基于APSIM的华北平原不同种植模式下主要温室气体排放效应评估

使用APSIM作物模型,模拟1981−2014年华北平原夏玉米、冬小麦−夏玉米、冬小麦−夏玉米−早播玉米1（提前10d）、冬小麦−夏玉米−早播玉米2（提前20d）四种种植模式下土壤有机碳（SOC）变化、土壤氧化亚氮（N₂O）排放、土壤温室气体排放和产量的变化。结果表明：四种种植模式中,1981−2014年华北平原夏玉米种植模式下土壤N₂O排放量最小（514.81kg·hm⁻²）、土壤主要温室气体平均排放量最少（0.30MgCO_2-eq·hm⁻²）;冬小麦−夏玉米−早播玉米1（提前10d）种植模式下土壤有机碳平均变化量最少,为120.78kg·hm⁻²;冬小麦−夏玉米−早播玉米2（提前20d）种植模式的土壤主要温室气体平均排放量次之,为0.76MgCO_2-eq·hm⁻²;四种种植模式中,冬小麦−夏玉米种植模式的平均产量最高,为23405.47kg·hm⁻²;夏玉米种植模式下土壤主要温室气体排放效应最好（GHG=0.02 MgCO_2-eq·hm⁻²）,冬小麦−夏玉米−早播玉米2（提前20d）种植模式次之（GHG=0.04 MgCO_2-eq·hm⁻²）;在保证产量的前提下,考虑粮食安全、资源节约和环境友好各方面,冬小麦−夏玉米−早播玉米2（提前20d）两年三熟种植模式是华北平原较为理想的种植制度。     

不同降水年型下耕作结合秸秆覆盖对马铃薯耗水特征及产量的影响

为探索不同降水年型下耕作结合秸秆覆盖措施对旱作马铃薯生育期土壤贮水量、作物耗水特征和产量形成的影响,连续3年在旱作区秋作物收获后通过设置不同耕作方式(免耕、深松、翻耕)结合秸秆覆盖进行大田试验研究。结果表明,经过3年耕作覆盖处理后,免耕、深松结合秸秆覆盖能显著降低0—40 cm层土壤容重,提高土壤有机质含量。保护性耕作结合秸秆覆盖措施可显著提高马铃薯生育期0—200 cm层土壤贮水量,相对欠水年和欠水年马铃薯全生育期土壤贮水量均以深松覆秸秆处理最高,分别较翻耕不覆盖显著提高15.80%和20.80%,平水年以免耕覆秸秆处理最高,较翻耕不覆盖显著提高14.78%。其中以深松覆秸秆处理对相对欠水年生长前期0—60 cm土层和中期120—200 cm土层、平水年前期20—100 cm土层及欠水年生育期0—80 cm土层土壤蓄水效果最佳。深松或免耕覆盖秸秆处理可显著降低马铃薯生长前期阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度,显著提高生长中后期阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度,尤其在欠水年效果较好。与翻耕不覆盖相比,深松覆秸秆处理更有利于增加马铃薯干物质量,尤其在欠水年生长中期增加地上部干物质量和在平水...     

华北平原不同等级干旱对冬小麦产量的影响

华北平原是中国重要的粮食生产基地,其中冬小麦播种面积和产量均居中国首位,在国家粮食安全中具有重要作用,干旱是影响该区域冬小麦产量的最主要农业气象灾害.该研究基于华北平原44个气象站点1981—2017年的逐日气象数据以及作物、土壤和田间管理资料,以作物水分亏缺指数为农业干旱指标,基于调参验证后的农业生产系统模型(Agr...     

基于APSIM模型小麦-玉米不同灌溉制度作物产量和水分利用效率分析

针对海河平原地下水位持续下降和维持小麦—玉米两熟较高产量之间的矛盾,对不同降水年型小麦—玉米不同灌溉制度下产量和水分利用效率(WUE)进行模拟分析,结果对平衡该区域地下水可持续利用与粮食生产提供重要科学决策依据.利用研究区域站点长时间序列气象数据,以小麦不同水分处理地上部生物量、叶面积和周年土壤水分动态田间试验数据为基...     

