农牧交错带灌溉和旱作模式下马铃薯耗水差异

为揭示北方农牧交错带地区马铃薯“水改旱”种植对其产量和水分利用的影响,选取中国北方农牧交错带地区27个站点,基于站点的气象数据、土壤数据和管理数据驱动充分验证的APSIM-Potato模型,模拟分析农牧交错带地区灌溉和雨养马铃薯的耗水差异。结果表明：北方农牧交错带地区马铃薯种植连续灌溉10、20 a和30 a的产量分别为15 900～35 600、16 400～34 800 kg·hm^-2和16 600～34 800 kg·hm^-2,改为旱作后对应的产量分别为12 800～30 600、13 900～29 100 kg·hm^-2和12 700～25 500 kg·hm^-2;灌溉马铃薯产量均表现为西部较高,旱作马铃薯产量则为东部较高。连续灌溉10、20 a和30 a的播前1 m土层土壤含水量分别为163～388、161～394 mm和154～398 mm,改为旱作后分别下降31.8%、35.3%和36.9%。连续灌溉10、20 a和30 a后的地下水消耗量分别为5 360～21 330、8 910～4...     

气候变化对我国主要粮食作物产量的影响及适应措施

过去几十年气候变化对我国主要粮食作物产量产生了重要影响,为了研究作物产量对气候变化的响应和适应,保障粮食安全,基于国内相关研究文献,分析归纳了研究方法,综述了国内小麦、玉米和水稻等主要粮食作物产量对气候变化的响应和适应,得出如下结论:(1)作物产量对气候变化响应的研究方法主要包括田间试验观测、统计分析和作物模型模拟等方法,其中田间观测法最直观,统计分析法可操作性强、应用最为普遍,作物模型模拟机理性强,可以定量描述气候因子对作物产量的影响,外推效果好;(2)近几十年来,小麦生育期内气温升高和辐射变化使我国北方小麦增产0.9%～12.9%,南方小麦减产1.2%～10.2%;气候变暖对玉米产量贡献率为-41.4%～0.4%;水稻生育期内气温升高和辐射增强有利于东北地区水稻产量增加,增产贡献率为1.01%～3.29%,而辐射减弱对长江流域等南方主要水稻种植区的水稻产量(长江流域晚熟稻除外)产生不利影响;(3)未来气候变化情境下小麦应从延长生殖生长期、增加籽粒数量和提高收获指数等方面培育新品种应对气候变暖对作物产量的不利影响;耐高温和长生殖生长期的玉米品种可以用来应对气温、降水等气候因子的变化;水稻则应选育耐高温品种应对气温和辐射等因子的变化所带来的作物生产上的风险。     

华北平原冬小麦产量变异的气象影响因子分析

采用1988-2015年华北平原冬小麦种植区46个市的统计产量和相应46个气象站点的逐日气象资料,通过Logistic曲线和双曲线方法分离出气象产量,并构建气象产量与生长季主要气象因子的多元统计关系,以明确华北平原冬小麦产量变异的气象影响因子。结果表明:(1)1988-2015年华北平原冬小麦产量在3200~6800kg·hm~(-2),中部地区产量最高,南部地区产量的变异高于中部和北部地区。(2)生长季日照时数、温度和降水平均值的年际变化影响了17%~78%的气象产量的变异,其中54%的地区达到显著水平(P0.05)。影响程度较高的地区主要分布在河北南部、山东西部和河南的东北部地区。(3)播种-返青阶段的降水显著影响产量变异,降水量每增加1%,天津、驻马店及山东西北部等地产量将上升13~74kg·hm~(-2),而河北北部、河南南部、山东南部等地产量将下降16~80kg·hm~(-2)。返青-成熟阶段对产量变异影响较大的因子为最低气温,平均最低气温每上升1?C,天津和石家庄、山东东部和西部及河南东部等地产量将增加50~295kg·hm~(-2),而北京、唐山和枣庄等地将减少76~124kg·hm~(-2)。总体来看,温度对华北平原冬小麦产量变异影响范围更广且更加显著,但气象因子对产量变异的影响受局地品种和管理措施等影响呈现较大的空间差异。     

河北坝上地区马铃薯产量变异的气候决定因子分析

河北坝上地区马铃薯主要在雨养条件下种植,年际间产量具有很大的变异。基于2010—2017年连续8 a的马铃薯生育期数据、产量数据和生育期内的气象数据,探讨了坝上地区马铃薯产量变异的气候决定因子,并分析了1961—2017年马铃薯生长季气候因子的变化。结果表明:1961—2017年坝上地区马铃薯生长季内总辐射平均每10 a下降66 MJ·m~(-2);最低温度和最高温度平均每10 a分别升高0.5℃和0.4℃;生长季内总降水无显著变化趋势,但年际间具有很大的波动性。试验年份马铃薯产量在8 250～24 500 kg·hm~2之间,变异系数为27.8%。生长季内总辐射对马铃薯产量具有一定的促进作用,但不显著(P0.05);出苗～薯块形成期(R~2=0.31,P0.05)和薯块形成～薯块膨大期(R~2=0.52,P0.01)两个阶段的最高温度对马铃薯产量产生了显著的负影响;薯块膨大～成熟期的最大连续无有效降水日数决定了马铃薯产量变异的68%。薯块膨大～成熟期的最大连续无有效降水日数和有效降水、薯块形成～薯块膨大期的最高温度和总辐射共同可以决定坝上地区马铃薯产量变异的82%。马铃薯生育期内降水总量不是坝上地区马铃薯产量变异的决定因子,有效降水及分配情况与马铃薯产量相关性更大,未来持续升温的气候情境下坝上地区雨养马铃薯产量提升应从提高降水有效性和培育耐高温品种两方面制定措施。     

