冀中南多样化种植模式的适水效应分析

为优化冀中南作物种植结构,本研究以河北省典型地下水漏斗区邢台市为例,基于作物需水SIMETAW模型系统量化1965—2018年冬小麦、春棉花、春玉米、夏谷子、夏大豆和春绿豆等10种主要农作物的生育期需水量与灌溉需水量,针对当地不同降水年型和水资源条件以及不同作物的生育期、生长发育特点和前后茬作物的农学特性等构建11种不同的种植模式,分析不同种植模式需水及降水耦合度等参数。结果表明:1)各作物年均生育期需水量表现为春棉花(515.2mm)冬小麦(466.6mm)春玉米(424.9mm)春油葵(420.0mm)春甘薯(362.1mm)春马铃薯(354.2mm)夏大豆(313.9mm)夏玉米(298.7mm)春绿豆(288.1mm)夏谷子(217.5mm)。2)各作物年均生育期灌溉需水量表现为冬播作物春播作物夏播作物。冬小麦年均生育期灌溉需水量最大,为329.2mm;夏谷子最低,为82.8mm。3)传统麦玉一年两熟制周年需水量最大(753.4～780.3mm),相比之下,多样化轮作模式的生育期需水量可显著降低15%～34%,生育期灌溉需水量明显降低9%～32%。春玉米-冬小麦-夏玉米、春玉米-冬小麦-夏谷子、春甘薯-冬小麦-夏玉米和春甘薯-冬小麦-夏谷子等两年三熟制在丰水年、平水年和枯水年下的生育期需水量、灌溉需水量和周年需水量均较低。春绿豆-夏谷子一年两熟模式的年均生育期需水量最低,为504.4mm,年均生育期灌溉需水量为286.8mm。因此,在保证粮食安全的前提下,为减缓河北省地下水位持续下降的趋势,发展适水种植模式是节水农业的重要途径之一。     

基于FAO-56双作物系数法估算农田作物蒸腾和土壤蒸发研究——以西北干旱区黑河流域中游绿洲农田为例

【目的】确定中国西北干旱区黑河流域中游绿洲农田蒸散量并区分作物蒸腾和土壤蒸发,为制定合理的作物灌溉制度和提高区域水资源利用效率提供依据。【方法】本文利用中科院临泽内陆河流域研究站绿洲内部大田玉米地2009年的小气候和土壤蒸发等综合观测试验数据,运用FAO-56和ASCE推荐的两种时间步长的四种不同形式的Penman-Monteith模型估算了甘肃临泽绿洲玉米农田2009年参考蒸散量,并结合FAO-56双作物系数法估算了其实际蒸散量。【结果】4种P-M模型FAO-56-PM 24h、ASCE-PM 24h、FAO-56-PM 0.5h及ASCE-PM 0.5h和双作物系数法估算的实际蒸散量依次为672.1、766.2、991.2和805.6 mm。【结论】利用涡动相关数据及小型蒸渗仪实测数据对其进行了检验,结果表明,使用FAO-56-PM 24h模型估算参考作物蒸散量的参考作物蒸散-双作物系数法能够较好估算研究区的蒸散量并有效地区分农田作物蒸腾和土壤蒸发。2009年研究区域农田制种玉米的耗水量大约为671.2 mm,日均蒸散量为4.1 mm,其中作物蒸腾累积量为498.5 mm,土壤蒸发累积量为172.7 mm,分别占蒸散量的74.2%和25.8%。     

基于SIMETAW模型阜新地区花生的验证模拟与应用

验证SIMETAW模型在阜新地区花生模拟与应用的效果,利用作物、土壤和气象参数运行模型,将生长季内花生蒸散量的模拟值与试验实测值进行对比分析,ETc模拟值与实测值拟合较好,各验证统计指标(r、RSME、CRM、EF、t测验)均表现良好,在验证基础上模拟分析生长季花生的ETc、Er和ETaw逐年变化,均值分别为462.1 mm、280.6 mm、181.7 mm,不同降水年型下ETe变幅较小,Er和ETaw变化幅度较大,未来可进一步应用该模型指导花生灌溉.     

