含量最大,还原糖含量最小,分别为14.4%、18.54 mg·(100 g)^-1 FW和0.7%.相同灌水量下,低、中灌水水平下D₁处理的产量、IWUE、淀粉和维生素C含量最高,还原糖含量最低;高灌水水平下D₂处理的产量、IWUE、纯收益、淀粉和维生素C含量最高,还原糖含量最低,分别为46572 kg·hm^-2、23.04 kg·m^-3、26622元·hm^-2、14.6%、19.53 mg·(100 g)^-1 FW和0.7%.从滴灌频率和灌水量的交互作用来看,D₂W₃的产量和品质均达到最高;主成分分析法得出D₂W₃处理得分最高.因此,D₂W₃(8 d,100%ET_c)处理高产优质,且水分利用效率较高,为最佳滴灌频率和灌水量.研究结果可为陕北榆林沙土马铃薯高产高效优质生产中灌溉制度的制定提供依据.     

不同土层测墒补灌对冬小麦耗水特性与光合速率和产量的影响

于2012—2014年两个冬小麦生长季,在大田条件下设置：全生育期不灌水(W₀)处理,当地定量节水灌溉(拔节期和开花期均灌水60 mm,W₁)处理,依据0～20 cm (W₂)、0～40 cm (W₃)、0～60 cm (W₄)和0～140 cm (W₅)土层土壤含水量测墒补灌处理,于拔节期和开花期补灌至土壤相对含水量为田间持水量的65%和70%,研究依据不同土层土壤含水量测墒补灌对冬小麦耗水特性、光合速率和籽粒产量的影响.结果表明：各处理拔节期灌水量为W₁、W₄＞W₃＞W₂、W₅,开花期灌水量和总灌水量均为W₅＞W₁、W₄＞W₃＞W₂,W₃总耗水量显著高于W₂处理,与W₁、W₄和W₅处理无显著差异.W₃土壤贮水消耗量高于W₁、W₄和W₅处理,其中,W₃在拔节至开花阶段和开花至成熟阶段对40～140 cm和60～140 cm土层土壤贮水消耗量均显著高于其余灌水处理.灌浆中期W₃处理小麦旗叶光合速率、蒸腾速率和水分利用效率最高,W₁和W₄处理次之,W₀处理最低.W₃处理两个生长季的籽粒产量分别为9077和9260 kg·hm^-2,水分利用效率分别为20.7和20.9 kg·hm-2·mm^-1,均显著高于其余处理,灌溉水生产效率最高.综合考虑灌水量、籽粒产量和水分利用效率,小麦拔节期和开花期适宜进行测墒补灌的土层深度为0～40 cm.     

灌溉施肥水平对盐渍化农田水盐分布及玉米产量的影响

水资源缺乏和过量施肥影响着干旱半干旱盐渍化地区农业的发展.研究不同灌溉和施肥量对土壤水盐分布和青贮玉米产量的影响,可为该区确定适宜的灌溉和施肥量提供依据.试验于2015和2016年在大同盆地的盐渍化农田进行,设3种灌溉水平:土壤水分上限分别为田间持水率(θ_f)的100%(W₁)、90%(W₂)和80%(W₃),根据各处理灌溉前的土壤平均实际含水率计算灌水量;2015年设4种施肥水平:900(F₁)、750(F₂)、600(F₃)和450 kg·hm^-2(F₄),2016年设F₁、F₂和F₃共3种.试验用化肥为缓释复合肥,总养分含量48%,其中N:P₂O₅:K₂O的比例为30:12:6.结果表明: 土壤表层电导率随施肥量的增加而增大,施肥水平对平均电导率(EC)和含水率的影响在0～10 cm土层显著,与F₁相比,F₂的0～10 cm土层平均EC在2015年和2016年分别降低25.6%～42.7%和6.4%～7.7%.20～80 cm土层的水分含量随施肥量的增加而降低,与F₁相比,2015年F₂、F₃和F₄处理20～80 cm土层平均土壤含水率分别增加5.9%、16.7%和16.7%,2016年F₂和F₃分别增加13.3%和16.7%.产量在两年中均表现为F₁和F₂高于F₃和F₄,W₃低于W₁和W₂; F₁和F₂的产量差异不明显;与W₁相比,W₂的产量减少低于15 %.因此,施复合肥600～750 kg·hm^-2(氮肥含量180～270 kg·hm^-2),且灌溉水平为W₁和W₂时,可以保证该地区盐渍化土壤种植玉米获得较高的产量,并且不会造成根系层的盐分积累.     