河北坝上地区不同降水年型下马铃薯耗水特征

基于2010-2017年连续8年的马铃薯生育期和产量数据、以及生育期内气象和土壤数据，利用作物-土壤水分平衡公式的方法，揭示坝上地区马铃薯在不同降水年型下不同生育阶段的耗水特征。结果表明：研究区马铃薯生育期内降水量在260~449 mm之间，其中25%的试验年份为干旱年份；不同生育阶段的耗水量在25~182 mm之间，其中播种~出苗阶段和薯块形成~薯块膨大阶段在湿润年型下耗水量最大，出苗~薯块形成阶段在干旱年型下耗水最多，薯块膨大~成熟阶段在正常年型下耗水最多；薯块形成~薯块膨大阶段的日耗水量显著高于其他阶段，干旱、正常和湿润年型下该阶段的日耗水量分别为3.6、3.9 mm和4.7 mm。2010-2017年马铃薯产量8 250~24 500 kg·hm^-2，水分利用效率32~135 kg·hm^-2·mm^-1，其中干旱年型下马铃薯水分利用效率最高，显著高于其他年型；另外薯块膨大~成熟阶段耗水量的增加对马铃薯产量具有显著的正效应。坝上地区在马铃薯薯块膨大~成熟阶段增加灌溉并且在其他阶段进行适当的干旱胁迫对提升该地区的马铃薯产量具有重要的意义。     

未来气候情景下农牧交错带不同灌溉水平马铃薯产量和水分利用效率

未来气候变化对农牧交错带不同灌溉水平马铃薯产量和水分利用的影响鲜有研究。该研究基于农牧交错带张北和武川站不同灌溉条件下大田试验数据评估了APSIM-Potato模型的适应性;基于33个全球气候模式(global climate model,GCM)通过统计降尺度方法获得的未来2个气候情景(RCP4.5和RCP8.5)逐日气候数据驱动APSIM-Potato模型,模拟未来气候变化对不同灌溉水平(灌1水、灌2水、灌3水和灌4水)马铃薯产量和水分利用的影响。结果表明:APSIM-Potato模型能够较好地模拟2个站点马铃薯产量和土壤水分动态。2个站点实测产量和模拟产量的相对误差均小于22.6%,实测土壤水分和模拟土壤水分相对均方根误差均小于18.1%。基于33个GCM模拟结果,2030 s、2060 s和2090 s马铃薯生育期温度、CO2浓度、总降水量和总辐射量相比于基准期(1981-2010)均呈增加趋势。相比于基准期灌1水、灌2水、灌3水和灌4水马铃薯产量,张北站和武川站在RCP4.5情景下均有提升,张北站为4.1%~36.2%,武川站为2.5%~13.6%。RCP8.5情景下,2个站点分别提升3.1%~36.8%和3.1%~38.5%。且2个气候情景下均是灌1水情景下马铃薯产量提升最高。2个气候情景下,马铃薯水分利用效率在2030 s-2090 s均呈增加趋势。研究结果表明未来气候变化对农牧交错带地区马铃薯产量和水分利用效率具有积极影响,未来气候情景下该地区更适宜灌溉马铃薯的生产。     

马铃薯生长模型的研究进展及发展前景

马铃薯是继玉米、小麦和水稻之后的第四大主粮作物,其生产对保障粮食安全具有重要意义。马铃薯生长模型广泛用于指导马铃薯产量差缩减、水肥利用效率提升、栽培管理措施优化以及气候变化适应等方面,本文系统综述了马铃薯生长模型的发展历程、应用领域及发展前景。马铃薯生长模型的研究始于20世纪80年代,将马铃薯生长发育过程表达为数学模型,主要包括生育期和干物质积累模块,该时期马铃薯生长模型多用于马铃薯生产潜力的评价;20世纪90年代为马铃薯生长模型发展和完善阶段,土壤水氮模块逐步加入马铃薯生长模型,该时期马铃薯生长模型开始应用到农业生产系统分析中,具备了优化马铃薯水氮管理措施的性能;21世纪后马铃薯生长模型在第二代模型的基础上,从农业生产系统的角度出发,考虑了气候变化的影响,将马铃薯生长对CO₂的响应模块加入到生长模型中,其机理性进一步加强。此后,马铃薯生长模型的应用更加深入,包括马铃薯产量差解析和缩差措施的提出、品种和播期等栽培管理措施优化以及气候变化影响评估和适应等。尽管马铃薯生长模型得到了广泛应用,但其在胁迫条件下的模拟精度需进一步评价。其次,马铃薯生长模型不能有效模拟马铃薯的大小薯比例,而商品薯的多少显著影响马铃薯的生产价值。此外,当前的马铃薯生长模型普遍缺乏对马铃薯生产有显著影响的病虫害模块。未来,应基于全球大数据、田间和控制试验,进一步提高马铃薯生长模型的机理性,同时加强马铃薯生长模型在育种、管理和环境耦合分析中的应用,并结合遥感数据和功能结构模型,发展新一代马铃薯生长模型,实现马铃薯生产智慧型管理。     