基于SIMETAW模型的北京地区主要作物需水量估算

应用北京近56年气象数据对SIMETAW模型进行校正,并利用模型估算北京地区主要大田作物需水量。结果表明:SIMETAW模型对参考作物腾发量的模拟与彭曼-蒙特斯公式计算值较为接近,r>0.94,结果可靠。北京地区主要大田作物的需水量和作物系数在全生育期内均呈现单峰型曲线;果树类作物需水量相对较大,其次是粮经作物,其中春花生、棉花、春甘薯和冬小麦需水量较大,均在430 mm以上;蔬菜类作物由于生育期较短,单季耗水量小,均在400 mm以下。     

黄土丘陵区典型农耕地土壤临界剪切力季节变化

【目的】研究黄土丘陵区典型农作物玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力的季节变化特征及其影响因素,以期为该区的粮食安全生产和土壤侵蚀过程模型建立提供参考依据。【方法】以黄土丘陵区玉米地和谷子地为研究对象,在6组不同的水流剪切力条件下(τ=5.71—17.18 Pa),借助坡面径流冲刷试验测定土壤的分离能力,结合土壤侵蚀过程WEPP模型,利用线性回归方法推求土壤临界剪切力(τ_c),分析了玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力的季节变化规律。【结果】黄土丘陵区玉米和谷子生育期内土壤临界剪切力具有明显的季节变化规律(P0.05),整体呈上升趋势。玉米地τ_c表现为先降低后升高再降低又升高的季节变化模式,变化范围为1.51—4.89Pa,平均值为3.0 Pa,最小值(1.51 Pa)出现在五叶期,最大值(4.89 Pa)出现在收获期;谷子地τ_c表现为先降低后升高的季节变化模式,变化范围为1.06—6.53 Pa,平均值为2.93 Pa,最小值(1.06 Pa)出现在幼苗期,最大值(6.53 Pa)出现在成熟期。玉米地和谷子地土壤临界剪切力的季节变化由土壤黏结力、初始含水量等土壤属性的季节变化和作物根系生长所致。两种作物地的土壤临界剪切力与土壤黏结力、初始含水量和作物根重密度间呈正相关关系。在玉米和谷子生育期内,利用土壤黏结力、初始含水量和作物根重密度可以较好地模拟两种作物地土壤临界剪切力的季节变化(R~20.74,NSE0.72)。【结论】作物根系、土壤黏结力和初始含水量等的季节变化是影响玉米地和谷子地土壤临界剪切力季节变化的主要因素。土壤临界剪切力与根重密度、土壤黏结力和初始含水量间呈正相关关系。用根重密度、土壤黏结力和初始含水量等参数能够较好地模拟玉米地和谷子地土壤临界剪切力的季节变化。     

1961—2010年东北农作区春小麦需水量的时空变化特征

利用东北农作区58个气象站点1961—2010年的逐日气象数据,基于Simulation of Evapotranspiration of Applied Water(SIMETAW)模型分析气候变化背景下东北农作区春小麦生育期内作物需水量(Crop evapotranspiration,ETc)和灌溉需要量(Evapotranspiration of applied water,ETaw),以及典型站点春小麦的灌溉需求指数(Irrigation demand index,IDI)的时空变化特征。结果表明:近50年来,东北农作区日平均温度呈显著上升趋势,平均降水量下降趋势不明显,平均太阳辐射及作物蒸散量呈显著下降趋势。春小麦生育期作物需水量和灌溉需要量呈下降趋势,其分布均表现为西多东少。50年来春小麦作物生育期需水量下降主要集中于松辽及兴安岭南部地区,东部地区变化趋势不明显;生育期灌溉需要量下降集中于松辽及兴安岭地区,三江平原地区略有增加,长白山地区多年保持平稳。     

