黄土高原半干旱偏旱区草粮轮作田土壤水分恢复效应模拟

采用实地调查和EPIC模型相结合的方法,模拟研究了黄土高原半干旱偏旱区不同草粮轮作模式的土壤水分恢复效应.结果表明：多年生苜蓿地和苜蓿翻耕后种植粮食作物农田0～10 m土层土壤湿度调查值与模拟值间的相关系数均超过0.9（P<0.01）,相对均方根误差在0.05～0.16,相对误差均低于10%;模拟与实测的土壤湿度剖面分布变化趋势一致.在黄土高原半干旱偏旱区,苜蓿地深层土壤干层恢复难度较大,在种植苜蓿期间应避免8～10 m土层土壤湿度降到5.7%以下.苜蓿地适宜种植年限为4～6 a,最长不应超过8 a.苜蓿翻耕后适宜采用马铃薯→马铃薯→春小麦轮作模式进行土壤水分恢复,32～33 a后可以再次种植苜蓿.     

渭北旱塬苹果园地产量和深层土壤水分效应模拟

为了研究实时气象条件下渭北旱塬不同生长年限苹果园地产量变化趋势和深层土壤水分变化规律,在模型适用性与模拟精度验证基础上,应用WinEPIC模型模拟研究了1962—2001年期间洛川旱塬苹果园地产量演变动态和深层土壤水分效应。结果表明：(1) 在模拟研究期间,洛川旱塬4—40年生苹果园产量整体上呈波动性下降趋势,初期产量逐渐增加,11—23年生达到最大值(平均为28.8 t/hm2),之后随降水量年际波动呈现出明显的波动性降低趋势。(2) 40年间苹果园地遭受的干旱胁迫日数呈波动性上升趋势,与年降水量波动趋势相反。(3) 1—15年生期间苹果园地平均年耗水量高于同期年降水量,导致苹果园地0—10 m土层土壤强烈干燥化,逐月土壤有效含水量波动性降低,1—10年生、11—20年生和21—40年生期间发生土壤干燥化并且程度逐渐加剧,但干燥化速率逐渐减缓,土壤干燥化速率分别为95.4 mm/a、12 mm/a和1.5 mm/a。(4) 随生长年限的延长,苹果园地0—10 m土层土壤湿度逐渐降低、土壤干层分布深度逐渐加大,在14年生时超过了10 m,20年生以后2—10 m 土层形成稳定的土壤干层。因此,基于土壤水分利用的苹果生长与果园利用的合理年限为20 a,最长不宜超过23 a。     

黄土高原不同降水类型区旱作玉米田土壤干燥化效应与土壤水分承载力模拟研究

在模拟精度验证基础上,应用WinEPIC模型模拟研究了黄土高原不同降水类型区1960～2000年期间不同肥力水平下连作春玉米的产量变化和土壤水分效应.模拟结果表明:(1)洛川、延安、寿阳、榆林连作春玉米产量地区间差异显著,其年平均值分别为4.40、3.75、 2.50、 1.75 t/hm2.施肥增产率和水分利用效率地区间差异均显著,均表现为洛川>延安>寿阳>榆林;同一地区水分利用效率随施肥量的增加而提高,不同地区施肥增产率最大值范围不同.(2)0～7m土层逐月土壤有效含水量地区间差异显著,洛川>延安>寿阳>榆林;同一地区内肥力水平越高,春玉米耗水量越大,逐月土壤有效含水量平均值越低.在春玉米生育期内0～7m土层年度土壤有效水分增减量地区间差异显著,洛川<延安<寿阳<榆林;不同肥力处理间的差异在模拟前期为显著,在模拟后期为不显著.(3)所有地区的春玉米在连作期间0～7m土层土壤湿度剖面分布,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.土壤干燥化速度地区间差异显著,洛川<延安<寿阳<榆林;不同肥力处理间随着施肥水平的提高土壤干燥化速度加快.(4)洛川、延安、寿阳、榆林连作春玉米的适宜产量水平分别为5.25～5.54、4.26～4.58、2.34～2.74、1.37～1.62 t/hm2,相应的施肥水平分别为N240(N 240 kg/hm2,P 120 kg/hm2)～N300(N 300 kg/hm2,P 150kg/hm2)、N180(N 180 kg/hm2,P 90kg/hm2)～N240(N 240 kg/hm2,P 120 kg/hm2)、N120(N 120 kg/hm2,P 60kg/hm2)～N180(N 180 kg/hm2,P 90kg/hm2)、N60(N 60 kg/hm2,P 30kg/hm2)～N120(N 120 kg/hm2,P 60kg/hm2).     

