应用农业生产系统模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率Ⅱ：模型的模拟验证与情景分析

应用经过参数灵敏度分析与标定后的农业生产系统模型（APSIM）,以北京市海淀区东北旺试验站为背景,探讨了不同灌溉、施肥、种植日期和种植密度等农艺措施下冬小麦和夏玉米的产量、水分利用效率及氮肥偏生产力的变化,以期探寻适合当地特定气候、土壤条件下的既能保证粮食稳产高产又能达到资源高效利用的田间管理措施。首先根据所搜集的1985-2005年统计年鉴中的产量数据对参数标定后的模型作了进一步的验证,结果表明：冬小麦和夏玉米产量的模拟值与年鉴统计值之间的平均相对误差分别是43％和21％。运用验证后的模型,基于所设计的9种不同的水氮管理情景进行了模拟分析,结果表明：冬小麦在播前、拔节期和开花期灌溉75ram;丰水年和平水年夏玉米在播前灌溉3lmm,枯水年夏玉米在播前和抽穗分别灌溉20mm,特枯水年夏玉米在播前和抽穗分别灌溉84mm;冬小麦在播前和拔节期分别施人氮肥43kg／hm^2和87kg／hm^2,夏玉米在苗期和大喇叭口期分别施人氮肥40kg／hm^2和80kg／hm^2.这样的节水省氮灌溉施氮方案不仅能够获得较高的粮食产量,还能获得较高的水分利用效率和氮肥偏生产力。     

应用根系层水质模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率Ⅰ：模型参数的灵敏度分析与标定

本文利用禹城试验站田间试验数据对根系层水质模型的输入参数进行了灵敏度分析和标定。参数标定后的模拟结果与实测结果的对比显示:土壤体积含水量模拟值的均方根差和平均相对误差分别为0.069cm3·cm-3和-8.57%;土壤硝态氮含量模拟值的均方根差和平均相对误差分别为41.41mg/kg和-69.56%;在冬小麦-夏玉米轮作体系下,作物吸氮量模拟值的均方根差和平均相对误差分别为97.8kg/hm2和50.6%;作物地上部生物量和产量模拟值的均方根差分别为2392kg/hm2和2239kg/hm2,平均相对误差分别为32.8%和22.2%;叶面积指数模拟值的均方根差和平均相对误差分别为2.83和243.8%。模拟结果表明:RZWQM能够较好地模拟冬小麦-夏玉米轮作体系中土壤水动态和作物地上部生物量及产量,可用于模拟分析农田水氮利用效率。但该模型在禹城试验站对土壤硝态氮含量和叶面积指数模拟精度欠佳的原因有待进一步分析。     

不同施氮量对小麦、玉米产量和土壤养分分布的影响

在河北省中西部黄壁庄水库上游流域,通过田间试验,分析不同施氮量对该区小麦和玉米产量、氮肥偏生产力、农户纯收益和土壤中氮素累积的影响,以期为该区农业的施肥管理和防治农业非点源污染的技术策略提供科学依据。试验结果表明,中肥施氮水平,冬小麦产量和农户收益最高。不同施氮水平对夏玉米产量影响差异不显著。高肥水平,春玉米产量和农户收益最高。在冬小麦和夏玉米轮作农田,硝态氮在90cm土层出现累积。在春玉米农田,硝态氮在50cm土层出现累积。另外,随着施氮量的提高,100cm土体硝态氮储量在2010年和2011年间出现盈余。综合分析试验结果,在该区合理灌溉的前提下,冬小麦合理施氮量为225kg/hm2左右,夏玉米合理施氮量为180kg/hm2左右,春玉米合理施氮量为225kg/hm2左右。     

北京地区冬小麦-夏玉米轮作下土壤氮素的分布及对地下水影响分析

研究北京粮食作物种植区冬小麦—夏玉米轮作体系下不同施氮量对土壤氮素剖面分布、累积量、淋失量的动态变化过程的影响及对地下水的影响等。结果表明在喷灌条件下冬小麦试验季节硝态氮的累积主要在80 cm深度以上;而夏玉米季节,硝态氮的峰值运移到150 cm左右,硝态氮存在明显的深层淋失现象。硝态氮的剖面含量一般随着施氮量的增加而增加。单季施氮量低于110 kg/hm2,土壤氮素处于稍微亏损状态;而施氮量大于220 kg/hm2时,在0～200 cm土层内,硝态氮有明显的累积现象,硝态氮的累积量一般随着施氮量的增加而增加,因此建议该地区年施氮量为250kg/hm2以维持农田氮平衡。考虑到当地的地下水埋深一般在12.5m左右,可以初步得出冬小麦—夏玉米种植对地下水的影响较小,但是长期冬小麦—夏玉米种植施肥将对地下水产生影响。     

