干旱区大田玉米膜下滴灌土壤水热效应研究

土壤水热状况是影响干旱区作物产量的主要因素,围绕膜下滴灌土壤水热运移情况,以河套灌区玉米为研究对象,开展了2年的田间试验,研究了膜下滴灌条件下不同覆膜耕作方式对土壤水热运移规律的影响。试验设垄作全膜(LQ)、垄作半膜(LB)、平作全膜(PQ)和平作半膜(PB)4个处理,采用烘干法测定0—120cm土壤含水量,ECH2O-5TE探头测定0—120cm土壤温度。试验结果表明:在苗期,0—20cm土层LQ土壤含水率较LB、PQ和PB分别提高了14.4%,23.8%和26.9%;拔节期,0—40cm土层LQ含水率较LB提高了32.6%,PQ较PB提高了5.8%;抽雄期0—60cm土层垄作土壤含水率明显高于平作,而60—120cm土壤含水率差异不明显;成熟期0—80cm土层LQ土壤含水率较LB、PQ和PB分别提高了18.1%,11.2%和21.5%。分析0—70cm土层平均土壤温度发现,LQ的温度明显高于半膜覆盖的处理,2014年和2015年LQ土壤温度较LB分别增加0.44,1.16℃,较PQ分别增加0.93,0.22℃,较PB分别增加1.22,1.37℃。2年的试验验证了不同覆膜耕作方式下,随土层深度的增加,土壤温度变化趋于平缓。垄作全膜可以提高土壤温度,增大土壤含水率,有效防止垄体土壤温度的散失,为作物生长提供良好的水热状态,促进作物增产。     

黄土丘陵区不同土地利用类型土壤CO_2,N_2O通量特征

以黄土丘陵区园则沟小流域农地、撂荒草地、红枣林3种土地利用类型为单元,采用静态箱—气象色谱法对生长季土壤CO_2,N_2O两种温室气体进行定位监测,研究退耕还林(草)工程实施后不同土地利用类型土壤CO_2,N_2O排放通量特征。结果表明:生长季农地、撂荒草地、红枣林土壤CO_2排放通量均值分别为300.39,273.31,173.80mg/(m~2·h),季节变化均呈单峰型;农地、撂荒草地、红枣林N_2O通量均值分别为7.08,9.26,0.52μg/(m~2·h),土地利用类型未明显改变N_2O通量的季节特征,各处理均于6—7月出现较大值,其他时期均较低或出现负排放并呈现较为复杂的源汇特征。土壤10cm温度与土壤CO_2,N_2O相关关系高于土壤水分,而3种土地利用类型下N_2O通量与土壤水分均不相关,二元线性回归结果显示水热双因子解释了54%~78%的土壤CO_2通量变异。综合分析表明黄土丘陵区退耕还草后土壤CO_2未有显著变化,土壤N_2O则随土壤基质条件的改善呈现上升趋势(p0.01);坡耕地改为经济林后土壤CO_2,N_2O通量均有一定程度减少(42.1%~92.7%),且更容易出现N_2O的负排放。     

生育期水分调控对甘肃河西地区滴灌春小麦氮素吸收和利用的影响

【目的】针对河西地区水资源短缺、作物水肥利用效率低等问题,研究滴灌施肥条件下生育期土壤水分调控对河西地区春小麦氮素吸收和利用的影响,以期探索提高氮肥利用效率的土壤水分调控模式。【方法】以春小麦‘永良 4 号’为试验材料进行田间小区试验,根据前期的滴灌施肥试验,施氮量为 N 180 kg/hm2,在春小麦生育期设置 5 个土壤水分下限 (W1、W2、W3、W4 和 CK) 控制水平,研究生育期土壤水分调控对河西地区滴灌春小麦氮素吸收、分配和转运及根区土壤硝态氮含量的影响。【结果】1) 一定的施肥水平下,土壤水分下限的增长会增加各处理小麦的生育期总灌水量,以充分灌溉 (CK) 处理最大,分别比 W1、W2、W3、W4 处理高 26.6%、15.0%、9.3% 和 4.8%。2) 灌水量的增加会促进小麦植株对土壤养分的吸收同化,与 W4 处理相比,W1、W2、W3 处理的氮素吸收量分别显著减少 29.3%、23.0% 和 15.5%,CK 与 W4 处理差异不显著 (P>0.05)。3) 成熟期各处理小麦营养器官中氮素吸收量以 CK 处理最大,分别比 W1、W2、W3、W4 处理高 28.2%、28.6%、19.2% 和 12.7%,但其子粒中的氮素吸收量比 W4 处理显著低 10.4%。开花期后营养器官中的氮素向子粒的转移量和转移率均以 W4 处理最大,分别比 W1、W2、W3、CK 处理显著增加 40.4%、28.0%、10.6%、10.0% 和 6.8%、3.5%、1.3%、6.9%,但 W4 处理小麦氮素转移量对子粒的贡献率最小 (76.2%)。随着土壤水分下限的增加,各处理氮素吸收效率、氮素生产效率及氮素收获指数呈先增加后减小的变化趋势,均在W4处理下获得最大值。4) 在一定施肥水平下,灌水量的增加会加大硝态氮向土壤深处运移,不利于小麦植株对土壤硝态氮的吸收利用。5) 生育期土壤水分调控对小麦根区土壤硝态氮含量有显著性影响,成熟期 0—100 cm 土层内土壤硝态氮累积量以 W4 处理最小,分别比 W1、W2、W3 和对照 (CK) 处理减少 9.6%、7.2%、6.6% 和 1.4%。【结论】适宜的土壤水分调控更有利于小麦植株对土壤养分的吸收,综合考虑氮素吸收、分配及土壤硝态氮等因素,W4 是基于本试验条件下河西地区滴灌春小麦最佳土壤水分下限处理。     

