基于DSSAT模型对豫北地区夏玉米灌溉制度的优化模拟

合理的灌溉制度是提高农业水资源利用效率、保证夏玉米高产稳产的前提。采用农业技术转化决策系统(DSSAT,Decision Support System for Agrotechno1ogy Transfer)探究了河南省北部地区夏玉米不同降水年型下的最优灌溉制度。经过参数的校正和验证,归一化均方根误差(nRMSE)、均方根误差(RMSE)和一致性指数(d)均表现出模拟值与实测值的吻合度很好,DSSAT-maize模型可以准确模拟夏玉米物候期、地上部分生物量、产量和土壤水分状况。然后基于模型模拟了不同灌溉处理下的夏玉米生产潜力,从而评估夏玉米缺水量,并对比分析不同生育时期灌水对产量的影响确定最优灌溉时期,综合考虑产量和水分利用效率确定最优灌溉制度。结果表明:夏玉米生长季的缺水量年际间差异显著,多年平均值为38.91 mm,波动范围为0—193.03 mm。在丰水年,不需要灌溉;在平水年,开花期灌水30 mm;在枯水年,开花期和灌浆期灌水50 mm;在特别干旱年,苗期、拔节期和开花期至少灌水180 mm。优化的灌溉制度下丰水年、平水年和枯水年的WUE达到最高且产量分别占其最高产量的100%、99.72%和97.89%,实现了作物高产节水协同提高的目标。     

喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式土壤水分对降水特征的响应

为了明确喀斯特峰丛洼地不同土地利用类型土壤水分对降水的响应, 采用定位观测法, 选择顺坡种植桂牧1号、顺坡种植玉米、封育、刈割除根、火烧、刈割6种喀斯特峰丛洼地最典型的土地利用方式, 分析了这6种土地利用方式下土壤水分动态变化。结果表明: 研究区2011—2013年的降水量可分为枯水年(2011年)、丰水年(2012年)和平水年(2013年)三种降水年型。枯水年土壤水分年均含量表现为种植桂牧1号>封育>刈割>火烧>刈割除根>种植玉米, 平水年和丰水年均表现为封育>刈割>种植桂牧1号>火烧>刈割除根>种植玉米。封育和桂牧1号土地利用方式在各降水年型下均具有较高的水分含量, 而种植玉米土壤含水量则最低, 其次为刈割除根。降水年型对土壤水分变异系数的影响表现为枯水年>丰水年>平水年的趋势。不同土地利用方式在枯水年、丰水年和平水年三种降水年型中, 土壤水分变化趋势各有特点, 主要受近期降水和土壤蒸发的影响。封育和桂牧1号土壤水分含量高, 两种土地利用方式能显著改善土壤水分状况, 积蓄一定的水分。     

西南地区水稻灌溉需水量变化规律

研究作物需水变化规律是制订灌溉计划和水资源规划的重要依据。本文基于西南地区38个气象站点1951—2012年逐日气象观测资料,根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算水稻需水量,并分析了参考作物蒸散量分布及变化趋势、水稻生育期各阶段需水量变异性及灌溉需求指数分布。结果表明:近62年来西南地区参考作物蒸散量随时间变化不明显且随纬度增加而减少,各站点多年平均水稻生育期内参考作物蒸散量占到全年参考作物蒸散量的47.6%;对水稻生育期需水量分析发现,分蘖和抽穗阶段为水稻生长需水关键期,各阶段需水变化均为中等变异;西南地区水稻多年平均需水量、灌溉需水量和灌溉需求指数分别为304.5 mm、76.9 mm和0.24,需求指数分布自西向东呈逐渐增大,但均低于0.5,整体对灌溉依赖程度较低。     

