论文摘要
北方旱作农业区是中国21世纪粮食生产的重点开发地区,降水时空分布的不均衡以及季节性干旱严重制约了该区农业生产力的提高。沟垄集雨种植技术是一种通过在田间修筑沟垄,垄面覆膜,沟内种植作物,实现降水由垄面向沟内汇集的田间集水农业技术。该技术能有效改善作物水分供应状况,促进作物生长,提高产量和水分利用效率,已成为提高旱区作物生产力的重要措施之一。本研究于2007～2010年通过田间点位试验系统研究了旱作区沟垄集雨覆膜（FM）和传统平作（CK）种植下玉米田及垄覆膜沟内不覆（PF）和平作不覆膜（CK）冬小麦田的土壤水温动态变化以及作物产量,随后利用田间观测数据对DNDC模型改进、验证和敏感性分析,结合GIS技术,分别模拟2001-2010年沟垄集雨覆膜（RH）和传统平作（CK）种植下陕西省旱作玉米田土壤水分、玉米产量时空变化规律,以确定沟垄集雨覆膜模式在区域尺度上的农田水分调控效果及增产效应。1.沟垄集雨种植农田土壤水温状况、产量及水分利用效率1)FM处理能显著的提高0-200cm土层土壤储水量,3年春玉米生育期,FM处理0-200cm土层3年平均土壤储水量分别较CK增加了40.07mm,提高幅度为10.56%；3年冬小麦全生育期,PF处理0-200cm土层3年平均土壤储水量较CK增加了17.17mm,提高幅度为5.26%。沟垄集雨种植模式对于0-100cm土层土壤蓄水保墒效果高于100-200cm土层。3年春玉米全生育期,FM和CK处理0～20cm和20～60cm土层土壤水分动态变化规律相似,随着降雨量的大小而波动剧烈,60-120cm和120～200cm土层土壤水分受降雨量影响较小,变化较为平缓。3年冬小麦生育期,PF和CK处理0-20cm和20～100cm土层土壤水分随着降雨量的高低变化明显,100-200cm土层土壤水分基本不受到降雨量的影响,因而变化平缓。2)春玉米播后60天,FM处理显著地提高了0-20cm土层平均温度,较CK增加了1.76℃,其中,FM处理0-20cm土层在14：00时增温效果最好,其温度较CK提高了1.950C,说明沟垄集雨覆膜种植能够显著提高玉米生长前期的土壤温度。而不同土层土壤温度的日变化结果表明,FM和CK处理土壤温度在4个土层（5cm、10cm、15cm和20cm）的变化趋势一致,土壤温度均随着土壤深度的加深逐渐降低,5cm和10cm的土壤温度变化幅度较大,其中,5cm土温最敏感,15cm和20cm的土壤温度变化幅度较小。3)沟垄集雨覆膜种植显著提高了玉米和冬小麦的产量。FM处理的春玉米3年平均产量、千粒重、穗粒数、穗长和水分利用效率较CK处理显著增加,其产量、千粒重、穗粒数、穗长和水分利用效率分别较CK处理提高了20.37%、8.82%、11.31%、8.48%和23.48%。由于光热条件和降雨量的不同,春玉米各年际间产量水平不同,表现为2010年>2008年>2009年,FM处理较CK增产和提高水分利用效率效果均表现为2008年>2010年>2009年。PF处理冬小麦3年平均产量、千粒重、穗粒数、穗数和水分利用效率分别较CK提高了19.85%、3.68%、5.70%、10.54%和19.81%。PF处理冬小麦产量较对照增产效果表现为2008～2009年>2009-2010年>2007-2008年。2. DNDC模型的改进、验证及敏感性分析1)本研究将沟垄集雨覆膜作为一种农田管理措施,并与土壤水文学和生物地球化学过程结合后加入模型,用于计算新版本DNDC模型的土壤水热状况,种植模式的持续时间和土壤表面的地膜覆盖率作为2个输入参数,使DNDC模型具备了模拟沟垄集雨覆膜种植模式下土壤水热运动和产量效应的能力。