春玉米与生姜间作不同种植方式农田生态效应研究

春玉米与生姜间作不同种植方式农田生态效应研究姚向高王爱玲（河南农业大学农学院,郑州４５０００２）ＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｆｃｃｔｓｏｆＤｉｆｅｒｅｎｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＩｎｔｅｒｃｒｏｐｐｉｎｇｏｆＳｐｒｉｎｇＭａｉｚｅａｎｄ...     

株行距配置对高产夏玉米冠层结构及籽粒灌浆特性的影响

在75000株·hm^-2种植密度下,选用郑单958和先玉335为试验材料,设置2种行距配置(等行距、宽窄行)和3种留苗方式(每穴1株、每穴2株、每穴3株),研究了6种种植方式对黄淮海地区高产夏玉米产量构成、吐丝后冠层结构及光合性能的调控作用,并以Richards模型拟合籽粒灌浆过程.结果表明： 产量、干物质积累量、作物生长率、灌浆速率、冠层光合能力等均表现为宽窄行处理高于等行距处理,留苗方式以每穴2株最高.各种植方式中以宽窄行每穴2株种植产量最高,达13.12（郑单958）和13.72（先玉335） t·hm^-2.宽窄行每穴2株种植改善了冠层内部光照状况,净光合速率和叶面积指数均有所提高,同时缓解了植株个体与群体间的矛盾,籽粒灌浆能力增强,干物质积累量提高.因此,宽窄行每穴2株种植是黄淮海夏玉米高产条件下产量提高的有效栽培方式.     

种植密度对新疆高产棉花群体光合作用、冠层结构及产量形成的影响

 在新疆气候生态条件下,研究了种植密度对棉花（Gossypium hirsutum）群体光合作用、冠层结构和产量形成的影响,探讨了新疆棉花高产的生理机理及进一步提高产量的途径。结果表明：群体光合速率在盛铃期以前随密度增加明显增强,盛铃期以后,低密度6万株·hm-2的群体光合速率仍为最低,高密度30万株·hm-2群体光合速率迅速下降,中密度18万株·hm-2则保持较高水平。叶面积指数的变化与群体光合速率的变化相似,其峰值出现在盛铃期。冠层结构各指标的变化表现为,随密度增加平均叶簇倾角变大,株型变紧凑,但密度过大,群体散射辐射与直射辐射透过系数小,冠层结构不良,造成生育后期群体光合速率较快下降。增加密度能增加单位面积总铃数,但密度过高削弱了棉株个体发育,生育后期群体光合速率下降早,造成单铃重降低。群体总光合物质累积与群体光合速率在各生育时期呈显著正相关,籽棉产量与群体光合速率仅在盛铃期和吐絮期呈显著正相关;生产上要实现棉花高产及超高产,应使棉花生育前期群体光合速率稳定上升,至盛铃期达到高峰值,吐絮期群体光合速率保持较高水平     

浙北地区不同种植方式下春玉米生长发育的动态模拟

在MACROS模型基础上根据田间试验和文献资料组建了春玉米动态模拟模型,经验证模型能较好地反映不同种植方式下春玉米的生长发育过程,利用模型研究了浙北地区大麦／春玉米－晚稻种植制度中春玉米的播种日期对其生育期、产量等的影响,结果表明3月底至4月上旬是这一地区理想播种期;与单作相比,套作玉米应适当增加植株密度。     

密植条件下种植方式对夏玉米群体根冠特性及产量的影响

选用平展大穗型品种鲁单981(Ludan981,LD981)和紧凑中穗型品种鲁单818(Ludan818,LD818),在两种种植密度(60000和90000株/hm2)和两种种植方式(单株和双株)下,研究了密植及种植方式对夏玉米冠层和根系结构与功能以及子粒产量等的影响.研究发现,随种植密度增加,冠层垂直分布呈现干重比例权重上移的趋势,根系则呈现下移的趋势.密植条件下,LD981冠层对生长空间更为敏感,其根系对生长空间的竞争强于冠层,其群体产量限制因素是子粒库容;LD818根系对生长空间更为敏感,冠层对生长空间的竞争强于根系,其群体产量限制因素是单位面积穗数.60000株/hm2下,LD981的群体结构质量和功能较优,双株种植可缓解其冠层竞争,根、冠协调,表现增产;在90000株/hm2下,LD818的群体结构质量和功能较优,双株种植可缓解其根系竞争,部分改善冠层群体结构质量和功能,根、冠协调,表现增产.     

