基于EPIC模型的黄土高原旱地草粮轮作田土壤湿度模拟

土壤水分是黄土高原地区粮食生产的关键因子,EPIC模型自建立以来在世界范围内得到了广泛的应用,是研究土壤水分动态的有效工具,因此,在黄土高原地区验证EPIC模型的土壤湿度模拟精度对该地区土壤水分的模拟研究具有重要的现实意义。本研究应用长期定位试验观测值和EPIC模型对草粮轮作田[苜蓿（Medicago sativa）－苜蓿－苜蓿－苜蓿－马铃薯（Solanum tuberosum）-冬小麦（Triticum aestivum）-冬小麦-冬小麦]土壤湿度进行了模拟研究。结果表明, 在苜蓿草地、冬小麦田和马铃薯田中0～2.0 m土层土壤湿度的观测值和模拟值相关系数分别为0.756、0.973和0.790,RMSE值分别为0.028、0.011和0.023 m/m;模拟值与观测值的土壤湿度剖面分布总体上一致。EPIC模型能够较好模拟草粮轮作田土壤水分的动态变化规律,可以用来模拟研究黄土高原草粮轮作田土壤水分动态变化及其土壤湿度的剖面分布。建立合理的土壤数据库和作物根系分布方程将会进一步提高模型对土壤湿度的模拟精度;增加模型中的土层数有利于提高模型对深根系作物土壤湿度的模拟精度。     

黄土高原苜蓿及后茬作物土壤水分 恢复效应及蒸散特征

黄土高原种植紫花苜蓿(Medicago sativa)多年后会形成土壤干层,严重影响后茬作物的生长。本研究利用黄土高原建植9年的苜蓿地布设田间试验,研究比较了苜蓿连作(L–L),苜蓿移除后休闲(L–F)或分别种植小麦(Triticum aestivum, L–W)、玉米(Zea mays, L–C)、马铃薯(Solanum tuberosum, L–P)和谷子(Setaria italica, L–M)6种苜蓿-作物种植模式对田间水分蒸散特性的影响及水分动态变化特征。结果表明:苜蓿与作物的轮作中,3年的平均水分利用效率均是苜蓿-马铃薯最高,苜蓿-玉米次之,苜蓿-小麦最低,种植马铃薯和玉米能有效提高作物产量和水分利用效率。苜蓿-玉米处理在高耗水的同时,抑制了土壤棵间蒸发量,显著降低了蒸发与作物耗水量的比率(17.0%),促进了作物的蒸腾作用。经过轮作倒茬后,苜蓿-作物轮作处理下0–300 cm土层的平均含水量较苜蓿连作增加了18.4%～34.9%,苜蓿-休闲处理对于土壤干层水分的恢复效果最佳,其次为苜蓿-马铃薯。综合水分利用效率和农田水分变化特征,在黄土高原半干旱区种植苜蓿多年后选择休闲或轮作其他作物,以苜蓿-马铃薯和苜蓿-玉米轮作的效果较好。该研究结果也表明,合理的利用土地可以减轻土壤干层在黄土高原的形成和发展。     

不同种植年限苜蓿地土壤理化性状

本研究分析了半干旱区不同种植年限苜蓿(Medicago sativa)地土壤理化性状。结果表明,随着苜蓿种植年限的增加,0-100 cm土层土壤容重出现不规律的波动,苜蓿地土壤容重值整体偏大;土壤有机质随种植年限的增加而增大,随土层深度增加而显著减小(P0.01),并且在种植5年的苜蓿地中提高最明显,在种植8年的苜蓿地中最低。各年限苜蓿地均表现出土壤有机质的"表聚性"。在一定的种植年限范围内,种植苜蓿对土壤有机质具有累积作用;土壤全氮含量随苜蓿种植年限的增长表现为先增大后减小的趋势,随土层深度的加深而逐渐减小,种植苜蓿4年时土壤全氮含量最大,8年时苜蓿地土壤全氮含量最低,并且土壤全氮含量主要集中于0-40 cm土层,全氮显著累积作用于表层土壤;土壤硝态氮随着苜蓿种植年限的增加而先增加后减小,随着土层的加深而逐渐降低,表层土壤对土壤硝态氮有累积作用,并且与苜蓿种植时间长短有显著相关性(P0.05)。而铵态氮含量在剖面上变化不大,与苜蓿生长年限没有显著相关性(P0.05)。今后需从栽培苜蓿草地的管理措施上深入探讨栽培苜蓿地的最佳种植和利用年限。     