2)利用2008-2010年陕西合阳沟垄集雨覆膜（FM）和传统平作（CK）2种处理下田间土壤温度、土壤湿度及作物产量观测数据对模型进行校正和验证。验证结果表明,新版本DNDC很好地再现了FM和CK处理下春玉米田土壤温度、土壤湿度的动态变化规律及产量,模拟值和观测值相关性显著。3)敏感性分析结果表明,在沟垄集雨覆膜种植和传统平作2种模式下,气象因素（降雨量、气温）、土壤质地及施氮肥量对作物产量的影响程度并不相同,在传统平作模式下,作物产量对参数敏感度从大到小依次是降雨量、氮肥施用量、土壤质地和气温,而在沟垄集雨覆膜种植模式下,作物产量对参数敏感度从大到小依次是氮肥施用量、降雨量、土壤质地和气温,沟垄集雨覆膜种植模式降低了作物产量对降雨量的敏感度。对于降雨量较少的地区来说,沟垄集雨覆膜种植对作物增产效应高于降雨量较多的地区。3.沟垄集雨种植下陕西省土壤水分效应及玉米产量模拟1)2001～2010年陕西省的年均降雨量为609.2mm,降雨量从北至南呈现出逐渐递增的趋势,陕西南部地区的降雨量最高,其次是关中地区,陕西北部地区的降雨量最低。从2001至2010年,12个代表点的年降雨量并没有明显增加或者减少趋势,其中降雨量为700mm以上的地区年际间波动剧烈。2)10年玉米田土壤年蒸发量的模拟结果表明,沟垄集雨覆膜和平作种植模式的空间变化规律并不一致。与平作相比,沟垄集雨种植模式下土壤年蒸发量190mm以上的地区从94个县减至16个县,其余地区的土壤年蒸发量均在190mm以下。12个代表点玉米沟垄集雨种植模式下土壤蒸发量显著低于平作模式,年平均土壤蒸发量较平作降低了67.62%。3)沟垄集雨覆膜和平作种植玉米模式下,陕西省各地区10年平均土壤储水量从北至南均呈现出逐渐增加的趋势,与年均降雨量的趋势相同。与平作相比,沟垄集雨覆膜种植模式年均土壤储水量85mm以下的地区由17个县减少至12个县,其中,平作和沟垄集雨覆膜种植模式年均土壤储水量最小值分别为59mm和79mm；沟垄集雨覆膜种植模式年均土壤储水量145mm以上的地区由16个县增加至20个县。除了年均降雨量为700mm以上的洛南、镇安和平利,其余9个代表点的年土壤储水量随着降雨量大小而波动剧烈。4)10年平均水分胁迫从北至南呈现出逐渐减弱的趋势,在年均降雨量在500mm以下的地区最严重,年均降雨量为700mm以上的地区,2种种植模式下玉米生长均无水分胁迫现象,主要是因为降雨量的增加减弱了水分的胁迫。和平作种植模式相比,由于实行沟垄集雨覆膜种植模式,陕西北部6个县和中部14个县10年平均土壤水分胁迫减弱,逐渐接近1。5)产量模拟结果表明：第一,沟垄集雨覆膜和传统平作种植模式下陕西省玉米10a平均产量分别为1320万t.a-1和1140万t·a-1。与平作相比,实行沟垄集雨覆膜种植后,陕西省10年平均产量增加了180万t·a-1,提高幅度为16%；第二,陕西北部年均降雨量低于500mm的地区增产效果最高,产量增加了2000～3500kg·hm-2,而且降雨量偏少年份的增产效应高于降雨量较多的年份；第三,从北至南呈现出逐渐降低的趋势,与年均降雨量的空间分布规律相反；第四,陕西南部年均降雨量为700～800mm的地区,沟垄集雨覆膜种植模式的增产效应较小,与平作模式相比,产量增加了1～1000kg·hm-2;第五,陕西南部年均降雨量高于800mm的地区,沟垄集雨覆膜种植模式对产量的提高具有负效应。