半干旱地区喷灌玉米CERES-Maize 模型率定验证及应用

作物模型是确定水氮优化管理措施的有力工具,而模型的率定和验证是模拟结果推广应用的前提。利用内蒙古半干旱区2012、2013年的大型喷灌机条件下玉米水氮充足处理对CERES-Maize模型的作物品种参数进行率定,其他不同水氮处理进行验证,并应用模型模拟了不同降雨年型下灌水施肥方案对作物产量和氮素淋失量的影响。模型验证结果表明,CERES-Maize模型可以较好地描述该地区不同水氮处理条件下玉米叶面积指数(LAI)在生育期内的变化过程。中、高灌水量处理玉米生育期内LAI的模拟精度(标准均方根误差n RMSE=23.0%~37.7%,一致性指数d=0.612~0.945)优于水分亏缺较严重的处理(n RMSE=31.8%~60.6%,d=0.501~0.878)。产量和收获期干物质质量模拟值与实测值之间的相对误差变化范围为0.1%~17.7%,n RMSE变化范围为7.6%~8.7%,d变化范围为0.758~0.791,吻合程度为优。CERES-Maize模型可用以优化喷灌水氮管理措施。不同降雨年型玉米最优灌水方案为:枯水年灌水次数为10次,灌溉定额为292 mm;平水年和丰水年灌水次数分别为8次和6次,灌溉定额分别为191 mm和95 mm。不同降雨年型最优施肥方案为:基肥的施入量为40 kg/hm2,拔节期和抽穗期的施入量均为60 kg/hm2。优化水氮管理措施不仅能够获得较高的玉米产量,还能减少氮素淋失。     

应用农业生产系统模型分析冬小麦-夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率I：模型参数的灵敏度分析与标定

以采集的北京市海淀区东北旺试验站大量的田间实测数据为基础,对农业生产系统模型（Agricultural Production Systems Simulator,APSIM）进行详细的参数灵敏度分析与标定,结果显示：标定模拟的土壤剖面体积含水量动态的精度较高,平均相对误差为13.41%;标定模拟的土壤剖面硝态氮浓度动态的精度较低,平均的相对误差为29.69%;标定模拟的冬小麦叶面积指数、生物量和产量的平均相对误差分别为36.49%、24.18%和32.31%;标定模拟的夏玉米叶面积指数、生物量和产量的平均相对误差分别为31.76%、35.84%和26.44%。以上标定模拟的精度就田间实际情况而言,总体是可以接受的。经过详细的参数标定后的APSIM模型将为深入探讨不同农田管理措施下水氮利用效率的长期变化提供可靠的定量分析手段。     

基于DNDC模型的东北半湿润区膜下滴灌玉米施肥制度优化

东北半湿润地区玉米生育期内的降雨量通常较多,给田间试验开展施肥制度优化研究带来一定困难。本文结合田间试验结果,利用DNDC模型优化了玉米膜下滴灌施氮次数和施氮比例。其方法是在对DNDC模型参数进行敏感性分析的基础上,分别利用2012和2011年东北膜下滴灌玉米田间试验数据对DNDC模型中作物参数进行率定和验证,最后利用验证后的模型优化出适宜的施氮次数和施氮比例。研究结果表明,对玉米吸氮量和产量影响较大的参数为大气CO_2浓度、作物需水量、降雨量和籽粒C/N等;验证后的模型能较精确模拟玉米的产量和吸氮量,而对玉米的生长动态模拟精确度相对较差;当土壤初始无机氮含量在60 mg/kg时,东北半湿润区膜下滴灌玉米的适宜施氮量为150~200 kg/hm~2,且在玉米抽穗期和灌浆期以1:3的比例施入氮肥可使氮肥的淋失量减少,而产量也可保持在较高水平。     

华北轮作农田灌溉制度多目标优化模型及应用

针对华北地区冬小麦-夏玉米轮作种植模式,构建了轮作农田灌溉制度多目标模拟-优化模型,该模型利用水量平衡模型模拟不同灌溉制度下的农田耗水过程,利用水分生产函数估算不同耗水条件下的作物产量,以2种作物每次灌溉的灌水时间及灌水定额为决策变量,以两种作物产量最大为目标函数。引入动态罚函数对灌溉定额进行约束,采用改进非支配排序遗传算法进行求解,最终用理想点法对所得Pareto非劣解进行决策。不同灌溉定额下北京地区冬小麦-夏玉米轮作农田灌溉制度多目标优化结果表明:轮作模式下冬小麦的灌水关键时期为抽穗与灌浆期,与水分敏感期基本一致;夏玉米的灌水关键时期为拔节与抽穗期,受前期墒情及降水影响比水分敏感期有所提前。在最优灌溉制度下,随着灌水量的增加,两种作物产量均增加;产值呈抛物线增加,但边际产值递减;单位灌水量产值呈幂函数减小;同时作物耗水量呈对数增加,而土壤水利用量呈抛物线减少。     

