三江平原挠力河流域主要作物水分盈亏时空变化特征

明确中国粮食生产基地主要作物种植条件下的水分盈亏条件,有利于区域灌溉策略制定及保障国家粮食安全。该研究基于MODIS遥感数据和常规气象数据,运用Priestley-Taylor公式以及作物水分盈亏指数,以三江平原腹地的挠力河流域为研究区,揭示2000年以来该流域主要作物（中稻、春小麦和春玉米）的水分盈亏时空变化特征。结果表明：1）挠力河流域潜在蒸散量由2000年的910.25 mm增至2015年的964.04 mm,各作物需水量整体呈现不同幅度的上升态势;2）各作物表现出不同的水分盈亏特点。中稻水分亏缺明显,缺水量由东北向西南递增,天然降水不能满足其水分需求。春小麦水分亏缺程度低,灌溉需求量在空间上变化较小。春玉米多处于轻度缺水状态,且西北部的缺水量小于东南部;3）流域境内的中稻多处于轻旱状态,2000-2015年干旱区持续扩张,面积增长幅度达到143.46%。对于旱作物而言,春小麦的缺水量尚未达到轻旱的标准,而春玉米的轻旱区面积往复变化,2000-2015年间面积减少了79.90%。作物种植结构的快速变化,使得中稻种植区迅速扩张,加剧了该流域的水分亏缺态势,而春小麦和春玉米的种植区变化未对水分盈亏态势造成显著影响。研究可为挠力河流域的农业结构调整与农田灌溉措施制定提供支持。     

辽宁省玉米地水分盈亏时空分布特征及灌溉模式分区研究

根据不同区域农作物需水规律和水资源供需状况,对区域内干旱区域类型、水分盈亏特性与干旱发生频率等进行综合分析和科学区划,对于提高整个地区(流域)农作物水分利用效率和水资源高效利用具有重要意义。该文基于辽宁省27个气象站1955—2014年逐日气象数据和玉米生长发育资料,对辽宁省不同玉米种植区域玉米生育期的需水过程、需水量、灌溉需水量、水分盈亏指数(crop water surplus deficit index,CWSDI)、干旱发生频率等的时空分布特征进行深入研究,得到以下结论:辽宁省不同区域玉米逐月需水量均呈现单峰变化趋势,7月需水量最大,全省生育期总需水量在335~391 mm之间;不同水文年玉米需水亏缺量在0~220 mm之间;CWSDI和干旱发生频率在全省的空间分布规律类似,综合两指标的数值分布特征,将辽宁省玉米灌区划分为干旱区和易旱区2种类型,并结合不同水文年型玉米灌溉制度,将辽宁省玉米种植区划分为7种灌溉模式。该研究成果可以为辽宁省区域农业用水区划与管理提供理论依据。     

吐鲁番地区气候变化对参考作物蒸散量的影响

新疆吐鲁番盆地是中国气候最干旱、水资源最紧缺的地区之一,农业用水完全依赖于山区径流和地下水的灌溉。研究在气候变化背景下的参考作物蒸散量的变化,对制定科学合理的水资源管理技术方案具有重要意义。根据吐鲁番地区4个气象台站1959-2007年的历史气候资料以及联合国粮农组织（FAO）推荐的Pen-man-Monteith公式计算各地逐年参考作物蒸散量,采用线性回归、Morlet小波和Mann-Kendall突变检测等方法,分析近49a各站年平均气温、降水量、日照时数、年平均风速和空气相对湿度等气候要素以及年参考作物蒸散量的变化趋势和变化特征,据此分析参考作物蒸散量变化的气候成因。结果表明：①近49a吐鲁番地区年平均气温和空气相对湿度呈升高趋势,日照时数和年平均风速呈减小的趋势,降水量变化不明显;②年参考作物蒸散量与上述各气候要素均具有较好的相关关系（p〈0.1）,其中与年平均风速、空气相对湿度、降水量和平均气温的相关性最为密切（p〈0.01）。受上述各气候要素变化的综合影响,近49a吐鲁番地区的参考作物蒸散量总体呈明显的减小趋势（P〈0.01）,这对降低农作物需水量和农田灌溉量具有重要影响;③突变检测表明,吐鲁番地区年平均气温在1970年发生了突变性升高,年平均风速在1965年发生了突变性减小,参考作物蒸散量在1968年发生了突变性减小,其它气候要素未发生突变;④各气候要素和参考作物蒸散量分别存在准2～8a的年际尺度和16～24a的年代际尺度的周期性变化。     