不同降水年型下旱地玉米产量性状对种植密度和品种的响应

旱地玉米生产受降水分布影响,产量在不同降水年型之间波动较大.为探究种植密度和品种对不同降水年型旱地玉米产量性状的影响,设置4个密度(52500、67500、82500和97500株/hm2)处理,以豫玉22、郑单958和先玉335为供试品种,于2013—2018年连续定位测定收获期产量性状.结果表明,旱地玉米穗长和穗粗...     

基于APSIM模型分析不同降水年型下施氮深度对旱地小麦的产量效应

氮肥深施有助于提高旱地作物产量,但施氮深度对黄土高原丘陵沟壑区旱地小麦产量在不同降水年型的影响尚不清楚.利用1990-2020年气象观测数据,基于APSIM模型和数学统计方法探讨施氮深度对不同降水年型小麦产量的影响.结果 表明:模型模拟的小麦产量和生物量模拟值与观测值相关性决定系数(R2)＞0.9、模型有效性指数(ME...     

宁南山区不同降水年型与地形的施肥模式研究

采用回归饱和最优设计 ,对宁南山区 3种不同立地农田生态系统影响春小麦产量的氮肥和磷肥用量进行了长期定位研究 ,并建立了春小麦施肥效益函数模型。通过对函数模型分析 ,确定了最大产量效应和最佳经济效应的施肥组合方案 ,明确了模型因素效应顺序和高产施肥的关系。     

不同降水年型下旱作冬小麦氮肥肥效的评价

根据不同肥、水处理的冬小麦田间试验资料和降水资料，建立了３种降水年型下施氮肥量与产量关系的数学模式。分析施肥成本与利用之间的关系及其变化，以及降水概率信息，提出山东省各地市合理施用氮肥的建议。     

不同种植模式下旱地春玉米产量对降雨和气温变化的响应

为了探究旱区气候变化及主要气象因子对不同种植模式下玉米产量的影响,该研究对AquaCrop模型玉米参数进行校准和验证,并在35a历史气象数据的基础上设计不同气温和降雨梯度,利用模拟的方法分析不同情景下玉米产量变化趋势。结果表明:AquaCrop模型在试验点模拟精度较高,3种种植模式下实测与模拟产量的均方根误差为245.34~745.10 kg/hm~2,标准均方根误差为6.94%~9.49%。在设定范围内(降雨降低15%~升高15%,气温降低1.5℃~升高1.5℃),随气温和降雨升高,3种种植模式下产量波动均呈减小趋势,其中全膜双垄沟播下产量波动最小,平均产量曲线斜率为0.083 4,适应气候变化能力较强。在A3B3(温度升高1.5℃、降雨提高15%)情景下产量均达到最大,相比历史气候,露地、单垄、全膜双垄沟播分别平均增产13.45%、11.57%、17.67%。气温对3种模式下产量均有极显著影响,降雨对露地种植产量影响为极显著,而对单垄和全膜双垄沟播产量影响显著。该研究对气候变化下作物产量预测、风险评估及制定相关管理措施提供参考。     

宁南山区不同降水年型与地形的施肥模式研究

采用回归饱和最优设计 ,对宁南山区 3种不同立地农田生态系统影响春小麦产量的氮肥和磷肥用量进行了长期定位研究 ,并建立了春小麦施肥效益函数模型。通过对函数模型分析 ,确定了最大产量效应和最佳经济效应的施肥组合方案 ,明确了模型因素效应顺序和高产施肥的关系。     

