高产稻茬麦根系构型对旋耕还田稻秸秆空间分布的响应机制研究

Rice straw returning with rotary tillage is the most commonly used method in Jiangsu Province. Without matching technology system and effective returning machinery, it is difficult to manage a large amount of straw, returning to the field and as well as reduction of paddy-wheat yield. The project comprises of different phases. Firstly, formation mechanism of spatial heterogeneity distribution of returned rice straw, this step aims to develop a prediction model of spatial heterogeneity distribution of returned rice straw and determine the key parameters for it. Secondly, establish the relationship between root architectural characteristics of high-yield paddy-wheat and soil spatial heterogeneity through field investigation experiments, and then revealed by the laboratory simulation study. Finally, based on the influence of rice straw decomposition characteristics and nutrient release rules on soil spatial heterogeneity under rice straw heterogeneous distribution, a relationship model between rice straw spatial heterogeneity distribution and soil spatial-temporal heterogeneity distribution would be developed. Moreover, combining with rice straw decomposition, the inhibition or promotion of releasing substances on the root system would be explained, and the response of high-yielding paddy-wheat root system architecture on spatial distribution characteristics of rice straw could be analyzed. The study has great significance for the development of the technical system to evaluate the quality of rice straw returning with rotary tillage, the optimization and improvement of relevant operating equipment and its key operating components, the guidance of field straw returning practice and the selection of reasonable straw returning methods.

稻秸秆旋耕还田作为江苏地区最普遍采用的秸秆还田方式，由于缺少配套的技术体系和旋耕还田机械而面临着稻秸秆量大、秸秆还田困难、稻茬麦产量降低等状况。本项目拟从还田稻秸秆空间异质性分布的形成机理出发，构建还田稻秸秆空间异质性分布预测模型，确定对其起关键作用的参数；其次通过田间调查试验，初步建立高产稻茬麦根系构型特征与土壤空间异质性之间的关系，结合室内模拟试验，揭示土壤空间异质性对稻茬麦根系生长分布的影响；最后基于异质性分布下的稻秸秆腐解特征和养分释放规律等对土壤空间异质性的影响，构建稻秸秆空间异质性分布与土壤时空异质性分布的关系模型，结合稻秸秆腐解释放物质对根系的抑制或者促进作用，解析高产稻茬麦根系构型对稻秸秆空间分布特征的响应机制。本项目的研究对于构建稻秸秆旋耕还田质量评价技术体系、优化改进相关作业机具及其关键作业部件，指导田间秸秆还田作业实践和筛选确定合理的秸秆还田方式具有重要意义。

江苏地区秸秆旋耕还田面临着稻秸秆量大、秸秆还田困难、稻茬麦产量降低等状况。本项目构建了“稻秸秆-旋耕机械-土壤”的离散元还田稻秸秆空间分布仿真预测模型，结合田间试验对该预测模型进行了验证，并通过仿真与田间试验发现，旋耕机的前进速度、刀辊转速以及秸秆的长度会影响还田后秸秆的空间分布，其中秸秆长度显著影响旋耕还田后秸秆空间分布的变异系数，且变异系数随着秸秆长度的减小而减小，在此基础上，提出了一种新的定量旋耕还田后稻秸秆空间分布的方法；本项目开展了长期秸秆还田下不同稻茬麦产区的土壤理化属性及小麦根系特征的调查试验，研究发现高产区土壤有机质含量最高，氮含量最高，容重最小，孔隙度最大，贯入阻力适中，苗期根量大，但是该地区土壤偏酸性（pH<5），次高产区土壤有机质和氮含量显著小于高产区，贯入阻力最大，该地区土壤同样偏酸性（pH<4），低产区土壤有机质和氮含量最低，全钾含量最高，容重最大，扬花期根系激增，表明土壤有机质和氮含量以及扬花期根量对于保障作物产量而言具有重要意义，此外秸秆长期还田在培肥土壤的过程中是否会造成土壤酸化需要注意；本项目进行了不同施氮量下的稻茬麦根系空间分布试验，提出了定量稻茬麦空间分布的五个新指标，即不同土体空间中根系的长度，根系的最大拓展宽度和扎根深度，根系的宽深比，根系在纵向投影面上的覆盖面积和根系在水平投影面上的覆盖面积，用于定量化描述田间稻茬麦根系构型的异质性，研究发现施氮量为70 kg/hm2 和施氮量为130 kg/hm2对稻茬麦根系空间分布具有相似的影响；此外，提出了新方法用于稻茬麦根系分形分析过程中的规范化定量，研究指出在以往文献提出的定量作物根系分形维的盒维数尺度中，定量稻茬麦根系空间分形特征，盒维数尺度分别为2.5，5，10，20，40，80、2，5，10，20，50，100、3，6，12，24，48，96三种情况是合适的，对于稻茬麦主轴根系进行平面分形维分析时，合理的放置方式是按根与根之间的夹角为10°左右摆放。