气候变化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及预测

开展农作物需水规律研究对于干旱半干旱区域旱作物节水灌溉和水分管理实践具有重要意义。以松嫩平原玉米为研究对象,研究玉米生育期需水量规律及灌溉需水量。结果表明:(1)历史时期和未来气候变化情景下,松嫩平原玉米全生育期和L~(mid)时段灌溉需水量等值线沿西南—东北方向递减,其中全生育期和L~(mid)时段2000s灌溉需水量临界等势线(灌溉需水量为0的等势线)分别比1970s北移70.2km和53.4km,全生育期和L~(mid)时段2040s灌溉需水量临界等势线分别比2010s北移30.9km和55.2km。(2)历史时期和气候变化情景下玉米全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势,其中前者以29.1mm/(10a)速度增加,后者以17.5mm/(10a)速度增加。(3)未来温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为波动上升趋势,与1970s相比,2000s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为22.1%,增加6.8亿m~3灌溉水量;2040s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为38.3%,增加12.6亿m~3灌溉水量。     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ.黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959-2007年降水资料和1983-2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续(无)降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明:1959-2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a)-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

气候变化背景下中国农业气候资源变化Ⅵ. 黑龙江省三江平原地区降水资源变化特征及其对春玉米生产的可能影响

利用黑龙江省三江平原地区1959—2007年降水资料和1983—2007年春玉米生育期资料,采用百分位法确定了各站点的极端降水阈值,结合极端降水频次、强度、最长连续（无）降水日数、极端降水贡献率等指标,分析了三江平原地区极端降水的年际间变化特征、不同等级的降水量变化以及春玉米各生育阶段极端降水的分配特征.结果表明：1959—2007年间,研究区域年降水量呈略微减少趋势,且年降水日数的减幅远大于降水量,年内降水量分布更趋于集中;极端降水频次和强度均呈减少趋势,极端降水频次的年际间波动大于极端降水强度;年极端降水量占全年降水量的比例略有减少,减少趋势不显著;年小雨日数极显著减少,而年中雨日数和年内大到暴雨日数的减少趋势不显著.三江平原地区春玉米各生育阶段的极端降水分配比例由高到低依次为生殖生长阶段、营养生长与生殖生长并存阶段、营养生长阶段和出苗前;春玉米生长季内降水量占年降水量的比例显著减少,导致春玉米生长季缺水的风险加大;春玉米生长季内最长连续无降水日数呈极显著增加趋势,增幅达1.1 d·(10 a) ^-1,而最长连续降水日数却呈极显著下降趋势,减幅为0.5 d·(10 a)^-1,说明研究区自然降水条件下春玉米生长季干旱风险有所加大.     

嫩江流域湿地生态需水量分析与预估

探讨了嫩江流域湿地生态需水量的计算方法,并对流域内不同降水频率下湿地生态需水量进行了计算。在此基础上,选择CMIP全球气候模式下RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5等3种排放情景,预测2030年、2050年和2100年嫩江流域湿地生态需水量的变化趋势。研究结果表明:不同降水频率下的流域湿地生态需水量分别为丰水年70.284亿m3,平水年118.696亿m3,枯水年169.343亿m3,反映了其与气候条件的相关性。3种排放情景下湿地生态需水量变化受到最高、最低气温和降水量变化的共同影响,其中RCP2.6情景下需水量呈先增加后减少的趋势;RCP4.5和RCP8.5情景下需水量整体呈增加趋势,到2100年分别达到147.337亿m3和132.659亿m3。气候变化条件下,如何协调水资源需求间的矛盾,维持湿地生态系统健康稳定,将是未来研究关注的重点。     

河北省典型区主要作物有效降雨量和需水量特征

对作物全生育期内有效降雨量及需水规律的研究是进行合理灌溉及水资源优化配置的重要依据。以河北省鸡泽县为典型区域,利用FAO推荐的Penman-Monteith公式和分段单值平均作物系数法对冬小麦、夏玉米和棉花的有效降雨量及需水规律进行计算,并通过M-K检验法分析近60 a来鸡泽县有效降雨量及作物需水量序列的趋势变化及突变现象。结果表明:近60 a鸡泽县冬小麦在生育中期需水量最大,为210.2 mm,有效降雨量均集中在生育中期,缺水量以13.2 mm/10 a的速率呈显著性减少趋势;夏玉米在初始生长期需水量最大,为157.7 mm,有效降雨量集中在生育中期,缺水量以7.0 mm/10 a的速率呈不显著减少趋势;棉花在快速发育期需水量最大,为227.9 mm,有效降雨量集中在生育中期,缺水量以22.3 mm/10 a的速率呈显著性减少趋势。在一定程度上对河北省对农田灌溉用水效率和效益以及保障农作物科学高效生产具有重要的指导意义。     