黄土高原半干旱区苜蓿草地土壤干燥化特征与粮草轮作土壤水分恢复效应

实地测定了黄土高原半干旱区固原不同生长年限苜蓿草地和连作8a苜蓿草地翻耕轮作不同年限粮食作物后深层土壤水分特征,分析了苜蓿草地土壤干燥化特征和粮草轮作对土壤水分的恢复效应.结果表明:(1)苜蓿连作1a、5a、8a和12a等4类苜蓿草地0～1000cm土层平均土壤湿度值为6.6%,平均土壤水分过耗量702.8mm,平均土壤干燥化速率147.1mm/a,达到强烈干燥化程度,苜蓿连作5a土壤干层深度超过1000cm,苜蓿连作8a土壤干层深度超过1360cm,苜蓿草地合理利用年限为7a.(2)连作8a苜蓿草地翻耕并轮作4～7a和25a粮食作物等5类粮田0～1000cm土层土壤湿度介于6.74%～11.95%,土壤贮水量恢复值介于210.6～887.3mm,平均土壤水分恢复速率为80.8mm/a.轮作6a后粮田土壤干层轻度恢复程度以上深度达到1000cm.通过粮草轮作使苜蓿草地土壤湿度恢复到当地土壤稳定湿度需要13a以上.黄土高原半干旱区适宜的粮草轮作模式为:7a苜蓿→13a粮食作物.     

低温潜沼性逆境下不同耐受能力水稻根系动态变化

水稻根系生长分布与地上部生长及产量形成密切相关,定量研究低温潜沼性逆境下水稻根系分布特征对改进稻田管理方式及耐潜品种的选育等具有重要意义。以4个耐潜等级的8个水稻品种为实验材料,在水稻栽培环境模拟系统中连续栽植3年(2012—2014年),研究水稻根系在低温潜沼性逆境下的动态变化规律和分布规律,明确低温潜沼性逆境下水稻根系变化与产量构成的关系。结果表明:1)低温潜沼性逆境下水稻根系长度和数量的M值(绝对变化率)均大于0,P值(相对变化率)均小于0。表明,低温潜沼性逆境下水稻根系仍有一定增长,但与非低温潜沼性逆境相比,根系长度和数量均显著降低,降低程度因品种耐潜等级的高低而不同,耐潜指数高的品种(泸优5号和C优130)降低程度显著低于耐潜指数低的品种(川谷优204和协优027)。2)低温潜沼性逆境对0—10 cm土层根系的影响在5月底6月初最大;对10—30 cm土层根系的影响在6月底最大;对30—50 cm土层根系的影响在6月30日前后最大。3)低温潜沼性逆境下,水稻孕穗-抽穗期根系长度和数量与穗粒数、实粒数、结实率、产量之间呈显著正相关;与单株有效穗数和千粒重呈显著负相关,根系长度和数量的M值与P值,尤其是白根长度和数量的M值与P值可作为一个水稻耐潜能力评价指标进行考虑。4)低温潜沼性逆境下,不同土层水稻根系与产量构成因素间的相关性不同。0—10 cm土层根系长度和数量与有效分蘖数呈显著负相关;10—20 cm土层白根长度和数量与结实率呈显著正相关;30—50 cm土层根系长度和数量与着粒数呈显著正相关。     

黄土高原不同密度刺槐（Robinia pseudoacia）林地水分生产力与土壤干燥化效应模拟

应用WinEPIC模型模拟研究了1957～2001年期间黄土高原半湿润区长武和半干旱区延安不同密度刺槐(Robinia pseudoacia)林地水分生产力演变规律和深层土壤干燥化效应.结果:(1)长武和延安高密度(6000株/hm2)、中高密度(4500株/hm2)、中低密度(3000株/hm2)和低密度(1500株/hm2)等4种处理刺槐林地逐年生物量模拟值均呈现快速增加、达到最大值后又逐年波动性降低的变化趋势,林地密度越高早期逐年生物量越高,后期逐年生物量差异缩小,两地均以低密度处理逐年生物量平均值和累积生物量模拟值最高;(2)4种密度处理45年生刺槐林地年均耗水量值基本相等,长武和延安分别为603mm和566mm,但生长前期年耗水量明显高于后期,并高于同期年降水量,林地密度越高前期耗水量越高,中期以后各密度处理耗水量基本接近且波动趋势基本一致,林地密度越高干旱胁迫程度越重;(3)模拟生长初期,4种密度处理刺槐林地0～10m土层逐月土壤有效含水量均呈现强烈的波动性降低趋势,长武各密度处理刺槐林地分别在7～23年生、延安分别在7～17年生之后逐月土壤有效含水量均在0～200mm较低水平上随降水量变化而波动;(4)4种密度处理林地0～10m土层土壤湿度剖面分布年度变化剧烈,土壤湿度逐年降低且土壤干层逐年加厚,密度越高土壤干层加厚速度越快,长武在26年生、延安在17年生时低密度处理刺槐林地土壤干层厚度均已超过10m,此后2～10m土层土壤湿度保持相对稳定的干燥化状态;(5)长武和延安刺槐林地适宜种植密度分别以1500～3000株/hm2和1500株/hm2为宜,刺槐林地土壤水分可持续利用最大年限分别为26a和18a.     

