北方农牧交错带间套作资源利用的研究进展

中国北方农牧交错带土壤风蚀沙化面积大、农田自然资源利用效率低,气候变化对农业生产的影响较大,粮食安全面临威胁。本文以该地区农业生产中出现的生产和科学问题入手,探讨了间套作种植模式应用于北方农牧交错带地区的旱作农作系统,对于有效增加地表覆盖度和粗糙度以减少风蚀,减少水肥淋溶且加快有机物质分解以改善土壤可持续性,形成独特的冠层和根系结构的时空分布及不同作物组合的相互作用以提高资源利用效率及农田生产力的作用;分析了间套作系统生产力的限制因子和种间相互作用提高生产力的机理。在今后研究中应重点探明气候变化对当地间套作系统潜在产量、产量差及土壤可持续性的影响,并将田间试验、基本过程的作物模型和结构与功能模型有机结合,利用大田试验结果和结构与功能模型在器官尺度上阐明资源高效利用的机理,并在区域尺度定量评估间套作在减缓农业气候风险中的作用。     

节水农业及其生理生态基础

提高自然降水和灌溉水利用效率是节水农业要解决的中心问题。近年实践证明,通过提高水分利用率的途径增加农田生产力存在很大潜力,节水和增产的目标可能同时实现。为实现这一目标,需要研究确定植物水分亏缺的允许程度。植物各个生理过程对水分亏缺的敏感性不同,综合文献报道和作者研究结果,水分亏缺对与作物产量密切相关生理过程影响的先后顺序为:生长—蒸腾—光合—运输。在一定条件下,有限水分亏缺不会对作物最终经济产量造成影响,但却能显著提高水分利用效率。     

有机肥对陇东黄土旱塬冬小麦产量和土壤养分的调控效应

以冬小麦'陇鉴301'为材料,在大田条件下于2005～2008年在甘肃陇东旱塬研究了不同有机肥料对旱塬冬小麦产量、水分利用效率及土壤肥力的影响.结果表明:不同化肥有机肥料配施处理对旱塬冬小麦产量、水分利用效率和土壤养分含量有明显的调控效应,并以氮磷化肥与生物有机肥配施处理表现最佳,其籽粒产量、水分利用效率和土壤养分含量最高.与单施化肥对照相比,氮磷化肥配施生物有机肥处理3年平均籽粒产量和水分利用效率分别显著增加17.53%和16.42%,3年平均土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷含量分别提高11.4%、8.9%、0.2%、19.7%.因此,氮磷化肥与生物有机肥配施可以有效改善陇东黄土旱塬区农田土壤肥力,提高冬小麦水分利用效率,显著增加冬小麦产量,可能是该区农田目前最佳的施肥方式.     

不同耕作措施对冬小麦-夏玉米复种连作系统土壤有机碳和水分利用效率的影响

在连续8年田间定位试验的基础上,分析了关中平原冬小麦 夏玉米复种连作系统2008—2009年连续两个生长季期间不同耕作措施(结合秸秆还田和不还田)对土壤有机碳和水分利用率的影响.结果表明: 相对于传统耕作,保护性耕作有利于土壤有机碳、水分利用效率和作物产量的提高,其中在“深松+秸秆还田”耕作模式下的增幅最高,土壤有机碳含量在0～30 cm土层增幅达到19.5%,水分利用效率和作物产量提高了16.9%和20.5%,而免耕模式则有效提高了0～10 cm土层有机碳含量.在该地区土壤和气候条件下,深松结合秸秆粉碎还田是最理想的耕作模式,最有利于土壤有机碳累积,并提高水分利用效率和作物产量.     

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。     

间套作控制作物病害的机理研究进展

合理间套作是抑制植物病害流行的天然屏障,利用间套作持续控制作物病害是国内外近年来的研究热点。目前,有关间套作的研究主要集中在田间作物搭配模式、光热和养分资源高效利用、病害控制效果及产量优势等方面。然而,有关间套作控病机理尚缺乏系统总结。本文首先综述了间套作对气传病害和土传病害的控制效果;其次,从寄主作物抗性、病原菌和环境(土壤及田间小气候)三方面阐述间套作控制病害的机理,主要为:(1)合理间套作促进养分吸收利用,改善寄主作物的生理生化特性,进而提高寄主作物的抗病性;(2)间套作一方面增加地上部作物多样性,形成物理屏障阻挡病原菌的传播,另一方面增加地下部根系分泌物的多样性,对病原菌进行化感抑制,降低病原菌的存活与侵染;(3)间套作改变田间小气候(田间湿度、温度和通风等)及土壤微生态环境(微生物区系、群落结构和土壤酶活性)而增强间套作的控病效果。最后,讨论了当前间套作与病害控制研究方法的局限性,并展望了间套作控制病害的未来研究方向。     