播期和品种变化对马铃薯产量的耦合效应

马铃薯作为北方农牧交错带的主栽作物，随着气候向暖干化发展，其产量的稳定对保证该地区粮食安全有重要意义。为探究播期和品种耦合对农牧交错带马铃薯产量的影响，基于分期播种和品种比较试验的生育期和产量数据对APSIM-Potato模型进行调参和验证，利用验证后的模型设置连续模拟情景，比较不同耦合方式的产量及保证率，分析农牧交错带雨养马铃薯的最佳播期和品种耦合方式。结果表明：APSIM-Potato模型可以较好地模拟不同熟性马铃薯品种的生育期和产量，不同品种生育期实测值和模拟值的均方根误差（RMSE）均小于6.3 d，不同品种产量实测值和模拟值的归一化均方根误差（NRMSE）均小于7.6%。雨养条件下，农牧交错带不同播期和品种耦合下马铃薯的多年平均鲜重产量为10 494 kg·hm^-2；中熟品种‘克新一号’晚播（6月1日播种）的平均产量最高，为12 153 kg·hm^-2，且可以保证在66.7%的年份产量高于不同耦合方式的平均值，较早播（4月26日播种）和中播（5月15日播种）的平均鲜重产量分别高16.3%和7.0%，较同一时期播种的早熟品种‘费乌瑞它’和晚熟品种‘底西芮’分别高18.7%和17.2%。本研究揭示了农牧交错带马铃薯播期、品种和环境存在显著的交互作用，播期推迟和选种中熟马铃薯品种是应对气候暖干化的重要方式，为该地区马铃薯适应气候变化和保证稳产高产提供了科学依据。     

未来升温情景下中国马铃薯产量和水分利用效率变化

升温和降水变化对全球马铃薯生产构成巨大挑战。揭示未来升温1.5和2.0℃情景下中国不同种植区马铃薯产量和水分利用的变化,对保障中国粮食安全具有重要意义。该研究基于中国不同地区的气候条件和种植制度,将全国马铃薯种植区划分为北方一作区、中原二作区、南方冬作区和西南混作区。进而,基于未来全球气温与基准期(1986-2005)的差值,推算得出全球升温达到1.5和2.0℃的时段分别为2016-2035年和2028-2047年。在全国马铃薯种植区共选择7个马铃薯典型品种。该研究基于气候模式通过降尺度获取的未来气象数据,驱动充分校正的APSIM-Potato模型,模拟分析未来升温1.5℃(2016-2035年)和2.0℃(2028-2047年)情景下中国不同种植区雨养和灌溉(基于土壤水分亏缺模型启动自动灌溉)马铃薯产量和水分利用的变化。结果表明：基准期(1986-2005年),雨养马铃薯产量、生育期蒸散量(evaportranspiration,ET)和水分利用效率(water use efficiency,WUE)分别为0.05～52.40 t/hm²、7～454 mm和3～...     

基于APSIM模型分析播期和水氮耦合对油葵产量的影响

播期调控和补充灌溉是保障北方农牧交错带油葵稳产和增产的有效措施,然而播期和水氮管理对油葵产量的耦合效应尚不明确。该文基于农牧交错带武川试验站2 a分期播种试验数据评估了APSIM-Sunflower模型的适应性,应用验证后的APSIM模型分析了播期和水氮耦合对油葵产量的影响。研究结果表明:油葵生育期模拟值与实测值均方根误差(RMSE)小于2.4 d,地上部干物质量和产量模拟的归一化均方根误差(NRMSE)分别为21.9%和5.5%,表明APSIM模型能够有效模拟油葵的生育期、地上部干物质量和产量。在有补充灌溉条件时,仅灌一水时在现蕾期补灌油葵产量最高,灌两水时在现蕾和灌浆期补灌产量最高。油葵最佳施氮量随着灌溉量的增加而上升;干旱年无灌溉、灌一水、灌两水和灌三水时最佳施氮量分别为40、60、60和70 kg/hm~2,正常年分别为50、70、80和90 kg/hm~2,湿润年分别为50、80、80和90 kg/hm~2。在湿润年和正常年时雨养、灌一水和灌两水条件下播期在5月中旬较其他播期产量分别高6.9%和11.6%,9.3%和12.0%,9.3%和16.4%,灌一水的产量变异系数分别低41.9%和8.9%;灌两水的产量变异系数分别低38.5%和12.5%;灌三水条件下播期在5月上旬时产量最高。干旱年时早播可降低产量年际间变异,但调控播期对提高产量作用较小。研究结果可为北方农牧交错带油葵生产播期和水氮管理提供参考。