陕西不同区域苹果林土壤水分动态和水分生产力模拟

基于WinEPIC和偏最小二乘回归模型对1981—2016年陕西不同区域成龄苹果林的水分生产力影响因子和土壤水分动态进行比较.结果表明: 研究期间,陕北丘陵沟壑区、渭北残塬区和关中平原区成龄苹果林年均产量分别为16.94、22.62和25.70 t·hm^-2,年均蒸散量分别为511.2、614.9和889.88 mm,水分生产力分别为3.81、3.82和3.24 kg·m^-3.在陕北区和渭北区,林地水分胁迫最严重,年均胁迫天数分别为54.89、28.38 d,关中区的N素胁迫较为剧烈,年均胁迫天数为25.87 d.陕北区和渭北区影响苹果林产量的最大因子是降水量,其标准化回归系数分别为0.274和0.235,但施N量对产量也有较大影响,回归系数分别达0.224和0.232;关中区的最大影响因子为施N量,回归系数为0.335,其次是供水量和施P量,回归系数分别为0.154和0.147.陕北区和渭北区影响苹果林水分生产力的最大因子是降水量,其标准化回归系数分别0.238和0.194;关中区最主要的影响因子为施N量和供水量,回归系数分别为0.182和0.178.在模拟期间,陕北区、渭北区和关中区苹果林地的过耗水总量分别为1152.17、1342.95和1372.42 mm,2~15 m土层土壤有效含水量下降速率分别为63.44、57.08、51.41 mm·a^-1,深层土壤干层出现时间分别为8、13和17年后,干层稳定至11 m深的时间分别为18、21和26年,干燥化严重.不同区域苹果林的管理重心应参考水分生产力的主导因子确定.     

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。     

黄土高原不同降水量区苹果园土壤干燥化效应及生产水足迹模

为探明黄土高原地区旱作苹果园深层土壤干燥化效应和生产水足迹动态变化,选择半湿润区洛川和半干旱区米脂两个典型苹果种植区,采用WinEPIC模型定量模拟分析两个区域1980—2020年旱作苹果园0～15 m土壤水分动态变化和苹果生产水足迹演变规律。结果表明: 洛川和米脂成龄果园年产量大致呈“S”型趋势变化,年均值分别为24.64和18.42 t·hm^-2;年均蒸散量分别为623.82和458.97 mm,年均干旱胁迫日数分别为20.4和52.73 d,年均水分过耗量分别为167.94和121.15 mm。洛川1～25龄、米脂1～23龄果树土壤有效含水量下降趋势明显,土壤干燥化速率分别为64.6和68.03 mm·a^-1;洛川和米脂深层土壤干层形成的时间为第13年和第7年,并分别于第23年和第22年后达到稳定,降水量高的地区形成和达到稳定土壤干层的时间较晚,如果土壤水分长期处于亏缺状态,最终会形成不可逆转的土壤干层。洛川和米脂苹果生产水足迹均呈前期低后期高的特征,年均生产水足迹值分别为0.187和0.194 m³·kg^-1。苹果产量和生产水足迹受降水影响,在水资源短缺的黄土高原地区,为了苹果产业能够持续健康发展,建议苹果树最佳种植年限为23年左右,最多不应超过25年。     

黄土高原苹果园土壤水分及水分生产力模拟

以长武地区为例,采用WinEPIC模型模拟1980—2018年间黄土高原旱作苹果园地深剖面土壤水分和水分生产力变化动态,以期为该区苹果产业的可持续发展提供科学依据。结果表明: 长武地区苹果园年均产量为26.37 t·hm^-2,年均蒸散量为673.66 mm,年均水分生产力为4.07 kg·m^-3,成龄果树水分胁迫天数主要受降雨量影响,果树生长后期年均胁迫天数为46.46 d,深层土壤含水量最早于9龄果树开始接近凋萎湿度。长武地区苹果整个生长周期内供水量是对果园产量影响最大的因素,深层土壤有效水含量降低是制约果树生长中后期产量提高的最主要因素,在降水不足的年份果树会利用更深层土壤水分。当深层土壤可利用水分较少时,过多的降水并未被果树利用,而是转化为浅层土壤水分蒸发。对于成龄果树在年供水量低于500 mm或高于700 mm时都会造成产量的下降。针对不同生长时期的果园,在不同的降雨年份应该调整果园水分管理策略,可以通过补充灌溉、拦蓄集聚雨水、覆盖、修剪枝条等管理措施,降低果树非生产性耗水及自身奢侈性耗水,延缓深层土壤干层的出现时间,在保证果树生长的同时避免水资源的浪费。     

黄土高原不同类型旱区苜蓿草地水分生产潜力与土壤干燥化效应模拟

在模型验证和数据库组建基础上,用WinEPIC模型定量模拟研究了黄土高原半湿润区长武、半干旱区固原和半干旱偏旱区海原20～30年内苜蓿草地水分生产潜力、10m土层土壤有效含水量和土壤湿度剖面分布特征的动态变化.结果表明:长武、固原和海原苜蓿草地水分生产潜力模拟值随降水量变化而呈现波动性降低趋势,其平均值分别为8.81、3.83和2.48t.hm-2;长武、固原和海原苜蓿草地10m土层逐月土壤有效含水量模拟值均呈现明显的波动性降低趋势,模拟初期,4～8年生苜蓿草地土壤干燥化趋势十分强烈,此后,随降水量变化长期在较低水平上波动;随着苜蓿生长年限的延长,苜蓿草地土壤干层逐年加深、加厚,长武、固原和海原土壤干层分布深度达到10m所需时间依次为6、6和4年,此后苜蓿草地降水渗深以下土层长期维持较为稳定的干燥化状态;苜蓿草地水分持续利用的合理年限为半湿润区8～10年,半干旱区6～8年,半干旱偏旱区4～6年.     

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.     

黄土高原半干旱区不同密度山地苹果园水分生产力模拟

采用修订WinEPIC模型,模拟研究了陕西延安和甘肃静宁1965-2009年7种不同密度处理山地苹果园产量和深层土壤水分效应.结果表明：各密度处理4～45年生果园产量均呈现初期快速增加,达到最大值后又逐年波动性降低趋势;果园密度越高,初期产量增加越快,后期产量随降水量年际波动越剧烈.各密度处理果园遭受干旱胁迫规律基本一致,即生长前期无干旱胁迫,随种植年限延长干旱胁迫波动性加剧,生长后期干旱胁迫日数与年降水量波动趋势相反.生长初期,各密度处理果园0～15 m土层逐年土壤有效含水量均呈现波动性强烈降低趋势,延安和静宁分别在17～22年生和13～20年生之后土壤有效含水量维持在0～600 mm的较低水平.各密度处理果园0～15 m土层土壤湿度剖面分布特征相似：均经历了土壤湿度逐年降低和土壤干层逐年加厚的干燥化过程,土壤稳定干层深度可达12 m.基于0～15 m土壤有效水分含量和4～45年果园产量模拟结果确定,延安和静宁果园适宜种植密度分别为650～800和550～700 株·hm^-2.
     

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。