黄土旱塬冬小麦产量与水氮及其耦合关系模型的研究

摘要

水和养分是农业生产中密不可分的两个重要因子，合理的水肥对促进旱地作物生长具有显著的正交互作用。气候干旱是影响旱作农业持续发展的主要因素，在土壤水分不足情况下，通过协调土壤水分和养分关系，能有效提高作物产量和实现水分高效利用。本试验采用田间长期定位实验，在6个施氮水平(不施氮；75kg纯N/hm2；150kg纯N/hm2；225kg纯N/hm2 300kg纯N/hm2；375kg纯N/hm2)基础上，设置不同灌水制度(按冬小麦不同生育期灌75mm水递增，共设W0(不灌水)；W1(75mm)；W2(150mm)；W3(225mm)；W4(300mm)；W5(375mm)等6个处理)，研究作物水一肥一产量关系，建立作物水分生产函数(二次水分生产函数和水分生产函数综合模型)以及作物肥料效应方程与作物水氮生产函数；分析不同灌水与施氮量下作物气体交换特性指标与环境因子的关系，分析深层土壤水分特征与水分生产效率的关系；并对CropSyst模型在黄土旱塬的适用性进行探索。研究获得以下主要结论： 1.作物产量一水分关系显示，冬小麦耗水量与产量之间呈二次抛物线关系，即在中、低产水平下，随耗水量增加，作物产量增加；当耗水量达到一定数值时，产量上升速度减慢；当耗水量达到作物需水量值时，产量达最高值。黄土旱塬冬小麦对水分缺乏敏感期排序为：播种～返青期>拔节～抽穗期>抽穗～灌浆期，因此，底墒对作物产量具有不可替代的作用。 2.作物产量一施肥量关系显示，氮肥增产效果发挥与农田水分状况关系十分密切，整体上，肥效随灌水量增加而提高。但在不同农田水分状况时，相同施肥量下所获得的产量不相：高、中供水水平时，小麦产量、增产量及增产率均随氮肥用量增加而增加；低供水水平时，肥料增产效益比较显著，但氮肥增产贡献率和氮肥利用效率有随施氮量增加而递减的趋势。在不同供水条件下，氮肥合理施用量差异显著。因此为了最有效利用氮素，必须根据灌溉状况(灌水量)确定氮肥施用量。 3.作物水一肥—产量关系结果显示，氮素营养可有效改变作物气体交换生理指标对环境因子响应的灵敏度。水肥条件改善均可显著提高冬小麦产量，且水的作用大于肥，水肥耦合效应明显。在不同供水条件下，N3(225kg纯N/hm2)施肥处理可获得最高水分生产效率和水肥耦合效果；其后顺序分别为N2(150kg纯N/hm2)>N4(300kg纯N/hm2)>N5(375kg纯N/hm2)>N1(75kg纯N/hm2)>NO(不施N)。N3W4水肥组合产量最高，为11087.7k/hm2，消耗量也最大，为7441.4m3/hm2，水分利用效率为1.49k/hm2；比较不同处理看，水分利用效率最大值为1.72Kg/hm2，此时耗水量为4157.3m3/hm2，而产量为7150.6k/hm2，说明水分利用效率最大时产量并不一定最高。 4.随灌水量增加，水分边际效益递减，4个生育期均灌水时的水分利用率较其他灌溉方式降低，2个生育期灌水比1个生育期灌水、3个生育期灌水比2个生育期灌水的水分利用率高，且不减产；但灌四水比灌三水的水分边际效益降低。当灌水定额为75mm时，冬小麦水分边际效益达到最大，当灌水定额为225mm时，冬小麦产量达到最大，因此该地区最经济灌水定额应在75～225mm范围内。 5.不同水肥条件与冬小麦生长关系结果显示，产量构成因素成穗率、粒数、千粒重等均随水分条件改善而增加，而养分调节效果不明显；水肥互作效果因各构成因素而异，如对成穗率和粒数有显著促进作用，而千粒重却明显降低。根系主要分布在0～60cm内，约占总量70％左右，不灌水或少灌水可以促进根系下扎，对深层土壤水分吸收能力增加从而提高深层土壤水分的利用率；以150cm根深为准，冬小麦根系总量随着开花前的土壤干旱程度(灌水次数)的增加而增加。 6.冬小麦全生育期日需水量变化很大，冬小麦生育期需水曲线形成两个峰，第一个峰出现在冬前分蘖期，峰值较小；第二个峰出现在孕穗至抽穗扬花期，峰值较大，所需水量约占全生育期的66％，为冬小麦需水临界期。 7.CropSys模型可有效模拟作物经济产量和地上生物量，模拟精度较高，且能较精确地描述光、温、水状况，对作物生长发育的影响，较通常的公式概算法精确度高、操作方便。经过修正和校准后的CropSys模型可用于进行广大黄土旱塬地区作物生产力的模拟、作物品种引进和最佳农艺措施选择等。 8.得到黄土旱塬的综合水分生产函数为：

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第一章文献综述

1.1旱作农业的地位

1.1.1旱作农业是世界农业的重要组成部分

1.1.2旱作农业在我国农业占有非常重要的地位

1.1.3旱作农田降水生产潜力及开发途径

1.2旱作农田作物水肥耦合效应研究进展

1.2.1水肥耦合效应的概念

1.2.2旱地农业水肥耦合效应的研究方法

1.2.3水肥耦合效应的研究现状及方向

1.2.4水肥耦合效应研究的难点与建议

1.3作物水分生长函数建立及其发展

1.3.1作物水分生长函数的概念及特征

1.3.2作物水分生长函数的数学模型

第二章试验内容与方法

2.1试验点概况

2.2试验设计

2.2.1试验处理

2.2.2观测项目与测定方法

2.2.3试验年度降水情况

第三章结果与分析

3.1作物水-肥-产量关系

3.1.1水-产量关系

3.1.2肥-产量关系

3.1.3水-肥-产量关系

3.2作物水分生长函数模型的研究

3.2.1二次函数模型

3.2.2综合模型

3.2.3作物水分生产综合函数的建立

3.3不同水分、氮肥条件下环境因子对作物生理特性的影响

3.3.1不同灌水条件对作物气体交换特性的影响

3.3.2不同水分、施N水平下作物气体交换特性与环境因子的关系

3.4耕层土壤含水量与水分生产效率的关系

3.4.1不同灌水处理的耕层土壤水分含量变化

3.4.2不同灌水处理的作物耗水量与水分生产效率

3.5 CropSyst在渭北旱塬的适用性探讨

3.5.1模型所需数据输入

3.5.2模型参数校正

3.5.3模型验证

第四章讨论

第五章结论

5.1主要结论

5.2研究存在的不足与需要进一步研究的问题

参考文献

致谢

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