农田水氮关系及其协同管理

作物施氮反应及其氮肥利用率不仅取决于氮肥管理,还与水资源管理有关,并且受到地区气候因素的影响。针对中国灌溉农区氮肥环境污染问题日益突出,协调农田水氮管理,如通过改善水资源管理,发挥水氮协同效应,以提高水分利用效率来改善氮肥利用率,实现水氮利用率双赢,是当前农业水氮管理中亟待探讨和回答的问题。通过对农田水氮协同相关研究文献资料的综述,以华北平原集约种植体系水氮管理为例,根据历年统计数据,分析了该区年水热条件下粮食产量与水、氮及水氮利用效率之间的关系。研究表明,水和氮与作物产量在一定范围表现为水氮的协同效应。水分利用效率一般随灌溉水量减少及氮肥用量增加而提高;氮肥利用效率随氮用量增加而下降。适量节水和减氮分别有助水分利用效率和氮肥利用效率的改善。在气候变暖、变干条件下,适量施氮成为改善水氮利用效率的关键对策。     

水分供给对新老两个春小麦品种水分利用效率及籽实产量的影响

大田实验研究了不同的水分供给对和尚头和定西-24的产量及水分利用效率的影响。结果表明:在雨养和中水条件下,和尚头和定西-24的产量和水分利用效率都得到了显著的提高。随着灌溉水量增加,农田的耗水量也会增加,同时,土层贮藏水的消耗量也减少,灌溉水的利用效率逐渐减少。减少灌溉量,提高小麦对土层贮藏水的利用效率是实现小麦高产节水栽培的一种有效途径     

二倍体、四倍体和六倍体小麦产量及水分利用效率

试验选用了6个不同染色体倍性的小麦进化材料（3个二倍体、2个四倍体和1个六倍体）,分别在不同水肥条件下研究其根系、地上生物量、产量、蒸腾耗水量和水分利用效率等指标,旨在阐明小麦进化材料产量及水分利用效率的差异及水肥条件对这些特性的影响。试验表明：不同倍性小麦进化材料的生物量、产量和水分利用存在显著的差异,而且水肥条件对其有显著影响。在染色体倍性由2n→4n→6n的进化过程中,小麦根系及地上生物量均先增加后降低,而产量却显著增加,这与收获指数的增加有关。小麦产量的大小顺序为：T.aestivum〉T.dicoccum〉T.dicoccoides〉Ae.squarrosa〉Ae.speltoides〉T.boeoticum。水分亏缺显著降低小麦的生物量、产量和收获指数;在不同水分条件下,增加施肥量有利于这些指标的增加。但是水分亏缺下,增加施肥却降低各小麦材料的根系生物量。随小麦的进化,蒸腾耗水量显著降低,这与其生育期缩短有关;而生物量水分利用效率和产量水分利用效率却显著升高,且后者的差异要大于前者。各小麦产量水分利用效率的大小排序与产量的完全一致。水分亏缺处理显著减少各小麦进化材料的蒸腾耗水量47％～52％,而显著增加生物量水分利用效率3％～40％;但水分亏缺对产量水分利用效率的促进作用却随染色体倍性的增加而降低,甚至降低六倍体小麦T.aestivum的产量水分利用效率19％。不同水分条件下,高肥处理均有利于蒸腾耗水量、生物量水分利用效率和产量水分利用效率的增加。     

间套作种植提升农田生态系统服务功能

间套作是指在同一块土地上同时种植两种或两种以上的作物,能够充分利用有限资源,提升单位面积物质产出,同时还具有多重其他生态效益,是一种基于生物多样性的可持续农业发展范式.生态系统服务是评价生态系统功能的重要突破口,也是当前生态学领域研究的热点问题.从生态系统服务的角度论述间套作种植提升农田生态系统服务功能,并从物质产出、土壤肥力维持、生物多样性保护、水土保持、病虫草害和有害污染物控制等方面论述了间套作种植提升农田生态系统功能的实践及机制.在此基础上,构建了间套作农田生态系统服务功能评价的理论框架和指标体系,并提出了间套作种植农田生态系统未来应加强的研究方向.     