内蒙古西部旱区机采棉膜下滴灌水氮耦合效应

为探明内蒙古西部旱区机采棉膜下滴灌水氮耦合对棉花生长发育、产量、品质,以及水分与氮素利用效率的影响,在内蒙古阿拉善盟阿拉善左旗,设置3种灌溉定额(216、288、360 mm,分别记为W₁、W₂、W₃)和3种施氮水平(127.5、195、262.5 kg·hm^-2,分别记为N₁、N₂、N₃)的完全组合处理,进行了大田棉花膜下滴灌试验.结果表明: 水分是膜下滴灌棉花生长的决定因素,增加灌水量可以促进棉花株高增加,提高棉花各部分干物质积累量,但降低生殖器官与地上部干物质比例.W₃处理单株成铃数较W₁和W₂分别提高25.4%和17.5%,单铃质量分别降低5.8%和4.6%,籽棉产量分别增加18.1%和11.9%;单株成铃数提高是籽棉产量增加的主要因素.水氮调控对籽棉产量的互作效应显著,W₁与W₂灌水量下N₁处理籽棉产量最高;W₃灌水量下N₂处理较N₁、N₃籽棉产量分别增加8.5%和31.9%.水氮调控对纤维品质整体无显著影响.W₁N₁处理水分利用效率最高,为1.37 kg·m^-3,与W₃N₂处理差异不显著;W₃N₁处理氮肥偏生产力最高,为51.35 kg·kg^-1.在本试验条件下,灌水增产效应显著,施氮则在水分充足条件下对籽棉产量形成有促进作用.其中,灌水360 mm、施氮195 kg·hm^-2处理显著促进地上部干物质积累,籽棉产量最高,水分利用效率和氮肥偏生产力分别达1.30 kg·m^-3和36.41 kg·kg^-1,节水增产效果显著,是内蒙西部旱区较理想的机采棉水氮调控模式.     

不同土层测墒补灌对冬小麦耗水特性及产量的影响

于2010-2011年选用高产小麦品种济麦22进行大田试验,设置0～20 cm（W₁）、0～40 cm（W₂）、0～60 cm（W₃）和0～140 cm（W₄）4个测墒补灌土层,于越冬期（目标相对含水量均为75%）、拔节期（目标相对含水量均为70%）和开花期（目标相对含水量均为70%）进行测墒补灌,以全生育期不灌水处理（W₀）为对照,研究不同土层测墒补灌对冬小麦耗水特性及产量的影响.结果表明： 小麦越冬期、拔节期和开花期补充灌水量为W₃>W₂>W₁,W₄处理小麦越冬期和拔节期补充灌水量较少,但开花期补灌量显著高于其他处理;全生育期补灌量占总耗水量的比例为W₄、W₃>W₂>W₁.土壤水消耗量占总耗水量的比例为W₁>W₂>W₃>W₄;随测墒补灌土层深度的增加,土壤水消耗量占总耗水量的比例减少;W₂处理80～140 cm和160～200 cm土层土壤水消耗量显著高于W₃和W₄处理.各处理的总补灌量为W₃>W₄>W₂>W₁;籽粒产量为W₂、W₃、W₄>W₁>W₀,W₂、W₃、W₄间无显著差异;水分利用效率为W₂、W₄>W₀、W₁>W₃,W₂与W₄之间无显著差异.综合考虑灌水量、籽粒产量和水分利用效率,W₂处理是本试验条件下的最佳处理,即以0～40 cm土层测墒补灌效果最优.     

