（作物栽培学与耕作学专业论文）冬小麦水氮高效利用专家决策系统的研究.pdf

中国农业犬学硕i j 学位论文摘要 摘要 本论文以冬小复京冬8 号为研究列象r2 0 0 2 2 0 0 4 年开展了不同水、氮9 c f g y l 台模定能试 验，研究了不同细合模式对冬小麦生k 发育、j 。罐彤成和水、氮利j h 的影响，以此为基础肝练台前 人多年的研究成果和小麦栽培知识，建成了综合协调作物产量与1 壤、气候和水肥之问关系的冬小 麦中j “管理水、氯高效sr j _ l t j 专家决最系统，土要研究结果如i 、： ( 1 ) 在传统潦溉一优化施肥、优化潦搬一传统施肥及优化水肥的编台模式f ，冬小支产鲑1 ) 传统 水肥无碌著性差异，水分利_ l j 效率略有捉高佃不显并；优化灌溉一传统施肥的氮肥当季利川率与传 统水肥莠异不显丰 ，传统泽溉一优化施肥、优化水肥的氮肥当季利_ l i 率显薪提高。 ( 2 ) 不同水、氮组台模式对冬小麦生艮指标和产量结构的影响：优化滞溉一传统施肥、优化水 肥 的叫面积指数接近r 传统水肥，而传统灌溉一优化施肥叶面积指数l c f j 终略低丁传统水肥：传 统灌溉一优化施肥、优化满溉一传统施肥、优化水肥抽穗前干物质积累量低丁传统水肥但抽穗后 高j + 传统水肥；传统灌溉一优化施肥、优化水肥返青一拔审期植株n ( ) f 降的进度比较平缓 小丁传统水肥：拔仃一孕穗期植株n ( ) 增加述度较慢低丁传统水肥；孕穗成熟划植株n ( ) 1 、降速度缓丁传统水肥。而优化滞溉传统施肥任挚个生育蝴均比较接近丁传统水肥；传统灌溉 一优化施肥、优化灌溉一传统施肥在亩穗数、穗粒数和干粒重上o 传统水肥筹异均不显珊：优化水 肥的亩穗数与传统水肥差异不显著，但穗粒数明显低1 。传统水肥处理，干粒重明显高丁传统水肥处 弹。 ( 3 ) 从品质、产耸方面比较，传统游溉一优化施肥、优化灌溉一传统施肥及优化水肥组合模式与 传统水肥筹异均不显并；但从经济效拍方面比较著异显著，传统游溉- - 9 c 化施肥的经济效益明显高 丁f 其余再绢合模式：综合比较传统浠溉一优化施肥为较经济高效的水、肥优化绗合模式。 ( 4 ) 分析了北京市冬小麦历年来不同生育阶段降水网子的变化特征，研究了利j 十经p 网络b p 模 型对冬小麦不同生育阶段的降水闪子数值和年犁的预测准确率。结果表明，以神经网络b p 模型对 冬d 、发降水冈子年犁f 勺预洲准确率较高。 ( 5 ) 根据作物生产特点及，上产管理决策模掣分析，采_ l 了面向对象的vb6 0 栏序语言，辅且力 以bp 神经网络、ma tlab 等，以acess 作为后台数据库开发，并采_ i = | 产生式表示法表示 专家知识，正向推理机制实现推理机，开发了综合考虑作物冈子信息、十壤冈了信息、气象冈子信 息、栽培技术冈f 的冬小麦水、氮高效利川专家珧策系统，实现了水、氮高效利刚的决策功能、生 长发育指标的动态预测功能、生育期生k 指标的预测调控功能以及常规管理知识的卉洵功能。由丁 系统中的浠溉指标、氮肥指标均来之丁北京地区，系统可在北京地区亢接使h ，其它地区只要需要 修改部分指标、参数即可建立本地化的麻削系统，而无须修改知识规则及推理机。 关键词：冬小麦、优化、滞溉、施肥、系统 a b s t r a c t t h el o n g t e r mw a t e r n i t r o g e nf i x e dp o s i t i o ne x p e r i m e n t s b a s e do nt h ew i n t e rw h e a t j i n g d o n g8 h a v eb e e nc o n d u c t e do nt h ed o n g b c i w a n gf a m ai nt h es u b u r b so fb e i j i n gi n 2 0 0 2 2 0 0 4 t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ee f f e c t so fs o m eh i g h e r a i m y i e l dw a t e r n i t r o g e n o p t i m i z a t i o nm o d e l so nt h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n t y i e l da n di t sc o m p o n e n t sa n dw a t e ra n d n i t r o g e nu s eo f w i n t e rw h e a t b a s e do nt h e s ec o n c l u s i o n sa n ds o i t l eh a r v e s t sh a v eb e e n o b t a i n e da n dm u c hk n o w l e d g ea b o u tw h e a tp l a n t t h ee x p e r td e c i s i o ns y s t e