黄土塬区玉米大豆不同间作方式对产量和经济收益的影响及其机制

利用不同玉米品种(郑单958和豫玉22)和大豆品种(中黄24和中黄13)在单作和两种(2∶2和2∶4)间作方式下,研究品种、间作方式对间作系统产量和经济效益的影响,探讨其潜在的作用过程和机制,以期为旱区农业高产高效服务。实验结果表明:(1)两种间作方式的土地当量比(LER),相对拥挤系数(K)都高于单作,表明玉米、大豆在两种间作方式下较单作具有显著的间作优势,玉米间作相比单作增产显著。K、实际产量损失(AYL)、侵占力(A)和竞争比率(CR)的变化规律均表明在间作栽培条件下,玉米相对于大豆为竞争优势物种;郑单958相对于豫玉22,中黄24相对于中黄13均占有一定竞争优势。郑单958与中黄24以2∶4比例间作的间作优势(IA)及货币优势指数(MAI)值最高。(2)相比单作,间作种植模式下玉米的水分利用效率明显增加,而且玉米∶大豆以2∶4间作的水分利用效率显著高于2∶2。郑单958与中黄24在2∶4间作方式下的产量和经济效益都最高,适合在当地应用和推广。     

冀西北坝上半干旱区南瓜油葵间作的水分效应

针对冀西北高原水源匮乏、利用低效问题,于2009-2010年在农业部张北农业资源与生态环境重点野外观测试验站通过南瓜//油葵不同间作群体结构试验,探讨了该区南瓜水分高效的种植方式。试验设南瓜单作（Sp）,南瓜行间作1行油葵（IC1）,南瓜行间作2行油葵（IC2）和油葵单作（So）4个处理。结果表明,南瓜行间种植两行油葵（IC2）在南瓜生长中后期出现了油葵与南瓜争夺水分的现象,而南瓜行间种植一行油葵（IC1）无此现象。各处理间水量平衡各分量有较大的差异,在整个生育时期降雨量为201.6mm的情况下,渗漏量占的比重非常小,并且土壤蓄水量变化均为负值,绝大部分水分都是以气态水蒸散掉,但不同间作方式蒸散失水量不同,其中IC1较So、Sp和IC2分别少散失土壤水分36.33%、19.00%和34.87%。得益于油葵的偏利效应使南瓜经济产量下降30.00% ~71.42%,而间种油葵单株产量相对单作田提高190.71%~ 241.26%,虽其土地当量比LER和水分当量比WER分别达1.08~1.22和1.07~1.26,但IC1复合群体的经济效益只能与南瓜单作田持平,其他处理明显低于单作南瓜。在冀西北高原雨养背景下,稀植高效的南瓜单作生产能够实现对区域水资源的高效利用。     

Main interspecific competition and land productivity of fruit-crop intercropping in Loess Region of West Shauxi

Taking the four typical fruit-crop intercropping models, i.e., walnut-peanut, walnut-soybean, apple-peanut, and apple-soybean, in the Loess Region of western Shanxi Province as the objects, this paper analyzed the crop (peanut and soybean) photosynthetic active radiation (PAR), net photosynthetic rate (P(n)), yield, and soil moisture content. Comparing with crop monoculture, fruit-crop intercropping decreased the crop PAR and P(n). The smaller the distance from tree rows, the smaller the crop PAR and P(n). There was a significantly positive correlation between the P(n) and crop yield, suggesting that illumination was one of the key factors affecting crop yield. From the whole trend, the 0-100 cm soil moisture content had no significant differences between walnut-crop intercropping systems and corresponding monoculture cropping systems, but had significant differences between apple-crop intercropping systems and corresponding monoculture cropping systems, indicating that the competition for soil moisture was more intense in apple-crop intercropping systems than in walnut-crop intercropping systems. Comparing with monoculture, fruit-crop intercropping increased the land use efficiency and economic benefit averagely by 70% and 14%, respectively, and walnut-crop intercropping was much better than apple-crop intercropping. To increase the crop yield in fruit-crop intercropping systems, the following strategies should be taken: strengthening the management of irrigation and fertilization, increasing the distances or setting root barriers between crop and tree rows, regularly and properly pruning, and planting shade-tolerant crops in intercropping.     