黄土丘陵沟壑区不同降水年型下土壤水分动态

采用定位监测法,对黄土丘陵沟壑区不同降水年型下旱农坡地、刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地土壤水分的时空变化规律进行了分析.结果表明,降水年型对研究区不同植被类型土壤水分的季节变化和剖面垂直变化均有一定影响.旱农坡地平水年土壤水分的季节变化平缓;枯水年雨季前土壤水分缓慢减小,雨季后显著增加;丰水年则整体增加,且雨季后增加明显.刺槐林、沙棘灌丛和白羊草地平水年土壤水分的季节变化表现为整体降低;枯水年沙棘灌丛土壤水分先减后增,刺槐林与白羊草地呈“W”型曲线变化,两个最低值均出现在6月和8月;丰水年沙棘灌丛和刺槐林土壤水分的季节变化呈“V”型,白羊草地的波动较大,最低值出现在8月.旱农坡地枯水年的土壤水分活跃层和次活跃层深度较平水年下移,丰水年次活跃层消失;丰水年和枯水年,刺槐林和白羊草地土壤水分活跃层深度均较平水年下移,沙棘灌丛则上移.     

莫莫格国家级自然保护区地表水文连通性定量评估

水文连通性的定量评估是当前研究的热点和难点。本研究以欧盟联合研究中心发布的全球30 m分辨率逐月地表水遥感数据集为数据源,利用地统计学连通性、最大连通距离和季节性连通水体面积3个指标,定量评估了平水年的不同月份(2016年5—10月)、不同水文年(丰水年1998年、平水年2016年、枯水年2002年)的9月、不同方向(西-东、北-南)上莫莫格国家级自然保护区地表水文连通性。结果表明: 1)研究区平水年西-东方向的地统计学连通性优于北-南方向,8月和7月的地统计学连通性优于其他各月;各水文年西-东方向的地统计学连通性优劣次序为丰水年>枯水年>平水年,北-南方向的地统计学连通性优劣次序为丰水年>平水年>枯水年;平水年西-东方向6、7、9和10月的最大连通距离均集中在25.26 km,北-南方向最大连通距离则更为集中,所有月份均为10 km;平水年和枯水年的最大连通距离较为接近,但均远小于丰水年的相应值;2)研究区平水年月亮湖水库与嫩江之间、鹅头泡与其邻近湖泊之间频繁地发生季节性连通,其余绝大多数湖泊则始终保持孤立;不同水文年研究区的水文连通格局具有明显差异:丰水年形成了两个巨型连通体,平水年部分湖泊之间发生周期性连通,枯水年所有湖泊之间保持孤立;3)农田退水的承泄区鹅头泡连通体的地表水面积在春、夏、秋3个补水季节均发生了明显扩增。本研究从不同角度量化了多水源补给的莫莫格国家级自然保护区地表水文连通性,研究结果可为湿地保护修复和流域水资源综合管控提供科学依据。     

