黄土高原中部旱作粮田土壤干燥化效应与土壤水分承载力模拟研究

摘要

在广泛调查旱作粮田作物产量和野外实地观测深层土壤湿度的基础上，应用美国研制的环境政策综合气候模型-WinEPIC，模拟研究了1960～2000年期间黄土高原中部不同降水类型区不同肥力水平不同种植方式下，旱作粮田的产量水平和深层土壤干燥化效应，评价了旱作粮田的生产力稳定性和不同肥力水平下不同种植方式的土壤干燥化效应，为黄土高原粮食的可持续发展提供了科学依据。取得的主要研究进展如下： (1)作物产量和田间土壤水分调查结果表明：受降水影响，连作冬小麦和春玉米的产量均呈现波动性下降趋势。在轮作条件下，冬小麦的产量更容易受到降水的影响，而春玉米的产量更容易受茬口的影响。高产农田的土壤水分明显低于低产农田，农田土壤干燥化现象在1～3m范围内较明显，在3m以下也开始出现土壤水分减少的迹象。 (2)通过对长武早塬连作冬小麦、晋中半干旱区连作春玉米、长武旱塬麦玉轮作三种种植方式，在不同肥力水平的模拟精度验证表明：经过调整的WinEPIC模型对不同肥力处理下连作冬小麦、连作春玉米和麦玉轮作的籽粒产量和农田的土壤水分变化动态模拟较为准确，适用于黄土高原冬小麦连作、春玉米连作和麦玉轮作系统的模拟研究。 (3)在模拟研究的41年期间，洛川、长武、延安、寿阳的连作春玉米产量的年平均值分别为4.40th/m2、4.23t/hm2、3.75t/hm2、2.50t/hm2。施肥增产率，长武>洛川>延安>寿阳。水分利用效率，洛川>延安>长武>寿阳，同一地区内随施肥水平的提高水分利用效率增大。0～7m土层逐月土壤有效含水量洛川>长武>延安>寿阳，前两个地区土壤水分稳定性较差。随着施肥水平的提高，农田逐月土壤有效含水量平均值呈现波动性降低趋势，与N0相比N60、N120、N180、N240、Y300分别减少166mm、299mm、295mm、416mm、421mm。所有地区的春玉米田0～7m土层土壤湿度剖面分布，在经历了土壤湿度逐年降低、土壤干层逐年加厚的干燥化过程后，均出现了稳定的土壤干层。土壤干燥化速度No、N60、N120、N180、N240、N300依次增大，洛川、长武、延安、寿阳依次增大。肥力水平是影响土壤干层最终分布范围的主要因素之一。综合不同地区不同肥力水平下连作春玉米的产量、水分利用效率、肥料增产率、水分承载力、O～7m土壤湿度剖面分布情况，从增产和土壤水分可持续利用角度统筹考虑，在洛川连作春玉米的产量水平以5.25～5.54t/hm2为宜，相应的施肥水平以N240～N300为宜，在长武为5.25～5.45t/hm2，N240～N300，在延安相应的适宜值分别为4.26～4.58t/hm2，N180～N240，在寿阳为2.34～2.74t/hm2，N120～N180。 (4)在1960～2000年模拟研究期间，洛川、长武、延安、寿阳连作冬小麦产量年平均值分别为2.77t/hm2、2.70t/hm2、1.97t/hm2、1.00t/hm2。水分利用效率和施肥增产率地区间差异均显著，均表现为洛川>长武>延安>寿阳，同一地区内随施肥水平的提高水分利用效率增大。0～7m土层逐月土壤有效含水量，洛川>长武>延安>寿阳，洛川土壤水分稳定性好于长武、延安和寿阳。随着施肥水平的提高，冬小麦田逐月土壤有效含水量平均值呈现波动性降低趋势，与N0相比N120、N150、N180、N210、N240分别减少111mm、110mm、219mm、220mm、220mm。土壤干燥化速度No、N120、N150、N180、NEro、N240依次增大，洛川、长武、延安、寿阳依次增大。综合不同地区不同肥力水平下连作冬小麦的产量、水分利用效率、肥料增产率、0～7m土壤湿度剖面分布情况，从增产和土壤水分可持续利用角度统筹考虑，在洛川、长武、延安、寿阳连作冬小麦适宜的施肥水平分别为N210～N240、N180～N210、N150～N180、N90～N120，相应的产量水平分别为3.59～3.78t/hm2、3.24～3.38t/hm2、2.08～2.43t/hm2、0.69～0.89t/hm2。 (5)在1960～2000年模拟研究期间，在8种(R1～R8)麦玉轮作方式中，洛川、长武、延安和寿阳均以R7平均产量最高，洛川、延安和寿阳均以R7、长武以R1经济效益最高。各地麦玉轮作田逐月土壤有效含水量均呈现波动性降低趋势。洛川、长武、延安和寿阳轮作方式R7、R2、R5和R7平均干旱胁迫天数最少，在麦玉轮作系统中冬小麦较玉米容易遭受干旱的威胁。综合考虑作物产量、经济效益、0～7m土层逐月土壤有效含水量、土壤干燥化速度等因素，洛川、长武、延安和寿阳适宜的轮作方式分别为R7(春玉米→春玉米→春玉米→冬小麦)、R1(春玉米→冬小麦)、R8(春玉米→春玉米→春玉米→冬小麦→冬小麦)、R7(春玉米→春玉米→春玉米→冬小麦)。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1研究的目的和意义