不同秸秆覆盖量对春玉米田蓄水保墒及节水效益的影响

为了探明不同秸秆覆盖量对渭北旱原春玉米田蓄水保墒及节水效益的影响,2007—2009年度在合阳旱农试验站设置3个水平玉米秸秆覆盖量：4?500 (S1)、9?000 (S2)和13?500 kg/hm2 (S3),以不覆盖为对照(CK）。结果表明,S1、S2和S3处理2 m土层2年(2008和2009)平均土壤贮水量,与CK相比,冬闲末分别高13.9、22.6和33.5 mm;播种~拔节期分别高20.2、32.6和42.1mm;收获期分别高15.6、19.1和21.0 mm。不同覆盖处理延缓了春玉米前期的生长,但加快了中后期的生长速度。S1、S2和S3处理2008年籽粒产量,较CK分别增产7.65%、16.19%和17.84%,增幅均达显著水平(P<0.05）,2009年籽粒产量增长趋势和2008年相似,但前者整体低于后者。与CK相比,S1、S2和S3处理2年平均纯收益分别增加6.53%、16.89%和15.95%,同等产量节水率分别提高5.14%、8.35%和7.44%,节水效益分别增长50.07、81.31和72.30元/hm2。本研究表明,春玉米生育期降水量低于390 mm时,9?000 kg/hm2秸秆覆盖量综合表现较优,是渭北旱原及同类生态区适宜的覆盖量。     

秸秆还田对宁南旱作农田土壤活性有机碳及酶活性的影响

在宁南旱区通过研究秸秆还田对土壤活性有机碳及酶活性的影响,旨在为该区作物生产及土壤培肥制度的建立提供参考。在为期3a秸秆还田定位试验中,设置了不同秸秆还田量处理,谷子秸秆按3000kg·hm-（2低L）、6000kg·hm-（2中M）、9000kg·hm-2（高H）粉碎还田;玉米秸秆按4500kg·hm-（2低L）、9000kg·hm-（2中M）、13500kg·hm-（2高H）粉碎还田,对照为秸秆不还田,对不同处理条件下的土壤有机碳、土壤酶活性及其相关性进行了分析。结果表明,土壤总有机碳、活性有机碳含量和土壤酶活性均随土层的加深而减少;各处理0～60cm土层土壤有机碳含量和酶活性大小为中、高量秸秆还田〉低量秸秆还田〉秸秆不还田;秸秆还田不仅增加了土壤活性有机碳含量,同时提高了活性有机碳占总有机碳含量的比重。相关性分析表明,运用土壤活性有机碳和碳库管理指数表征土壤酶活性及土壤肥力变化,比土壤有机碳更具灵敏性。在宁南半旱区采用秸秆还田能有效提高土壤活性有机碳含量和土壤酶活性。     

农户对节水型农业种植结构调整意愿的量化分析-- 以黑河干流中游为例

通过探究农户对节水型农业种植结构调整的接受意愿,提出合理性对策以确保其顺利实施,从而提高作物群体用水效率,保障未来干旱缺水地区的粮食安全和农业发展。基于黑河流域中游3个灌区200位农户的调查问卷及入户访谈所取得的具体调查资料,分别运用Logistic回归中的Enter法和Backwardcond itional法分析农户对节水型种植结构调整的意愿及其关键影响因素。结果表明,节水型种植结构调整接受率与农户文化程度、劳动力人口数、耕地面积、兼业程度、政府是否参与、农户节水意识等因素呈显著正相关,与农户年龄、上一季种植作物种类数、商业化程度、农户风险意识等其他因素呈负相关。在此基础上,对影响节水型种植结构调整接受率的关键因素按重要性进行排序为:年龄>政府是否参与>农户节水意识>兼业程度>农户文化程度>耕地面积,其中年龄和政府是否参与2个变量的显著水平分别达到0.002和0.044。此外还构建了关键因素与种植业结构调整接受率的概率关系式。从拟合效果来看,模型拟合值与观测值的吻合度高达78%,说明模型拟合结果较好。基于实证结果,提出依靠示范户带动整体、加强宣传培训及科技投入力度、强化惠农经济补偿、重视政府导向地位等措施,可保证节水型农业种植结构调整的顺利实施。     

