基于高光谱的冬油菜植株氮素积累量监测模型

为无损和定量研究高光谱技术在冬油菜植株氮素积累量(PNA,plant nitrogen accumulation)时空变化监测的适宜性及准确性,该文以两年田间氮肥水平试验为基础,采用单变量线性和非线性回归方法,建立基于特征光谱参数的冬油菜P NA高光谱估算模型。结果表明,采用比值光谱的方法可显著提高冬油菜冠层光谱反射率与PNA间的相关性,其最佳的波段组合为1 259 nm与492 nm处光谱反射率比值(R1259/R492),决定系数R2为0.85。高光谱参数间,以比值植被指数(RVI-5)、归一化光谱指数(NDSI)、线性内插法红边位置(REIP)、三角植被指数(TVI)、742 nm处一阶微分光谱值(FD742)和红边面积(SDR)等光谱参数与PNA相关性较好(平均R2和标准误SE分别为0.69和42.70),且以FD742表现最优(R2=0.79,SE=35.66)。精度分析结果显示,以光谱参数R1259/R492和FD742为自变量的指数方程模型作为高光谱监测油菜PNA的最佳模型,各生育期Noise Equivalent(NE)均较低且表现稳定,同时模型估测精度较高,R2分别为0.98和0.98,相对均方根误差RRMSE分别为0.73和0.72,相对误差MRE分别为14.42%和10.31%。该方法为快捷和精确评估冬油菜PNA提供了新的研究思路。     

免耕及直播密度对油菜生长、养分吸收和产量的影响

[目的]研究免耕对油菜生长的影响,并初步了解导致免耕油菜产量降低的障碍因素,同时探讨晚播条件下免耕直播油菜的适宜直播密度.[方法]采用大田试验,比较免耕和翻耕条件下土壤紧实状况及杂草发生情况的差异,以及耕作方式对油菜生长,养分吸收和产量的影响,同时探讨免耕油菜在不同种植密度下的生长特点及其养分利用状况.[结果]免耕条件下土壤容重明显高于翻耕,整个生育期二者平均相差0.11 g·cm-3.与翻耕相比,免耕油菜田杂草生长量大,导致养分竞争加剧,杂草对氮、磷、钾的吸收量分别为翻耕处理的1.9、2.4和2.5倍.免耕条件下整个生育期油菜的干物质积累量及氮、磷、钾养分吸收量分别比翻耕处理降低了18.2%、17.1%、16.4%和20.2%.在种植密度为30万株/hm2时,与翻耕相比,免耕处理油菜籽减产10.7%.密度试验的结果表明,与低密度处理(30万株/hm2)相比,高密度处理(60万株/hm2)的杂草数量及干物质积累量分别降低了40.5%和56.4%,而整个生育期油菜干物质积累量及氮、磷、钾的养分吸收量则分别平均增加了55.3%、46.7%、53.6%和50.2%,油菜籽产量也提高了43.1%.[结论]油菜在免耕条件下会出现土壤紧实度大、根系生长和养分吸收受抑以及杂草过多竞争养分的现象,从而导致了产量降低.而在晚播条件下增加直播油菜的种植密度是提高油菜籽产量的有效途径,本研究中适宜的直播密度为60万株/hm2.     

