水稻根系氮磷钾吸收特性及其模拟模型研究

为定量研究水稻一个生长周期的氮磷钾吸收特性,开展水培和土培盆栽试验。结果表明,7个水稻品种的30个模拟模型中,有29个模型达到统计显著水平,说明提出的模拟模型能很好地拟合水稻不同生育期的养分吸收动态。由模拟模型分析可得到水稻根系养分吸收常数、最大养分吸收速率和最大养分吸收量及其出现的时间等养分吸收特征参数。根系养分吸收常数平均值是K>N>P;不同品种间根系钾吸收常数有较大差异,氮和磷的差异则较小。养分最大吸收速率和最大吸收量及其出现时间的计算结果表明,水稻氮钾吸收过程基本同步,磷则稍晚。土培试验表明,平衡施肥明显提高水稻根系养分吸收常数、氮磷钾的最大吸收速率和最大吸收量,显著提高根系对氮磷钾的吸收能力。     

土壤水氮动态及作物生长耦合EPIC-Nitrogen2D模型

为计算农业区不同作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程,该文基于Erosion/Productivity Impact Calculator(EPIC)作物模型建立了作物根系生长子模块,将其进行有限元数值离散,与土壤氮素迁移转化模型Nitrogen2D耦合,使模型能计算作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程。该作物生长模块可计算多种胁迫下作物根系对土壤水分和氮素的动态吸收速率,及作物收获时的生物量和吸氮量。采用武汉大学灌溉排水试验场冬小麦生长条件下土壤水氮试验数据对模型进行了率定,并用于土壤水氮分布和作物生物量预测,土壤含水率、氮素的模拟值与实测值的一致性系数分别为0.86~0.97、0.52~0.98,Nash效率系数为0.59~0.90(含水率)、0.44~0.93(土壤氮素),说明模拟结果与实测值吻合度较高。同时,分别采用该文的作物生长模块和简单根系吸收模块计算根系吸氮过程,结果显示,简单根系吸收模型会显著高估作物吸氮量,而作物生长模型则由于考虑了根系生长和各环境因子的胁迫作用,计算结果更符合作物实际吸氮过程,计算的根系吸氮量相对均方根误差为3.4%~46%。     

基于土壤-作物系统模拟模型的冬小麦田间水氮优化管理

将作物生长模型与土壤水氮管理过程模块相结合，构建了土壤-作物系统水分养分模拟模型。以灌水、施氮总量为决策变量，冬小麦生物量、水分和氮肥利用效率为优化目标，将冬小麦按生长发育时期分为6个阶段，建立了多目标的动态规划模型。在土壤-作物系统过程模型的基础上，用动态规划的方法对田间水、氮资源管理措施进行优化。通过对作物水分胁迫系数和氮肥胁迫系数的模拟计算，可获得最佳的灌水、施肥时间及用量。算例结果表明：在养分供应充足仅水分胁迫的条件下，优化方案的灌水量较对照处理平均节约了25%，水分利用效率比对照处理平均高出约1     

土壤中离子交换和运移的模拟研究进展

养分离子由粮区淋失和对植物吸收利用的有效性,以及污染性离子对土壤和地下水资源的潜在性污染等问题要求有效地模拟离子在土壤-水系统中的动态。本文就土壤系统中离子交换和运移模拟模型,参数确定,研究现状等进行简要综述。     

EPIC模型中土壤氮磷运转和作物营养的数学模拟

土壤侵蚀和生产力影响估算模型EPIC是国际上较有影响的水土资源管理和作物生产力评价动力学模型。本文简要介绍了EPIC模型中描述土壤氮磷养分运转与作物氮磷营养的基本原理及其主要数学方程。在作物和土壤微生物等生物因素,热量、降水等气候因素,施肥、灌溉和土壤耕作等管理因素的影响下,农田土壤氮素和磷素不断发生空间运移和形态转化。EPIC模型能够逐日定量描述土壤中氮磷养分的矿化与固定、硝化与反硝化、淋洗与挥发、流失与吸收、矿质磷循环、豆科作物固氮等运移、转化及作物吸收过程的变化速率和数量,揭示出土壤剖面氮磷运移、转化和作物营养的动态变化规律,可供农田土壤管理和作物营养定量评价研究中借鉴。     