不同穗型小麦光能利用和旗叶13C同化物分配特性及对补灌水平的响应

为明确不同穗型小麦冠层光能利用和¹³C同化物分配特性的差异及对补灌水平的响应,以中穗型品种‘青农2号’和‘济麦22’、大穗型品种‘山农23’和‘山农30’为材料,设置3个水分处理:小麦全生育期不灌水(W₀)、节水灌溉(W₁,拔节期和开花期0～40 cm土层土壤相对含水量分别补灌至65%和70%)和充分灌溉(W₂,拔节期和开花期0～40 cm土层土壤相对含水量分别补灌至85%和90%),研究了不同处理对两种穗型小麦冠层光能利用和旗叶¹³C同化物分配特性的影响.结果表明:W₁处理两种穗型小麦品种开花后2、11、20和31 d的叶面积指数、冠层PAR截获率和利用率均显著高于W₀处理,再增加灌水至W₂处理,上述各指标无显著变化.¹³C示踪表明,济麦22和山农23的W₁旗叶¹³C同化物在籽粒中的分配量比W₀分别高159.34和171.1 g·hm^-2,分配比例分别高6.5%和6.5%,与W₂无显著差异;两种穗型品种W₁的籽粒产量亦显著高于W₀,与W₂无显著差异.不同穗型品种比较,节水灌溉条件下中穗型品种在开花后2和11 d、大穗型品种在开花后20和31 d具有较高的冠层光合有效辐射(PAR)截获和利用能力;中穗型品种济麦22旗叶¹³C同化物在籽粒的分配量和分配比例比大穗型品种山农23分别低6.8%和2.7%.     

新疆北部棉花冠层结构特征对滴灌定额的响应

在新疆北部地区自然生态条件下,采用棉花品种‘新陆早45号’为试验材料,设置5种滴灌定额处理(W₁:600 m³·hm^-2,W₂:540 m³·hm^-2,W₃:480 m³·hm^-2,W₄:420 m³·hm^-2,W₅:360 m³·hm^-2),研究了棉花叶面积指数、冠层开度、群体光吸收率、群体光合速率和产量对不同滴灌定额的响应.结果表明: 随着滴灌定额减少,棉花叶面积指数、群体光吸收率、群体光合速率均呈现降低趋势,其中W₁与W₂处理间的上述参数在盛蕾期至吐絮期均无显著差异;冠层开度则随滴灌定额减少呈增加的趋势.籽棉产量和皮棉产量均以W₁处理最高,分别为6549和2677 kg·hm^-2;W₂处理籽棉产量仅比W₁处理低6.5%,灌溉水利用效率较W₁处理高3.9%.相关分析表明,盛花期至盛铃期叶面积指数、群体光吸收率和群体光合速率均与籽棉产量呈显著或极显著正相关.因此,控制滴灌定额在540 m³·hm^-2有利于棉花在盛花至盛铃期保持较高的叶面积指数、增加冠层开度、保证光吸收率,进而增强群体光合速率,在不显著降低产量前提下提高灌溉水利用效率.     

越冬期测墒补灌对小麦耗水特性和光合有效辐射截获利用的影响

于2013—2014和2014—2015年两个小麦生长季进行田间试验,供试品种为‘济麦22’,设置5个处理,分别为W₀(全生育期不灌水)、W₁(越冬期不灌水,拔节期和开花期分别补灌至0～40 cm土层土壤相对含水量为65%和70%)、W₂(越冬期、拔节期和开花期分别补灌至土壤相对含水量为70%、65%和70%)、W₃(越冬期、拔节期和开花期分别补灌至土壤相对含水量为75%、65%和70%)和W₄(越冬期、拔节期和开花期均定量灌溉60 mm),研究越冬期测墒补灌对小麦耗水特性和光合有效辐射截获利用的影响.结果表明: 总灌水量及其占总耗水量的比例为W₄＞W₃＞W₂＞W₁＞W₀;土壤贮水消耗量占总耗水量的比例为W₀＞W₁、W₂＞W₃、W₄;总耗水量和开花至成熟期的耗水量均为W₄＞W₂、W₃＞W₁＞W₀.两生长季小麦开花后冠层光合有效辐射(PAR)截获率为W₄＞W₂、W₃＞W₁＞W₀,而花后冠层PAR反射率各处理间的表现与之相反.灌水处理中干物质净积累量为W₄处理最高,W₁处理最低.两生长季小麦越冬期0～40 cm土层土壤相对含水量补灌至70%的W₂处理籽粒产量仅低于定量灌溉的W₄处理,水分利用效率和灌溉效益最高,是本试验条件下节水高产的最优处理.     