寒地稻作水氮生产函数及其评价研究

采用全面小区试验,以龙庆稻3号为试验材料,设四种灌溉水平(控制灌溉、蓄水控灌、浅水灌溉、淹灌)和四种施氮水平(135kg/hm2、105kg/hm2、75kg/hm2、0kg/hm2),建立了不同水氮耦合模式的水氮生产函数。利用模糊综合评价方法对产量进行评价。水氮因素对产量构成因素影响大小依次为千粒重结实率穗粒数有效穗数;在分蘖期、抽开期、乳熟期充足的水氮有助于提高产量,在拔孕期水氮充足会使水稻产量降低。结果表明:蓄水控灌施氮量为105kg/hm2是最佳的水氮耦合方式。     

水肥耦合对水稻生长、产量及氮素利用效率的影响

为了探讨水稻生产中适宜的灌溉方式以及与其匹配的施氮量,以C两优华占水稻品种为试验材料,使用大田试验的方法,进行了水肥耦合试验。试验设灌水量和氮肥水平两个因素。以淹水灌溉的灌水量为基准,设置4个水分处理,即W1 (淹水灌溉100%)、W2 (轻度干湿交替灌溉66.7%)、W3 (中度干湿交替灌溉33.3%)和W4(雨养,灌溉0),不同水分处理灌溉频次相同,当W1水层消失时同时灌溉。设置6个氮肥梯度,0、90、135、180、225、270 kg/hm~2。对水稻生长性状、产量以及水氮利用效率进行了研究,结果表明:在不同灌溉处理下,增加氮肥施用量,均能够显著增加水稻株高和叶片SPAD值;中度干湿交替灌溉,显著降低了低施氮量处理的株高,高施氮量一定程度上弥补了灌水量减少对株高的影响。轻度与中度干湿交替灌溉处理下,高氮处理成熟期水稻叶片SPAD值显著降低,从而改善其贪青晚熟现象。在不同灌溉处理下,随着氮肥施用量的增加,水稻有效穗数呈现逐渐增加的趋势。雨养处理会导致水稻实粒数与结实率显著降低;不同灌溉方式下,氮肥施用量与水稻产量均呈现二次方的关系,不同水分处理下的水稻产量峰值出现时的施氮量不同,当施氮量达到135 kg/hm~2之后,继续增加施氮量,不同水分处理对水稻产量影响显著,在水分亏缺条件下继续增施氮肥会导致产量明显下降。综上所述,施氮量的多少应该与灌水量相匹配,轻度干湿交替灌溉条件下,施用180 kg/hm~2氮肥会达到较好的水肥耦合模式,可以在减少灌水量的条件下,获得了较高的产量,并且保持较高的氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力。     

应用分布式水文模型优化黑龙港及运东平原农田灌溉制度Ⅱ：水分生产函数和优化灌溉制度

黑龙港及运东平原是河北省的主要农业区,同时也是华北平原的少雨中心,探讨适用于该地区冬小麦和夏玉米的水分生产函数类型,并应用于制定优化的灌溉制度,对于该区域节水农业的建设具有重要的现实意义。本文以经过参数率定与模拟验证的土壤水评价工具(SWAT)为手段,设置了1种充分灌溉处理和9种非充分灌溉情形,拟合得到冬小麦和夏玉米的水分生产函数,在此基础上,依据水分敏感系数(或指数)确定出灌溉的关键生育期,以不考虑氮磷胁迫的历史灌溉情景为基本情景,设置了3种优化灌溉方案。结果表明:在所确定的冬小麦和夏玉米灌溉的关键生育期,采用优化后的灌溉量,与基本情景相比,在保证冬小麦-夏玉米种植制度下的作物基本稳产(产量平均增加2.54%)的前提下,平均节省灌溉量23.55%,水分利用效率平均提高6.29%。总之,模拟得到的优化的灌溉制度对于该区域冬小麦-夏玉米轮作体系下的农田节水灌溉管理具有一定的参考价值。     