春玉米根系生育特征与冠层关系的研究

以农田实际观测资料为依据,分析了春玉米根系生育特征及其与冠层生长的关系,并提出了定量描述方程;较详细地阐述了水分条件对根系生长的影响,指出利用根系伸展深度确定灌溉计划湿润深度和进行根冠调控,以指导农田优化灌溉的可行性。     

玉米冠层凝露的观测与模拟

对模拟植物冠层温度的能量平衡单层模型进行了某些方法上的改进。并使用实测小气候资料,用数值方法,模拟了玉米冠层顶部的温度,模拟结果与实测的冠层温度相符合。利用冠层温度下的饱和水汽压估算了玉米冠层顶部结露的持续时间和结露量。结果表明：在中纬度低平原地区秋季的晴天,大约下午１７：００开始结露,清晨６：００￣７：００结束,结露的持续时间约１３￣１４ｈ。露形成的时间进程为开始和结束急剧,中间维持稳定。呈倒“     

玉米冠层的数学描述与三维重建研究

采用Lang提出的原理开发了空间坐标仪。利用该仪器测定玉米冠层的空间坐标,以此提出了应用一般二次方程描述玉米叶曲线和叶形的数学方法,方程的系数由最小二乘回归方法得到,其中叶曲线系数由叶片主脉坐标决定,叶形系数由沿叶长方向叶宽测定值决定。从而使应用较少参数描述真实的玉米群体结构成为可能。另外,还实现了玉米冠层的计算机三维重建,为农业生态系统研究提供了新的手段。     

玉米冠层的数学描述与三维重建研究

采用Lang提出的原理开发了空间坐标仪。利用该仪器测定玉米冠层的空间坐标,以此提出了应用一般二次方程描述玉米叶曲线和叶形的数学方法,方程的系数由最小二乘回归方法得到,其中叶曲线系数由叶片主脉坐标决定,叶形系数由沿叶长方向叶宽测定值决定。从而使应用较少参数描述真实的玉米群体结构成为可能。另外,还实现了玉米冠层的计算机三维重建,为农业生态系统研究提供了新的手段。     

包膜尿素在华北平原夏玉米上的应用

通过连续2a的大田试验,比较研究了尿素与包膜尿素对夏播玉米郑单958和农大108产量、水分利用效率（WUE）、氮肥利用率（NUE）与土壤无机氮动态的影响,结果表明：产量与WUE随施氮量增大而增大,两种氮肥间差异不显著;包膜尿素NUE较尿素高,2004年郑单958N90kg／hm^2与农大108N180ks／hm^2条件下提高显著;施氮对土壤无机氮动态的影响具有年际间差异：2004年不施氮条件下一般呈“V”型变化趋势,施氮使其向“N”型或倒“V”型转变,而2005年施氮与不施氮条件下均呈“N”型变化趋势;施氮使土壤无机氮含量明显提高,包膜尿素较尿素效果更明显;土壤无机氮含量,包膜尿素处理以表土层最高,而尿素处理,特别是尿素N180kg／hm^2处理9叶展至吐丝期以下层土壤较高,2004年表现尤为明显。可见在降水量较多的年份,包膜尿素缓释效应明显,能有效控制无机氮的下移。华北平原夏玉米季以包膜尿素替代尿素、以一次性基施替代基肥＋追肥是完全可行的,能达到省工、增效、环保目的。     