气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响

利用华北4个气象站点1981—2010年冬小麦的生育期数据和气象资料,研究了华北平原典型区域冬小麦在气候变化条件下的生育期及各生育阶段灌溉需水量。结果表明:(1)过去30a来,华北地区冬小麦播种期和出苗期均有推迟趋势,且高纬度站点的变化趋势明显,其他生育期则呈提前趋势,而冬小麦全生育期表现为缩短;(2)华北冬小麦灌溉需水量在空间上从北到南、自东向西逐渐递减趋势;在时间上,东西部地区灌溉需水量变化趋势相反,东部地区呈逐渐增加趋势,而西部地区呈减小趋势;(3)冬小麦生育阶段的灌溉需水量变化不相同,播种—出苗、拔节—抽穗和抽穗—乳熟期灌溉需水量表现为减少趋势,而出苗—拔节和乳熟—成熟期则表现为增加趋势。就冬小麦整个生育期而言,华北西部地区灌溉需水量(北京密云站和石家庄栾城站)有减少趋势,分别减少6.72mm/10a和8.3mm/10a;而华北东部地区(天津宝坻站和邢台南宫站)的趋势正好相反,分别增加2.6mm/10a和7.08mm/10a。6个生育阶段灌溉需水量的年际波动程度依次为:播种—出苗期乳熟—成熟期抽穗—乳熟期拔节—抽穗期出苗—拔节期播种—成熟期;(4)气象要素对灌溉需水量的影响较复杂,其中灌溉需水量同有效降水量、相对湿度呈负相关,且相关关系极显著,与生育期长度存在微负相关关系,与日照时数、平均温度和风速呈显著正相关。同时,影响各生育阶段灌溉需水量的气象要素也存在差异,主要包括有效降水量、相对湿度和风速等。     

云南省烤烟需水量及灌溉需求指数的时空特征

基于云南省124个农业气象站点1977—2010年逐日气象数据,采用FAO推荐的Penman Monteith公式,计算不同时空条件下云南省烤烟生育期的需水量和灌溉需求指数,分析云南省烤烟需水量和灌溉需求指数的时空特征和变化规律.结果表明： 研究期间,云南省烤烟伸根期、旺长期、成熟期和大田生育期需水量分别为76.73～174.73、247.50～386.64、180.28～258.14和528.18～764.08 mm,以旺长期需水量最高;平均灌溉需求指数分别为-0.02、0.38、0.17和0.26,伸根期有效降雨量可以满足烤烟需求.云南省烤烟需水量呈逐年减少趋势,各生育期需水量气候变化趋势分别为-12.42、-21.46、-7.17和-47.15 mm·(10 a)^-1.各生育期及大田生育期灌溉需求指数最小的地区为德宏,最大的为迪庆;大田生育期灌溉需求指数是负值的3个地区为德宏、西双版纳和普洱.参考作物蒸散量、需水量和有效降水量随纬度的升高而减少,而灌溉需水量和灌溉需求指数却随纬度的升高而加强;有效降水量随海拔的升高而减少,灌溉需水量和灌溉需求指数随海拔的升高而增加.     

黄土旱塬区冬小麦土壤水库动态

土壤水库是旱作农业区粮食稳产和可持续发展的基础.本文结合长期田间定位试验,通过对黄土高原南部长武旱塬2012—2015年冬小麦土壤水分变化的研究,分析了土壤水库的年际与年内变化特征和动态规律.结果表明: 研究区冬小麦田间平均土壤含水量垂直分布曲线均呈“双峰双谷”形,第1处峰点在10～20 cm土层,第1处谷点在50 cm左右,第2处峰点在100 cm左右,第2处谷点在280 cm左右.无论何种降水年型下,土壤水库对降水的响应滞后且滞后的程度一致.降水年型对土壤水库的年际与年内动态变化影响较大.与丰水年相比,枯水年、平水年土壤水库对大气干旱的调节能力降低,表现为主要供水层上移;枯水年、平水年降水量虽少,但对土壤水分的补充作用较丰水年明显;丰水年土壤水库有较大盈余(84.2 mm),水分平衡出现正补偿,枯水年土壤水库稍有亏缺(1.5 mm),水分平衡出现负补偿,平水年土壤水库稍有盈余(9.5 mm),水分平衡出现正补偿.长武旱塬冬小麦田间土壤水分动态可分为4个时期:苗期耗水期、缓慢消耗期、大量消耗期、收获期,整体蒸散耗水大小顺序为:大量消耗期>苗期耗水期>收获期>缓慢消耗期.     