Plastic pollution in croplands threatens long‐term food security

Plastic pollution is a global concern given its prevalence in aquatic and terrestrial ecosystems. Studies have been conducted on the distribution and impact of plastic pollution in marine ecosystems, but little is known on terrestrial ecosystems. Plastic mulch has been widely used to increase crop yields worldwide, yet the impact of plastic residues in cropland soils to soil health and crop production in the long term remained unclear. In this paper, using a global meta‐analysis, we found that the use of plastic mulch can indeed increase crop yields on average by 25%–42% in the immediate season due to the increase of soil temperature (+8%) and moisture (+17%). However, the unabated accumulation of film residues in the field negatively impacts its physicochemical properties linked to healthy soil and threatens food production in the long term. It has multiple negative impacts on plant growth including crop yield (at the mean rate of ?3% for every additional 100 kg/ha of film residue), plant height (?2%) and root weight (?5%), and soil properties including soil water evaporation capacity (?2%), soil water infiltration rate (?8%), soil organic matter (?0.8%) and soil available phosphorus (?5%) based on meta‐regression. Using a nationwide field survey of China, the largest user of plastic mulch worldwide, we found that plastic residue accumulation in cropland soils has reached 550,800 tonnes, with an estimated 6%–10% reduction in cotton yield in some polluted sites based on current level of plastic residue content. Immediate actions should be taken to ensure the recovery of plastic film mulch and limit further increase in film residue loading to maintain the sustainability of these croplands.     

农田向农林复合系统转变过程中土壤物理性质的变化

以渭北黄土区农林实践中被广泛采用的核桃-小麦间作复合模式为研究对象,以两物种的单作系统为对照,研究单作农田向农林复合系统转变对土壤物理性质的影响,为农林复合系统经营管理和模型的建立提供理论依据.结果表明: 核桃-小麦间作对土壤物理性质的改善作用主要发生在0～40 cm土层.核桃-小麦间作可以避免表层(0～20 cm)土壤容重升高,同时在20～40 cm土层对单作农田形成的犁底层也有显著的改善作用.核桃-小麦间作对各土层田间持水量均表现出持续的改善作用,除在20～40 cm土层略低于核桃单作外,其他从第5年开始均高于两单作系统.核桃-小麦间作对各土层土壤孔隙度均存在持续的改善作用,在0～20 和20～40 cm土层与两单作系统相比存在显著差异,同时也能提高毛管空隙度的比例.农田向农林复合系统转变过程中对土壤容重、田间持水量、土壤孔隙度均有持续的改善作用,且对浅层土壤的改善作用强于深层土壤.     

基于稳定碳同位素技术的华北低丘山区核桃-小麦复合系统种间水分利用研究

农林复合系统的林木和作物会充分利用水肥光热等资源、而在资源亏缺时也可能产生竞争,在华北低丘山区等水资源紧缺地区,种间水分竞争尤为突出。在冬小麦返青期、拔节期、灌浆期和成熟期4个生育期,测算了该地区核桃-小麦间作系统和单作小麦不同组分的稳定碳同位素组成(Stable carbon isotope ratio,δ13C)和核桃树干液流,结合生物量和气象数据资料计算出水分利用效率(water use efficiency,WUE)和耗水量(Water use,WU)。结果表明,间作核桃树、间作小麦和单作小麦的WUE分别为10.771—21.233、9.946—19.149和9.878—18.431 mmol C/mol H2O。单作小麦WUE在拔节期显著小于间作小麦。间作系统总耗水量为1755.19 t/hm2,比单作系统的2538.13 t/hm2少30.85%。核桃-小麦间作系统中,核桃耗水量占系统总耗水量的36.34%,在小麦的生长前期所占比例最多、在小麦旺盛生长期所占比重较小,而小麦越往生长后期需水越多。核桃与间作小麦的需水期错开,在时间上避免水分竞争。距离核桃树越近浅层土土壤含水量越高、而深层土越低,表明核桃主要吸收深层水,而间作小麦主要吸收浅层水,从位置上避免水分竞争。单作小麦产量、总生物量和总耗水量分别比核桃间作小麦的高26.79%、27.12%、36.30%(P=0.001、P=0.033、P=0.050)。间作核桃和单作核桃的单株果实产量平均分别为0.88和0.94 kg(P=0.829)。然而,核桃-小麦间作系统的产量土地当量比(Land equivalent ratio,LER)和产值水分利用效率(WUE ofeconomics,WUEe)却分别达到1.67和25.92元.mm-.1hm-2,比单作系统明显提高、水资源获得高效利用,同时具备生产优势和经济优势。     