华北平原不同种植制度对粮食作物氮素利用和土壤氮库的影响

冬小麦-夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物的主要种植制度,存在氮肥利用率低、土壤氮素过量累积问题。为探索华北平原氮素高效利用的适宜种植制度,采用15N示踪技术,基于3 a田间定位试验,对一年两熟冬小麦-夏玉米的常规水氮和优化水氮、两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米与冬小麦-夏大豆-春玉米及一年一熟春玉米3种种植制度的作物产量、15N利用率、氮素去向和土壤氮库表观平衡进行研究。结果表明,两年三熟的冬小麦-夏玉米-春玉米产量为32 248.52 kg/hm2,分别比一年两熟和一年一熟提高22.16%和52.88%;15N利用率为33.36%,比一年一熟提高26.12%。3种种植制度的氮肥去向最高为土壤残留,其次为作物吸收和损失,两年三熟冬小麦-夏玉米-春玉米的作物吸氮量最高为151.82 kg/hm2,土壤氮库表观盈余量为21.22 kg/hm2,显著低于其他种植制度。综合分析,冬小麦-夏玉米-春玉米两年三熟在稳产高产和提高氮素利用率上具有可持续的潜力,是华北平原未来较为理想的种植制度。     

华北高产粮区基于种植制度调整和水氮优化的节水效应

冬小麦/夏玉米一年两熟是华北平原粮食作物主要的种植方式。冬小麦生育期降水少,春季灌溉是保证其高产的必要措施。基于上述问题,在华北平原高产粮区设置田间试验,研究了调整种植制度和水氮优化等措施下的节水效应。结果表明,将一年两熟的冬小麦套种夏玉米调整为冬小麦直播夏玉米,并结合水氮优化等措施,能降低作物耗水15%,提高灌溉水利用效率52%～54%,而产量并没有下降;而将一年两熟调整为两年三熟和一年一熟,尽管能降低作物耗水24%～31%,且能提高灌溉水利用效率58%～172%,但产量却下降16%～27%。综上所述,该区将现行的一年两熟制中的套种调整为直播,并加以水氮优化等措施,是目前较为适宜的种植方式。考虑到该区水资源严重短缺的现实,两年三熟制可能是未来的种植趋势,但需要挖掘其产量潜力。     

华北平原高产粮区不同水氮管理下农田氮素的淋失特征

为了降低集约化种植制度下华北平原农田硝酸盐的淋失,该研究选择华北平原高产粮区,开展了为期2 a （2006－2008年）的田间试验,试验设计了2个灌溉处理（常规灌溉处理和基于土壤水分实时监控的优化灌溉处理）和2个施氮处理（传统施氮处理和优化施氮处理）,利用张力计结合土壤溶液提取器对土体2 m处的水分和硝酸盐通量进行了监测和计算。研究结果显示,在相同施氮条件下,优化灌溉能够有效降低农田水分的渗漏量,渗漏量仅为传统灌溉渗漏量的50%左右。优化施氮能够有效降低2.1 m土体硝态氮含量,在相同灌溉条件下2.1 m土体硝态氮的残留量都在传统施氮的60%以下,而灌溉方式对硝态氮累积的影响不大。优化水氮管理相比传统水氮管理氮素的淋失量下降了60%,淋失率也下降了50%左右,粮食产量略有提高。     

有机物料还田对华北小麦玉米两熟农田土壤有机碳及其组分的影响

中国农业废弃物种类多、数量大、利用率低、污染重。将有机物料还田,是实现废弃物资源化利用的重要途径。该研究以循环农业理念为指导,选择代表农田内循环的秸秆以及代表农沼循环、农牧循环、农菌循环、农工循环的废弃物沼渣、猪粪、菌渣和酒渣为试验材料,开展了等碳量还田定位试验,分析各有机物料还田后对土壤有机碳及其组分的影响。结果表明:1)连续施用有机物料提高了土壤总有机碳(TOC)、易氧化有机碳(LOC)、微生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量。随着有机物料还田年限的增加,土壤TOC、LOC和MBC含量均不同程度地增加,年平均增幅分别为:15.57%~22.82%、20.00%~38.31%和16.30%~50.56%。还田5年后各有机物料处理土壤TOC、LOC、MBC和DOC含量平均分别是无机肥处理的1.24~1.62、2.07~3.19、1.20~2.06和1.05~3.36倍。2)不同有机物料中均利于土壤TOC含量的提高,秸秆提升效果相对最差,沼渣、菌渣、猪粪、酒渣和秸秆还田处理的0~20cm土壤TOC含量平均增长速率分别为:22.82%、21.88%、16.42%、16.13%和15.57%。     

