明确旱地绿肥腐解规律和养分释放动态特征,可为绿肥资源在我国西北旱作农业区的合理利用提供科学依据.采用田间原位埋袋法研究了三叶草(Trifolium alexandrinum)、野豌豆(Vicia sepium)、黑麦草(Lolium perenne)和燕麦(Avena sativa)4种绿肥在玉米种植系统中的残余腐解动态,观测了绿肥残余腐解养分释放过程及其对土壤有机碳、全氮与春玉米产量的影响.结果表明:绿肥腐解及其碳氮释放过程均表现为前期(0～14d)快,第21～42天分解速率中等,42 d以后较慢;腐解至42 d时,4种绿肥残余累计腐解率均达到55％以上,碳释放率达到59.79％～74.75％,氮释放率达到60.79％～76.61％;绿肥腐解至第130天时,各处理的累计腐解率均达到60％以上,且豆科绿肥累计腐解率显著高于禾本科绿肥(P＜0.05);与无绿肥添加的对照相比,绿肥还田显著提高了土壤有机碳和全氮含量,并导致玉米增产2.21％～7.06％,其中豆科绿肥增产幅度大于禾本科绿肥.综上,豆科绿肥还田能有效改善土壤质量,是一种更适合西北地区可持续农业的管理措施.

以“先玉335”和“鑫鑫2号”为试验材料,于花后25 d喷施噻苯隆和噻苯隆-乙烯利复配剂,清水为对照,探究噻苯隆-乙烯利复配对玉米籽粒灌浆后期灌浆特性的影响及其激素调控机理.结果表明:噻苯隆-乙烯利复配可以缩短籽粒灌浆快增期和缓增期的灌浆持续时间,提高灌浆平均速率和籽粒重量,显著增加春玉米灌浆后期籽粒中生长素(IAA)和赤霉素(GA)含量,降低脱落酸(ABA)和细胞分裂素(CTK)含量;同时显著提高灌浆期籽粒IAA与ABA、GA与ABA比例,降低CTK与IAA、CTK与GA比例,对CTK与ABA、GA与IAA比例影响较小.相关分析表明,噻苯隆-乙烯利复配处理后,春玉米籽粒中ABA和CTK含量与灌浆快增期速率呈显著负相关.本研究表明,噻苯隆-乙烯利复配主要通过影响籽粒中IAA、ABA、CTK和GA含量及其比例,从而调控春玉米籽粒灌浆进程,最终实现春玉米产量提高,熟期提前的功效.研究为噻苯隆-乙烯利复配应用到玉米生产上提供理论及试验依据.

为了探讨东北雨养区不同颜色地膜覆盖与种植密度对春玉米干物质积累和产量的影响机制,以良玉99为试验材料,设置3种覆盖处理(裸地、无色透明地膜和黑色地膜覆盖)和5个种植密度(60000、67500、75000、82500和90000株·hm-2)完全组合的田间小区试验,对春玉米水热效应、干物质积累和产量性状等进行分析.结果表明:黑膜覆盖明显提高拔节后玉米干物质积累量和生物量,其生物量较其他处理增加3.2％～8.2％;成熟期生物量随着种植密度的增加先增大后减小,以82500株·hm2最大,较其他密度处理增加5.2％ ～28.3％.无色透明地膜覆盖处理的前期平均土壤温度较其他处理分别提高0.4～2.7℃,加快了生育进程,提高了玉米茎叶干物质转运量(T)、转运率(TE)和对籽粒产量贡献率(TC);叶和茎+叶干物质的T、TE和TC均以60000株·hm-2密度处理最大,而茎干物质转运效果以75000株·hm-2最优.在抽穗期,黑膜处理的耗水量和日耗水强度最大,分别较其他处理增加10.6％ ～ 14.9％和10.6％～24.5％;耗水量和日耗水强度均以90000株·hm-2密度处理最大,较其他处理分别高6.8％～15.7％和7.0％～20.0％.黑膜和82500株·hm-2密度处理组合明显提高了玉米的水分利用效率,较其他处理增加了4.6％～40.9％,其产量较其他处理增加3.0％ ～ 39.7％.在抽穗期,玉米茎叶干物质量与玉米产量和产量构成要素的相关性最大;茎叶干物质量每减少1 kg· hm-2,群体产量下降约0.79 kg·hm-2;茎叶干物质量每降低10％,产量下降10％左右.在增加种植密度的基础上,采用黑色地膜覆盖可以增加春玉米于物质积累量、提高春玉米产量和水分利用效率.