西北干旱地区农业健康用水量计算模型研究

农业健康用水量的确定是西北干旱地区可利用水资源在农业与其他用水行业之间合理分配的基础。依据农业健康用水量的内涵和判别标准,建立了西北干旱区农业健康用水量多目标分层优化计算模型。该模型以各业用水及总用水的综合效益最大为目标函数,依据一定的优化次序计算区域农业健康用水量。并以黑河流域为例,应用模型计算各县级行政单元过去年(1999年)、现状年(2006年)和未来年(2020年)在不同来水频率下的农业健康用水量。结果表明:1999年、2006年和2020年水资源配置按模型计算结果重新调整后,流域经济用水总量(包括农业与工业生产用水)所占比例分别降低2.7%、4.6%和2.1%,而综合用水效益分别增加7.1%、16.6%和13.1%,生态效益提高更为显著,分别为27.6%、37.4%和13.6%,证明了模型的可靠性与农业健康用水的可行性。对照不同水平年农业用水健康结果,2006年较1999年、2020年较2006年农业实际用水状态均趋于健康,流域农业用水比重分别下降3.4%和2.0%,综合用水效益分别提高31.1%和91.6%。此外,如果按照以往农业用水分配次序,2020年在50%、75%和95%来水频率下,可预测流域缺水率分别达到10.6%、13.8%和25.9%,表明水资源将进一步趋紧,需采用农业健康用水标准重新配置水资源,达到有效降低缺水损失的最终目的。     

PAM与天然土壤改良材料混合对部分土壤理化性质的影响

为了充分发挥高分子土壤改良剂和一些天然土壤改良材料改土培肥作用,选取了高分子土壤改良剂聚丙烯酰胺（PAM）,分别与具有改土培肥功能的天然土壤改良材料——油渣、秸秆、蛭石、草炭、页岩、风化煤按不同用量混合施入土壤,利用湿筛法、称重法、重铬酸钾容量法、离心机法,测定对土壤水稳性团聚体、孔隙度、土壤有机质、有效含水量和水分蒸发等土壤理化性质的影响。结果表明:（1）各处理与单施PAM相比,对土壤孔隙度没有明显影响,但对土壤水稳性团聚体含量均有不同程度的提高,其中PAM与0.6%秸秆处理和PAM与0.3%油渣处理对其影响最为显著,较单施PAM提高4.9%和4.6%;（2）通过天然土壤改良剂自身的有机质含量测定以及PAM分别与六种天然土壤改良材料混合施入土壤培养前后有机质含量测定,结果分析得出,随着材料施入量增加,各处理培养前后土壤有机质含量呈现递增趋势;风化煤处理对土壤有机质含量增加显著,培养后其土壤损失有机质百分比较高,幅度约50%,页岩处理培养土壤损失有机质的百分比较少,幅度约为6%;（3）通过各处理在不同水吸力下土壤持水量和蒸发观测得出,PAM与3%的风化煤处理显著提高土壤有效水含量,PAM与1%的秸秆处理和PAM与1%的油渣处理显著提高了土壤抗蒸发能力。总体上,PAM与风化煤、PAM与油渣和PAM与秸秆处理对土壤结构、土壤有机质含量、土壤水分等方面有显著改善作用。这对进一步研制具有多重功能的土壤改良剂提供参考。     

