改进后的CTM模型在半干旱区作物生长中的应用

将改进后含有温度和水肥补偿效应的CTM模型应用于半干旱区作物研究中,分析了水分因子与土壤养分因子间的生态学补偿效应,模拟了半干旱区作物生长过程,并对在不同水分和不同施肥量下的作物生长状况进行了数值模拟。结果表明,在水分变化梯度上,随着土壤水分的增加,主要作物春小麦的产量呈上升趋势,试验条件下春小麦籽粒产量的最大值为462.35g·m^-2;一定限度内通过合理施肥可以补偿土壤水分不足。模拟计算结果表明,丰水条件下施中肥效果最好。     

灌溉与施氮对黑河中游新垦沙地春小麦生长特性、耗水量及产量的影响

在黑河中游边缘绿洲新垦沙地设计大田试验,研究了不同灌溉量(估算春小麦生育期需水量的0.6、0.8、1.0倍)与施氮量(0、140、221和300 kg/hm2)对春小麦生长特性、耗水量及产量的影响.结果表明,灌溉与施氮对春小麦植株高度产生一定的影响,但其效果不明显.高灌溉量加大作物的耗水量,春小麦全生育期,高灌溉处理的耗水量比中等灌溉处理与低灌溉处理分别增加16.68%与36.88%.当施氮量小于221 kg/hm2时,增加施氮量可以提高地上部干物质量、单位面积粒数、单穗粒重与产量,从而提高水分利用效率(WUE);当施氮量大于221 kg/hm2时,高施氮量使大量干物质滞留于营养器官,导致成熟前物质的转移不充分,同时在土壤水分亏缺的条件下,高施氮处理加重干旱胁迫,从而使221 kg/hm2处理的地上部干物质量(4 159 kg/hm2)、单位面积粒数(3 774)、单穗粒重(259.42 mg)、产量(2 132.83 kg/hm2)与WUE(3.85 kg·mm-1·hm-2)在各施氮处理中最高.地上部干物质量、籽粒产量及产量构成要素随灌溉量的增加而增加.低灌溉处理的WUE显著高于中等灌溉处理与高灌溉处理处理,中等灌溉处理与高灌溉处理之间的WUE差异不显著.结果表明,低灌溉处理(春小麦全生育期灌溉量378 mm)与221 kg/hm2施氮是黑河中游边缘绿洲新垦沙地农田可以获得相对较高的经济产量与高WUE的最佳组合.     

灌水量对土壤水肥分布与春小麦水分利用效率的影响

通过对春小麦不同灌水量土壤剖面水分和可溶性养分分布、农田实际蒸散量、作物水分利用效率及生物指标等的测定与计算,对沙坡头层次性土壤种植春小麦最适宜灌水量进行了研究。结果表明:(1)在春小麦拔节期及扬花期,以500 m³·hm^-2、750 m³·hm^-2及1 000 m³·hm^-2水量灌溉,土壤剖面30~100 cm深度土壤含水量随灌水量的增加而明显增加。(2)拔节期3个灌溉水平土壤剖面可溶性养分含量分布的峰值均出现在 0~20 cm土层,但其浓度的下移随灌水量的增加而降低;扬花期土壤剖面可溶性养分含量的峰值随灌水量的增加而下移。在灌水量为500 m³·hm^-2时可溶性养分浓度最高。(3)作物耗水量和农田实际蒸散量均随灌水量的增加而增加,春小麦的水分利用效率则随灌水量的增加而降低,与灌水量为500 m³·hm^-2相比,灌水量为750 m³·hm^-2及1 000 m³·hm^-2时籽粒水分利用率分别降低83.33%和147.50%。可见,在该土壤上种植春小麦的最适宜灌水量为500 m³·hm^-2,灌水量可保持在土壤田间持水量40%左右。     

民勤咸水灌溉及SWAP模型模拟研究

 采用0.8 g·L-1和5 g·L-1浓度咸水对民勤传统作物黄河蜜进行咸水灌溉试验。通过野外试验和实验室分析,评价了咸水灌溉对土壤性质和作物产量的影响,校正了SWAP模型并对相关因子进行了模拟分析。研究结果显示,尽管基于当地种植经验的灌水量与基于潜在蒸发蒸腾量（ET0）及根据田间持水量计算的需水量有一定差异,但灌溉水质和灌水量与田间产量具有较好的一致性;0.8 g·L-1处理的水利用效率高于5 g·L-1处理,湿润年的水利用效率高于干旱年;模拟结果显示,SWAP模型对不同试验处理和不同气候条件下的土壤性质和作物产量模拟效果较好。由此得出结论,在民勤可以利用SWAP模型模拟不同环境条件下的土壤水分状况及作物产量,为农田耕作提供理论支撑。     