稻田优化施肥效果与氮、磷环境效益评价

【目的】针对稻田氮磷钾肥施用不合理引起环境问题较为严重的现象,从粮食高产高效和环境效益的角度分析稻田化肥的合理施用与管理策略。【方法】选用测土配方施肥项目2005-2010年在湖南省间布置的735个早、中、晚稻肥料田间试验,选取不施肥（CK）、农民习惯施肥（FP）和优化施肥（OPT）3个处理,对比分析了早、中、晚稻OPT较FP处理的增产效果与氮、磷、钾肥偏生产力的优势;通过筛选OPT处理产量或/和氮肥偏生产力前25%的试验点,建立高产、高效和高产高效3种方案,结合氮肥用量与氮素损失（N₂O的排放、N的径流与淋失、NH₃挥发）之间的经验模型,评估稻田节氮减排潜力;通过计算早、中、晚稻磷素表观平衡,分析稻田磷素残留状况;并引入湖南省早、中、晚稻种植面积,估算区域稻田氮、磷的环境效益。【结果】多年多点田间试验研究表明,与CK处理相比,FP和OPT处理分别可增产41.9%和52.0%（早、中、晚稻的平均值）;与FP处理相比,OPT处理早、中、晚稻可增产7.0%-8.3%,氮、磷肥偏生产力分别提高16.8%-19.6%和5.5%-37.3%,而OPT处理钾肥用量的提高对钾肥偏生产力的负效应较小（早、中、晚稻平均降幅为6.4%）。节氮减排评估结果表明,高产组产量高而氮肥用量相对较高,高效组氮肥偏生产力高而产量相对较低,用高产高效组表征产量和氮肥偏生产力的潜力更可靠;高产高效组早、中、晚稻每年可节省氮肥用量共81 kg·hm^-2（其中晚稻最多,为32 kg N·hm^-2）,减少氮素损失15.5 kg N·hm^-2,温室气体N₂O减排约20%。湖南省稻田节氮总潜力为12.5×10⁴ t,减少氮素损失2.35×10⁴ t,主要对象为早稻和晚稻。优化施肥可提水稻的磷素总吸收量,早、中、晚稻从FP处理的59-66 kg P₂O₅·hm^-2增加到OPT处理的63-71 kg P₂O₅·hm^-2。磷肥用量与水稻磷素吸收量之间的关系显示,两者并不能达到显著的正向相关关系,说明当磷肥投入总量满足作物需求后,多余的磷素对当季作物磷素吸收无效,从而残留在土壤中;早、中、晚稻分别有46%、44%和15%的样本出现磷残留现象,通过筛选并分析磷残留样本得出,早、中、晚稻OPT处理磷残留比例明显低于FP处理,且磷残留量分别可降低到1.36-5.30 kg P₂O₅·hm^-2,较FP处理下降了33.7%-48.5%;从全省范围来看,磷残留总量可减少18.14×10³、3.59×10³和5.30×10³ t;另一方面,农民习惯施肥中,仍有不施磷肥的现象,这对土壤养分的耗竭影响较大,应重视平衡施肥。【结论】稻田优化施肥是产量和环境安全的重要保障,氮肥减量施用可提高氮肥利用率,减少氮素损失和温室气体的排放,控制磷肥总量可有效地避免土壤磷素残留带来的污染风险。     

稻田不同供钾能力条件下秸秆还田替代钾肥效果

【目的】研究稻田不同土壤供钾能力条件下,秸秆还田配施钾肥对水稻产量、地上部钾素累积量以及钾肥利用率的影响,为秸秆还田水稻钾肥合理施用提供科学依据。【方法】2011-2012年在鄂中、江汉平原和鄂东地区的10个县（市）选择不同供钾水平田块布置水稻试验。根据湖北省第二次土壤普查制定的速效钾分级标准,本文将土壤速效钾含量＞150 mg•kg-1的试验点如钟祥和宜城归为高钾供应能力土壤（1级水平）,简称为高钾土壤,标记为High-K;土壤速效钾含量100-150 mg•kg-1的试验点如团风、仙桃、洪湖和枝江归为中钾供应能力土壤（2级水平）,简称为中钾土壤,标记为Middle-K;土壤速效钾含量＜100 mg•kg-1的试验点如麻城、广水、鄂州和蕲春归为低钾土壤,标记为Low-K。试验共设6个处理,分别为：（1）CK（-K）;（2）+K;（3）+S;（4）S+1/3K;（5）S+2/3K;（6）S+K,其中K和S分别表示钾肥和还田秸秆,以此来考查当前推荐钾肥用量（K2O 75 kg•hm-2）对水稻的增产效果以及轮作模式下麦秆或油菜秸秆还田钾素对钾肥的替代作用。【结果】结果显示CK处理（-K）,高钾、中钾和低钾土壤的稻谷产量分别为8 372、8 710和7 767 kg•hm-2,施钾和秸秆还田均可以不同程度地增加水稻产量和地上部钾素累积量。与CK相比,高钾、中钾和低钾土壤均以秸秆还田配施钾肥处理的增产效果最显著,增产量分别为633、1 098和814 kg•hm-2,增幅分别为7.7%、12.6%和12.5%;地上部钾素累积吸收增量分别为40.2、56.5和49.3 kg•hm-2,增幅分别为15.9%、21.3%和36.8%。在当前推荐钾肥用量条件下,秸秆还田会造成高钾土壤的钾肥吸收利用率下降,但可明显提高中钾和低钾土壤的钾肥吸收利用率;同时秸秆还田也会显著降低高钾土壤的钾肥农学利用率,但对中钾和低钾土壤的钾肥农学利用率没有明显影响。同钾肥利用率相比,钾素利用率均有所降低,但中钾土壤和低钾土壤的钾素利用率要显著高于高钾土壤的钾素利用率。通过对秸秆还田条件下钾肥用量与增产率、地上部钾素累积增幅的相关性分析得出高钾土壤和中钾土壤的推荐钾肥用量偏高。根据线性加平台肥效模型拟合得出,在秸秆还田条件下,高钾土壤田块（速效钾含量＞150 mg•kg-1）适宜钾肥用量平均为38.2 kg•hm-2,比推荐用量减少49.1%;中钾土壤田块（速效钾含量100-150 mg•kg-1）适宜钾肥用量平均为60.0 kg•hm-2,比推荐用量减少20.0%;而低钾土壤田块（速效钾含量＜100 mg•kg-1）,增产效果显著,推荐钾肥用量不足。【结论】因此,短期秸秆还田条件下,高钾和中钾土壤田块,秸秆还田钾素可不同程度地替代部分化学钾肥施用;而低钾供应田块推荐用量略显不足,增施钾肥仍有较大的增产空间。     