以东北三省春玉米种植区为研究区域,利用当地地面气象观测资料、农业气象观测站春玉米多年试验资料和县级春玉米实际产量资料,使用验证后的农业生产系统模拟模型(APSIM-Maize),分析研究区域春玉米1961-2015年不同水平产量潜力及实际产量的时空分布特征,并解析气候波动对产量潜力的影响.结果表明:1961-2015年,研究区域春玉米潜在产量平均值为12.2t·hm-2,且呈现明显的经向和纬向空间分布,即由南向北递减、西部高于东部.研究区域春玉米可获得产量平均值为11.3t·hm-2,与潜在产量呈相似的分布特征.在目前农户的栽培水平下,春玉米农户潜在产量和农户实际产量全区多年平均值分别为6.5和4.5t·hm-2.在品种和栽培管理措施不变的条件下,研究区潜在产量、可获得产量和农户潜在产量总体呈显著减少趋势,减幅分别为0.34、0.25和0.10t·hm-2·(10 a)-1.农户实际产量呈增加趋势,增幅为1.27t·hm-2·(10a)-1.气候波动使东北三省春玉米潜在产量、可获得产量和农户潜在产量年际间波动范围分别为10.0～14.4、9.8～13.3和4.4～8.5 t·hm-2.

通过渭北旱塬黑垆土8年定位试验,研究了秸秆还田下6种耕作方式,即连年翻耕(CT/CT)、免耕(NT/NT)、深松(ST/ST)和免耕/深松(NT/ST)、翻耕/免耕(CT/NT)、翻耕/深松(CT/ST)对土壤团聚体、有机碳、作物产量和水分利用效率(WUE)的影响.结果表明:与CT/CT相比,NT/NT、ST/ST及3种轮耕措施减小了土壤力稳性团聚体的平均质量直径;NT/NT、ST/ST和NT/ST措施增加了20～50 cm土层＞0.25 mm水稳性团聚体的含量(WR0.25)和平均质量直径,降低了土壤团聚体结构破坏率(PAD).在0～10 cm土层,NT/ST、CT/NT、NT/NT和ST/ST处理土壤有机碳含量显著高于CT/CT处理.随着土层加深,各耕作处理土壤有机碳含量下降,但3种单一耕作处理(ST/ST、NT/NT和CT/CT)下降幅度大于3种轮耕处理(CT/NT、ST/CT和NT/ST).与CT/CT相比,其他5种耕作方式均增加了农田0～200 cm土层的土壤蓄水量、作物产量和水分利用效率,其中,NT/ST处理作物产量和WUE分别显著提高了15.1％和27.5％.相关分析表明,玉米产量、WUE与0～ 200 cm土层生育期和休闲期的蓄水量呈显著正相关,且生育期蓄水量与0～50 cm土层的WR0.25呈显著正相关,与PAD呈显著负相关;其中,20～ 50 cm土层的WR0.25、PAD与玉米产量、生育期蓄水量以及WUE关系最密切;生育期蓄水量和WUE还与0～ 10 cm土层的有机碳含量呈显著正相关.综合考虑不同耕作措施对土壤结构、作物产量和水分利用效率的影响,免耕/深松是最适宜于渭北旱塬区黑垆土春玉米种植的耕作方式.

以旱作雨养条件下的春玉米为试验对象,在长武黄土高原农业生态试验站进行田间试验,研究了地膜覆盖和施氮量对农田净温室效应和温室气体排放强度的影响.结果表明:采用地膜覆盖与增加施氮量都会影响净温室效应与温室气体排放强度,地膜覆盖条件下(FM),不同施氮量的春玉米产量为1643～ 16699 kg·hm-2,净温室效应(CO2当量,下同)为595 ～4376 kg·hm-2·a-1,温室气体排放强度为213～358 kg·t-1;无覆膜条件下(UM),不同施氮量的春玉米产量为956～8821 kg·hm-2,净温室效应为342～4004 kg·hm-2·a-1,温室气体排放强度为204～520 kg·t-1.研究表明,对于旱作春玉米农田系统,地膜覆盖可以有效降低温室气体排放强度,增加作物产量,地膜覆盖下施氮250kg·hm-2可以实现高产与降低环境代价的双赢.

研究华北冬绿肥二月兰对不同供氮水平的响应特征,确定实现绿肥高产高效的土壤适宜供氮量,可为华北集约化农田最大化发挥绿肥生态效应和优化春玉米/冬绿肥轮作体系氮素管理提供理论依据和技术参考.选取多年不施肥试验地设置供氮梯度试验,研究了不同供氮水平对冬绿肥二月兰翻压前地上部生物量累积、氮素吸收、土壤无机氮残留和冬绿肥季土壤氮素平衡的影响.结果表明:在土壤无机氮含量较低(0～90 cm土层15 kg·hm-2)条件下,施氮显著提高二月兰生物量和吸氮量.其中,施氮90 kg·hm-2处理表现最高,绿肥生物量(干质量)和吸氮量分别为2031.0和42.0 kg·hm-2;土壤无机氮残留量随施氮量增加而增加,且在施氮量高于60 kg·hm-2后呈现快速增加趋势;随施氮量增加二月兰生长季的表观氮平衡表现出由亏缺到盈余的变化特征,在施氮量为60～90 kg hm-2条件下氮收支基本平衡.土壤供氮量(绿肥播前O～90 cm土壤无机氮含量与施氮量之和)与二月兰生物量、吸氮量和绿肥翻压前土壤无机氮含量的关系可以分别用二次、线性加平台和指数方程进行模拟,依据模型计算二月兰生物量最高值(2010 kg· hm-2)时的播前土壤供氮量和绿肥翻压前土壤无机氮残留量分别是136和78 kg·hm-2;而在二月兰吸氮量最高值40 kg·hm-2时,二月兰生物量为1919 kg· hm-2,相当于最高生物量的95％,绿肥翻压前土壤残留无机氮降低至57 kg· hm-2,与之对应的播前土壤供氮量为105 kg·hm-2,该值与目前华北地区优化施氮下玉米收获后土壤残留无机氮推荐含量(100 kg·hm-2)基本相当.综合考虑绿肥的农学和环境效应,春玉米/冬绿肥轮作体系中二月兰播前土壤供氮量应控制在100～ 105 kg·hm-2.