农田生态系统水分循环与作物水分关系研究

通过对我国不同类型农田生态系统水分循环与作物生产力关系的网络研究,探讨了我国主要类型地区小麦、玉米、大豆等几种主要作物的菡散耗水和需水规律、水分利用效率和作物水分生产函数,获得这些地区主要作物耗水需水特征及小麦水分生产函数。结果表明,在不同生态系统优化结构模式中作物与水分关系均得到极大改善,节约了作物用水,提高了作物产量和水分利用效率。     

温度与水分状况对作物叶片水分能态的影响

在实验室条件下试验研究不同温度与水分胁迫对小麦和玉米幼苗叶水势及渗透势的影响结果表明，在一定温度时随土壤水势的降低，叶水势呈下降趋势；相同土壤水势条件下随温度升高，叶水势呈下降趋势。温度和水分状况对叶片渗透势的影响与叶水势不同，随温度升高和水分胁迫的加剧，叶片渗透势则呈先降后升趋势。通过对作物叶水势和渗透势变化幅度的比较，说明小麦的渗透调节能力和抗旱性能均大于玉米。对植物叶片水分水偏摩尔自由能（ΔG）、焓（ΔS）、熵（ΔH）计算与分析，初步从能量的观点证实作物在27℃左右温度时生长最佳。     

冀西北高原旱作农田土壤水分动态与提高水分作物生产力研究

针对当地栗钙土坡梁地旱、薄的作物生产障碍,根据土壤水分时空变异和层位特征,充分利用有限的降水资源,采用聚水土沟作、聚水沟作等保护性耕作措施,较传统耕作莜麦产量提高１８．４％～２３．４％,水分利用效率由４．０５ｋｇ／ｍｍ·ｈｍ２提高到４．５７～４．６４ｋｇ／ｍｍ·ｈｍ２;而改变土壤营养环境则显著提高水分作物生产力。在贫水、平水和丰水三种降水年型下,氮磷肥合理配施莅麦产量可提高８９．８％～１６１．２％,水分利用效率可高达７．２７ｋｇ／ｍｍ·ｈｍ２。     

作物水分胁迫指数与土壤含水量关系探讨

基于冠层温度的作物水分胁迫指标CWSI（CropWater StressIndex)广泛用于指导作物灌水时间,利用自动气象站的观测资料分别计算了不同供水处理条件下冬小麦中午12：00的作物水分胁迫指数。并将作物水分胁迫指数和对应的土壤含水量进行相关分析。以探讨用作物水分胁迫指数确定灌水量的可行性。结果表明,二者呈一定相关性,但相关关系不密切,复相关系数为0.54,作物水分胁迫指数随土壤含水量的降低呈明显的增大趋势。作物水分胁迫指数随气象因子的波动表现出明显的波动性,且在作物遭受较严重水分胁迫下波动性更强,这预示着利用作物水分胁迫指数直接定量标识作物土壤水分状况的可靠性不强。     

湖北省气候变化及其对夏收作物的影响

对８０年代以来湖北省气候变化进行了详细分析，发现该省年平均气温变化是以降温为主，这与全球、全国的一些研究结论不同。冬季变暖夏季变凉是湖北省气候变化的主要特点。在大约１１１°Ｅ线附近有一条温度变化的分界线，此线以东气温变化是冬暖夏凉型，此线以西的大部分地区气温变化是四季降温型。气候变化使各种气象因子对小麦和油菜产量的影响更为明显。鄂西山区气候变化一年四季均为降温型，且各种气象因子的变化对小麦和油菜的影响程度不如其它地区。小麦抽穗开花至灌浆结实期间降水日数和降水量相对减少，对小麦产量提高是有利的     

基于气候变化的黄河三角洲非主粮作物需水规律研究

  目的  为保障黄河三角洲地区的生态安全和高质量发展,需“适水种植”调整作物结构,缩减农业用水占比,留足生态用水。  方法  基于气象站2006 ~ 2019年的实测气象资料,分析研究区降水和气温的变化趋势,利用Hargreaves-Samani法和FAO作物系数法估算当地7种非主粮作物各生育阶段及全生育期内的作物蒸散量,并结合有效降水量和淋洗需水量的计算得到典型干旱年和湿润年以及多年平均的灌溉需水量。  结果  黄河三角洲年降水量变化趋势不显著,春、秋和冬季的降水量呈现下降趋势,而夏季降水量呈上升趋势;年均气温呈现逐年上升趋势,夏季平均气温上升趋势最为显著。研究区非主粮作物灌溉需水由高到低分别为甜高粱、枸杞、黑麦草、苜蓿、菊芋、田菁和谷子,典型干旱年中7种作物均需补充灌溉,典型湿润年中谷子、田菁、菊芋和苜蓿降水量有盈余,平均年份中谷子和田菁降水量有盈余。  结论  作物各生育阶段的有效降水量分配不均,生育期内总降水量有盈余的情况下某些生育阶段依然会处于水分亏缺状态。研究结果可为该地区作物种植结构调整和灌溉制度优化提供参考依据。     