华北平原玉米叶片光合及呼吸过程对实验增温的适应性

利用典型农田生态系统的原位实验增温平台,探讨我国华北平原重要农作物玉米叶片光合及呼吸过程对实验增温的适应性,并深入分析其产生适应性的原因和机理。研究结果显示,实验增温使玉米叶片净光合速率(A_n)显著升高(P0.001),同时增温也导致A_n的最适温度(T_(opt))升高1.56℃;相似地,实验增温也同样导致了光合作用过程中最大电子传递速率(J_(max))显著增加(P0.001),并且其最适温度(T_(opt))升高了1.45℃,但并没有对最大羧化反应速率(V_(cmax))及其温度敏感性(Q_(10))产生显著的影响(P0.05)。然而,实验增温却显著降低了玉米叶片的暗呼吸速率(R_d)及其Q_(10)值(P0.05)。另外,研究结果还显示实验增温没有对R_d/A_g和J_(max)/V_(cmax)产生显著的影响(P0.05)。此外,尽管实验增温显著提高了玉米叶片的蒸腾速率(T_r),但却并没有显著改变叶片的气孔导度(G_s)及水分利用效率(WUE)。研究结果表明,玉米可以通过调控叶片光合及呼吸等关键生理过程的最适温度对增温产生一定的适应性。然而,尽管玉米能够在叶片尺度上做出调整来适应增温环境,但这种适应能力却十分有限,以至于未来气候变暖仍可能会对华北平原玉米的生长发育过程和粮食产量造成一定的影响。     

气候变暖对华北平原玉米叶片形态结构和气体交换过程的影响

未来全球变暖对农田生态系统产生的影响不仅可能改变整个陆地生态系统的碳平衡状态,更重要的是还关系到全球的粮食安全问题。然而,目前有关农作物对全球变暖响应和适应性机理的研究还很少见,尤其是缺少通过农田原位增温实验探讨作物叶片形态结构及其气体交换过程对增温的响应和适应性机理的研究。利用典型农田生态系统的实验增温平台,研究了未来全球气候变暖对我国华北平原重要农作物玉米叶片的形态、结构特征(解剖及亚显微结构)以及气体交换参数所可能产生的影响。研究结果显示,实验增温分别使玉米叶片的宽度和厚度减少了4%(P=0.017)和10%(P0.001)。然而,实验增温却导致叶绿体长度和宽度显著增加46%(P0.001)和50%(P0.001),从而使叶绿体的剖面面积显著增加了141%(P0.001)。另外,研究结果还显示,实验增温分别增加了玉米叶片的净光合速率52%(P=0.019)、气孔导度163%(P=0.001)以及蒸腾速率81%(P=0.017);同时,实验增温使玉米叶片的暗呼吸速率显著降低了24%(P=0.006),但却并没有对细胞间CO2浓度和水分利用效率产生显著的影响。因此,研究结果表明,未来气候变暖不仅会直接改变玉米叶片的形态和结构特征,同时还可能对玉米叶片的功能(例如光合和呼吸等关键生理生化过程)产生显著的影响。     

华北平原冬小麦-夏玉米生产灰水足迹及其县域尺度变化特征

华北平原是种植冬小麦和夏玉米的主要区域,农民为达高产而过量使用化肥对该区造成了严重的面源污染。"有河皆干,有水皆污"已经成为华北平原水资源与水环境现状的概语。灰水足迹理论与方法的提出为定量评价农业生产对水环境的影响提供了一条新的思路。因此,基于精细的县域尺度农业基础数据,运用灰水足迹评价方法,分析了华北平原1986—2010年的冬小麦-夏玉米灰水足迹及其时空变异特征。结果表明:华北平原冬小麦和夏玉米产品灰水足迹分别为0.55—2.97m3/kg和0.50—2.02m3/kg,均为美国、德国等地区的2—10倍;河北衡水、保定等地区灰水足迹较低,渤海湾等地区灰水足迹较高;冬小麦和夏玉米25a总灰水体积为2.67×1010—5.84×1010m3,平均值为3.90×1010m3,总体表现为随时间变化呈波动上升趋势。建议在华北平原要注意严格控制施肥量、提高肥效,积极推广测土配方施肥、缓释肥等养分资源管理技术,积极发展利用沼液、有机肥等化肥替代技术;要控制肥料地表流失和地下淋失,大力发展冬小麦-夏玉米轮作条件下的机械化喷灌、滴灌、微喷带等灌溉系统条件下的水肥一体化技术,全面实施秸秆、地膜等覆盖技术减少农田土壤流失以及深松等耕作技术实现土壤水库的增容扩蓄。     