不同灌溉量对小麦-玉米轮作农田生态系统净碳汇的影响

灌溉对农田温室效应与碳足迹贡献产生重要影响.本文采用静态暗箱-气相色谱法对关中平原小麦-玉米轮作(2014—2015年)农田温室气体(CO₂、CH₄和N₂O)排放通量进行了监测,并用净增温潜势(NGWP)和碳足迹两个指标评估不同灌溉量对关中平原农田温室效应、作物生产碳足迹的分布和构成的影响.试验在作物关键需水期(冬小麦越冬期和拔节期、夏玉米出苗期和拔节期)设置W₀(0 mm)、W₁₂₀(120 mm)、W₁₈₀(180 mm)、W₂₄₀(240 mm)4个处理.结果表明: 与W₀处理相比,W₁₂₀、W₁₈₀、W₂₄₀处理下小麦产量分别增加了31.3%、44.3%、33.7%,玉米产量分别增加了9.9%、22.6%、33.8%; CO₂的年际排放总量分别增加了22.2%、24.3%、15.1%,N₂O的年际排放总量分别增加了18.6%、67.8%、91.5%,但CH₄的年际吸收总量分别降低了51.7%、79.6%、97.8%;NGWP分别增加了20.1%、31.6%、31.4%.W₁₂₀处理下碳足迹较W₀处理降低了19.1%,但W₁₈₀、W₂₄₀处理与W₀处理相比无显著性差异;W₁₂₀、W₂₄₀处理单位产量碳足迹较W₀处理分别增加了44.5%、23.3%,而W₁₈₀处理与W₀处理无显著性差异.综合考虑不同灌溉量的经济效应和环境效应,180 mm的灌水量更有利于关中平原小麦-玉米轮作系统的节水及固碳减排.     

沟灌水氮耦合对毛白杨林木生长及水氮吸收利用的影响

为探索沟灌水氮耦合对幼年生毛白杨林木生长及水氮吸收利用的影响,以4年生砂地三倍体毛白杨为对象,研究3个灌溉水平(W₂₀、W₃₃、W₄₅,即沟渠正下方40 cm土壤水势分别达到-20、-33和-45 kPa时灌溉),4个施N水平(N₁₂₀、N₁₉₀、N₂₆₀、N₀,即施肥量为120、190、260和0 kg·hm^-2·a^-1)和自然条件(对照,CK)下幼年生毛白杨林木生长和水氮吸收利用规律,并结合林木生长状况,分析4年生三倍体毛白杨的最佳沟灌水氮耦合策略。结果表明:W₂₀N₁₂₀(高水低肥;土壤水势-20 kPa,施N量120 kg·hm^-2·a^-1)处理对三倍体毛白杨的林地生产力提升最为显著,其林地生产力最高可达33.37 m³·hm^-2·a^-1,仅有树高和总株生物量受到水氮耦合交互作用的显著影响。增加灌溉量或施N量都会提高林木吸氮量,但吸氮量主要受施N量影响;W₂₀N₂₆₀处理总株吸氮量最高,达112.17 kg·hm^-2·a^-1,较CK增加74.0%。各处理中,W₂₀N₁₂₀氮吸收效率和氮肥偏生产力最高,且显著高于其他处理,其总株、地上部、地下部氮吸收效率可达36.8%、28.5%、6.4%,总株氮肥偏生产力可达221.4 kg·kg^-1。不同水氮耦合处理灌水量对灌溉水的利用效率影响显著,其中,W₄₅N₂₆₀灌溉水利用效率最高,达13.66 g·kg^-1;而W₂₀N₁₂₀吸水量和水吸收效率最高,分别为13268.28 t·hm^-2和129.4%。为达到较大的收益,在三倍体毛白杨的幼年生长期间,应保持充足的水分灌溉(-20 kPa)和相对偏低的施氮量(120 kg·hm^-2·a^-1)促进幼年生毛白杨的生长发育。