氮肥运筹方式对油菜产量、氮肥利用率及氮素淋失的影响

通过盆栽模拟试验研究了不同氮肥运筹方式对油菜产量、氮肥利用率、氮素淋失及氮素平衡的影响。试验设5个处理:不施氮肥(CK),氮肥全部基施(TJ),氮肥60%基施、40%做越冬肥追施(TJD),氮肥60%基施、40%做薹肥追施(TJT),氮肥60%基施、20%做越冬肥、20%做薹肥追施(TJDT)。研究结果表明,氮肥分期施用可明显增加油菜产量,提高氮肥利用率,其中以TJDT处理效果最佳,与TJ处理相比,TJDT处理的产量、氮肥农学利用率及表观利用率分别提高了17.6%、2.1kg·kg-1氮和4.9%。同时,TJDT处理的氮素淋失量也最小。氮素平衡计算结果表明,不同时期追施氮肥对氮素平衡影响不大,但是均比氮肥集中做基肥施用(TJ)的表观损失明显减小。尽管油菜收获后,各施氮处理土壤氮素均有盈余,但分期施肥盈余量明显高于TJ。研究表明在油菜生产中,氮肥分期施用既能提高油菜籽的产量和氮肥的利用效率,又可获得较好的环境效应。     

小分子有机酸和阳离子对含钾矿物钾素释放的影响

采用振荡提取的方法,研究不同浓度的小分子有机酸和阳离子对含钾矿物(黑云母、白云母和正长石)中钾素释放的影响。结果表明:不同小分子有机酸和阳离子均可显著提高黑云母、白云母、正长石中钾素的释放量。与对照处理(去离子水)相比,草酸、柠檬酸、酒石酸和NH4Ac溶液、CaCl2溶液、NaCl溶液、HCl溶液从黑云母中提取的K+量分别增加188.2%、151.6%、149.6%和24.6%、32.6%、3.5%、169.8%;不同溶液从白云母中提取的K+量与对照相比,分别增加211.0%、202.8%、199.4%和81.6%、38.3%、21.7%、169.1%;不同溶液从正长石中提取的K+量与对照相比,分别增加219.0%、206.6%、216.0%和144.1%、27.5%、60.4%、210.9%。同种浸提剂,不同矿物的释钾素量显著不同,表现为白云母>黑云母>正长石,含钾矿物释钾素量随着溶液浓度升高而增加。     

湖北省棉花氮肥效应研究

通过17个大田试验,研究了湖北省棉花氮肥施用效果及氮肥最佳用量。结果表明,适量施用氮肥棉花增产增收效果显著,施氮比对照子棉增产131～1 244 kg/hm2,平均增产752 kg/hm2,平均增产率为31.1%。施氮纯利润平均为3 422元/hm2,产投比平均为4.07。氮肥偏生产力和农学利用率平均分别为13.20 kg/kg(N)和2.90 kg/kg(N)。根据线性加平台模型,求得湖北省棉花氮肥最佳用量平均为纯N114.0 kg/hm2。     