华北平原冬小麦-夏玉米农田生态系统土壤自养和异养呼吸模型构建

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要过程,准确估算土壤呼吸对估算陆地生态系统碳源汇具有重要意义。通过在华北平原典型农田内开展土壤呼吸及其组分的原位观测实验,构建了适用于华北平原冬小麦-夏玉米轮种制农田生态系统的半经验半机理土壤异养呼吸和土壤自养呼吸模型。结果表明,冬小麦-夏玉米农田土壤异养呼吸模型可表达为土壤温度和土壤水分的函数,其中,土壤温度对土壤异养呼吸的影响适合用Arrhenius方程描述,而土壤水分的影响适合用对称的倒抛物线描述。验证表明,该模型的R²和RMSE分别为0.68和0.52μmol m^-2 s^-1。土壤自养呼吸模型包括维持呼吸和生长呼吸两个模块,其中,维持呼吸表达为土壤温度和叶面积指数的函数,其形式分别为Van′t Hoff指数方程和米氏方程;生长呼吸表达为总初级生产力与维持呼吸之差的线性函数。冬小麦季和夏玉米季土壤自养呼吸模型的结构相同,但是两种作物的模型参数差异较大。验证表明,冬小麦季土壤自养呼吸模型的R²和RMSE分别为0.64和0.50μmol m^-2...     

全球气候变化背景下华北平原气候资源变化趋势

在全球气候变化的大背景下,过去几十年,华北平原气候资源也发生了相应的变化,这一变化对该区域的粮食生产将产生深刻的影响。利用华北平原1961-2007年逐日气候资料,探讨了不同年代际间该区域气候资源的空间分布特征。研究结果表明:气候变暖使华北平原热量资源更加丰富,全区≥0℃和≥10℃积温呈整体增加趋势,空间分布呈北移东扩的变化特征;且气候带移动特征明显,向北移动了3个纬度,约300多km。过去47a,华北区域年降水量呈下降趋势,平均下降速率为18mm/10a。夏、秋两季降水量呈减少趋势,速率在25-40mm/10a之间;春、冬两季降水量呈微弱增加趋势,但增加幅度小于夏、秋两季的减少幅度。年平均参考作物蒸散量呈整体下降趋势,减幅小于降水量的变化趋势。全区日照时数显著减少,纬向分布特征明显,以大中城市附近减少最为突出。     

不同耕作措施对华北地区麦田CH4吸收通量的影响

华北地区作为我国重要的粮食产区,其农田土壤CH4的吸收与排放对我国准确合理的估算农业温室气体的排放量、制定合理的农业减排和适应措施具有重要意义。研究利用静态箱-气相色谱法研究了华北地区麦田5种不同耕作模式在不同生育时期土壤CH4通量的动态变化和日变化,试验结果表明:5种不同耕作模式在不同生育时期土壤CH4通量具有明显的动态变化。不同的耕作处理都表现为CH4的净吸收汇。整个生育期,常规耕作无秸秆还田处理≈常规耕作秸秆还田处理耙耕≈旋耕深松耕免耕。CH4吸收通量具有明显的日变化,吸收通量白天高夜晚低。处理间比较,常规耕作无秸秆还田处理常规耕作秸秆还田处理免耕。结论:常规耕作无秸秆还田处理CH4的吸收通量较高,但此种耕作方式不利于土壤耕层的保护,而耙耕、旋耕这两种保护性耕作方式使表层土壤具有较好的保墒保肥能力,对土壤扰动小,且只比常规无秸秆还田的CH4吸收值低5.35%和6.31%,较有利于农业减排,所以从环境效益和土壤保护这两个方面来看,耙耕和旋耕这两种保护性耕作处理较为理想。     