灌溉与施氮对留茬免耕春小麦产量、水分利用效率及氮肥表观利用效率的影响

在甘肃省石羊河流域绿洲灌区,研究了不同灌溉量(常规灌溉327 mm、节水20%灌溉261 mm和节水40%灌溉196 mm)和施氮量(0、140、221 kg·hm-2和300 kg·hm-2)对留茬免耕春小麦籽粒产量、秸秆产量、收获指数、水分利用效率和氮素表观利用效率的影响。结果表明,在各施氮处理中,春小麦籽粒产量、秸秆产量、收获指数随灌溉量增加而增加,水分利用效率和氮素利用效率随灌溉量增加先增加后降低。节水20%灌溉的水分利用效率和氮素表观利用效率最高。就各灌溉水平平均值而言,当施氮达到221 kg·hm-2,春小麦籽粒产量(6 365 kg\5hm-2)、收获指数 (0.49)、水分利用效率 (14.51 kg·mm-1·hm-2) 和氮素表观利用效率(21.8%)达到最大值。在与该试验条件相似地区,综合考虑籽粒产量、水分利用效率和氮素表观利用效率,节水20%灌溉和221 kg·hm-2施氮量为最优组合。     

荒漠绿洲农田土壤水热动态及硝态氮淋溶特征北大核心CSCD

灌溉和氮肥的施用是保障干旱荒漠区农田生产的关键措施,但过量的氮肥会随水分淋溶至深层土壤或地下水中,从而导致氮素的损耗和地下水的污染。本研究以黑河中游荒漠绿洲过渡带两种开垦年限的农田土壤(风沙土和灰棕漠土)为研究对象,通过土柱模拟试验监测分析了玉米生育期和休闲期内土壤水分和温度的动态变化及硝态氮(NO_(3)^(-)-N)的淋溶规律,揭示了不同耕作年限农田土壤中硝态氮损耗的差异。结果表明:新绿洲农田深层渗漏及NO3--N的淋失主要发生在苗期-拔节期以及休耕期,深层渗漏年损失量97.65-105.1 mm,占年灌溉水总量(810 mm)的12%-13%,NO_(3)^(-)-N淋溶年损失量68.1-123.8 kg·hm^(-2),占年施氮总量的18.7%-34.2%,休耕期灌水致使生育期内土壤中大量积累的氮素淋溶至深层,NO3--N淋失量是当年生育期内NO_(3)^(-)-N淋失量的2.2倍;开垦年限较长的老绿洲农田在相同灌溉施肥条件下无深层渗漏和NO_(3)^(-)-N的淋失现象发生,其“蓄水保墒”及抑制水分和NO_(3)^(-)-N渗漏淋失的生态效应优于开垦年限较短的新垦绿洲农田。因此,为降低土壤水分损失和NO_(3)^(-)-N淋失风险,建议新绿洲农田生育期内减少春季灌溉次数或降低灌水定额,冬季休耕期降低灌水定额或采取免冬灌措施,以此保证灌溉水资源的优化利用并减少农田氮素的淋失。     

塔里木沙漠公路防护林带根灌节水试验研究

根灌技术直接把水分灌溉到一定深度的植物根系土壤层,是一项新的节水灌溉技术;在塔里木沙漠公路防护林带灌溉中,首次开展了根灌对土壤水分作用与影响的节水试验研究,并与传统的沙漠公路防护林带滴灌技术进行对比。研究结果表明,根灌技术比滴灌技术更加节水,其主要优点表现在增加土壤含水量、增加土壤层的湿润深度、提高灌水效率、节省灌水时间等。而且,根灌技术能有效地抑制滴灌造成的地表土壤水分的蒸发损失、地表土壤的盐分积累。根灌技术比滴灌要节水30%以上,是一项更高效的节水灌溉技术。     