春玉米根系生育特征与冠层关系的研究

以农田实际观测资料为依据,分析了春玉米根系生育特征及其与冠层生长的关系,并提出了定量描述方程;较详细地阐述了水分条件对根系生长的影响,指出利用根系伸展深度确定灌溉计划湿润深度和进行根冠调控,以指导农田优化灌溉的可行性。     

黑河中游主要农作物灌溉制度优化

科学的灌溉制度是干旱半干旱地区农业生产的重要保障。黑河位于西北干旱区,是我国第二大内陆河,且当地中游农业灌溉和下游生态需水矛盾十分突出。利用DSSAT （Decision Support for Agro-technology Transfer）模型模拟了黑河中游地区玉米、小麦、油菜、马铃薯的生长情况,对比分析了四种作物生育期内需水量变化与当地降水条件、现行灌溉制度之间的差异。通过设置灌溉组合探究了四种作物最适宜的灌溉制度,并计算了优化灌溉制度下的节水潜力。结果表明：DSSAT模型通过参数校正与验证后,对四种作物生长过程模拟性能较好,产量标准化均方根误差（nRMSE）均低于15.0%,决定系数（R²）均达到0.65以上。缺水量模拟结果表明,四种作物生长季平均水分亏缺介于122.5-367.0 mm。通过调整灌溉制度,可使玉米、小麦、油菜、马铃薯的水分利用效率分别提高54.8%、25.0%、18.3%和51.3%,且产量变幅均低于5.0%,实现了高产节水的目的。在研究区实施最优灌溉制度,中游农业灌区每年可以节省8.1×10⁸ m³的水资源量,用于支持下游生态保护。     

海河流域生态需水核算

从生态系统角度分析了生态需水内涵和生态需水与生态用水概念的差别。探讨了海河流域自然陆地、河流、湿地、城市 4种生态系统类型生态需水核算方法 ,并对其生态需水量进行了核算。大气降水首先被天然植被利用后形成地表径流 ,才能被人类管理利用来满足经济水量和生态水量需求。从水资源管理来说 ,河流、湿地、城市等生态需水来源于径流性水资源可称为狭义生态需水 ,而包括利用降水性水资源的天然植被生态需水在内的全部生态系统生态需水可认为是广义的生态需水。狭义生态需水是水资源管理及生态需水研究和关注的重心。研究结果表明 :海河流域河流生态需水 31.6 4× 10 8m3,占多年平均天然径流量的 12 % ;湿地生态需水为 34.31× 10 8m3,占 13% ;城市生态需水量 10 .83× 10 8m3,占 4 .1% ,3项合计占径流总量的 2 9.1%。生态需水量是一个动态的值 ,随生态保护目标的提高和经济的发展核算结果必然发生变化 ,维护生态环境质量的状况不同 ,也存在最大、最小生态需水量的阈值问题 ,此类问题需今后进一步研究     

黄土高原半干旱区春小麦农田有限灌溉对策初探

２年的大田试验研究表明,在黄土高原半干旱区,春小麦农田有限灌溉的时期为３叶期到孕穗期之间,但由于该地区降水变率很高,不同降水年型有限灌溉的关键时期和增产效果有很大差异,实际的需水关键期和作物生理的需水关键期往往不相吻合,对半干旱地区的有限浇灌琢作物的耗水过程和产量形成过程进行了讨论。     

