黄土高原南部半湿润区旱作高产粮田土壤干燥化规律与土壤水分承载力模拟研究

论文摘要

随着全球干旱趋势加剧和水资源短缺态势的日益显现,同时由于农田土壤肥力和粮食产量的持续提高,农田土壤水分利用率不断提高,黄土高原旱作粮田土壤水分收入量不断降低,土壤水分支出量不断增大,引起旱作高产粮田土壤水库中有效水分含量持续下降,以深层土壤水分持续亏缺为特征的土壤干层形成已经成为旱地粮食持续高产和稳产的严重隐患。在广泛调查在广泛调查和野外实地观测的基础上,应用美国研制的环境政策综合气候模型-WinEPIC,模拟研究了1960～2000年期间黄土高原半湿润区不同肥力水平下旱作粮田产量水平和深层土壤干燥化效应,探讨了旱作粮田土壤水分利用的适宜强度和土壤水分承载力,为促进黄土高原旱作农田土壤水分持续高效利用和粮食生产稳产发展提供科学依据。取得的主要研究进展如下:（1）黄土高原半湿润区旱作粮田作物土壤水分调查结果显示:随着年降水量趋势性降低和农田肥力水平逐渐提高,旱作粮田深层土壤湿度逐渐降低,土壤干层逐渐加深和加厚。高产粮田的土壤水分明显低于低产粮田,粮田土壤干燥化现象在1～3米范围内较明显,在3米以下也开始出现土壤水分减少的迹象。（2）组建了宝鸡和洛川等研究地区的逐日气象要素序列、土壤剖面理化性状、作物生长参数等WinEPIC模型数据库。模型验证结果表明,经过修订的Win EPIC模型对不同肥力处理下连作冬小麦、连作春玉米的籽粒产量和农田土壤水分变化动态模拟较为准确,适用于黄土高原冬小麦连作和连作春玉米的模拟研究。（3）在1960～2000年模拟研究期间,宝鸡和洛川N0、N90、N120、N150和N180等5种肥力水平下连作冬小麦产量因年降水量的依次递减而降低,宝鸡平均值分别为1.588 t/hm2、2.306 t/hm2、3.327 t/hm2、3.981 t/hm2和4.764 t/hm2,洛川分别为1.444 t/hm2、1.940 t/hm2、2.454 t/hm2、2.866 t/hm2和3.241 t/hm2。宝鸡麦田易受氮素胁迫,洛川麦田易受干旱胁迫。水分利用效率和施肥增产率两地差异均显著,均表现为宝鸡>洛川。宝鸡0～7m土层逐月土壤有效含水量和稳定性高于洛川。0～7m土层土壤湿度剖面分布变化动态表明,在经历了土壤湿度逐年降低、土壤干层逐年加厚的干燥化过程后,均出现了稳定的土壤干层,宝鸡和洛川各施肥处理麦田干层厚度相同,均为3m、3m、4m、4m和5m。土壤干燥化速度随肥力水平的增加而增大,宝鸡低于洛川。从增产和土壤水分可持续利用角度统筹考虑,宝鸡和洛川旱作小麦田土壤水分承载力分别为4.500 t/hm2和2.700 t/hm2。维持当地旱作小麦田土壤水分承载力的适宜施肥量:宝鸡为N165 kg/hm2和P80 kg/hm2,洛川为135 kg/hm2和P65 kg/hm2。（4）在1960～2000年模拟研究期间,宝鸡和洛川N0、N60、N120、N180和N240处理春玉米产量因年降水量逐年降低而降低,宝鸡平均值分别为2.681 t/hm2、3.949 t/hm2、5.403 t/hm2、6.110 t/hm2和6.358 t/hm2,洛川分别为3.086 t/hm2、3.574 t/hm2、4.133 t/hm2、4.828 t/hm2和5.253 t/hm2。水分利用效率和施肥增产率地区间差异均显著,均表现为宝鸡>洛川,同一地区内随施肥水平的提高水分利用效率增大。宝鸡0～7m土层逐月土壤有效含水量和稳定性高于洛川。随着施肥水平的提高,N0、N60、N120、N180和N240处理春玉米田逐月土壤有效含水量平均值呈现波动性降低趋势。0～7m土层土壤湿度剖面分布变化动态显示,在经历了土壤湿度逐年降低、土壤干层逐年加厚的干燥化过程后,均出现了稳定的土壤干层,宝鸡和洛川春玉米田干层厚度相同,N0、N60、N120、N180和N240处理均为2m、3m、4m、4m和5m。土壤干燥化速度随肥力水平的增加而增大,宝鸡低于洛川。从增产和土壤水分可持续利用角度统筹考虑,宝鸡和洛川旱作春玉米田土壤水分承载力分别为6.000 t/hm2和4.000 t/hm2。维持当地旱作春玉米田土壤水分承载力的适宜施肥量:宝鸡为N160 kg/hm2和P80 kg/hm2,洛川为N100 kg/hm2和P50 kg/hm2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的与意义