东北玉米生长发育动态模拟模型研究

利用相关试验数据和气象资料,通过MATLAB及相关软件求得模型参数,确立东北玉米生长发育动态模拟模型,对玉米生育期、植株累积干物质及产量等进行模拟。经实测值与模拟值对比发现,玉米各生育期之间观测与模拟的平均绝对误差都为2.6 d,植株干物质累积量的平均相对模拟误差为25%,玉米叶面积指数实测值和模拟值吻合较好,R2和RMSE分别为0.975和0.261,模型模拟效果较好,可用于对玉米生长和产量的模拟以及对作物的生长监测和遥感估产。     

宁夏地区春玉米灌溉需水量特征研究

【目的】提高宁夏地区春玉米的灌溉效率,优化农业资源配置。【方法】依据宁夏地区11个站点1960-2019年的气象资料,确定宁夏地区年际及春玉米生育期不同水文年型的有效降雨量;然后,利用ET₀ Calculator软件计算参考作物腾发量,并结合作物系数法计算作物需水量,求得宁夏地区年际及不同水文年型下春玉米各生育期的作物需水量、灌溉需水量、耦合度和水分盈亏指数。【结果】1960-2019年间,宁夏地区年有效降雨量波动较大(158.5~424.2 mm),北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区春玉米生育期有效降雨量分别为123.9,205.4和334.4 mm。宁夏全区春玉米生育期需水量为482.0~690.7 mm,其中南部山区和中部干旱带春玉米需水量有降低趋势,而北部引黄灌区有增大趋势。北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区春玉米灌溉需水量分别为566.8,413.0和147.6 mm;在枯水年、平水年和丰水年宁夏全区春玉米灌溉需水量分别为448.5,378.9和317.0 mm。南部山区降雨对作物需水量的满足程度最高,耦合度为0.70,是北部引黄灌区的3.89倍。【结论】宁夏南部山区应以集雨技术为基础发展雨养玉米种植;北部引黄灌区和中部干旱带需要大力发展节水灌溉,其中在北部引黄灌区春玉米大喇叭口期、抽雄期和乳熟期需要分别补灌87.2,79.6和275.6 mm,在中部干旱带需要分别补灌65.7,62.4和212.8 mm。     

河北低平原适水粮饲模式构建及综合效益评价

为推进“粮改饲”进程与发展节水农业,构建适水型种植制度,本研究以水资源短缺的河北沧州为研究对象,聚焦饲草作物和粮食作物,首先利用作物需水模型SIMETAW系统量化1961—2020年沧州地区6种主要饲草作物（夏播高粱、青贮玉米、饲用燕麦、饲用谷子、粮食作物冬小麦和夏玉米）的需水量及灌溉需水量,对比分析各作物需水量的时间变化规律及作物间差异,评估作物需水量的主要气象影响因素;后采用ROTAT模型建立了5种多样化粮-饲及饲-饲轮作制度,基于Entropy-TOPSIS对不同轮作模式的等价产量、生物量、经济效益、蛋白产出、生育期及周年需水量与降水耦合度进行综合评价。结果表明：1）这6种作物的年均生育期需水量表现为冬小麦 （463.5 mm）>夏玉米（366.2 mm）>夏播高粱（354.6 mm）>饲用燕麦（351.7 mm）>青贮玉米（341.8 mm）>饲用谷子（322.4 mm）。2）各作物年均生育期灌溉量表现为冬小麦>饲用燕麦>谷子、夏玉米、夏播高粱。青贮玉米生育期灌溉需水量最低为106.7 mm。3）近60年来各作物需水量呈下降趋势,主要由太阳辐射、风速的下降导致。4）相比传统麦玉模式,饲用燕麦基的一年两熟模式生育期需水量降低14.9%~18.8%、灌溉需水量降低15.1%~19.2%。5）饲用燕麦基的饲草模式（饲用燕麦-青贮玉米（0.73）、饲用燕麦-饲用谷子（0.63）、饲用燕麦-夏播高粱（0.54））的综合评价指数均明显高于冬小麦-夏玉米（0.32）和冬小麦-夏播高粱（0.37）模式。因此,本研究建议在兼顾粮食生产的同时,适当发展饲-饲模式,对当地水资源的可持续利用及产能有重要意义。     