1.2国内外研究进展

第二章研究内容与方法

2.1研究内容

2.1.1黄土高原中部不同降水类型区旱作粮田生产力和土壤水分的调查

2.1.2黄土高原中部不同降水类型区旱作粮田模拟研究的数据库组建

2.1.3模型的模拟精度验证

2.1.4不同降水类型区和肥力水平下连作春玉米的产量与土壤水分效应研究

2.1.5不同降水类型区和肥力水平下连作冬小麦的产量与土壤水分效应研究

2.1.6不同降水类型区和轮作方式下的产量与土壤水分效应研究

2.2研究方法和技术路线

2.2.1研究方法

2.2.2技术路线

2.3试验地点选择

2.4试验方案

2.4.1旱作粮田土壤干燥化现状面上调查

2.4.2 EPIC模型主要数据库的组建

2.4.3模型验证与参数修订

2.4.3旱作粮田土壤干燥化规律与土壤水分承载力模拟与分析

第三章Win EPIC模型简介

3.1模型的结构与功能

3.2模型的研发历史

3.3模型的主要应用领域及现状

3.3.1对作物生长和产量的研究

3.3.2对灌溉措施的研究

3.3.3气候改变对作物产量影响的研究

3.3.4对氮循环的研究

3.3.5对水蚀过程的模拟验证和预测研究

3.3.6对风蚀过程的模拟验证和预测研究

3.3.7土壤碳固定的模拟研究

3.3.8模型在黄土高原地区的应用

第四章黄土高原中部不同降水类型区旱作粮田生产力和土壤水分生态环境调查

4.1不同降水类型区和肥力水平下旱作粮田作物产量

4.1.1长武不同肥力水平下连作冬小麦和春玉米的产量

4.1.2寿阳不同肥力水平下连作春玉米的产量

4.1.3高平不同肥力水平下麦玉轮作的产量

4.2不同降水类型区和肥力水平下的土壤水分效应

4.2.1长武连作冬小麦田不同肥力水平下的土壤水分

4.2.2寿阳连作春玉米不同肥力水平下的土壤水分

4.2.3合阳冬小麦和春玉米田的土壤水分分布

4.3小结

第五章EPIC模型数据库组建

5.1气象数据库

5.1.1逐日气象要素的变量及其输入

5.1.2逐月气象要素统计变量的计算及其输入

5.2土壤数据库

5.2.1土壤数据库的参数

5.2.2土壤参数数据的收集和数据库组建

5.3作物参数数据库

5.3.1作物参数数据库所需要的参数及其意义

5.3.2作物参数数据库组建

5.4其它辅助数据库

第六章EPIC模型在黄土高原地区的应用验证

6.1连作冬小麦产量与土壤湿度模拟精度

6.1.1连作冬小麦产量的模拟精度验证

6.1.2连作冬小麦田土壤水分的模拟精度验证

6.2连作春玉米产量与土壤湿度模拟精度验证

6.2.1连作春玉米产量和水分利用效率的模拟精度验证

6.2.2土壤水分的模拟精度验证

6.3高平麦玉轮作产量与土壤湿度的验证

6.3.1产量验证

6.3.2土壤水分的验证

6.4 小结

第七章黄土高原中部不同降水类型区和肥力水平下春玉米田水分生产潜力和土壤干燥化效应