• 1.2.1 研究黄土高原农田水分水分生产力及承载力的意义
• 1.2.2 应用EPIC 模型研究黄土高原农田水分生产力及承载力的意义
• 1.3 国内外EPIC 模型研究进展
• 1.3.1 国外研究进展
• 1.3.2 国内研究进展
• 第二章 研究内容和方法
• 2.1 研究内容
• 2.1.1 黄土高原南部半湿润区旱地粮田生产力和土壤水分的调查
• 2.1.2 黄土高原南部半湿润区旱作粮田模拟研究的数据库组建
• 2.1.3 EPIC 模型的精度验证和修订
• 2.1.4 宝鸡和洛川不同肥力水平下连作冬小麦的产量与土壤水分效应研究
• 2.1.5 宝鸡和洛川不同肥力水平下连作春玉米的产量与土壤水分效应研究
• 2.2 研究方法和技术路线
• 2.2.1 研究方法
• 2.2.2 技术路线
• 2.3 试验区简况
• 2.3.1 宝鸡简况
• 2.3.2 洛川简况
• 2.4 试验方案
• 第三章 黄土高原南部半湿润区旱作粮田土壤干燥化调查
• 3.1 半湿润区旱作粮田0～600CM 土层土壤含水量
• 3.2 半湿润区旱作粮田土壤湿度剖面分布特征
• 3.3 小结
• 第四章 黄土高原EPIC 模型数据库组建
• 4.1 EPIC 模型简介
• 4.2 黄土高原EPIC 模型数据库组建
• 4.2.1 黄土高原WinEPIC 模型气象数据库组建
• 4.2.2 黄土高原WinEPIC 模型土壤数据库组建
• 4.2.3 黄土高原WinEPIC 模型作物参数库组建
• 4.2.4 黄土高原WinEPIC 模型其它辅助数据库组建
• 第五章 EPIC 模型在黄土高原地区的应用验证
• 5.1 WINEPIC 模型对黄土高原冬小麦生长模拟精度验证
• 5.1.1 连作冬小麦产量模拟精度验证
• 5.1.2 连作冬小麦田土壤水分模拟精度验证
• 5.2 WINEPIC 模型对黄土高原春玉米生长模拟精度验证
• 5.2.1 连作春玉米产量模拟精度验证
• 5.2.2 连作春玉米水分模拟验证
• 第六章 黄土旱塬旱作冬小麦田土壤干燥化效应与土壤水分承载力模拟
• 6.1 黄土旱塬冬小麦生长模拟试验方案
• 6.2 半湿润区南部——宝鸡
• 6.2.1 宝鸡地区不同肥力处理冬小麦产量和耗水量
• 6.2.2 不同肥力处理冬小麦田逐月土壤有效含水量
• 6.2.3 不同肥力处理冬小麦田土壤湿度剖面分布年度变化
• 6.2.4 小结
• 6.3 半湿润区北部——洛川
• 6.3.1 不同肥力处理冬小麦产量和耗水量
• 6.3.2 不同肥力处理冬小麦田逐月土壤有效含水量
• 6.3.3 不同肥力处理冬小麦田土壤湿度剖面分布年度变化
• 6.3.4 小结
• 6.4 半湿润区冬小麦田模拟结果比较
• 6.4.1 宝鸡和洛川地区小麦产量比较
• 6.4.2 宝鸡和洛川麦田土壤干燥化效应比较
• 6.4.3 宝鸡和洛川麦田土壤水分承载力
• 6.4.4 小结
• 第七章 黄土旱塬旱作玉米田土壤干燥化效应与土壤水分承载力模拟
• 7.1 黄土旱塬春玉米生长模拟试验方案
• 7.2 半湿润区南部——宝鸡
• 7.2.1 宝鸡地区不同肥力处理春玉米产量和耗水量
• 7.2.3 不同肥力处理春玉米田逐月土壤有效含水量
• 7.2.3 不同肥力处理春玉米田土壤湿度剖面分布年度变化
• 7.2.4 小结
• 7.3 半湿润区北部——洛川
• 7.3.1 不同肥力处理春玉米产量和耗水量
• 7.3.2 不同肥力处理春玉米田逐月土壤有效含水量
• 7.3.3 不同肥力处理春玉米田土壤湿度剖面分布年度变化
• 7.3.4 小结
• 7.4 半湿润区春玉米田模拟结果比较
• 7.4.1 宝鸡和洛川春玉米产量比较
• 7.4.2 宝鸡和洛川春玉米田土壤干燥化效应比较
• 7.4.3 宝鸡和洛川春玉米田土壤水分承载力
• 7.4.4 小结
• 第八章 讨论与结论
• 8.1 讨论
• 8.1.1 关于EPIC 模型的讨论
• 8.1.2 关于旱地农田干燥化和水分承载力的讨论
• 8.2 结论
• 8.2.1 关于黄土高原半湿润区旱作粮田作物产量调查与土壤水分监测结果
• 8.2.2 关于EPIC 模型模拟精度验证的结果
• 8.2.3 关于宝鸡和洛川连作冬小麦的模拟结果
• 8.2.4 关于宝鸡和洛川连作春玉米的模拟结果
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介