浅探微喷灌技术应用对玉米产量的影响

【目的】探析微喷灌技术应用对玉米产量的影响。【方法】以畦灌为对照,设置3个微喷灌灌水定额,研究玉米干物质积累、叶面积指数、叶绿素含量、光合参数和产量及产量因素的变化特征。【结果】微喷灌能够显著影响玉米干物质积累量,干物质积累量随灌水定额的增加呈先升高后降低的趋势,显著增加各生育期的叶面积指数。微喷灌显著增加玉米叶片叶绿素含量、净光合速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度和蒸腾速率,在灌水定额为40mm/次时,叶绿素和净光合速率最高。微喷灌显著提高玉米千粒重、行粒数和产量,在灌水定额为40mm/次时,玉米产量最好。【结论】综合比较,微喷灌能够显著提高玉米干物质积累、叶面积指数、叶绿素含量、光合参数和产量及产量因素在灌水定额为40mm/次时,玉米长势最好,产量最高,是较为合理的微喷灌灌水量。     

辽西半干旱区玉米与花生间作对土地生产力和水分利用效率的影响

【目的】通过对不同行比玉米与花生间作模式中作物产量、土地生产能力及水分利用效率的比较分析,探讨间作模式提高土地生产能力和水分利用效率的机理,提出适合于辽西旱作农业区的玉米与花生间作模式。【方法】试验于2015—2016年在农业部阜新农业环境与保育科学观测试验站进行,设置2行玉米4行花生间作(2M:4P)、4行玉米4行花生间作(4M:4P)和玉米单作(S-M)、花生单作(S-P)4种种植模式,通过研究间作复合系统产量、土地当量比、土壤水分分布和水分当量比等指标来分析玉米花生间作对土地生产力和水分利用效率的影响。【结果】受玉米行比设置和资源竞争影响,玉米与花生间作中玉米和花生的产量较相对应单作产量有不同程度降低;在系统整体收益衡量下,2M:4P和4M:4P间作模式的土地当量比(LER)为1.10—1.24、1.12—1.16,表明间作具有优化利用土地的功能,同时,间作系统中花生的偏土地当量比(LER_P)达到0.41—0.57,显示出豆科作物花生弱化了与禾本科作物玉米搭配间作的劣势;间作复合系统土壤含水量呈单作花生间作花生间作玉米单作玉米的分布特征,表明间作玉米可能会吸收花生条带的土壤水分,降低高耗水作物玉米对自身条带土壤水分的过度消耗来改善间作玉米土壤水分利用环境;2M:4P间作模式的水分当量比(WER)为1.12—1.23,4M:4P间作模式的WER为1.16—1.17,两间作模式的WER均大于1,显著提高了农田水分利用效率。【结论】玉米与花生间作能够改善辽西旱作农业区作物土壤水分利用环境,提高农田土地和水分生产力。2M:4P间作模式在降雨较少年份(2015年)具有一定的土地生产力和水分利用效率优势,而4M:4P间作模式在辽西降雨较多年份(2016年)具有一定的土地生产力和水分利用效率优势,并且4M:4P间作模式在2015—2016年不同降雨变化干扰下的年际差异较小,具有稳产增产的抗气候变化干扰能力。综合分析认为,4M:4P间作模式更适合于辽西旱作农业区。     