基于APSIM模型的黄土旱塬区苜蓿——小麦轮作系统深层土壤水分及水分利用效率研究

黄土高原地区降水较少且季节性分配不均,苜蓿连续种植所导致的深层土壤干燥化问题已经引起普遍关注,苜蓿与粮食作物轮作是恢复苜蓿草地土壤水分、提高粮草种植系统可持续性的有效方式。但是长期轮作对土壤水分环境和水分利用效率的影响仍然缺乏研究,农业生产系统模拟模型（APSIM）具有广泛的适应性,可准确模拟耕作管理对作物系统资源利用的影响。首先根据黄土旱塬区庆阳、长武、镇原3个试验区试验数据验证APSIM模型模拟苜蓿长期连作和苜蓿-小麦轮作系统深层土壤水分和苜蓿产量的可行性,然后设置历时38年的81组轮作情景,评估不同轮作模式对农田深层土壤水分、系统干物质产量、氮素吸收和水分利用效率的影响。结果表明：APSIM模型模拟苜蓿产量的精度较高,模拟结果的决定系数（R²）为0.65,均方误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）分别为0.23 t·hm^-2和0.17 t·hm^-2,归一化均方误差（NRMSE）为29.2%;模型能够精确模拟长期苜蓿连作和苜蓿轮作小麦农田0~1000 cm的土壤含水量,长期连作模拟结果的R²为0.73,RMSE、MAE及NRMSE分别为0.021 t·hm^-2、0.017 t·hm^-2和11.7%,轮作系统模拟结果的决定系数为0.83,RMSE、MAE及NRMSE分别为0.024 t·hm^-2、0.018 t·hm^-2和11.8%。情景模拟结果表明,随着苜蓿在系统中轮作年限的增加,0~1000 cm土壤剖面水分极度缺乏（含水量在0.10~0.15）的区域以400~600 cm土层为起点不断扩大,当苜蓿轮作年限大于12年时,所有轮作周期的处理土壤都出现了大范围水分缺乏。81个情景中12年苜蓿轮作14年小麦（L12W14）、L12W16和L8W16这3个处理的总产量最大;系统吸氮量随着苜蓿加入年限的增加而增加,小麦轮作年限大于10年以后系统吸氮量急剧下降;苜蓿轮作大于8年以后系统水分利用效率随着苜蓿年限的增加而降低。综合考虑土壤水分环境和水分利用效率,建议研究区苜蓿-小麦轮作系统中苜蓿轮作年限为4~6年,小麦轮作年限大于4年。研究结果可为黄土旱塬区苜蓿草地管理及草田轮作实践提供一定的参考。     

宁夏东部荒漠草原不同植被恢复模式的土壤响应特征

利用野外观测数据和室内测定分析方法对宁夏东部荒漠草原5种不同植被恢复模式(封育、补播沙打旺、补播黑沙蒿、柠条地以及补播苜蓿)下的土壤呼吸、水分、化学性质及微生物响应进行了研究。结果表明:不同植被恢复模式土壤呼吸强度范围为0.01~1.47CO_2g/m~2·h,苜蓿地、柠条地显著高于其他恢复措施草地(P0.05);0~200cm土层土壤水分含量在9.22%~21.36%之间,柠条地、补播沙打旺草地显著高于其他恢复措施草地(P0.05);0~100cm土层全氮在0.27~0.51g/kg之间,有机碳均值在1.64~2.44g/kg之间,均表现为苜蓿地高于其他恢复样地;在不同模式恢复下,苜蓿地细菌数量较其他恢复模式的增益显著(P0.05),封育地的真菌数量较高(P0.05);土壤呼吸与土壤水分、有机碳、全氮和土壤微生物均呈线性正相关,与土壤水分极显著相关(P0.01),与有机碳显著相关(P0.05)。     

紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分研究

以陕北农牧交错带人工草种紫花苜蓿(Medicago sativa L.)和天然草种短花针茅(Stipa breviflora Griseb.)为对象,采用根钻法调查两个草种的根系垂直分布以及刈割后苜蓿根系变化特征,并通过定位观测研究土壤水分动态变化。结果表明:紫花苜蓿和短花针茅根系密度随土壤深度增加而减少,而且均以直径小于等于1 mm的须根为主;0~50 cm土层紫花苜蓿和短花针茅根系量分别占0~100 cm剖面总量的67%和84%。紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分消耗特征吻合。生长旺盛期苜蓿大量消耗0~140 cm土层土壤水分,5-9月平均有效土壤储水不足10 mm;生长季末深层(140~280 cm)土壤储水也逐渐降低,约为裸地储水量的50%。短花针茅0~280cm剖面土壤水分状况明显好于苜蓿地,比苜蓿地多储水100 mm左右;主要消耗浅层(0~50 cm)土壤水分,深层水分利用较少。     

黄土高原丘陵沟壑区轮作休耕模式下5种土地利用方式土壤剖面水分分布特征

为探究黄土高原丘陵沟壑区轮作休耕制度土壤剖面水分分布特征,选取覆膜玉米地(YMD)、休耕2年地(XGA)、休耕4年地(XGB)、荒草地(HCD)、紫花苜蓿地(MXD) 5种土地利用方式,对土壤剖面0~200 cm土层土壤水分进行测定分析。结果表明:1)除HCD与MXD土壤含水量在0~20 cm土层之间差异不显著(P>0.05),YMD、XGA、XGB、HCD、MXD各土层土壤含水量均存在显著差异(P<0.05),其中,YMD土壤含水量(0~200 cm土层平均值为20.28%)最高,分别是XGA的1.38倍、XGB的1.40倍、HCD的1.94倍、MXD的2.91倍。2)YMD土壤水分随土层深度增加呈“双峰型”变化,HCD和MXD呈先减少后基本稳定的变化趋势,XGA、XGB呈先增大后减少再基本稳定的变化趋势。3)XGA和MXD各土层土壤水分变异程度均为中等变异,HCD各土层土壤水分变异程度为弱变异;YMD除了80~100 cm和180~200 cm土层为弱变异,其余各土层均为中等变异;XGB 在0~180 cm土层土壤水分变异程度为中等变异,180~200 cm土层土壤水分变异程度为强变异;土壤剖面(0~200 cm)水分变异系数(平均值)排序为:XGB(40.75)>XGA(38.02)>MXD(30.91)>YMD(27.06)>HCD(4.12)。4)YMD、XGA、XGB、MXD土壤水分利用土层均为0~40 cm土层,而HCD为0~20 cm土层;YMD和MXD土壤水分利用层和调节层完全相同,分别为40~120 cm和120~200 cm土层;XGA、XGB、HCD土壤水分利用层和调节层分别为40~160 cm、40~180 cm、20~40 cm和160~200 cm、180~200 cm、40~200 cm土层。轮作休耕模式对土壤剖面水分差异性、空间分布、变异性和层次划分产生重要影响,覆膜玉米地土壤水分条件最好,研究结论可为黄土高原丘陵沟壑区土地利用方式优化配置和轮作休耕模式结构调整提供理论依据。     

种植方式对高寒半干旱区苜蓿第二年地上及地下生长特征的影响

在甘肃天祝高寒半干旱区研究4种不同种植方式对苜蓿第二年地上和地下特征的影响,以期为高寒半干旱区科学种植苜蓿提供依据。结果表明,种植第二年覆膜处理下苜蓿植株高度显著高于垄沟种植。与平膜全覆、垄沟覆膜+覆土、垄沟种植相比,垄沟覆膜种植的苜蓿株高分别提高了4.1%、21.1%和34.3%。垄沟覆膜种植的苜蓿分枝数最高,与其他处理差异显著;垄沟种植的分枝数显著低于其余三种处理。三种覆膜处理苜蓿的根颈直径、返青根颈芽数显著高于垄沟种植。垄沟覆膜种植的苜蓿草产量显著高于其他处理,其次为平膜全覆种植,垄沟覆膜+覆土和垄沟种植产量较低。垄沟覆膜种植苜蓿0~40cm土层根体积最高,平膜全覆种植苜蓿0~40cm土层的根表面积最高。垄沟覆膜种植是高寒半干旱牧区成功建立苜蓿人工草地和大幅度增产最佳技术模式。     