mo fe f f i c i e n tu s e o fv c a t e ra n dn i t r o g e nt b rw i n t e rw h e a tm a n a g e m e n th a sb e e na c c o m p l i s h e d w h i c hc o u l d h a n n o n i z ec o n n e c t i o na m o n gy i e l da n ds o i l 、c l i m a t e 、w a t e r 、 n i t r o g e n t h em a i nr e s u l t s a r ea sf o f l o w s ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e di n s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nw i n t e rw h e a ty i e l d b e t w e e nt h eo t h e rt h r e ew a t e r n i t r o g e no p t i m i z a t i o nm o d e la n dt r a d i t i o n a lw a t e r n i t r o g e n ： s l i g h t l yi m p r o v e dw a t e ru s ee f f i c i e n c va b o u ta 1 1o f t h ew a t e r n i t r o g e no p t i m i z a t i o nm o d e l s ： i n s i g n i f i c a n td i f f e f e n c ei nn i t r o g e nu s ee f f i c i e n c yc o n c e r n i n gt h eo p t i m i z e d i r r j g a t i o n t r a d i t i o n a lf e r t i l i z a t i o n b u ts i g n i f i c a n t l yi m p r o v e du i t r o g e nu s ee f f i c i e n c y i nr e g a r d t ot h eo t h e rt w ow a t e r - n i t r o g e no p t i m i z a t i o nm o d e l s ( 2 ) s o m ed i f f e r e n tg r o w t h d e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dy i e l dc o m p o n e n t so fa l lt h e o p t i m i z e dt r e a t m e n t sw e r ef o u n d ：l a io no p t i m i z e d i r r i g a t i o n t r a d i t i o n a lf e r l i l i z a t i o na n d o p t i m i z e dw a t e r n i t r o g e nw a sc l o s e dt ot r a d i t i o n a lw a t e r n i t r o g e n b u tt r a d i t i o n a l i r r i g a t i o n o p t i m i z e df e r t i l i z a t i o nw a si n s i g n i f i c a n t l yl e s s ；b e f o r eh e a d i n g ，d r ym a t t e r a c c u m u l a t i o na b o u ta 1 1o ft h ew a t e r n i t r o g e no p t i m i z a t i o nm o d e l sw a sm u c h1 e s st h a n t r a d i t i o n a li r r i g a t i o n t r a d i t i o n a l f e r f i l i z a t i o n ，b u ta f t e rh e a d i n gd r ym a t t e ra c c u m u l a t i o nw a s m u c hm o r et h a nt r a d i l i o n a lw a t e r n i t r o g e n o nr e t u r n c v a nt os h o o t i n gs t a g e 、b o o t i n gt o m a t u r i n gs t a g e ， n o nt r a d i t i o n a li