近50年东北玉米生育阶段需水量及旱涝时空变化

分析近50a东北玉米生育阶段的水分供需及旱涝变化,可以为防灾减灾对策的制定提供理论依据。该文基于东北地区48个农业气象观测站1961-2010年逐日气象资料、近20多年玉米生育期资料及近10a农业灾情多元数据,利用作物系数法计算4个生育阶段的需水量,揭示东北玉米4个生育阶段水分供需的时空规律;以作物水分盈亏指数为评价指标,分析近50a东北玉米不同生育阶段的旱涝分布及演变。结果表明:东北玉米4个生育阶段及全生育期的需水量没有显著变化;乳熟-成熟阶段,有显著的干旱化趋势,其它3个阶段和全生育期没有明显的旱涝变化。4个生育阶段需水量空间差异较大,基本呈带状分布。播种-七叶期,中旱及以上、中涝及以上灾害频率较低;后3个生育阶段,中旱及以上、中涝及以上灾害频率较高,且全域、区域旱涝现象呈明显的年代际变化特征,从20世纪80年代起全域、区域中旱及以上、中涝及以上次数明显增加。     

未来气候变化对中国东北三省玉米需水量的影响预测

为了预测未来气候变化对中国东北三省玉米需水量的影响,该文在对中国东北三省近26 a来玉米生育期内参考作物蒸散量变化及玉米需水量分析的基础上,结合《排放情景特别报告》（Special Report on Emissions Scenarios, SRES）的两种排放情景A2（强调经济发展）和B2（强调可持续发展）预估的未来气候情景,研究探讨了未来气候情景下中国东北三省玉米需水量的变化趋势。结果表明,未来气候变化情景下,东北三省玉米需水量距平百分率大多表现为增加的趋势,最高可增加77.8%,而且不同地理环境及气候差异下,各地空间分布上也不尽相同。A2情景下,到2040年玉米需水量距平百分率平均增加27.2%,到2070年玉米需水量距平百分率平均增加34.5%,到2100年玉米需水量距平百分率平均增加42.9%;B2情景下,到2040年玉米需水量距平百分率平均增加28.6%,到2070年玉米需水量距平百分率平均增加33.3%,到2100年玉米需水量距平百分率平均增加37.3%。可见,未来中国东北三省水资源可能更趋于短缺状况。     

气候变化对四川盆地主要粮食作物生产潜力的影响

基于四川盆地1961—2018年63个气象台站的逐日气象资料和1981—2018年46个农业气象观测站的主要粮食作物(水稻、玉米和冬小麦)生育期资料,利用逐级订正的方法计算作物气候生产潜力,分析太阳辐射、气温、降水及气候变化对四川盆地主要粮食作物气候生产潜力的影响,研究旨在为提高区域农业生产力并保障农业可持续发展提供科学依据。结果显示:1961—2018年四川盆地作物多年平均气候生产潜力的分布为水稻由西向东递增,玉米在盆地北部和西南偏高、其他地区偏低,冬小麦南北高、中部低。辐射量减小对3种作物气候生产潜力的影响为负效应;平均气温升高对作物气候生产潜力的影响为正效应;降水量变化是作物气候生产潜力变化出现空间差异的主要原因,降水量增加对作物气候生产潜力的影响为正效应,而降水量减少为负效应。气候变化对水稻气候生产潜力的影响在盆地西南部和北部的部分地区为正效应,其余地区为负效应;气候变化对玉米气候生产潜力的影响在盆地南部和东部的部分地区为正效应,其余地区为负效应;气候变化对冬小麦气候生产潜力的影响在盆地东北部的部分地区为负效应,其余大部地区为正效应。总体来看,气候变化对四川盆地冬小麦气候生产潜力的影响最大,为9.9kg·hm~(-2)·a~(-1),而对玉米和水稻的影响分别为-1.4 kg·hm~(-2)·a~(-1)和0.5 kg·hm~(-2)·a~(-1)。为了适应气候变化,四川盆地应选育光合效率高和抗旱性强的作物品种,并加强农田管理,以提高农业生产水平并保障粮食安全。     