不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响

灌水和施氮是影响农田生态系统粮食生产的2个主要因素,但其增产效应和资源利用效率会受降水年型的影响。该研究基于2011—2014在陕西关中平原进行的3 a冬小麦水氮耦合试验,分析了不同降水年型下水氮管理对土壤含水率、籽粒产量、耗水量(water consumption,ETa)及产量与耗水量关系的影响。结果表明:7—9月总降水量每增加1 mm,小麦播前0~180 cm土壤底墒增加0.47 mm。随着灌水量增加,产量和ETa均增加,但仅在降水较少的2012—2013年增产显著,对水分利用效率(water use efficiency,WUE)的影响不显著;随着施氮量增加,ETa变化不显著,但其增产效果显著,使WUE显著提高,表明施氮增加了作物蒸腾占农田耗水量的比例。根据3 a各处理冬小麦产量和ETa数据,进一步探讨了在一定水分消耗下能达到的最大(边界)产量和WUE,建立了关中平原冬小麦的产量-耗水量边界方程;当ETa超过388 mm时,产量稳定在8 184 kg/hm2,WUE的最大值为2.52 kg/m3。研究可为制订合理的冬小麦水肥管理措施提供科学依据。     

华北平原秸秆覆盖冬小麦减产原因分析

秸秆覆盖是减少农田棵间蒸发和提高水分利用效率的措施之一。冬小麦/夏玉米一年两作种植中, 秸秆资源非常丰富, 随着机械化作业的发展, 小麦秸秆覆盖夏玉米技术在同类地区得到成功应用和推广。但夏玉米秸秆覆盖冬小麦后对冬小麦的生长发育产生了一些不利影响, 造成了冬小麦不增产或减产, 限制了该项技术的推广。秸秆覆盖造成冬小麦穗数的降低是冬小麦产量降低的主要原因, 其次是千粒重的降低。大部分研究表明秸秆覆盖小麦地表后, 使根区土壤温度白天最高温度低于不覆盖处理, 夜间的最低温度高于不覆盖处理, 土壤温度的日较差减小。秸秆覆盖下根区温度的变化可能是引起小麦生长发育滞后和产量降低的主导因素。本文综述了华北平原秸秆覆盖冬小麦减产原因, 为实现两熟区冬小麦秸秆覆盖提供理论依据。     

华北平原农田温室气体排放与减排综述

华北平原作为典型的冬小麦-夏玉米轮作高水肥精细管理农田,高水高肥管理下其碳排放量高于秸秆还田的固碳量,其生态系统正在以每年77 g(C)×m~(-2)·a~(-1)的速度损失碳。华北平原农田400 kg(N)×hm~(-2)·a~(-1)的过高氮素投入是造成其碳排放增加的主要原因,其土壤N2O排放强度在氮肥施入量为136 kg(N)×hm~(-2)·a~(-1)时最低,且在施氮量为317 kg(N)×hm~(-2)·a~(-1)时可获得最高作物产量。华北平原土壤中温室气体的产生和消耗主要发生在0~90 cm土壤剖面内,90 cm土层主要作为土壤包气带中的缓冲层而存在。当前降低华北平原农田温室气体排放除了合理施肥和灌溉,还需要改变固有的农作制度,实行减免耕等保护性措施,并将减排和固碳同步进行。对华北平原温室气体净排放研究,今后需在以下几个方面加强:1)在地-气之间加强冠层尺度温室气体的原位连续在线监测研究,并将稳定性同位素技术应用到此研究中以达到追踪其来源和比例构成的目的。2)在土壤包气带中,利用稳定性同位素技术探索土壤空气中温室气体的来源比例,探索剖面土壤温室气体产生和消耗对土壤-大气界面温室气体排放的响应机制。3)将模型研究应用于土壤-大气连续体温室气体排放研究。