r r i g a t i o n o p t i m i z e df e r t i i i z a t i o na n do p t i m i z e d w a t e r n i t r o g e nw a sg r a d u a l l yf a l l i n g ：o ns h o o t i n gt ob o o t i n gs t a g en w a sg r a d u a l l yf a l l i n g i n e r e a s i n g ：b u tt h ee x t e n to ff a l l i n ga n di n c r e a s i n gw e r ea hu n d e rt h ee x t e n to ff a l l i n ga n d i n c r e a s i n go nt r a d i t i o n a lw a t e r - n i t r o g e n t h ey i e l dc o m p o n e n t sw e r ei n s i g n i f i c a n td i f i e r e n c e b e t w e e nt r a d i t i o n a li r r i g a t i o n o p t i m i z e df e r t i l i z a t i o n 、o p t i m i z e di r r i g a t i o n t r a d i t i o n a l f e r l i l i z a t i o na n dt r a d i t i o n a li r r i g a t i o n t r a d i t i o n a lf e r t i l i z a t i o n ：b u to no p t i m i z e d w a t e r - n i t r o g e n t i l l e re a rn u m b e r v a ss i g n i f i c a n t1 e s sa n dw e i g h to fl0 0 0 9 r a i nw a ss i g n i f i c a n t n a o r et h a nt r a d i t i o n a li t t ) g a t i o n t r a d i t i o n a lf e r t i l i t , a t i o n ( 3 ) t h e r ew e r ei n s i g n i f i c a n td i f f e f e n c ei nq u a l i t ya n dy i e l db e t w e e nt h eo t h e rt h r e e w a t e r n i t r o g e no p t i m i z a t i o nm o d e la n dt r a d i t i o n a li r r i g a t i o n t r a d i t i o n a lf e r t i l i z a t i o n ： b n t t h e r ew a ss i g n i f i o a n td i f f e f e n c ei ne c o n o m i cb e n e f i t s t h ee c o n o m i cb e n e f i t so nt r a d i t i o n a i i r r i g a t i o n o p t i m i z e df c r t z a t i o nw a so b v i o u s l ym o r et h a na i lo t h e ri r r i g a l l o n n i t r o g e nm o d e l s 、 b yc o m p a r e t r a d i t i o n a li r r i g a t i o n o p t i m i z c df e r t i l i z a t i o nw a st h em o s tc f f e c t i v e i r r i g a t i o n n i t r o g e nm o d e l ( 4 ) t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a t ao fp r e c i p i t a t i o n d u r i n gd i f f e r e n t g r o w t h a n dd e v e l o p m e n tt e r m so f w i n t e rw h e a ti nb e i i n gc i t yi nm a n yy e a r s s t u d i e d 中国农业大学硕卜学位论义摘要 c o r r e c t i v er a t i o so fp r e d i c t e dv a l u e sa n dp r e d i c t e