河北省 5 个县域冬小麦-夏玉米连作灌溉需水特性分析

利用河北平原区5个县域及周边的雨量站、气象站和农气站资料,综合考虑降水、土壤和作物特性,提出修正的SCS-CN模型用于计算作物有效降水量,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算作物需水量,探讨研究区不同水文年份作物灌溉需水量的时空分布特性。结果表明,研究区冬小麦-夏玉米连作多年平均作物有效降水量、作物需水量和灌溉需水量分别为389、736和347mm,丰水年、平水年和枯水年冬小麦-夏玉米连作灌溉需水量分别为321、382和423mm。冬小麦生育期灌溉需水量271～350mm,返青-拔节期、拔节-抽穗期和抽穗-成熟期灌溉需水量各占全生育期的26%、26%和29%;夏玉米全生育期灌溉需水量0～49mm,抽雄期和成熟期分别占全生育期的52%和48%。作物有效降水量空间分布,石家庄3县西高东低,邯郸2县西低东高;作物需水量石家庄3县高于邯郸2县;研究区灌溉需水量空间分布不均,大致呈带状分布。     

寒区水肥一体化技术对玉米产量及氮肥利用率的影响

通过春玉米测坑试验,在膜下滴灌水氮耦合条件下,研究水氮组合方案对玉米产量及产量构成因素的影响规律。研究结果表明:施氮对玉米百粒重的影响大于灌水;低水灌溉时,玉米追肥时宜采用中等氮肥,氮肥量过高或者过低都对玉米产量有不利影响;高水灌溉时,玉米追肥时宜采用中高等氮肥,施氮量适当增加可以明显提高玉米产量。     

水氮耦合对芸豆生理及产量的影响

以芸豆品种英国红为材料,在盆栽试验条件下,设置2种灌溉量(W1:常规灌溉,W2:控制灌溉)和5种不同施氮量(N0:0kg/hm2,N1:25kg/hm2,N2:30kg/hm2,N3:35kg/hm2,N4:40kg/hm2),研究了不同水氮管理模式对芸豆生理及产量的影响,旨在为芸豆高产优质栽培提供理论依据。研究结果表明,在常规灌溉条件下,随着施氮量的增加,芸豆叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、硝酸还原酶活性呈先增加后降低的趋势,产量也呈先增加后降低的趋势,在处理W1N3最大。在控制灌溉条件下,随着施氮量的增加,芸豆叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量、硝酸还原酶活性均在处理W2N4最大,产量在处理W2N4达到最大值,与对照相比,增加了72.54%。在该试验条件下,适宜的水氮组合有利于作物生长发育及产量的形成,达到了水肥的高效利用,但施氮过量也有可能导致增产幅度下降,试验认为W1N3(80%田间持水量、施氮35kg/hm2)为最优水氮组合。     

东北黑土区膜下滴灌施氮管理对玉米生长和产量的影响

2011和2012年在东北黑土区开展了玉米膜下滴灌田间试验,研究生育期滴灌施氮次数与施氮量对玉米生长和产量的影响。施氮次数取1次(拔节期)和3次(拔节期、抽穗期、灌浆期)2个水平,施氮量取50、100、150、200 kg/hm24个水平。结果表明,施氮次数对玉米的生长和产量影响显著,1次施氮处理显著提高了玉米在生育前期的株高、叶面积指数(LAI)、干物质质量和氮素吸收量,3次施氮处理使生育后期的干物质质量和氮素吸收量显著提高,产量随施氮次数显著增加,平均比1次施氮处理提高5%;施氮量对玉米各生育期株高和LAI的影响均不显著,干物质质量和氮素吸收量随施氮量呈增加趋势,尽管2012年玉米产量随施氮量的增加显著增长,但施氮量对玉米产量的影响明显小于施氮次数。本研究建议东北黑土区玉米膜下滴灌采用3次施氮、施氮量150~200 kg/hm2的施氮管理措施。     