作物生长模型的应用研究进展

作物生长模型不仅能够进行单点尺度上作物生长发育的动态模拟,而且能够从系统角度评价作物生长状态与环境要素的关系。本文通过梳理当前作物生长模型应用的诸多研究成果,剖析模型在气候变化对农业生产影响研究、作物生长模型区域应用中的关键问题,总结了当前以作物生长模型为核心的农业决策支持系统开发的研究情况,意在促进作物生长模型在生态、农业、区域气候资源和气候变化等研究中更广泛地应用。结果表明,作物生长模型在国内外的研究与应用广泛而深入,在气候变化背景下,应用作物生长模型进行历史时期气候条件和农业气象灾害对作物生产状况和产量的影响研究已相当广泛且相对成熟。利用全球气候模式（GCM）或区域气候模式（RCM）构建未来气候变化情景,再与作物生长模型耦合已发展成为评估未来气候变化对农业生产影响的重要手段。通过集成与整合多作物生长模型、多气候模式集合模拟、优化气候模拟数据订正方法可有效降低气候变化对农业生产影响评估的不确定性。遥感数据同化技术能够将站点模型运用到区域尺度上评价不同环境因子对农业生产的影响,拓宽了作物生长模型的应用尺度范围并有效提高作物产量估算的精度。以作物生长模型为核心的农业决策支持系统的研究与应用越来越多元化,是辅助农业生产管理和决策的重要工具。然而,由于作物生态系统的复杂性,作物生长模型模拟结果仍存在很大的不确定性,今后对作物生长机理及过程间耦合机制的探索还需加强,以便进一步完善和改进模型,促进作物生长模型更广泛地应用。     

作物单产估算模型研究进展与展望

作物单产估算是服务现代农业的一项重要内容,也是农业监测的难点之一,及时准确的产量模拟对国家农业决策、农田生产管理、粮食仓储安全等都有重要意义。利用模型对作物生长发育和产量形成过程进行动态模拟是当前产量估算的主流方式。本文通过对比当前主流模型构建的理论基础,将估产模型分为经验统计模型、作物生长模型、光能利用率模型和耦合模型4种类型,并对比分析4种模型的优缺点,得到了各个模型的优势和不足。同时分别分析了遥感技术在4种估产模型中的应用,对模型中遥感数据的使用方法、限制因素、解决办法等进行了总结,并分析了遥感技术在作物估产模型方面使用的优势、不足和应用前景。分析了模型发展过程中存在的问题和限制因素,最后对模型的研究热点和发展趋势进行了展望,总结了遥感数据的使用方法、不同模型的耦合、现有模型的优选3个作物估产模型研究需要重点关注的方向。     

分布式水文模型在陕西省冬小麦产量模拟中的应用

利用分布式水文模型和作物模型模拟了不同深度的土壤含水量,以及在连接分布式水文模型和不连接分布式水文模型两种方式下,利用作物模型分别对冬小麦叶面积指数、干物重增量和产量进行了模拟,最后采用连接分布式水文模型的作物模型模拟了全流域内冬小麦产量的空间分布。模拟结果经对比检验表明,分布式水文模型在土壤水分模拟方面准确性高于作物模型;连接分布式水文模型的作物模型对冬小麦生长过程和产量的模拟结果准确性均高于作物模型独立模拟的结果;连接分布式水文模型的作物模型在流域内对冬小麦产量的空间分布模拟结果也与农业试验站观测产量和社会统计产量基本一致,高产区、低产区分布与实际基本相吻合。这为分布式水文模型和作物模型耦合应用,以及通过引进分布式水文模型来推动作物模型和产量预报研究进一步发展提供了基本的试验支持。     