奈曼沙地春小麦蒸散量及其分析

运用波文比-能量平衡法和大型蒸渗仪对沙地春小麦的蒸散量进行了连续的测定和估算,并对由于降雨和灌溉所引起的土壤有效水分变化与沙地春小麦蒸散量之间的相关关系进行了初步探讨。结果表明:①春小麦蒸散量在降水或灌溉后1~2 d最大,然后逐渐下降,说明春小麦的蒸散速度受土壤有效水分含量的影响;②春小麦出苗前和生长初期,蒸散以地表蒸发为主,蒸散量较小,感热通量和土壤热通量较大;随着时间推移,L AI(叶面积系数)逐渐增大,由于作物遮蔽,感热通量和土壤热通量减小,潜热通量对净辐射贡献增大;③测定期间,波文比在早晨日出前(5:00)达到最大,至下午15:00左右下降为最小,然后开始增大至次日凌晨;④应用波文比-能量平衡法估测的沙地春小麦蒸散量与大型蒸渗仪的测定值一致性较好,相关系数R²为0.9055。     

陇中黄土高原区旱地春小麦产量对干旱胁迫响应的模拟研究

为进一步探明陇中黄土高原区旱地春小麦产量形成对不同干旱胁迫的响应机制,依据甘肃省定西市安定区凤翔镇安家沟村2016—2018年大田控水试验数据以及定西市安定区1971—2018年气象数据,验证农业生产系统模拟(Agricultural production systems simulation,APSIM)模型模拟不同干旱胁迫旱地春小麦产量及产量构成要素的适宜性,基于APSIM模型分析不同生育期、不同程度干旱胁迫对旱地春小麦籽粒数、千粒重和产量的影响,利用多元逐步回归方程确定陇中黄土高原区旱地春小麦最佳灌水时间和灌水量。结果表明:(1)APSIM模型模拟陇中黄土高原区旱地春小麦生育期、籽粒数、千粒重和产量的均方根误差(Root mean square error,RMSE)均小于3.67 d、300.52个·m^-2、2.56 g、267.43 kg·hm^-2,归一化均方根误差(Normalized root mean square error,NRMSE)均小于3.89%、2.86%、9.71%、11.58%,模型有效性指数(Model effectiveness index,ME)均大于0.62、0.78、0.60、0.66,表明APSIM模型对模拟干旱胁迫条件下陇中黄土高原区旱地春小麦产量形成具有较好的适应性。(2)不同生育期干旱胁迫下,拔节期干旱胁迫对小麦籽粒数影响最大,其次由大到小依次为出苗期、分蘖期、无胁迫、抽穗期、开花期和灌浆期;灌浆期干旱胁迫对小麦千粒重影响最大,其次由大到小依次为开花期、抽穗期、无胁迫、拔节期、出苗期和分蘖期;拔节期干旱胁迫对小麦产量影响最大,其次由大到小依次为灌浆期、抽穗期、开花期、出苗期、无胁迫和分蘖期。(3)不同程度干旱胁迫下,灌水量300.00 mm旱地春小麦产量最大为4866.19 kg·hm^-2,与其他4种灌水相比产量分别增加283.53%、39.65%、0.46%和15.58%。(4)出苗后第1 d、47 d、60 d、82 d、86 d灌水,且灌水量达到343.09 mm时,旱地春小麦产量最大为5578.91 kg·hm^-2。干旱胁迫发生时间和程度对研究区小麦产量形成具有明显的交互作用,分蘖期适度干旱胁迫有利于提高陇中黄土高原区旱地春小麦产量,而拔节期和灌浆期为旱地春小麦田间水分管理的关键生育期,小麦生长发育过程中应加强该生育期的水分管理以提高陇中黄土高原区粮食产量。     

水分胁迫对冬小麦物质分配及 产量构成的影响

通过设置不同土壤水分条件和不同生育期受旱处理,研究土壤水分条件对冬小麦生长发育的影响。从器官水平上详细考察了水分条件对小麦物质积累、分配以及产量的影响,并建立产量和耗水量关系。在相对适宜的土壤水分条件,茎秆所占比例较小,为24%,穗部则占56%;而过度灌溉和水分亏缺条件下,茎秆所占比例较大,分别为36%和37%,穗部比例相对较小,仅为43%和48%。各种条件下均以茎秆对产量的贡献量大。相对适宜的土壤水分条件,茎秆对产量的贡献量最大,为0.308g/茎;水分亏缺条件下,叶鞘对产量贡献量较适宜土壤水分条件的叶鞘贡献量要大,分别为0.18克/茎和0.09克/茎;而过度灌溉条件下各器官对产量的贡献量均较小。根据实测产量和蒸散耗水量模拟的产量、水分利用效率与蒸散耗水量的关系可知：禹城地区在现有的肥力水平和栽培管理措施下冬小麦的理论最大产量为6240kg/hm²,蒸散耗水量为473mm,而获得最高水分利用效率的蒸散耗水量为403mm。由于该地区地下水埋深浅,地下水对冬小麦生育期需水量的补给作用明显,试验年份冬小麦拔节期至成熟期地下水补给量占同期耗水量的22%。     