不同水分胁迫条件下DSSAT-CERES-Wheat模型的调参与验证

作物模型为人们认识旱区农业生境过程并对其进行调控提供了一种有效的工具。为了探讨小麦生长模拟模型DSSAT-CERES-Wheat能否准确模拟水分胁迫条件下旱区冬小麦的生长发育和产量形成过程,同时确定参数估计和模型验证的最优方案,该研究进行了连续两季(2012.10-2013.06和2013.10-2014.06)的冬小麦分段受旱田间试验。试验将冬小麦整个生育期划分为越冬、返青、拔节、抽穗和灌浆5个主要生长阶段,每相邻两个生长阶段连续受旱,形成4个不同的受旱时段水平(D1-D4),根据小麦生育期的需水量,设置灌水定额分别为40和80 mm 2个水平(I1和I2),共形成8个处理,每处理3次重复,在遮雨棚内采用裂区试验布置,此外在旁边设置1个各生育期全灌水的对照处理。文中设置了5套不同的参数估计和验证方案,利用DSSAT-GLUE参数估计模块得到不同的参数估计结果。通过对比分析冬小麦物候期、单粒质量、生物量、产量、以及土壤水分含量的模拟值和实测值之间的差异,以确定利用DSSAT-CERES-Wheat模型模拟旱区冬小麦生境过程的精度。结果表明,参数P1V(最适温度条件下通过春化阶段所需天数)和G3(成熟期非水分胁迫下单株茎穂标准干质量)具有较强的变异性,变异系数分别为19.07%和16.34%,受基因型-环境互作的影响较大,而其他参数的变异性则较弱,变异系数均小于10%;DSSAT-GLUE参数估计工具具有较好的收敛性,不同参数估计方案所得的参数值具有一定的一致性;不同的参数估计方案所得的模型输出结果有较大差异,其中参数估计方案1(利用两季试验中的充分灌溉处理CK数据进行参数估计,其他不同阶段受旱处理数据进行验证)的模型校正和验证精度最高,其中模型校正的绝对相对误差(absolute relative error,ARE)和相对均方根误差(relative root mean squared error,RRMSE)分别为4.89%和5.18%。在冬小麦抽穗期和灌浆期受旱时,DSSAT-CERES-Wheat模型可以较好地模拟小麦的生长发育过程以及土壤水分的动态变化,但是在越冬期和返青期受旱时,模拟结果相对较差,并且随着受旱时段提前和受旱程度的加重,模拟精度将变得更低。此外,该模型无法模拟由不同水分胁迫造成的冬小麦物候期差异,需要对模型进行相应的改进。交叉验证表明DSSAT-CERES-Wheat模型模拟该研究中不同水分胁迫条件下冬小麦生长和产量的总体性误差在15%~18%左右。总之,DSSAT-CERES-Wheat模型在模拟旱区冬小麦生境过程时存在着一定的局限性,若要更广泛地将该模型应用在中国干旱半干旱地区的冬小麦生产管理和研究,有必要对冬小麦营养生长阶段前期的水分胁迫响应机制和模拟方法进行进一步的深入研究。     

不同灌水水平下CROPGRO棉花模型敏感性和不确定性分析

基于过程的作物模型使用大量的品种和土壤参数来模拟作物生长和土壤水分变化。对于新的作物品种或新的环境,这些参数往往需要重新率定,然而许多参数难以通过实测获得。敏感性分析(sensitivity analysis,SA)可以量化模型输入参数对模型输出的影响,通过筛选出敏感性较大的参数进行率定,而把敏感性较小的参数设为固定值,可以极大简化参数率定过程,提高工作效率和模型模拟精度。为了给DSSAT-CROPGRO-Cotton模型应用于新疆地区进行棉花灌溉制度优化提供本地化的模型参数,对该模型进行了敏感性分析和不确定性分析。该文依据新疆石河子的棉花大田试验资料,应用Morris法和扩展傅里叶幅度敏感性检验(extend Fourier amplitude sensitivity test,EFAST)法对DSSAT-CROPGRO-Cotton模型3个灌水处理(60%ETC、80%ETC和100%ETC,ETC为作物蒸发蒸腾量crop evapotranspiration)下6个输出结果(初花天数、成熟天数、籽棉产量、地上干物质量、最大叶面积指数和蒸发蒸腾量)对于品种和土壤参数进行敏感性分析,并比较了2种方法的相关关系,最后对EFAST法的输出结果进行不确定性分析。相关分析结果显示,对于地上干物质量和最大叶面积指数,Morris法和EFAST法相关性介于0.87~0.93,对于模型结果成熟天数、籽棉产量和蒸发蒸腾量,2种方法相关性介于0.66~0.81。敏感性分析和不确定性分析结果显示,模型模拟灌水处理对初花天数无明显差异,且模拟初花天数和最大叶面积指数存在参数敏感性过于单一现象。模型参数敏感性随土层而不同:对于成熟天数,40~80 cm土壤参数的敏感性更强;对于地上干物质量和蒸发蒸腾量,80~120 cm土壤参数的敏感性更强,这可能是由于该地区气候干旱,下层土壤水分充足程度直接影响作物受到水分胁迫的程度,进而影响作物生长发育和蒸发蒸腾量。模型输出结果最大叶面积指数和蒸发蒸腾量存在一定程度的高估。该研究可提高CROPGRO-Cotton模型在新疆地区的模拟效率和模拟精度。