长期连续种植苜蓿草地地上部分生物量与土壤水分的空间差异性

基于苜蓿长期连续种植定位试验,研究了不同施肥与采样位置差异对苜蓿草地地上部分生物量和土壤水分的影响。苜蓿长期连续种植19年后,施肥对苜蓿地上部分生物量的影响不显著;试验样地内呈由外及内植株高度逐渐下降、地上部分生物量积累逐渐减小的“生物漏斗”现象,距样地中心位置不同引起的差异远远超过施肥处理引起的差异。中下层土壤水分也呈类似的漏斗状分布。相关分析表明,苜蓿地上部分生物量与1 m以下土壤水分含量呈显著相关,表明在长期连续种植条件下下层土壤水分状况是决定苜蓿草地生长状况的主要因素。     

马铃薯滴灌效益试验研究

近年来发展旱作节水农业已成为建设宁夏南部山区现代农业的重要内容尤其是在宁夏南部山区采用膜下滴灌技术种植大田马铃薯能够明显改善土壤水分状况,提高降水利用率和水分生产效率,促进作物生长发育,增产效果显著,增收效益突出。     

不同覆膜时期对宁南山区土壤水热环境及马铃薯产量的影响

在宁南山区雨养条件下,以马铃薯庄薯3号为试验材料,研究了裸地平种、播前覆膜、早春覆膜、秋覆膜处理下2013-2015年间马铃薯产量及其全生育期土壤温度、土壤贮水量的差异。结果表明:与裸地平种相比,不同覆膜时期下尤其是秋覆膜可增加马铃薯地土壤表层温度,增加幅度可高达1.0 ℃。秋覆膜处理增加了早春时期土壤温度、降低马铃薯苗期土壤日温差。不同覆膜时期尤其是秋覆膜处理下马铃薯苗期土壤贮水量增加41.5 mm,马铃薯块茎膨大期后20~60 cm土层土壤水分消耗增加;且在平水年和欠水年不同覆膜时期对土壤水分的调控作用更为明显。秋覆膜处理下马铃薯产量可达34543 kg/hm²,增产40.8%。土壤水分利用效率达到77.5 kg/(hm²·mm),增加23.5%。相关性分析发现马铃薯产量与早春时期土壤温度、土壤贮水量显著(P<0.05)正相关,与马铃薯播种时期土壤温度显著负相关。综上,秋覆膜可通过提高早春时期土壤温度、土壤贮水量,促进马铃薯块茎膨大期后土壤耗水量来增加马铃薯产量,秋覆膜是本研究区马铃薯获得高产的最佳覆膜时期。     

陇中黄土高原不同种植年限苜蓿草地土壤水分及产量响应

本研究利用黄土高原西部典型半干旱雨养农业区不同种植年限苜蓿草地布设田间试验,系统研究了3,6,8,10,12以及14 a 紫花苜蓿生产力及其土壤水分变化特征。结果表明,不同种植年限紫花苜蓿草产量差异显著,且表现为随着种植年限的增加,呈先增加后减小的趋势,其中以 8 a 苜蓿草产量最高,为12128 kg/hm²。持续种植3,6,8,10,12和14 a 苜蓿草地0300 cm土层平均含水量均明显低于当地土壤稳定湿度值,其中12和14 a仅为9.20% 和7.14%,甚至低于作物有效水分下限。随着苜蓿种植年限的延长,土壤干燥化程度加剧,但干燥化速率呈减缓趋势。综合苜蓿生产力动态和土壤水分状况,本研究表明陇中黄土高原地区紫花苜蓿适宜的种植年限为8 a。     