缓释氮肥施用比例对冬小麦产量及氮肥利用效率的影响

针对陕西关中小麦肥料利用效率不高的问题,在陕西省杨凌示范区开展了缓释氮肥与尿素的配施试验,设置了不施氮肥（N0）、100%尿素（N1）和4个不同缓释氮肥配施处理（N2（100%）、N3（25%）、N4（50%）、N5（75%））,以不施肥CK为对照;分析缓释氮肥与尿素配施对冬小麦干物质累积及氮素吸收量、土壤硝态氮含量和分布、产量及水氮利用效率的影响。结果表明：与N1、N2处理相比,缓释氮肥和尿素配施不仅能显著增加冬小麦干物质累积量（4.69%～11.40%）、氮素吸收量（5.92%～24.08%）及产量（6.00%～22.41%）,还能增加土壤表层（0～40 cm）的硝态氮累积量（2.09%～45.51%）,减少其淋失到深层土壤,提升氮肥利用效率。N5处理下冬小麦的氮肥偏生产力（42.46 kg/kg）、氮肥农学利用率（15.46 kg/kg）和氮肥表观利用率（47.79%）均最大,成熟期N5处理的干物质累积量较N1和N2处理分别提高了11.40%和9.20%,地上部氮素累积量分别提高了24.08%和11.49%,产量分别提高了22.41%和11.00%。收获时N5处理0～40 cm土层中硝态氮的累积量最大,比其它施肥处理提高了1.30%～19.52%。综上所述,75%缓释氮肥+25%尿素处理（N5）是本研究中冬小麦高产高效的最优施肥方案。     

作物生长与土壤水氮运移联合模拟的研究Ⅱ——模型验证与应用

在华北平原中国农业大学东北旺实验田开展了水肥耦合灌溉实验,设置了传统和优化水肥4个组合处理,同时应用作者提出的联合模拟模型SPWS对2000年夏玉米生育期内的土壤水分、氮素转化运移以及水氮限制条件下夏玉米的叶面积指数、干物重、吸氮量及籽粒产量进行了模拟,模拟结果与实测数据均吻合良好。水氮平衡分析结果表明,优化灌溉和优化施肥管理措施均能明显减小水分渗漏、硝酸盐淋失和氮素的气体损失,且均有不同程度的增产作用,其中优化水肥处理下水氮利用率分别为1.33kg/m3和31.6kg/kgN,为4个组合处理中最高。     

基于半定量方法的华北冬小麦施氮量优化管理研究

利用田间实测数据对AquaCrop模型进行校验，获取了模型的关键参数，并量化不同施氮量水平与肥胁迫相关的压力系数；以此为基础，提出了半定量方法的参数化方案，实现了华北冬小麦施氮量的优化管理。结果表明：(1)模型校验过程中冠层覆盖度的决定系数R²大于0.876、NRMSE小于15.554%;土壤含水率模拟值与实测值的R²大于0.840、NRMSE小于9.960%;所有处理下产量模拟值与实测值的R²大于0.964。说明经校验的模型能较好地模拟不同施氮处理下作物生长及产量产出过程，可利用该模型进行施氮量优化管理研究。(2)利用半定量方法实现了氮肥的多情景模拟，根据模拟结果建立了施氮量与产量之间的关系，当施氮量达到355.30 kg/hm²后，继续增加施氮量，冬小麦的产量出现了降低的趋势。     

三叶期越冬小麦高产节水的技术研究

1990～1993年试验结果表明,棉花晚播三叶期越冬小麦在蓄水盖秸条件下产量达到6000kg/hm~2以上是完全可能的。过去,晚播小麦产量低的限制因子是配套技术措施跟不上及水肥运筹、栽培技术不合理等。而蓄灌盖秸技术措施对小麦的叶片功能期、产量、土壤温度、水分均有不同程度的影响。晚播三叶期越冬小麦在蓄灌盖秸条件下,采用底肥重施磷肥,轻施氮肥,拔节前控制氮肥的用量,拔节期重施氮肥的管理方法,使晚播冬小麦达到了与适播冬小麦产量相当或略高的高产水平。     

灌溉定额与灌溉水矿化度对春玉米水分利用效率影响研究

通过在甘肃省石羊河流域开展春玉米咸水灌溉田间试验,研究了灌溉定额和灌溉水矿化度对春玉米耗水量及水分利用效率的影响.研究结果表明:春玉米耗水量随着灌溉定额的增大而增大,随着灌溉水矿化度的增大而减小.而从充分利用土壤贮水的角度考虑,非充分灌溉能够提高土壤播前贮水的利用量,而咸水灌溉则会降低土壤贮水利用量;非充分灌溉有利于提高春玉米的水分利用效率和灌溉水分利用效率,而咸水灌溉会降低春玉米的水分利用效率和灌溉水分利用效率.本次试验得到淡水轻度缺水灌溉处理的水分利用效率和灌溉水分利用效率最大值分别为2.90 kg/m~3和4.23 kg/m~3.与淡水充分灌溉处理相比,在研究区若采用灌溉定额为340 mm和灌溉水矿化度为0.71 g/L的灌溉方式,春玉米的水分利用效率和灌溉水分利用效率可提高25%以上,同时可节水170 mm.