土壤-作物-大气系统水热碳氮过程耦合模型构建

定量描述农田生态系统中土壤水分动态、碳氮循环过程和作物生长发育规律,对水氮资源高效利用、作物生产决策和环境保护具有十分重要的意义。该文在总结前人研究成果的基础上,引用了联合国粮食及农业组织的气象模块、荷兰的PS123作物模型和丹麦的Daisy模型的碳氮循环模块;借鉴了RZWQM和Hydrus-1D的水分溶质运移模块的相关理论,并在其基础上进行了修改与完善,构建了土壤-作物-大气系统水热碳氮耦合模拟模型WHCNS(soil water heat carbon and nitrogen simulation)。该模型以天为步长,考虑了气象条件、作物生物学特性和田间管理驱动。土壤水分入渗和再分布过程分别采用Green-Ampt模型和Richards方程来描述。土壤氮素运移使用对流-弥散方程来描述,源汇项中考虑碳氮循环的各个过程(有机质矿化、生物固持、尿素水解、氨挥发、硝化、反硝化和作物吸收等),在根系吸水吸氮源汇项中引入了补偿性吸收机制。有机质模块完全来自Daisy模型,将有机质库划分为3个快库和3个慢库。利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及作物产量的模拟,通过水氮胁迫校准因子来实现水氮限制下作物产量的模拟。最后应用华北地区(山东泰安)冬小麦-夏玉米轮作体系2 a的田间观测数据对该模型进行了校验。结果表明,剖面土壤水分和硝态氮浓度、叶面积指数、作物产量与实测值均吻合良好,模拟误差均在合理范围之内,特别是对产量的模拟较好,均方根误差为206~319 kg/hm2,相关系数为0.90,模型效率值均大于0.75,一致性指数值均大于0.9。WHCNS模型能够较好地模拟土壤水分动态、氮素运移及去向、作物生长发育等过程,表明该模型适用于中国华北地区高度集约化的农田生产系统。     

水稻根长增长和养分吸收动态及其模拟模型

采用溶液培养和田间试验研究水稻根长增长和氮磷钾吸收动态。在改进蔬菜根长和养分吸收动态模型基础上,建立了适用于一个生长周期的水稻根长增长模型、单位根表面积氮磷钾吸收速率模型及其累积吸收动态模型。6个根长增长模型和18个根表氮磷钾吸收速率模型以及36个氮磷钾吸收动态模型的模拟效果达统计显著水平。结果表明,随着种植时间的推移,水稻根长增长和氮磷钾累积吸收量在整个生育期呈现S型特征;根表养分吸收速率在生长前期随种植时间迅速提高并达到最大值,过后则按指数规律下降。溶液培养试验看出,生育期120 d水稻最大根长增长速率和最大根长分别为播种后（68.85.4）d和（108.43.9）d,品种间差异很小;最大根长增长速率和根长则为（4531.51529.4）cm/( pot?d)和 (2.8931 0.6237)105 cm/pot,品种间差异较大。田间试验看出,不同施肥处理的氮磷钾吸收速率基本同步,早晚稻插秧后约50~60 d根系养分吸收能力达到峰值,临近成熟时养分吸收量达到高峰。研究结果为水稻中后期养分管理提供了科学依据。     

作物肥料效应函数模型研究进展与展望

在过去四十年里,肥料效应函数模型研究和应用取得重要进展,业已成为我国测土配方施肥的主要技术依据和一个分支体系,其中二次多项式是研究和应用最多的肥效模型。本文对经验肥效模型的类型及其适用性、试验设计、参数估计、类特征肥效模型、非典型式推荐施肥优化方法以及函数法与土测值的结合等方面的研究进展进行了简要综述。在此基础上,分析了问题产生原因和主要诊断方法。为此,建议:未来要深入探讨消除或缓解多元肥效模型多重共线性和异方差危害的补救措施及其有效应用条件;研发非结构肥效模型,克服经验肥效模型专业假设的不合理性;在大量"3414"试验资料基础上开展作物肥效参数识别技术研究,为肥效模型实现微观指导和推荐施肥软件系统研发提供理论模型依据。     

Improve Water and Nutrient Efficiency in Tomato Crop by a Dynamic Fertigation Management under Saline Conditions

The improvement of water and nutrient efficiency leads to a production model that is more sustainable with less water, fewer fertilizer inputs, and less environmental damages. High-technology fertigation equipment permits high precision in the nutrient solution application. Besides, the field measurement of soil water content by tensiometers and the extraction of soil solutions by suction cups allow a dynamic methodology management in agreement with real crop requirements. This trial was carried out to compare this dynamic fertigation management method (using tensiometers and suction cups) for tomato crops (Lycopersicum sculentum Mill. Forteza) under Mediterranean greenhouse conditions with other methods: the local traditional model, based only on technical consulting, and the classical model, by means of estimation of Kc and nutrient extractions references. The parameters studied were tomato yield, water, and fertilizer amounts applied during the cultivation as well as water- and fertilizer-use efficiency. The water used to prepare the nutrient solution was classified as C₄-S₃ following the Riverside classification system. Plants were grown from 15 August to 20 April. The results show that the supply of fertilizers during the cultivation has been significantly lower with classical and dynamic models. Dynamic method shows greater efficiencies for all the elements, except for potassium, and also decreases the water consumption, not affecting total yield.     