施磷量与施磷深度对玉米-大豆套作系统磷素利用率及磷流失风险的影响

为充分发挥间套作种植体系磷素高效利用优势、降低土壤磷素流失,采用田间试验分析了3种施磷(P_2O_5)水平(CP:168 kg·hm^-2;RP_1:135 kg·hm^-2;RP_2:101 kg·hm^-2)与3个施磷深度(D_1:集中施在距离地面5 cm处;D_2:集中施在距离地面15 cm处;D_3:于距离地面5、15 cm处各施一半)处理下玉米-大豆套作系统作物地上部生物量、籽粒产量、植株吸磷量、土壤全磷与速效磷含量、磷吸附-解吸特征,以期为优化西南玉米-大豆套作系统磷素管理提供理论依据.结果表明:与对照不施磷处理(P_0)相比,各施磷处理显著增加了作物地上部生物量、籽粒产量、植株吸磷量、土壤全磷和速效磷含量.相同施肥深度下,处理RP_1与CP相比,作物籽粒产量差异不显著,但显著提高了植株地上部吸磷量,因此RP_1处理的磷素表观利用率显著高于CP处理.相同施磷量下,不同施磷深度间比较,作物地上部生物量、籽粒产量、植株吸磷量、土壤全磷和速效磷含量均以D_2处理最高.依据土壤磷的吸附-解吸特征参数可知,当施磷深度为D_2、施磷量为RP_1时,土壤对磷的固持能力最强,在降低磷素流失上表现出较强优势.因此,玉米-大豆套作系统中适当减少磷肥施用量和加大磷肥施用深度在保证作物产量的同时,有利于提高磷素利用率,减少土壤磷流失.     

密度、施肥对旱地春小麦产量、水分利用效率和籽粒养分含量的补偿效应

为了探明旱作条件下无机营养对作物产量和水分利用效率的补偿效应,我们在宁南黄土高原半干旱地区开展了为期两年的春小麦密度与肥料试验。通过4种播种密度和5种肥力水平的综合研究结果表明,在不同处理的籽粒产量和水分利用效率排序中,播种密度为500粒／m^2时,以施肥量90kg／hm^2N和135kg／hm^2P2O5处理的产量和水分利用效率为最大。与不施肥的对照相比,增施肥料与籽粒产量和水分利用效率的提高成显著的正相关关系,相关系数分别达到0．959和0．894,而播种密度则与产量和水分利用效率的相关性不显著。增施肥料虽然能够提高可育小花数,但随着播种密度的增大,穗粒数和千粒重反而呈下降趋势,表明可育小花数对肥料水平反应敏感,而穗粒数和千粒重主要受播种密度的影响。施肥能够促进春小麦根系的生长发育,特别是促进浅层根量的增加,增强了作物的水分养分吸收。另外,不同种类肥料配施的结果表明,单施P肥或者N、P、K配合施用,可使春小麦产量分别提高44．6％和55．4％。N、P、K配合施肥还能够提高品质,使籽粒中的P、N、K含量分别提高18．5％、18．4％和8．1％。上述研究结果说明,控制播种密度、改善土壤肥力对于促进旱地春小麦高效利用有限水分具有明显的补偿效应。     

黄土塬区深剖面土壤水分垂直分布特征及其时间稳定性

研究土地利用方式对深剖面土壤水分时空动态的影响,对于了解区域水循环在变化环境下的表现特征具有重要意义.本研究基于长期定位监测数据,对2012年9月至2015年12月黄土塬区4种土地利用方式0～15 m剖面土壤水分状况进行分析.结果表明: 苜蓿草地(>7年)、休闲地、高产农田和低产农田平均土壤含水量分别为15.1%、22.0%、19.6%和21.1%(0～15 m、年度平均值);干湿交替层季节性失水和蓄水分别出现在3—6月和7—10月,其深度范围分别为0～2、0～4.6、0～3和0～4.2 m.深层土壤水分具有较好的时间稳定性,其垂直分布受土地利用方式的影响.观测年份内苜蓿产量和耗水量均呈逐年增加趋势,造成深层土壤的干燥化程度加大,2～10 m土层形成稳定土壤干层,阻断了降水补给地下水的途径.对于其他3种土地利用方式下的土壤水分平衡,冬小麦生长季农田与休闲地均表现为负平衡;玉米生长季高产农田表现为负平衡,而低产农田与休闲地表现为正平衡;在作物休闲期,农田与休闲地均表现为正平衡.通过施肥处理所形成的高产农田的作物水分利用效率是低产农田的3倍以上.