dy e a rt y p e so f p r e c i p i t a t i o nb yu s i n gn e u r a l n e t w o r kb pm o d e l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf i l ec o r r e c t i v er a t i o so fp r e d i c t e dy e a rt y p e sa r e g r e a t e r ( 5 ) a c c o r d i n gt oa n a l y s e sa b o u tc h a r a c t e r i s t i c so fw i m e rw h e a tp l a n ta n dd e c i s i o nm o d e l so f p r o d u c t i o nc o n t r 0 1 t h es y s t e mw a sc o n s t r u c t e dw i t hv i s u a lb a s i c60 、a c e s sw a su s e df o r t h eb a c k e n dd a t a b a s e b pn e u r a ln e t w o r k 、m a t l a b w e r ea l s ou s e di nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s aw i n t e rw h e a tp r o d u c t i o nc o n t r o le f f i c i e n t i s eo fw a t e rm a dn i t r o g e ne x p e r td e c i s i o ns y s t e m w a se s t a b l i s h e d ，w h i c hi n c l u d e sas e r i e so f d a t ao f c r o p s s o i l w a t e r n i t r o g e nm a n a g e m e n t m e a s u r e sa n dc l i m a t i cf a c t o r s a n dw h i c hr e a l i z e ss o m ef u n c t i o n ss u c ha sd e c i s i o na b o u t e f f i c i e n tu s eo f w a t e ra n dn i t r o g e n 、d y n a m i c a l 南r e c a s td e v e l o p m e n ti n d e x e s 、f o r e c a s ta n d r e g u l a t i n go fb e a r i n g s t a g ea n dq u e r ya b o u tg e n e r a lp r o d u c t i o nc o n t r o lk n o w l e d g e i tc a n b e u s e dd i r e c t l yi nb e i j i n gs i n c es y s t e mp a r a m e t e r sa n di n d e x e sw e r eo b t a i n e di nb e i i n g ，o t h e r a r e ac a n u s ei tb yc h a n g i n gt h e s ep a r a m e t e r sm i di n d e x e s k e yw o r d s ：w i n t e rw h e a t 、o p t i m i z a t i o n 、i r r i g a t i o n 、n i t r o g e nf e r t i l i z a t i o n 、s y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任伺贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究一：杏永霉、 删叫砂f 年月加 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中日农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：毒摹星 帆矽f 年g 月咖 导师签名 诵软 州刨：彬年月，萝r 中国农业大学硕士学位论义第一章前言 1 1 研究背景与意义 第一章前言 随着我国人口的增长和人k 生活水平的不断提高，对粮食的需求迅速增加，预计2 0 3 0 年我国需要粮食6 4 亿吨。华北平原是我国的粮食主产区，冬小麦的种植面积和产量分别占 全国的3 3 、4 1 。目前，华北地区农业生产的主要限制因子是水分和氮素”。j ，因此提高水、 氮的利崩效率是实现华北农业可持续发展的关键。 