半干旱区退耕地紫花苜蓿生长特性与土壤水分生态效应

本文系统研究了黄土高原半干旱地区不同立地条件下,20年生紫花苜蓿(Meducagi sativa L.)生长变化特征与土壤水分的消耗与恢复过程。结果表明:紫花苜蓿不同生长阶段生产力差异较大,年生长的6-8月份,即在水热同步条件下,紫花苜蓿形成较高地上生物量,为年生长的盛期,但土壤水分消耗过度,降至年最低点;紫花苜蓿产草量不同生长年限均达极显著差异,在山地、塬地和川地3种立地条件下均呈规律性变化特征,即在生长的4～8年间,3种立地条件下紫花苜蓿均为旺盛生长阶段,第10年土壤含水量降到最低,土壤干层厚度高达300～720 cm,土壤水分严重亏缺;10年后随紫花苜蓿的基本衰败,土壤水分开始缓慢恢复;第15～20年,3种立地类型500 cm土层以上土壤水分可恢复到接近种植前的土壤含水量,而500 cm以下土壤通体干燥化严重,水分恢复极为缓慢,且恢复难度较大。因而,在黄土高原半干旱区紫花苜蓿适宜生长年限应为8～10年,第4～8年为苜蓿生长的高峰期。     

覆膜种植方式对东祁连山区苜蓿草地土壤温度和水分的影响

高寒地区耐寒苜蓿品种和适宜栽培技术的缺乏,严重阻碍着该区域旱作苜蓿和草地畜牧业的发展。于东祁连山甘肃天祝高寒牧区通过设置平膜全覆、垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟（不覆膜）4种种植方式,探讨不同种植方式对苜蓿草地土壤温度和水分的影响,旨在为祁连山高寒区苜蓿的高产栽培提供理论依据。结果表明,高寒区平膜全覆种植方式的增温效果最佳,其次为垄沟覆膜、垄沟,垄沟覆膜+覆土最弱。地膜提温主要在苜蓿生长初期（5月）和生长期（6-7月）,主要集中在0~15 cm的浅层土壤。5-9月平膜全覆0~25 cm土层白天平均温度为19.83 ℃,分别比垄沟覆膜、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理同期同层高出1.85 ℃、3.04 ℃和2.98 ℃。垄沟覆膜处理下土壤含水量最大,其土壤含水量比平膜全覆、垄沟覆膜+覆土和垄沟处理的土壤含水量高4.3%~14.5%,4.2%~13.8%和14.3%~24.8%。平膜全覆对天祝高寒区苜蓿生长在温度上的贡献最大,而垄沟覆膜在水分上的贡献最大。     

基于EPIC模型的四川丘陵区黑麦草生长过程及其土壤水分动态变化模拟

明确黑麦草田土壤水分变化规律,对提高四川丘陵区人工草地管理水平具有重要的现实意义;校验EPIC模型,有利于改进并提高模型对黑麦草的模拟精度,对推进作物生产系统模拟与决策技术在草粮轮作系统的应用具有重要的实践意义。本研究通过田间试验与计算机模型相结合的方法,研究了四川丘陵区黑麦草生长过程及其土壤水分动态变化规律,明确了EPIC模型对黑麦草生长过程及土壤水分变化规律的模拟精度。结果表明,1)四川丘陵区黑麦草田土壤有效含水量在3-5月较低,深层(0.4~0.6 m)土壤水分在5-10月间可以得到较好恢复,适当增加氮肥投入,可以显著提高黑麦草最大叶面积系数和饲草产量,在刈割4茬的条件下,氮肥施入量不宜低于75 kg/hm²,且不高于225 kg/hm²;2)黑麦草田0~1 m土层土壤有效含水量模拟值和观测值间的r值为0.86~0.95,RRMSE值为6.0%~17.2%,土壤水分剖面分布动态变化的模拟值和观测值间的r值介于0.57与0.92之间,且大部分大于0.85;3)EPIC模型模拟的黑麦草叶面积系数和株高与观测值间的r值均大于0.90,在统计范围内模拟值和观测值间差异不显著;黑麦草产量模拟值和观测值间的r值大于0.90,ME值和R²间差异小于0.02。总体而言,EPIC模型能够较好地模拟黑麦草生长过程,对黑麦草田土壤水分动态变化规律模拟较为准确,可以用来评价四川丘陵区以黑麦草为主的草粮轮作系统对当地气候条件的适应性。     