基于AquaCrop模型的大豆灌溉制度优化研究

【目的】 探究AquaCrop模型在关中地区的适用性,寻求大豆在不同降水年型下最适宜的灌溉制度。【方法】 用田间试验实测数据对该模型进行校正,并用校准后的模型模拟1961—2019年内所有3种不同降水年型14种灌溉制度下的大豆产量和水分利用效率。【结果】 AquaCrop模型模拟田间产量最高处理的冠层覆盖度的决定系数(R ²)、均方根误差（RMSE）、标准均方根误差(NRMSE)及Nash效率系数(EF)分别为0.96、7.15%、11.03%和0.94;模拟值与实测值生物量的决定系数（R ²）、均方根误差（RMSE）、标准均方根误差（NRMSE）及Nash效率系数（EF）分别为0.99、526.04 kg·hm^-2、14.45%和0.97;最终产量模拟的决定系数（R ²）、均方根误差（RMSE）、标准均方根误差（NRMSE）及Nash效率系数（EF）分别为0.97、49.98 kg·hm^-2、1.74%和0.82,各处理的冠层覆盖度和生物量实测值与模拟值的R ²均大于0.95,说明AquaCrop模型可以较好地模拟关中地区大豆的生长发育动态与产量。结合模型模拟结果可知,大豆作物需水量平均值为398.2 mm,各个生育时期的需水量差异较大,分枝期需水量为127.8 mm,开花-结荚期需水量为212.6 mm,鼓粒期的需水量为57.7 mm。结合对3种不同降水年型进行不同灌溉制度模拟后发现,大豆开花-结荚期为需水关键期,该生育时期水分供应情况影响大豆的最终产量。在湿润年可以不灌水;平水年和干旱年仅在开花-结荚期分别灌溉45和70 mm可实现最高产量（2 699、2 486 kg·hm^-2）和最大水分利用效率（0.74、0.7 kg·m^-3）。【结论】 该地区大豆灌溉制度,应以不同降水年型分布情况为基础对大豆灌溉制度进行选择,可保证大豆具有较高的产量和水分利用效率,可作为关中地区大豆灌溉制度的参考依据。     

山西省典型粮食作物水分生态适应性研究

为探究山西省典型粮食作物水分供需及水分生态适应性特征,基于1980—2018年山西省28个国家气象站点的逐日气象资料,采用Penman-Monteith公式计算玉米、谷子和马铃薯3种粮食作物生育期内的水分供需情况,并在此基础上定量分析作物的水分亏缺及水分生态适应性特征。结果表明：1)3种作物的需水量与自然降水有较好的耦合度,但自然降水仍无法满足作物生长发育的需求,尤其是马铃薯,灌溉需水量高达248.96mm,且在全省大部分地区高于玉米和谷子;2）晋南和晋东南地区马铃薯的水分亏缺指数最高,分别为0.85和0.78,其他地区表现为玉米最高,为0.76,谷子最低,为0.75;3）作物水分生态适应性指数由高到低表现为谷子（1.22）>玉米（1.07）>马铃薯（0.77）。谷子的灌溉需水量和水分亏缺指数最小且水分生态适应性最高,从水资源可持续利用角度分析,山西省应适当减少玉米的种植范围,适当增加谷子的播种面积,同时应控制严重缺水地区马铃薯的种植规模。     

玉米与不同植物间作对田间氨挥发的影响

 【目的】从农作物种植模式角度出发,研究玉米与不同作物间作条件下农田土壤氨挥发特征。【方法】采用田间通气法,2008—2009两年设置大田试验,研究玉米与大豆、黑麦草、苜蓿以及花生间作对田间土壤NH3挥发的影响。【结果】两年的试验结果初步显示,在玉米各个生育时期玉米‖黑麦草和玉米‖大豆模式的田间NH3挥发多数高于玉米单作（对照）处理,而玉米‖花生和玉米‖苜蓿模式在玉米各个时期的NH3挥发基本都低于对照模式;整个玉米季,玉米‖花生和玉米‖苜蓿模式的田间NH3挥发总量低于玉米单作模式,分别可减少6.77—17.42 kg?hm-2、1.53—23.63 kg?hm-2。【结论】在玉米生产中通过引入适宜的植物与其间作对于降低田间NH3挥发量具有可行性。     

辽西半干旱区玉米大豆间作模式对作物干物质积累分配、产量及土地生产力的影响

[目的]通过分析玉米大豆间作模式作物干物质积累与分配规律及种间竞争关系,探讨玉米大豆间作的增产机理,提出适合辽西半干旱区的最优玉米大豆间作模式.[方法]试验于2018-2019年在国家农业环境阜新科学观测实验站进行,采用田间试验方法,设置2行玉米2行大豆间作(MS2:2)、4行玉米4行大豆间作(MS4:4)、6行玉米6...     