我国属水资源紧缺国，人均淡水i | i 有量为2 3 0 0 m 3 左右，约为世界人均fo i 有量的1 4 ( 张 启舜，1 9 9 1 ) 1 3 1 , 居世界第1 0 9 位，被联合国列为世界上1 3 个水资源缺乏的国家2 一( 曲冠 杰，1 9 9 6 ) 1 4 1 。根据国内外经验，肖一个国家州水超过其可h j 水资源量的2 0 时，就可能发 生水危机。我国目前的州水蕈 i 到可用水昔的近1 9 ，已处丁发生水危机的临界状态。到2 1 世纪中叶，这个比例将上升剑2 8 ，人口和水资渊的矛盾将日趋尖锐( 炅景社等，1 9 9 8 ) 1 5 1 。 作为埘水人户的我国农业，一方面存在着严重的水资源危机，兄一方面农业川水的浪费现缘 严重。目前我国灌溉面积l 耕地面积的5 0 左以，潦溉川水餐约为3 5 0 0 亿f f l5 ，溥溉水的利_ 【 率还很低，渠灌区只有3 0 4 0 ，井灌区只有6 0 左右，而一些发达国家潦溉水利州率可达 8 0 9 0 1 6 l 。当前我国包括灌溉水和降水在内的农田水利j j 率也很低，粮食生产不足l k g m ， 相当多灌区低于0 5k g m 1 ，而以色列己达2 3 2k g m 3 ，一些发达国家大体都在2k g m 1 以上 ( 龚元“，李保国，1 9 9 5 ) 7 1 。另外，滦溉水源受到i 业成城镇污水排放影响的灌区，灌溉 水水质r 降，十壤污染物不断富集，严重影响了胀产品质量利地f 水环境。根据华北及胶尔 地区污水排放系数可能高达5 4 的资料分析，1 9 9 3 年我国的污水排放鼙已达6 3 6 亿i l l 3 以上j 。 尤其华北地区由丁水资源紧缺，绝人多数排放污水都被农业直接引州灌溉，既污染了十壤、 农产品和地f 水，又对人体的健康造成满在的威胁。部分井浠r 地r 水位持续r 降，农田灌 溉提水成本不断提高，由此造成人批机井、机泵报废，游溉成本越米越高。可见，华北地区 农业川水危机已日益严重。 作为农业生产的物资基础，肥料在作物增产中有举足轻重的作川t 。珊名的育种学家，为 “绿色革命”作出卓越贡献的诺贝尔奖获得者n o r m a ne b 于1 9 9 4 年在全面分析了2 0 世纪 以来农业生产发展的各相关冈素之厉断言：“本世纪全世界作物产餐增加的一、r 是来自化肥 的使用”。资料表明，我国粮食增产中4 0 6 0 依赖_ 】i 化肥的使用( 林葆等，1 9 9 6 ) 9 1o 为 了获得高产，近年来化肥使用量不断增加。1 9 9 8 年我国化肥使_ 【： j 量已高达4 0 8 5 4 万吨，高 居世界再国之首，其中氮肥2 5 0 7 5 万吨，【 l 化肥总h 量的6 0 以上( 中国农业年鉴，i 9 9 9 ) ”：1 9 9 9 年我国化肥施用鼙达4 1 2 4 万吨，其中氮肥为2 4 7 2 万吨( 中国农业年鉴，2 0 0 0 ，复 合肥含氮量咀1 3 计算) ，j i i 世界总量的3 0 左右”。然而，投入产山比低制约着氮肥利用 效率的提高。我国1 9 5 8 年到1 9 6 2 年平均崩氮耸为4 5 6 0k g h m l ，小麦、玉米的氮肥利j = j 效率分别为3 8 1 16 3 ：而1 9 8 1 1 9 8 3 年平均朋氮鼙增至1 2 0k g h m ，小麦、玉米的氮肥利 中国农业夫学硕l 学位论艾第一章前言 j _ j 效率却降为3 0 , 1 13 3 ( 中国农科院十肥所，1 9 8 6 ) 1 , 2 l 。朱兆良等( 1 9 9 2 ) 【l ”在总结全国 7 8 2 个田间试验的基础上发现，中国土要农作物小麦、水稻、玉米对氮肥的利用效率只有2 8 - - 4 1 ，并且呈不断一f 降的趋势。从1 9 8 4 年到1 9 9 4 年的1 0 年问，我国化肥使用量增加了9 0 7 ， 而粮食产堵只增加了g 。o ( 中国农业年鉴，1 9 8 4 1 9 9 4 ) 1 1 4 1 。化肥的增产餐由5 0 年代的每 k g 纯养分增产粮食1 5k g ，f 降到近年来的每蝇纯养分只能增产粮食66k g ，处r 联合国一r 业 发展绸织( u n d i o ) 统计增产量的5 1 0k g 的f 限( 曾宪坤，1 9 9 5 ) 1 ”i 。氢肥利用效率的降 低，不仅导致施肥增产效蔬和经济效茄的f 降，而且还引起一系列的生态环境问题。北京地 区由于氮肥的过量使用，在蔬菜、玉米等作物生育期内存在明显的氮索淋溶损火( 障新平等， 1 9 9 7 ) ”。 另据有芙资料报告，我国一些粮食生产区由丁氮肥投入过量，地r 水中的硝态 氮含昔高达6 16 1 2 04 m g l ，远远超过世界甲生组织( w h o ) 颁布的饮朋水质姑标准 l o m g l ( 朱兆良等，2 0 0 0 ) 1 。另外，氮也是水体富营养化晟重要的伴随闪子，当河口、湖泊、 水库、海湾水中无机氮含量人丁02k g l 时，就可能山现赤潮( 孙文涛等，2 0 0 0 ) i i 8 l o 因此，如何节约农业心水和减少肥料氮的损失，提高水分和氮素的利用效率，既是当今 世界农业关心的重点问题，也是关系到我国农业是否可持续发展的以及粮食安全的重人问题。 