渗灌对宁夏引黄灌区苜蓿生长性状及水分利用率的影响

研究渗灌对苜蓿土壤含水量、生产性能及水分利用效率的影响对苜蓿的科学渗灌具有重要意义。以宁夏引黄灌区紫花苜蓿为对象,对渗灌定额350(S₃₅)、400(S₄₀)、450(S₄₅)和500(S₅₀) m³·667 m^-2和漫灌定额800 m³·667 m^-2(CK)下的土壤含水量动态,苜蓿生长性状、饲用品质及灌溉水利用效率进行了研究。结果表明:1)整个生育期内,CK的土壤含水量和耗水量最高,S₄₅的土壤含水量较低,渗灌较传统漫灌有利于保持土壤水分;CK在0~20 cm土层土壤水分变异系数最大,各渗灌0~40 cm土层变异较小,渗灌土壤含水量随土层加深而下降,土壤水分变异低于漫灌;2)渗灌可促进苜蓿的叶茎比、分枝数、叶面积指数、根系生物量以及粗蛋白含量的增加,降低酸性洗涤纤维含量,这在S₄₅和S₅₀下总体表现更明显;3)除S₃₅外,其他渗灌的苜蓿草产量和粗蛋白产量均较对照有不同程度增加,说明适宜的渗灌量可提高苜蓿草产量和粗蛋白产量,提高灌溉水利用效率和苜蓿经济效益。研究认为,450 m³·667 m^-2左右渗灌定额是宁夏引黄灌区苜蓿渗灌的适宜灌水量。     

土壤水分和施氮水平对紫花苜蓿苗期生长的互作效应分析

土壤水分含量对作物施肥效应有重要影响。为了研究长江中下游农区土壤条件下施氮对紫花苜蓿生长的影响,探究土壤水分和施氮水平的互作效应,进行了盆栽半控制试验。试验采用两因素随机区组设计,设置了3个土壤水分水平(分别为50%、70%、90%的最大持水量)和4个施氮水平(0、90、180和270 kg/hm²)。结果表明,在施氮量一定的条件下,适当提高土壤水分含量,紫花苜蓿苗期生长、地上部干物质积累及氮素利用率均呈现增加的趋势。在相同土壤水分水平下,适量施氮可以促进紫花苜蓿生长、地上部干物质积累及氮素的利用,但是过多施氮不利于地上部干物质积累及氮素利用率的提高。土壤水分和施氮水平具有显著的互作效应。回归分析结果表明,施氮效应因土壤水分含量升高而显著增大;适宜的施氮量也因土壤水分含量升高而增大。因此,土壤缺水的地区或季节,施肥与灌溉应同步进行;土壤水分含量较高的长江中下游农区,适当增施氮肥有利于紫花苜蓿高产,并提高氮素利用率。     

苜蓿地撂荒过程中土壤-微生物-胞外酶及化学计量的变化

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)作为优良修复草种在黄土高原广泛种植,然而随着农村人口迁移及土地利用变化,苜蓿人工草地大量弃置的问题已引起广泛关注。为研究苜蓿弃置草地土壤质量变化规律,本研究分析了不同弃置年限(0年、5年和10年)苜蓿草地土壤养分、微生物量、参与土壤碳氮磷(C,N,P)循环的胞外酶活性及其化学计量变化。结果表明：总体上,土壤和微生物C,N含量随弃置年限呈增加趋势,而C,N相关胞外酶活性和化学计量变化幅度较小;土壤和微生物P含量随弃置年限增加而显著降低,但P相关胞外酶活性及化学计量均有不同程度的增加。进一步分析发现：相较于其他土层,表层(0～20 cm)土壤C,N,P含量及其酶活性较高,其变化趋势与总体结果相似;亚表层土壤(20～40 cm)和(80～100 cm)深层土壤C,N,P含量及其酶活性呈先增后减趋势,且各指标较于表层土壤均降低40%～80%。相关分析表明弃置草地土壤由于P匮乏而逐步退化,可通过补施磷肥改善。