华北平原大气氮素沉降的时空变异

利用量雨器和湿沉降自动收集仪在华北平原9个监测点通过2a的试验,研究了农田生态系统中大气氮素沉降的时空变异。结果表明:华北平原大气氮素混合沉降的平均值为28.0 kg/(hm2.a),降水中铵态氮和硝态氮量平均分别为3.76 mg/L和1.85 mg/L。不同地区比较,北京大气氮素沉降为32.5 kg/(hm2.a),明显高于山东和河北两省的23.6 kg/(hm2.a)。北京各监测点的大气氮素沉降也存在明显空间变异,东北旺、房山的氮素沉降水平较高,延庆、顺义的氮素沉降水平较低。大气氮素沉降的年内分布不均,60%的沉降集中在降水较丰沛的6~9月份。氮素的输入与降雨量呈乘幂型正相关(r2=0.67),在农田生态系统中以铵态氮的沉降为主,铵态氮的沉降量是硝态氮的2.0倍;城市生态系统中以硝态氮的沉降为主,铵态氮的沉降量是硝态氮的0.79倍。在东北旺试验点近两年的监测结果表明,在等量降雨量条件下湿沉降输入的氮素(18~20.6 kg/hm2)明显低于混合沉降(26.3 kg/hm2),湿沉降的氮素输入仅占后者的73%,而混合沉降中的超量部分主要来自铵态氮,表明干沉降尤其是降尘带入的铵态氮也是华北平原大气氮素沉降的重要来源。     

Spatial and temporal variation of atmospheric nitrogen deposition in the North China Plain

A monitoring network of nine sites was established to determine the spatial and temporal variation of atmospheric nitrogen (N) deposition in the North China Plain (NCP) over a two-year period. The annual bulk deposition of inorganic N in the North China Plain ranged from 18.4 to 38.5 kg/hm² and averaged 28.0 kg/hm². The concentration of NH₄⁺-N and NO₃^?-N in rainwater averaged 3.76 and 1.85 mg/L, respectively, which were significantly higher than the values at background sites in China (normally less than 0.5 mg/L). Annual bulk deposition of inorganic N in the Beijing area (32.5 kg/hm²) was higher than that in Shandong and Hebei provinces (21.2 kg/hm² on an average). Also bulk N deposition was much greater in Dongbeiwang and Fangshan than in Yanqing and Shunyi counties. Significant spatial variation of bulk deposition was observed in the Beijing area because of variation of precipitation, and 60% of bulk deposition occurred from June to September. Bulk deposition of NH₄⁺-N was 2.0 times that of NO₃^?-N deposition at the rural monitoring sites. However, the situation was reversed at the Beijing Academy of Agricultural-Forestry Sciences (BAAFS), the unique urban monitoring site. The results suggest that reduced N in precipitation is dominant in rural regions, but oxidized N is the major form in urban regions. The positive relationship between inorganic N deposition and precipitation can be fitted by a power equation (r²= 0.67), showing an increase of NH₄⁺-N and NO₃^?-N inputs with increased precipitation. Wet deposition of N accounted for 73% of the bulk deposition, implying that dry deposition of N, particularly NH₄⁺-N from dust, is important in the North China Plain.     

Spatial and temporal variation of atmospheric nitrogen deposition in the North China Plain

A monitoring network of nine sites was established to determine the spatial and temporal variation of atmospheric nitrogen (N) deposition in the North China Plain (NCP) over a two-year period. The annual bulk deposition of inorganic N in the North China Plain ranged from 18.4 to 38.5 kg/hm² and averaged 28.0 kg/hm². The concentration of NH₄ -N and NO₃^--N in rainwater averaged 3.76 and 1.85 mg/L, respectively, which were significantly higher than the values at background sites in China (normally less than 0.5 mg/L). Annual bulk deposition of inorganic N in the Beijing area (32.5 kg/hm²) was higher than that in Shandong and Hebei provinces (21.2 kg/hm² on an average). Also bulk N deposition was much greater in Dongbeiwang and Fangshan than in Yanqing and Shunyi counties. Significant spatial variation of bulk deposition was observed in the Beijing area because of variation of precipitation, and 60% of bulk deposition occurred from June to September. Bulk deposition of NH₄ -N was 2.0 times that of NO₃^--N deposition at the rural monitoring sites. However, the situation was reversed at the Beijing Academy of Agricultural-Forestry Sciences (BAAFS), the unique urban monitoring site. The results suggest that reduced N in precipitation is dominant in rural regions, but oxidized N is the major form in urban regions. The positive relationship between inorganic N deposition and precipitation can be fitted by a power equation (r²= 0.67), showing an increase of NH₄ -N and NO₃^--N inputs with increased precipitation. Wet deposition of N accounted for 73% of the bulk deposition, implying that dry deposition of N, particularly NH₄ -N from dust, is important in the North China Plain.