如今，信息技术作为农业科学的一种新方法新方向，它将田间试验和生物统计相结合， 必然会将整个农业科学推进到前所未有的高度。作物模拟模型、专家系统、决策支持系统作 为信息技术廊川研究的重要组成部分，在把农业生产活动由传统斡粗放型推向现代的精细型 过程中发挥着越来越重要的作崩：但由丁- 模拟模l ! 和专家系统臼身的缺陷使得它们在复杂多 变的农业生产系统中受到一定的限制，而决策支持系统实现了模拟模型和专家系统的结合， 克服了两者的不足，在生产上表现出了较强的科学陛和应变决策能力，从而在一定群度上改 善了时空著异性对农业生产的限制，在实际生产中增产效果和增收效益显著，对丁提高小麦 生产管理决策水平有着重要的意义。 综上所述，本课题冬小麦生产管理水、氦高效利瑚专家决策系统的研究，拟实现侈水浠 溉禾i 优化施氮相结合，能够以决策系统的方式对水、氮进行协阔管理，较传统的小麦水、氮 生产管理既省时省力、方便快捷，义是对单独的性水灌溉系统或是优化施氮系统的一种突破； 另一方面本系统知识库和推理机既相互联系义相互独立，使其以特别的交互分析能力在复杂 多变的农业生产系统中具有较强的科学性和廊变决策能力，从而在一定程度上能够改善时空 差异性对农业生产的限制，对_ r 提高小麦生产管理决策水平，节约水肥资源、减少环境污染、 提高资源利川效率以及改善生态环境、保障粮食安全等方面也具有较强的实际意义。 1 2 国内外研究进展与现状 2 1 作物农艺节水与节氮高产栽培研究 1 2 1 1 作物节水灌溉制度研究 一直以来，话水降溉制度是农艺节水研究的主要内容。河南偃师、新乡的 5 - 水游溉试验( 中 中国农业大学颤f j 学位论文第一章前言 国农科院农田灌溉所，1 9 8 6 ) 【1 9 1 表明，在生育期间降雨8 7 9 1 6 7 7 m m 的基础上，r 小麦越冬 前和孕穗期前后各灌一次水，每次灌水量为4 5 5 1 m 。6 6 7 m 2 ，平均亩产可达到4 1 11 8 k g 6 6 7 m 2 ， 仅比灌四水的对照减产24 ，而平均耗水餐为3 7 67 m m ，较对照 水】3 0 ，2 m m ，水分利用效率 为1 0 9 k g m m6 6 7 m 2 。中国科学院阳北水十保持研究所( 陈培元，1 9 9 2 ) 在渭北旱垠的限晕 灌溉试验表明橘前限量灌溉的冬小麦山苗全冬前分蘖数、n 1 面积指数利地上部干物质总颦 比掭前未进行过灌溉的明显增加，播前术进行过灌溉的地块十壤湿度r 降到田间持水量的5 0 以f ，小麦苗株的叫片水分状况、气孔导度、观和作用迅速降低，生长过程受到影响。山东 农业火学通过试验( 亓新华等，1 9 9 3 ) 2 1 】，提出了播前、起身或拔：社、孕穗或灌浆期滞二到三 次水灌水量低限8 0 - - 1 15 m m ，高限1 2 5 1 8 0 m m 的小麦节水灌溉模式试验中4 5 0 k g 6 6 7 m 2 以上 的高产小麦水分利用效率达到了i o l k g m m 6 6 7 m 2 。中国农科院( 赵聚宝等，1 9 9 0 ) 口4 分析了 晋东南屯留县降雨与冬小麦需水动态，并通过田间试验提出了减少灌溉定额和灌溉次数，仅在 关键期进行补充灌溉，小麦生育期间的降雨和播前士壤蓄水才能得到充分的利用。在播前灌水 的基础上，孕穗期剌灌浆期各灌水6 0 m 。6 6 7 m 2 ，水分利h 效率较常规灌溉提高而产量却减少不 多。北京农业人学( 李健民，1 9 9 5 ) 1 2 ”在河北吴桥经过多年的试验，提出了吴桥小麦仃水高产 模式：在浇好底墒水的基础上，春厉不浇水小麦产簧3 5 0 4 0 0 k g 6 6 7 m ! 、春后浇一水产苗4 0 0 4 5 0 k g 6 6 7 m 2 和春斤浇二水产晕4 5 0 5 0 0 k g 6 6 7 m 2 。一水( 拔h 划浠水) 和_ 二水( 拔n c l j 和开花 期灌水) 的小麦次生根数、总根鼙明显增加。拔1 y 到开花期灌水对干物质的积累具有明显的敛 果。一水的水分利州效率高于春厉不浇水。中国农业人学( 千璞等，2 0 0 1 ) 1 2 4 1 研究了两种灌水 运筹对小麦产量形成的影响，结果表明，在造好底墒水的前提r ，冬小麦春季浠4 水比春季浠 2 水干粒重和产量增加，但全生育期耗水增多，水分利j = i 率f 降。4 水比2 水多消耗的是十壤 水，并且集中在作物生育的后期。北京市的节水灌溉试验( 郭文利等，t 9 9 5 ) 口“表明，北京郊 区冈缺水挥度不同，灌溉要冈地制宜。凡能浇1 水的地区应浇冬水保证麦苗安全越冬；凡能浇 2 水的地区麻浇冬水平r l 起身水域浇冬水利拔1 y 水以争取较多的穗数和粒数：凡能浇3 水的地区 应浇冬水、起身水、灌浆水以争取较多的穗数、粒数和较高的千粒重。我国其它地区也根据当 地的气候条件利水资源状况制定了各种形式的小麦仃水灌溉制度( 张学，1 9 8 5 ：千拴庄，1 9 9 1 ； 王涛等，1 9 9 5 ；李进法等，1 9 9 6 ：东先旺等，1 9 9 9 ) 2 6 - 3 0 。这些灌溉制度在一定范阐的推与 应用为小麦节水高产栽培树立了典范。 