不同降水年型下耕作方式结合覆盖对旱地土壤物理性质和马铃薯产量的影响

2018—2021年连续3年在宁夏南部旱作区开展大田定位试验,设置4种耕作方式(翻耕15 cm、深松30 cm、深松40 cm、深松50 cm)和3种覆盖措施(燕麦秸秆覆盖、塑料地膜覆盖、不覆盖),以翻耕15 cm不覆盖处理为对照,探讨不同降水年型下耕作方式结合覆盖对旱地土壤容重、团聚体含量、生育期土壤蓄水量和马铃薯产量的影响。结果表明：与试验处理前相比,3年耕作结合覆盖均能有效降低0～60 cm土层土壤容重;同一耕作方式下,不同降水年型均以秸秆覆盖最佳;丰水年20、40 cm土层以深松30 cm覆盖秸秆处理最佳,60 cm土层以翻耕15 cm覆盖秸秆处理最佳,平水年和枯水年20、40、60 cm土层均以深松40 cm覆盖秸秆处理最佳。在0～20 cm土层,>0.25 mm土壤团聚体含量3年均以深松40 cm覆盖秸秆处理最高;20～40 cm土层,丰水年以翻耕15 cm覆盖秸秆处理最高,平水年和枯水年以深松40 cm覆盖秸秆处理最高;在40～60 cm土层,丰水年、平水年、枯水年分别以翻耕15 cm覆盖地膜处理、深松30 cm覆盖地膜处理、深松30 cm覆盖秸秆处理最高,较对照分...     

内陆河干旱区生态需水分析

根据水分驱动生态演变模型 ,以水分运动和补给条件 ,研究了内陆河平原生态系统的需水结构。生态需水分为过渡带生态需水 ,绿洲生态需水 ;绿洲生态需水又进一步分为天然绿洲生态需水和人工绿洲生态需水。通过流域水分平衡和地面观测资料确定了生态圈层结构的水分需求 ,以及降水与径流对水分需求的补给比例。生态需水的分析计算 ,类似于供需平衡分析。从植物生理角度分析生态需水 ,得到天然植被的总腾发量 Et,作为植被生态需水总量。各典型天然植被的 Et通过实验资料获得。将植被和水面的总生态需水量扣除有效降水补充的部分 ,即为径流性生态需水量 GE。另一方面 ,以流域为单元进行降水和径流统一考虑的水分综合平衡 ,进行生态可利用水量分析。得到生态系统可能实际利用的径流性水资源量 GR。　　将生态需水量 GE与生态系统可能实际利用的水资源量 GR进行平衡分析 ,计算实际生态耗水 ,并分析盐碱地无效耗水。根据 2 0 2 0年生态状态情景分析 ,作出了 2 0 2 0年生态需水与生态系统结构演变的预测     

青藏高原东北部不同降水梯度下高山林线祁连圆柏径向生长与气候关系的比较

为了了解青藏高原东北部不同降水梯度下, 高山林线处的树木径向生长与气候关系是否存在差异, 在青海东北部从西北到东南沿降水梯度设置3个高山林线采样点: 乌兰县哈里哈图国家森林公园(HL, 年降水量217 mm)、都兰县曲什岗(QS, 281 mm)和同德县河北林场(HB, 470 mm), 运用树轮年轮学方法分析林线优势种祁连圆柏(Sabina przewalskii)的径向生长-气候关系随降水梯度的变化规律。结果表明: 不同降水梯度下, 降水对祁连圆柏径向生长的限制作用差异不明显, 但温度对祁连圆柏径向生长的影响存在显著差异。在低降水区域(HL), 冬、夏季最低气温主要限制祁连圆柏径向生长, 并且在不同气候特征年中无明显变化; 在中降水区域(QS), 祁连圆柏的径向生长明显受冬季最低气温影响, 与低降水区域相比, 春、夏季最低气温对祁连圆柏径向生长的限制作用减弱, 并且主要限制因子在不同气候特征年存在显著变化; 在高降水区域(HB), 冬、夏季最低气温对祁连圆柏径向生长的限制作用不显著, 而春、秋季最低气温对祁连圆柏径向生长的抑制作用显著增加, 并且主要集中在高温年和干旱年。该研究结果并未支持干旱(湿润)区高山林线树木径向生长主要由水分(温度)限制的假说, 但是林线处降水量会影响树木生长与温度的关系。随着青藏高原东北部暖湿化加剧, 不同地区林线处树木生长的气候限制因子可能存在复杂化趋势。