宁南半干旱与半干旱偏旱区苜蓿草地土壤水分与养分特征

通过对宁夏南部半干旱区(固原)和半干旱偏旱区(海原)不同生长年限紫花苜蓿(Medicago sativa L.)草地深层土壤水分与养分含量的测定,分析和比较了2种干旱类型区苜蓿草地土壤水分与养分差异及其土层剖面的分布特征。结果表明：(1) 2个类型旱区苜蓿草地0～1000 cm土层平均土壤湿度随生长年限的延长逐渐降低,但草地衰败后对水分的消耗减少。(2) 随土层深度的增加,2个类型旱区苜蓿草地土壤湿度表现出先减少后增加的变化趋势;有机质、全氮、碱解氮和速效磷含量不断减少。(3) 随生长年限的延长,2个类型旱区苜蓿根系对土壤水分和养分的消耗不断加深,6 a苜蓿草地土壤含水量、碱解氮和速效磷发生了不同程度的亏缺;10 a苜蓿草地均已进入衰败期,土壤有机质、全氮和碱解氮自上而下逐渐恢复,且半干旱偏旱区恢复的较快;速效磷含量随生长年限的延长不断减少,苜蓿草地衰败后消耗速率减小。(4) 半干旱偏旱区相同生长年限苜蓿草地0～400 cm土层土壤养分含量均高于半干旱区。(5)土壤水分亏缺与养分不均衡导致苜蓿草地衰败。因此,在实际生产中对旱地苜蓿草地应进行合理灌溉与施肥,平衡土壤养分并延缓草地衰败。     

黄土高原半干旱和半湿润地区刺槐林地生物量与土壤干燥化效应的模拟

 黄土高原人工刺槐(Robinia pseudoacacia)林地深层土壤干燥化现象普遍发生, 日益严峻地威胁着人工植被建设成效。分析和比较半干旱和半湿润地区刺槐林地生物量演变趋势、深层土壤干燥化发生规律和区域分布特征差异, 能够为黄土高原因地制宜地营造刺槐林提供科学依据。在WinEPIC模型气象、土壤和作物参数数据库组建与模拟精度验证的基础上, 应用WinEPIC模型模拟研究了1957–2001年黄土高原半湿润地区洛川和长武、半干旱地区延安和固原等地1–45年生刺槐林地生物量演变规律和深层土壤干燥化效应。结果表明: 洛川、长武、延安和固原的刺槐林地连年净生产力模拟值在5–8年生时达到最大值后, 随着降水量年际波动呈现出明显的波动性降低趋势, 其平均值分别为5.33 × 10³、4.56 × 10³、4.03 × 10³和3.35 ×10³ kg·hm^–2·a^–1; 1–7年生刺槐林地年耗水量高于同期年降水量, 导致林地0–10 m土层土壤强烈干燥化, 洛川、长武、延安和固原刺槐林地年均土壤干燥化速率分别为164.3、165.7、187.1和190.0 mm·a^–1, 8–45年生刺槐林地有效含水量在0–250 mm的较低水平上随降水量变化而波动; 1–9年生刺槐林地0–10 m土层土壤湿度剖面分布变化剧烈, 土壤湿度逐年降低且土壤干层逐年加厚, 7–9年生时土壤干层厚度已经超过10 m, 8–45年生刺槐林地2–10 m土层土壤湿度保持相对稳定的干燥化状态; 洛川和长武刺槐林地水分生产力较高且相对稳定, 刺槐林地生长期可以超过45年; 而延安和固原刺槐林地水分生产力较低且稳定性差, 刺槐林稳定生长期不超过40年。