在国外，较多的研究土要集中在两个方面：一是根据十壤水分和作物状况等，利j _ j 计算机 建立模型来研究确定灌溉时删平| i 灌溉鼙( p e r e i r al s 等1 9 9 0 ) 3 1 1 二是根据小麦耗水量来研 究确定喷滞次数平 喷濡颦( m u s i c kjt 等，1 9 9 0 ) 1 3 2 。喷滞可以明显改善农田生态环境，减少 作物蒸腾驱动势，使气孔阻力增人，导致蒸腾速率降低。在十壤水分相似的情况卜 喷灌条什 下的作物州片的光合速率名显高丁：畦灌的光台速率，而蒸腾速率明显低丁畦灌。喷灌小麦叶片 水平水分利用效率和产革水平水分利州效率均高丁畦灌( 杨晓光等，2 0 0 0 ) 【”j 。喷灌条件r 的 小麦出苗早。分蘖力强根系发达，单株1 1 1 面积大，幼穗发育速度怏，鲜重明显增加，穗人粒 多产量高( 黄裕生甾，1 9 9 4 ) 1 3 4 1 。 1 2 1 2 作物推荐施氮研究 在十壤、植株快速测试推荐施肥体系中，氮肥的推荐是核心( 陈新平等，1 9 9 9 ) p ”。r u s e l 6 中国农业人学硕l 学位论义第一誊前言 ( 1 9 1 4 ) 首先认识到十壤中的无机氯( 锰态氮丰硝态氮) 能够影响作物对氮素的吸收利_ i _ j 。上 世纪6 0 年代，荷兰人开始研究十壤无机氮含餐与作物产量的关系。目前在曲欧被。泛采用的 n m i n ( 土壤无机氮) 测试方法是在y e h r m a n n 及其小组上世纪7 0 年代研究的基础上发展而来的。 该方法是在施底肥前取十样，采样深度毗作物的吸收深度而定，如o - - 3 0 c m ，o 6 0 c m ，o 9 0 c m ， 分析作物不同目标产量有对应的总氮量。作物需氮餐为目标产最对席的总氮量减去士壤初始无 机氮含鼙。我国在上帝纪8 0 年代对n m i n 的测试方法在小麦、玉术氮肥推荐上进行了研究，认 为小麦采川o 8 0 c m ，玉米采片jo l o o c m 的硝态氮可以取得很好的效果( 邵则瑶，1 9 8 9 ) p “。 在前人研究的基础上，l o r e n z ( 1 9 8 9 ) 1 3 7 1 和8 c h a r p f ( 1 9 9 1 ) 【3 8 | 考虑到作物根系深度和作物残 留量对+ 壤无机氢的影响，建立了“k n s ”系统。该系统考虑了作物生k 期间的氮的矿化作用， 分两次采样测定n m i n ，第一次采集o 3 0 c m 的十样确定底肥j t j 昔以保证有足够的氮肥供庶作物 生k 至追肥期；第一次采样十壤的深度以佧物根系生k 的深度而定这次施肥要确保氩衷供应 至作物成熟。由丁作物在生殴前期氮肥需要量低，冈此有人将该方法改进为仅在追肥删通过测 定n m i n 来确定追肥蕈。这技术雨美国玉水带采川的氮肥推荐技术比较相似，两种方法均可门 结为“p s n t ”方法。虽然n m i n 的测试方法可以报好的反映十壤无机鬣含量和作物产草之间的关 系，是种较为可行的推荐施肥方法，但它没有考虑到作物自身对十壤无机氯的吸收与利用 加上n m j n 的测试方1 法采j _ f j 繁琐的常规分析技术，在作物生产中推广膨_ f ；i 有一定的困难。 作物体内的养分状况是土壤中养分的供应、作物对养分的需求和作物对养分的吸收能力的 综合反映。冈此，通过对作物体内养分状况进行诊断完全可以反映作物当时的营养状况，并以 此作出合理的麓肥决策。m a r y ( 1 9 3 6 ) 首先定量的研究了特定的植物组织中养分浓度与产鹫的 相关关系，并用来估计植物的养分状况( r u t e rdj ，1 9 9 7 ) 1 3 9 1 。目前，英国、法国、德国、 美国等国家已经成功的返州植物营养诊断技术指导农业生产( w e h r m a n ne ta l ，1 9 8 1 ：v e r ly rb ，1 9 9 4 ：a d a m sd 等1 9 9 7 ) 4 0 - 4 2 。 植物的全氨含颦可以很好的反映植物的氦素营养状况( 6 e r a l d s o nc m ，1 9 9 0 ) m l ，与作 物的产量也有很好的相芙性( l e i g hra ，1 9 8 1 ) ，是一个很扑的营养诊断指标。但由_ 丁全 氮分析操作繁琐，l ：作鼙人，难以推广庇川。另一方面，植物硝态氦含餐能灵敏的反映作物对 氨素的需求状况硝态氮在植株体内的积累量和全氨有芙，当全氯含餐超过某一闽值时，植物 开始在根、茎、n 1 中积累硝态氮( z h e nrg 尊1 9 9 0 ) 4 5 1 。冈此，可以_ l ! j 硝态氮含量代替全 氮含量作为营养指标来诊断植株营养进行氦的追肥推荐( p a p a s t y l i a n o ul 等，1 9 8 3 ) i 。硝 态氮作为1 f 代谢物资是以一种、p 储备状态存在丁植物体内的，当轻微缺氮时作物对硝态氢库的 需求迅速增加，硝态氮库发生显菥变化，而此时全氮库还没有发生明显变化。当供氮量超过作 物需求时，硝态氮也比全氮有较人幅度的增加。植物组织中硝态氮岔餐的相对变化要远远火于 全氮( o t e r l ijt ，1 9 9 2 ) h ”。