生态平衡施肥模型与肥料效应函数模型关系研究

本文从理论上推导出生态平衡施肥模型及其特征参数模型的一般应用表达式,进而建立了区域生态平衡施肥模型和区域特征参数模型,最后介绍了区域生态平衡施肥模型和地块施肥模型参数的求解方法和预测施肥量方法。研究表明:肥料效应函数模型是生态平衡施肥模型在不考虑土壤有效养分因素情况下的特例;区域生态平衡施肥模型能够满足地块半定量施肥预测的需求。     

通用施肥模型及其应用

基于生态平衡施肥理论和多年实践,建立了通用施肥模型及其若干应用模式。（1）不进行秸秆还田情况下,当Wj≥Wi时的通用施肥模型表达式为＂肥料转化率＋肥料离土率＋肥料培肥率=1＂;当Wj〈Wi时的通用施肥模型表达式为＂土壤-肥料转化率＋土壤-肥料离土率=1＂。（2）进行秸秆还田情况下,当Wj≥Wi时的通用施肥模型表达式为＂肥料经济产量转化率＋肥料离土率＋肥料培肥率=1＂;当Wj〈Wi时的通用施肥模型表达式为＂土壤-肥料经济产量转化率＋土壤-肥料离土率=1＂。基于以上理论和方法,分别对肥料长期定位试验、示踪试验、普通肥料田间试验、轮作栽培模式情况下的通用施肥模型进行了讨论;并介绍了参数计算过程。根据实际工作需要,对通用施肥模型进行了简化,分别定义了土壤-化肥养分生物产量转化率、土壤-化肥养分籽粒产量转化率两个参数和相应的施肥模型。最后简介了通用施肥模型多年实践情况。     

不同栽培模式对氮磷钾养分径流流失的影响

为了寻求提高肥料利用率、降低养分流失、减少环境污染的最佳种植模式,在广西丘陵坡耕地进行定位观测,研究广西主要经济作物、农民常规施肥和主要种植模式下的坡耕地养分径流流失特征,结果表明,木薯+玉米模式径流水中的总磷、总钾、硝态氮流失量最大,其次为总氮、铵态氮;木薯+花生模式径流水中的养分流失量除总磷（245.1 g/hm²）最多外,其他养分流失量均较少,氮素流失以硝态氮为主,占总氮的50%以上。产生径流量最多的模式是木薯+花生为60 974 L/hm²,其次是甘蔗模式为58 583 L/hm²,最少的模式是木薯+玉米为52 676 L/hm²;木薯+玉米种植模式下作物吸收氮、磷、钾的量最多（7月13日）,甘蔗吸收氮、磷、钾的量均是最多的（11月13日）。三种种植模式中施肥量最大的是木薯+玉米,其次是木薯+花生,甘蔗是最少的。养分氮、磷径流率最大的均为甘蔗单种模式,养分钾径流率最大的为木薯+玉米种植模式。     

利用正交趋势分析进行大面积经济施肥建模

以田间肥料效应试验为基础,利用正交趋势分析建立了大面积经济施肥的数学模型,分析了建模的理论与方法,讨论了模型的特点。该模型反映了作物产量、需肥量和土壤供肥量三者之间的关系。通过测试土壤供肥量来确定肥料效应方程,从而计算经济合理施肥量。水稻大面积施肥试验证明了该施肥模型有较高的准确性和敏感性。     

豫西南山区不同用地类型土壤养分流失特征

[目的]对豫西南山区不同用地类型养分流失特征进行研究,为区域土地规划、水土流失和农业面源污染的防控提供科学依据。[方法]选取桃庄河流域和铁瓦河流域5类常见农田,监测其地表径流中的养分浓度,并用SCS模型估算了平水年份农田中随地表径流流失的养分数量。[结果]各种农田径流中的养分含量和平水年随径流流失的养分数量基本一致,桃庄河流域表现为:COD_(Mn)氮肥磷肥;铁瓦河流域是:氮肥COD_(Mn)磷肥,这表明前者施用的有机肥和氮肥较多,后者则是氮肥和有机肥较多;不同农田随径流流失的养分数量状况,桃庄河流域为:药材地芝麻地玉米地花生地果园;铁瓦河流域则为:蔬菜地玉米地坡地林地果园,这不仅与施肥种类及数量有关,还与种植的作物、下垫面等状况有关。[结论]该区需调整作物结构、改变盲目施肥的传统,减少养分流失和面源污染。     