水稻灌溉需水量对气候变化响应的模拟

气候变化会导致作物耗水过程改变,从而影响灌溉需水。研究水稻灌溉需水对气候变化的响应规律,有助于合理制定应对气候变化的灌溉策略,保障水资源可持续利用和粮食安全。该文基于1961-2010年气象数据和HadCM3大气环流模式A2和B2两种情景下的统计降尺度模拟结果,利用经田间试验资料验证后的水稻模型ORYZA2000,模拟淹水灌溉和间歇灌溉两种灌溉处理下、历史和未来情景下水稻灌溉需水对气候变化的响应规律。结果表明:过去50年,间歇灌溉和淹水灌溉模式下水稻耗水量呈现显著上升趋势,而水稻灌溉需水量和产量都呈现下降趋势,分别由降水增加和气温升高、辐射下降导致的生育期缩短引起;未来气候情景下,间歇灌溉和淹水灌溉模式下水稻耗水量在未来3个时期(2020s,2050s和2080s)均呈现不同程度的增加;耗水量的显著增加和降水的减少导致了未来3个时期水稻灌溉需水量的明显增加;受持续增温的减产效应影响,水稻产量在未来3个时期呈现减少趋势,且降幅逐渐变大。     

气候变化对农业水管理的影响及应对策略研究

气候变化导致全球年平均气温上升、降水模式变化、河流特性改变、极端气候事件频发等,显现出其对农业水资源和农业生产造成的影响,使全球尤其是干旱和半干旱地区可持续农业发展和现代农业水管理面临重大挑战。该文介绍气候变化下的极端气候事件发生,评价气候变化通过气温和降水的改变以及极端气候事件频度和程度加剧等各种方式对农业用水可利用量和水质以及作物需水造成的影响,阐述气候变化通过水要素对灌溉用水、可用耕地、作物产量带来的影响,综述气候变化对农业水管理的影响及应对策略,提出在气候变化对农业水管理的影响及应对策略研究上,应认真考虑气候变化对农业水管理影响的尺度效应和不确定性,从而有助于因地制宜地制定和合理选用农业水管理应对策略;应积极构建基于多模型集成模式的气候变化对农业水管理影响的综合评估方法,从而有利于改善综合预测评估结果的准确性和可靠性;应深入进行农业水管理应对策略的适应-减缓利弊权衡研究和协同效用分析,从而有效改进和提高应对策略的效用。建议国内应该加强对综合评估方法和效用分析的研究力度。     

气候变化对中国农业用水和粮食生产的影响

全球气候变暖作为一个不争的客观事实,不可避免地会对中国农业用水和粮食生产产生影响。该文分别采用Palmer干旱指数（PDSI）、单位灌溉面积用水量（GIQ）、单位面积粮食产量（PHGO）作为气候变化、农业用水和粮食生产具体度量指标,分析了中国1949－2005年PDSI、GIQ、PHGO年际变化特征及其相关关系,发现在1949－1983年PHGO和1949－1990年GIQ均与PDSI具有较好线性相关关系,表明气候变化在上述时间段对农业用水和粮食生产影响显著,人为因素（技术进步、政策机制、生产投入等）影响相对较小。依据相关关系对1949－2005年GIQ和PHGO进行预测发现,1991－2005年GIQ和1984－2005年PHGO预测值与实际值拟合程度较差,表明人为因素（技术进步、政策机制、生产投入等）在农业用水和粮食生产中已逐渐占据主导地位,对农业节水平均影响率达27%以上,对粮食增产平均影响率达40%以上。通过技术创新、政策机制保障和生产投入增加等人为因素控制,可在一定程度上缓解气候变化对中国农业用水和粮食生产带来的负面影响。     

施肥提高旱地作物水分利用效率的机理和效果

在宁夏南部半干旱偏旱区黑垆土上设置长期定位试验 .结果表明 ,施肥提高了土壤有效水分的利用、作物的蒸腾效率 ,并优化了作物产量田间性状和改善夏闲期土壤贮水状况 .     

1959－2018年气候变化对内蒙古春玉米需水量和产量的影响

为明确内蒙古春玉米气候资源变化规律,量化气候变化对春玉米需水量和产量的影响,促进该区水资源优化配置和粮食安全保障,该研究基于内蒙古113个气象站点及统计作物系数值,利用五日滑动平均法,在80%保证率下分析了积温（≥10℃）及春玉米栽培模式（早熟、中早熟、中熟、中晚熟和晚熟）的空间变化,计算了春玉米生长季有效降雨量和作物需水量,采用逐步回归模型建立了气象因子和春玉米产量的关系。结果如下：1）1959—2018年内蒙古地区积温呈增加趋势,2009—2018年较1959—1968年积温增加了263℃,积温等值线发生明显偏移。不同熟型春玉米边界线北移东扩明显,中东部地区春玉米由不适宜种植区向早熟型和中熟型转变。2）1959—2018年春玉米生长期有效降雨量为114 mm,整体呈下降趋势。作物需水量为481 mm,整体呈显著增加趋势。作物需水量与有效降雨量和地下水补给量耦合度在0.02～0.40之间,整体呈下降趋势。3）气象因子中,温度呈上升趋势,其余因子整体呈下降趋势,逐步回归分析表明,降雨为影响该地区春玉米产量的主要因子。研究可为内蒙古地区春玉米空间布局及水资源高效利用提供依据。     