闳此，在作物生k 甲期，尤其是当氮素供应由亏缺向充裕过 渡时硝态氮是是灵敏的反映指标( w o o d s o n ，1 9 8 3 ) 4 8 1 , 随着硝酸盐快速测试技术的发展， 植株硝态氮含鼙可以快速、准确的住田间测定。作为一种日趋成熟的作物营养诊断技术国内 外对植株硝态氮的诊断住生产中的府川有很多报道( p a p a s t y i a n o ui 等1 9 8 6 ：李忠宏等， 1 9 9 7 ) 4 9 - 5 0 lo 目前，一般认为小麦以苹基部作为诊断部何比较合适，该部位作为一个输导和贮 藏组织，植株体内剩余的硝态氮人多积累丁此。而且此部位的硝酸盐日变化量相对较小。 中国农业大学硕士学位论文 第一章前言 1 2 2 作物水、氮互作研究 国内外科学家围绕作物水、氮互作做了许多研究1 作。据v a nk e u l e nh ( 1 9 8 1 ) 5 1 l k o r e n t a j e rl 等( 1 9 8 8 ) 5 2 1 、刘晓楠等( 1 9 9 1 ) 【5 3 】、孙怀文( 1 9 9 1 ) 5 4 1 、关永格等( 1 9 9 2 ) 9 研究，当士壤水分条件适宜时，可使氮肥利, q q 效率提高。t u r n e r n c 等( 1 9 8 1 ) 1 5 6 j 、v a n k e u l e n ( 1 9 8 1 ) d 7 、w o l f ed w 等( 1 9 8 8 ) 1 5 8 、薛青武等( 1 9 8 9 ) 15 9 1 研究认为，在一定的水、 氮范闱内可以提高单位施氯鼙的作物产量，其土要原冈为：水分亏缺影响作物地上部生长， 使叶面积减小，加速生育后期叶的衰老，从而使叶片的光台功能降低，不利灌浆。适宜的水 分状况和适当的施氮可延缓叶片衰老，叫绿素含量较高，气孔导度增加光合作用较强。山 仑( 1 9 9 1 ) 1 6 0 1 、干韶唐( 1 9 8 7 ) i 6 t i 的研究结果表明，干旱初期，作物体内的物质运输速率增 强，氮向籽粒的运转加速。 早在1 9 7 8 年，t e s h aa j 等就发现高氮能使气孔密度和蒸腾速率显著降低，叶绿素含 量明显提高，有利丁植物抗旱肚的增强。随后人量的研究( s i n g hp n 等，1 9 8 7 i 王小彬等， 1 9 8 8 ；徐萌1 9 8 9 ；薛青武等，1 9 8 9 ：李玉山，1 9 9 0 ；薛青武等1 9 9 0 i 孙怀文，1 9 9 1 ；刘晓 楠等，1 9 9 1 ：赵立新等，1 9 9 1 ；关永格等，1 9 9 2 ) 【6 2 。”l 表明，在一定范闱内，氮素水平增加， 小麦水分利用率大人提高。n o v o ar 等( 1 9 8 1 ) 1 7 2 1 研究提出，平衡供应养分或推荐施肥是提高 作物水分利用率的最经济途径，过量施氨会降低水分利川效率。氮素亏缺的植物生k = 缓慢， 水分消耗与养分充足的相近，但产耸人人降低。千小彬等( 1 9 8 8 ) 【6 “、徐萌( 1 9 8 9 ) 【b “及刘 晓楠等( 1 9 9 1 ) 【6 试验证明，适量供氮可以促进作物根系生育，有效利用深层十壤养分，氮 索对作物甲期地上部分营养生k = 的促进作川人丁对根系生k 的影响。但如果供氮过量，地上 营养生k 过旺，往往加人蒸腾火水，如果供氮不足，地上营养生k = 不良，植物覆盖度减小， 影响光合，义加人蒸发火水。杨根平等( 1 9 8 9 ) 口”研究认为，在中度干早条件卜，适当的氮 素营养，可使小麦川水势较高，保持较高的含水量，改善植物的水分状况。但氮素营养过高， 则有降低的趋势。张岁歧等( 2 0 0 0 ) 1 7 4 1 研究认为，氮营养虽然增强了胁迫条件r 的春小麦的 渗透调节能力，但氮增强了对干旱的敏感，性，使其水势和相对含水量大幅度r 降，蒸腾失水 减少，自由水含量增加而求缚水含量减少，并使膜稳定性降低。w o l f ed w 等( 1 9 8 8 ) 9 “研 究了水、氮交互作用对玉米叶片衰老的影响。结果表明，时片衰老期间，其叶绿素含量与n 相关，但州绿素的降低甲于氮的降低。灌浆期间水分胁迫导致玉米叶绿素含簧和氮浓度的迅 速下降，推测可能与士壤氢的有效性减少及硝酸还原酶降低有关。徐萌( 1 9 8 9 ) 6 4 1 薛青武 等( 1 9 8 9 、1 9 9 0 ) 1 6 ”的研究提出，轻度干旱时，高氮营养可明显促进叶片光合作用。但中 度干旱时，高氮植株的净光合速率的降低人丁低氮植株，认为这与气孔受到限制使c 0 2 供 麻受阻有关。作物灌浆驯施氮，使旗1 1 i 冲光合速率、气孔导度和叶肉光合活眭加强，增加光 合产物供麻，提高产量。 123 节水、节氮决策系统的发展研究 1 2 3 1 节水灌溉决策系统的发展研究 中国农业人学硕t 。学位论文第一荦前言 目前，国际上开发的灌溉制度软件层出不穷。1 9 7 6 年h o l s a p p l e c w 和w h i n s t o n a b 开 发了第一个用于流域管理的决策支持系统。而人量新的系统涌现是在8 0 年代中期。1 9 8 5 年 a s c e 水资源规划与管理专业委员会在美国科罗拉多州d