基于田间定位试验,研究了秸秆和地膜覆盖措施对旱作春玉米田土壤氮组分和作物产量的影响.试验包括无覆盖对照,秸秆覆盖和地膜覆盖3个处理,观测指标包括土壤全氮(STN)、颗粒有机氮(PON)、潜在可矿化氮(PNM)、微生物量氮(MBN)、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)含量及作物产量.结果表明:试验进行5到7年后,与对照相比,秸秆覆盖处理0-10 cm土层STN、PON、PNM、MBN和NO3--N含量3年平均分别提高了13.11％、64.29％、17.51％、16.94％和55.37％,10-20 cm土层STN、PON、MBN和NO3-N含量3年平均分别提高了5.93％、33.33％、15.78％和27.57％(P＜0.05).而地膜覆盖处理0-10 cm和10-20 cm土层NO3-N的含量较对照分别提高了189.14％和135.75％(P＜0.05),其他氮组分与对照处理差异不显著.秸秆和地膜覆盖处理玉米产量较对照处理3年平均分别提高了6.90％和36.74％ (P＜0.05).玉米产量与0-20 cm土层NO3--N含量和NO3--N/STN值呈显著正相关关系.总的来看,秸秆覆盖能显著增加旱地土壤全氮和活性有机氮含量,促进氮素固定,但需注意作物生长后期补充氮肥以满足作物生长需要.而地膜覆盖能显著提高土壤氮素有效性和作物产量,但不利于土壤有机氮的固定,且表层土壤存在潜在氮淋失风险.

为了探究水分胁迫条件下秸秆还田对玉米产量和根系空间分布的影响,自2016年起连续2年在沈阳农业大学试验田设置了秸秆还田控水试验.于大型遮雨棚内采用滴灌控水的方法,设置行间秸秆翻埋(T1)与混拌(T2)两种还田方式,15 cm (D1)、30 cm(D2)、45 cm(D3)3个还田深度,以秸秆不还田3个翻埋深度为对照,在玉米苗期和吐丝期分别进行旱、涝处理,分析水分胁迫条件下玉米产量和根系空间分布特征.结果表明:2016年S1T1D2(秸秆翻埋还田30 cm)产量显著高于对照处理,增产幅度为5.7％～7.1％;侧根和深层根系根干质量较其他处理分别高67.3％～149.9％和17.9％～116.4％;植株地上部干物质积累量显著低于其他处理,降低幅度为2.1％～35.8％.S1T1D2可以提高玉米根系生长量,扩展根长的空间分布范围,缓解了旱涝危害,实现降雨不均条件下的增产和稳产.因此,在东北地区先旱后涝的气候条件下,春玉米生产推荐行间翻埋30 cm的秸秆还田方式.

通过在甘肃引黄灌区灰钙土2015-2017年的田间试验,研究深松35 cm秸秆还田、深松35 cm秸秆不还田与传统旋耕秸秆不还田对土壤紧实度、容重、入渗率和0～ 100 cm土层土壤水分、玉米产量、养分吸收量的影响.结果表明:与深松35 cm秸秆不还田及旋耕秸秆不还田相比,深松35 cm秸秆还田使0～40 cm土层土壤紧实度和容重降低最明显,2017年收获后紧实度与容重较2015年试验前分别下降42.6％、7.0％,且2016和2017年播种前与收获后0～40 cm土层紧实度和容重的变幅最小,紧实度变异系数平均为6.1％,容重为3.2％,土壤入渗率较旋耕秸秆不还田提高33.6％;深松35 cm秸秆还田可显著提高春秋两季0～ 100 em土层剖面含水量,降低剖面水分变异,0～ 100 cm土层土壤贮水量较旋耕秸秆不还田春季增加15.5％,秋季增加5.6％,水分利用效率提高32.4％;此外,深松35 cm秸秆还田能促进玉米生产,较旋耕秸秆不还田的经济产量两年平均分别增产25.6％,生物产量提升33.3％,玉米氮、磷、钾养分吸收量分别提高49.6％、51.5％和37.6％.综上,深松35 em秸秆还田能改善物理土壤特性,稳定耕层物理性状,提高0～ 100 cm土层剖面水分含量及春秋两季土壤平均贮水量,降低水分变异,是促进玉米水肥高效利用,实现高产的最优措施,为甘肃引黄灌区耕层构建技术的深入研究提供理论依据.