气候变化对石羊河流域棉花生产和耗水的影响

为了预测未来气候变化对石羊河流域棉花生产和耗水的影响,该文采用英国Hadley中心的区域气候模式PRECIS并结合COSIM棉花模型,对SRES A2（强调经济发展）和B2（强调可持续发展）2种排放情景下民勤地区的棉花生产和耗水情况进行模拟,并对石羊河流域扩大棉花种植范围的可能性进行了探讨,最后通过调整播期、引进新品种和改变灌溉量等适应措施的提出分析了石羊河流域棉花生产对未来气候变化的响应。结果表明,在PRECIS预测的未来气候变化情景下,到2080s（2071－2100年）民勤地区棉花的生长期明显延长,产量升高,且A2情景下产量高于B2情景,但B2情景下产量的增长速度更快。棉花产量的变异系数减小,种植棉花的风险降低;到2080s民勤棉花的参考作物蒸散量、耗水量和水分利用效率明显提高,棉花生长的用水需求提高,单位水分生产力上升。参考作物蒸散量和耗水量的变异系数增大,棉花受干旱影响的风险加大,水分利用效率变异系数减小,棉花生长的用水效率更稳定;在A2和B2的未来气候情景下,到2080s武威能满足棉花的正常生长,且在A2情景下获得了较高产量,仅从气候变化方面来考虑,未来石羊河流域棉花适宜种植区将扩大, 棉花生产存在一定潜力;当假设其他条件不变时,到2080s,A2情景下适当推迟播期,B2情景下适当提前播期有利于棉花增产。选择早中熟品种替换早熟品种, A2情景下产量明显增加,而B2情景下产量下降,品种的替换存在一定风险。到2080s随着灌溉量的减少棉花产量明显下降,未来如果灌溉量不足、生产用水让位于生态用水将增加石羊河流域棉花生产的风险。     

土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系

通过综述土壤侵蚀对碳循环的影响、全球气候变化对土壤侵蚀的影响以及水土保持植被恢复对碳循环与土壤碳素积累的影响,研究土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系。结果表明:因侵蚀造成的土壤碳素损失是巨大的,但土壤侵蚀是碳源还是碳汇过程依然存在争议,焦点集中于因侵蚀造成土壤团聚体解体,暴露在空气中的土壤有机碳的矿化速率的大小;随着全球气温升高以及降雨格局的变化,全球土壤侵蚀强度和范围都在不断增加,但土壤侵蚀对全球气候变化的响应程度依然值得深入研究;水土保持生态恢复主要通过改变下垫面性质来改变土壤有机碳含量、影响土壤CO2释放并促进土壤碳素积累,对抑制大气CO2浓度升高能产生积极影响。尽管土壤侵蚀/水土保持与气候变化的耦合关系方面的研究已取得重大进展,但仍有待于在土壤侵蚀过程中碳素变化模型、土壤侵蚀过程中氮素迁移转化特征以及侵蚀劣地生态恢复过程中土壤碳素积累机制等方面加强研究。     

Exploring optimal soil mulching to enhance maize yield and water use efficiency in dryland areas in China

Water and nutrient availability significantly limits global crop production, especially for dryland agriculture in arid and semi-arid regions. To explore the optimal soil mulching options for the Loess Plateau in China, a 3-year field study was conducted to investigate the effects of various soil mulching practices on soil temperature and the water use and grain yield of spring maize. The treatments included traditional flat farming (CK), narrow plastic film mulch (NM), wide plastic film mulch (WM) and narrow plastic film mulch?+?maize straw mulch between rows (MS). The results showed that MS treatment increased consistently soil temperature during the initial stages of maize growth, and more importantly, it reduced diurnal temperature variation. MS also increased in soil water storage by 10.1%, leading to the highest water use efficiency (WUE?=?30.9?kg?ha^?1?mm^?1) over CK on 3 year average. MS significantly increased maize yield and net income of farmers by up to 20%, compared to CK. In conclusion, optimisation of soil mulching strategies significantly enhanced crop yield and water productivity in dryland agriculture in China. Our study provides important guidance for exploring better soil management practice for dryland agriculture in the other regions of the world.