中国不同区域油菜氮磷钾肥增产效果

【目的】研究中国油菜氮、磷、钾肥增产效果,明确不同区域油菜施肥效果概况和区域特点,为区域推荐施肥提供理论基础。【方法】总结2005—2010年中国2 106个油菜田间试验数据,通过计算获得最高产量时氮、磷、钾肥的增产量、增产率和农学利用率,分析各油菜区域施用化肥的增产效果。【结果】中国油菜施用氮肥增产量和增产率均值分别为1 044 kg•hm-2和87.4%,主要分布在500—1 500 kg•hm-2和5%—100%范围内,99%的试验有增产效果;磷肥增产量和增产率均值分别为634 kg•hm-2和39.9%,主要分布在200—1 000 kg•hm-2和5%—40%范围内,94%的试验有增产效果;钾肥增产量和增产率均值分别为420 kg•hm-2和22.9%,主要分布在100—600 kg•hm-2和10%—40%范围内,88%的试验有增产效果。每千克氮肥（N）、磷肥（P2O5）、钾肥（K2O）平均增收油菜籽6.2、7.8和5.4 kg。长江下游冬油菜区氮、磷肥的增产效果最好,增产率均值分别为128.8%和51.3%,长江中游冬油菜区钾肥增产效果最好,增产率均值为24.6%,春油菜区氮磷钾肥施用增产效果较低,增产率均值分别为42.6%、31.6%和21.3%。【结论】中国油菜施用化肥增产效果显著,具体表现为氮肥＞磷肥＞钾肥,氮素是影响油菜产量的主要养分因素。春油菜区氮磷钾肥增产效果较差,长江下游冬油菜区氮、磷肥增产效果最好,长江中游冬油菜区钾肥增产效果最好。部分试验施用肥料不增产或肥料用量不合理,需要进一步改进施肥量,实现油菜施肥高产高效。     

连续秸秆还田对水稻土中钾素形态的影响

湖北省武穴市、荆州市和武汉市三个水旱轮作长期定位试验的基础上,研究了连续秸秆还田(三地秸秆还田时间分别为9、5和3年)对不同层次(0~20 cm和20~40 cm)土壤中各形态钾素(水溶性钾、特殊吸附钾、非特殊吸附钾、非交换性钾、矿物钾、全钾)的影响。结果表明:秸秆还田能显著增加0~20 cm土层中特殊吸附钾和非特殊吸附钾的含量,两者的增量分别为9.92%~138.35%和35.57%~143.79%,其中武穴试验点的增加效果相对最好。20~40 cm土层,各处理之间变化规律不明显。土壤全钾含量表现为武穴试验点最低(2.59~3.15 g kg~(-1)),与荆州和武汉试验点差异性较大(9.45~11.91 g kg~(-1))。武穴和荆州试验点供钾能力较低(速效钾含量100 mg kg~(-1)),武汉试验点供钾能力为中等(速效钾含量在100~150 mg kg~(-1))。矿物钾和全钾呈极显著正相关(武穴、荆州和武汉试验点的相关系数分别为0.994**、0.999**、1.000**),速效钾中各组分与速效钾的相关性在三个试验点存在差异,其中还田时间越长相关性越好。     

水旱轮作下根区与非根区黄褐土钾素动态研究

采用分室根箱试验,研究了油菜–水稻轮作条件下黄褐土根区与非根区土壤钾素动态变化特征,以期为土壤供钾机制研究及合理的根际养分调控提供依据。结果表明,轮作前季（油菜季）前期,根区土壤水溶性钾和交换性钾首先出现相对亏缺;随着油菜生长和吸钾强度的增大,根区非交换性钾含量也显著降低,非根区内、中、外区土壤水溶性钾向根区迁移,交换钾和非交换钾向水溶钾转化,含量均逐渐降低,且距根区越近,降低幅度越大。轮作后季（水稻季）前期,淹水促进了水溶性钾向根区的扩散,非根区外区水溶钾和交换性钾含量明显降低;随着水稻生长和吸钾强度增大,根区与非根区土壤水溶钾和交换性钾含量降低至一定程度时就不再减少,而非交换性钾显著降低。说明作物吸收的钾主要来自于根区,并由非根区钾逐渐向根区迁移,距根区越近,对作物吸钾量的贡献越大。在一个轮作期内,非交换性钾是黄褐土主要供钾形态,其次是交换性钾和水溶性钾。