冀西北寒旱区农田作物轮作产量效应评价

【目的】促进水温土等资源匮乏的冀西北寒旱区作物生产对水分、养分的合理与均衡利用,保护农田生态环境。【方法】采用交叉式种植方法,在草甸栗钙土和砂质栗土农田,分别设计了包括5个主栽作物的全部组合的轮作与连作田区试验,年际间进行重复,研究区域主栽作物轮作倒茬的产量效果。【结果】在草甸栗钙土农田,与连作相比,不同前茬马铃薯、甜菜、莜麦的产量分别提高了58%—94%、28%—53%和16%—70%;蚕豆与连作相比,除甜菜茬减产外,其他茬口较连作增产4%—43%;马铃薯、蚕豆茬玉米较连作分别增产12%、5%,甜菜、莜麦茬玉米产量仅为连作的81%、93%。在砂质栗钙土农田,不同前茬马铃薯、甜菜的产量分别较连作提高了5%—36%、13%—36%;甜菜茬谷子表现减产,其他茬口的谷子较连作提高了5%—30%;谷子茬莜麦减产,其他茬口莜麦较连作提高了9%—15%;马铃薯、莜麦茬亚麻较连作增产5%、8%,谷子、甜菜茬亚麻产量为连作的94%、99%。【结论】草甸栗钙土田马铃薯→莜麦、马铃薯→甜菜呈现互利轮作,玉米茬马铃薯、莜麦茬甜菜、蚕豆茬甜菜、玉米茬甜菜和蚕豆茬马铃薯表现偏利轮作;砂质栗钙土田莜麦茬马铃薯、马铃薯茬甜菜2种方式表现偏利轮作,可资生产应用。     

华北地区冬小麦-夏玉米轮作节水体系周年水分利用特征

【目的】定量研究华北地区冬小麦-夏玉米轮作节水体系的水分周年利用特征。【方法】在大田条件下,通过在小麦季设不灌水（W0）、拔节水（W1）、拔节水+扬花水（W2）和起身水+孕穗水+扬花水+灌浆水（W4）4个水分处理,进行了两个周期的研究。【结果】（1）小麦产量和周年最高产量两年分别在节水灌溉处理W1和W2获得,玉米产量在不同处理间无显著差异。小麦水分利用效率（WUE）与产量的表现相似,玉米WUE显著高于小麦,并随灌水量的增加显著降低;周年WUE则在W0或W1处理最高,而后随灌水量的增加显著降低。（2）W4处理的2 m土体土壤水分含量在各个阶段没有明显变化,其它处理则随小麦生育进程而不断降低（即土壤水分库容不断变大）,且灌水次数越少降幅越大,至小麦收获期达到最低点;到玉米拔节期,由于降雨补充所有处理的土壤含水量趋于一致,相应地,2 m土体接纳汛期降雨分别为178-188 mm（W0）、124-160 mm（W1）、38-93 mm（W2）和-30-21 mm（W4）。（3）随灌水量增加,作物耗水强度和季节蒸散量变大;玉米拔节期后,作物耗水特性与土壤水分变化无差异。（4）降雨致使出现水分的深层渗漏,丰水年和平水年分别为163 mm（W0、W1）、181 mm（W2）、253 mm（W4）和13 mm（W0、W1、W2）、45 mm（W4）,丰水年小麦季W4处理也有54 mm水分深层渗漏。丰水年W0和W1处理实现了127 mm和57 mm对地下水的净回补。【结论】小麦节水栽培显著减少了对地下水的开采,大幅提高了降雨的利用效率,可实现作物对水资源的高效利用和丰水年降雨对地下水的净回补。丰水年W1处理或平水年W2处理有利于水分高效利用与高产的统一,对于华北地区农业的可持续发展具有重要意义。