Analysis of Yield Response Variability to Nitrogen Fertilization in Experiments Performed in the Argentine Pampas

Abstract

Nitrogen (N) fertilization has become a common practice in corn and wheat crops in the Argentine Pampas during the past decade. In this region, great environmental variability determines erratic responses to fertilization. The quantity of data necessary for defining yield response models to N has not been investigated, and the relative yield transformation, combined with the total nutrient approach, has been widespread when analyzing fertilizer response results. The objectives were to determine the minimum data set necessary for fitting average yield functions suitable for fertilizer recommendation at regional scale and to investigate the consequences of using relative yield on N response functions when the total nutrient approach is used. Published results from two extensive fertilization networks, one with corn and the other with wheat, were used. Data were aggregated at different levels, because one single experiment to the entire network results, and yield response functions to N were fitted. Yield models tended to stability when a set of around 100 or more data points, generated in experiments performed across different sites and years, were used for fitting models with both crops. This amount of data was generated by performing 20 experiments in the corn network and 35 in the wheat network. Relative yield transformation allowed us to obtain models with lower dispersion than yield, but in the case of corn a biased model was generated that leads to underestimating fertilizer requirements. In wheat, similar fertilizer recommendations were produced from yield or relative yield functions. Response variability to fertilization must be addressed in the experimental area by increasing the amount of data used, rather than by applying the relative yield transformation.     

A decision-support model for monitoring nutrient balances under agricultural land use (NUTMON)

A quantitative model of the balance between inputs and outputs of nitrogen, phosphorus and potassium in African land use systems (NUTBAL) was recently developed at two scales: supra-national (38 sub-Saharan African countries) and regional (Kisii District, Kenya). Calculating inputs (mineral fertilizer, organic manure, wet and dry deposition, biological nitrogen fixation, sedimentation) and outputs (removal of above-ground crop parts, leaching, denitrification, water erosion) led to the conclusion that there are considerable net fertility losses in each growing period.

In this paper, NUTBAL is elaborated into a decision-support model (NUTMON) to monitor the effects of changing land use, and suggest interventions that improve the nutrient balance. As input and output determinants cannot all be quantified equally well, the model recognizes primary data, estimates, and assumptions. The NUTMON determinants are mostly scale-neutral and can therefore be used to monitor nutrient balances at farm, regional, national and supra-national level. This is essential since the hierarchical levels interact. A number of recent interventions at the regional level (Kisii District, Kenya) are elaborated, including national fertilizer and produce price policies, fertilizer supply in small packages, zero-grazing, agroforestry, soil conservation measures, and increasing fertilizer use efficiency. It is shown that a major nutrient conservation effort in Kisii reduces nutrient depletion by approximately 50%, but does not entirely redress the N and K balance. To achieve the latter without reducing crop production, 75% of the district would have to be converted to a rotation system of maize and green manure cover crops, whereas 25% can remain under tea.

NUTMON has the potential to become a dynamic tool for land use policies, geared towards a balanced nutrient status in African land use systems. It can assist decision makers in determining the effects of current and alternative land use scenarios, taking account of both the productivity as well as the long-term sustainability of agro-ecosystems.     

Constructing a nitrogen fertilizer recommendation system using a dynamic model: what do farmers want?

Abstract. An effective fertilizer recommendation system requires information on seasonal, soil-related and cultural variations in soil mineral nitrogen (N) and nutrient requirements of the crop. This can be provided by dynamic N turnover models, such as listed by Plentinger & Penning De Vries (1996). In this paper, we describe a survey of farmer opinion designed to ascertain what farmers want from such a decision support system. Over 100 farmers were surveyed. Surveyed farmers requested that default values be available for all model inputs. Inputs should be entered both by windows-based menu (for clarity) and tabular format (for speed), have user-selected units, and be fully supported by context-sensitive help. The system should have a hierarchical structure allowing access to fixed parameters, and be compatible with commonly used farm recording packages. Recommendations should be provided both for the field (single and optional application rates), and in tabular format across the whole farm. Simulations should be easily rerun using more recent crop and weather data. Turnover processes underlying recommendations should be illustrated by flow diagrams of flux between pools, pie charts of fertilizer fate, bar charts of movement down the soil profile and graphical plots of changes in N status against time.