7.1模拟研究方法

7.2不同降水类型区和肥力水平下连作春玉米的产量变化

7.3不同降水类型区和肥力水平下春玉米肥料增产率和水分利用效率

7.4不同肥力水平下连作春玉米的经济效益

7.5不同降水类型区和肥力水平下连作春玉米田逐月土壤有效含水量变化和耗水量

7.6不同降水类型区和肥力水平下连作春玉米田土壤湿度剖面分布变化

7.7连作春玉米田0～7m土层土壤有效水分年度增减量变化

7.8 小结

第八章黄土高原中部不同降水类型区肥力水平下冬小麦田水分生产潜力与土壤干燥化效应

8.1模拟研究方法

8.2不同降水类型区和肥力水平下冬小麦的产量

8.3不同降水类型区和肥力水平下冬小麦的肥料增产率和水分利用效率

8.4不同肥力水平下连作冬小麦的经济效益

8.5不同降水类型区和肥力水平下连作冬小麦田土壤剖面湿度分布

8.6逐月土壤水分与生育期土壤水分减少量

8.7不同降水类型区水分承载力

8.8小结

第九章黄土高原中部不同降水类型区不同轮作方式产量和土壤干燥化效应模拟与最优轮作方式筛选

9.1模拟研究方法

9.2长武地区最优轮作方式筛选

9.2.1不同种植方式下冬小麦和春玉米的产量

9.2.2不同种植方式的经济效益

9.2.3不同种植方式下麦玉轮作田逐月土壤水分的变化

9.2.4冬小麦和春玉米所遭受的干旱胁迫天数

9.2.5不同种植方式下的土壤剖层湿度

9.2.6小结

9.3洛川地区最优轮作方式的筛选

9.3.1不同种植方式下冬小麦和春玉米的产量

9.3.2不同种植方式的经济效益

9.3.3不同种植方式下逐月土壤水分的变化

9.3.4冬小麦和春玉米所遭受的干旱胁迫天数

9.3.5不同种植方式下的土壤剖层湿度

9.3.6小结

9.4延安地区最优轮作方式的筛选

9.4.1不同种植方式下冬小麦和春玉米的产量

9.4.2不同种植方式的经济效益

9.4.3不同种植方式下逐月土壤水分的变化

9.4.4冬小麦和春玉米所遭受的干旱胁迫天数

9.4.5不同种植方式下的土壤剖层湿度

9.4.6小结

9.5寿阳地区最优轮作方式的筛选

9.5.1不同种植方式下冬小麦和春玉米的产量

9.5.2不同种植方式的经济效益

9.5.3不同种植方式下逐月土壤水分的变化

9.5.4冬小麦和春玉米所遭受的干旱胁迫天数

9.5.5不同种植方式下的土壤剖层湿度

9.5.6 小结

9.6小结

第十章结论与讨论

10.1关于黄土高原中部旱作粮田作物产量调查与土壤水分监测结果

10.2关于EPIC模型模拟精度验证的结果

10.3关于不同降水类型区连作春玉米的模拟结果

10.4关于不同降水类型区连作冬小麦的模拟结果

10.5关于不同降水类型区麦玉轮作的模拟结果

10.6讨论

参考文献

致谢

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