河西绿洲区储水灌溉节水技术研究

甘肃省河西地区储水灌溉的时间一般在10月中旬至11月中旬,这一时期河川的径流量减少,但储水灌溉面积大,灌水量超过200 mm,水资源供需矛盾突出。研究证明,储水灌溉始期可从习惯上的10月中旬提前到9月中旬,但灌水量不能低于150 mm;10月份以后灌溉,灌水量可降低到120 mm;储水灌溉后立即覆草或盖膜保墒,灌水量可降低至60~90 mm。储水灌溉节水潜力很大,每次灌水可节水50~80 mm。     

两种覆盖方式下的土壤溶液盐分含量变化

利用定期取表层土样测定其电导率和在不同深度埋设盐分传感器探头的方法，在作物生长季节内，监测了秸杆覆盖和地膜覆盖农田不同深度的土壤溶液含盐量变化。结果为：（1）土壤表层盐分含量和10cm深土壤溶液含盐量的变化规律为，未灌水期间迅速增加；灌水时急剧降低。秸杆覆盖和覆膜可明显抑制盐分的累积，使整个生育期内土壤盐分含量波动幅度变小。其中覆膜处理抑制土壤盐分累积的作用最大。（2）30cm深土壤溶液含盐量的变化为灌水降低，未灌水时升高。秸杆覆盖处理在灌头水后含盐量虽有波动，但总体上呈下降趋势；覆膜处理在灌头水后一直处于很低的含盐水平。（3）60cm深土壤溶液含盐量变化幅度小于其上土层。秸杆覆盖增强了灌水对60cm土壤溶液含盐量的降低作用，并抑制了后期土壤溶液含盐量增加。覆膜减少了灌水对60cm深土壤溶液含盐量的降低幅度，也抑制了未灌水期间含盐量的增加。     

秸秆覆盖下的夏玉米蒸散、水分利用效率和作物系数的变化

农业用水占华北水资源的70%以上,提高农业用水的效率对华北水资源安全具有重要意义。在节水农业研究中,利用农艺节水提高农田水分利用效率是节水农业的重要组成部分,其中减少农田无效棵间蒸发耗水和优化供水制度是主要的农艺节水措施。夏玉米是华北太行山山前平原的主要作物之一,一般在冬小麦收获前的5～7天套种在其中,以延长夏玉米的生育期。随着联合收割机的广泛应用,冬小麦收获后的秸秆直接覆盖夏玉米,对夏玉米的农田蒸散特别是苗期的蒸散产生影响;夏玉米生长在6～9月的雨季,一般年份降水能够满足夏玉米的需水要求,但夏季降水的分布变异较大,再加上近6年来的夏季干旱,使灌水对夏玉米的高产至关重要。为了提高夏玉米的农田水分利用效率,本研究的目的是建立秸秆覆盖下的夏玉米优化供水制度和研究秸秆覆盖对减少棵间无效耗水的影响及秸秆覆盖下的夏玉米作物系数的变化,为制定秸秆覆盖下的夏玉米优化供水制度提供依据。2年的实验结果显示,秸秆覆盖下的夏玉米产量在8000kg/ha,总蒸散量在390mm,水分利用效率在2.2kg/m3。干旱年份,夏玉米在灌四水的条件下产量最高,再增加灌水量,产量减少。水分利用效率随着灌水量的增加有所递减。     

农田蒸散,土壤蒸发与水分有效利用

本文通过试验研究和模型模拟，对作物生长期间的水分条件，作物蒸散规律，土壤蒸发占蒸散的比例，覆盖的节水效应和灌溉对作物生长的影响进行了研究，对如何科学合理有效地利用水分提供依据。     

秸秆覆盖免耕储水灌溉对春小麦耗水特征及灌溉水分利用效率的影响

在河西走廊的黑河流域中心试验站进行了秸秆覆盖免耕（NTS）储水灌溉对春小麦耗水特征及灌溉水分利用效率影响的试验研究。结果表明:①就春小麦全生育期耗水情况来看,NTS并没有减少土壤水分的消耗,只使春小麦的耗水在时间和空间上有所改变;②NTS的全生育期日均耗水量最高,而全年的日均耗水量最低,这主要是由NTS在休闲期时明显的保墒作用所导致;③为获取高产和提高灌溉水分利用效率,耕作方式为NTS且冬季储水定额为1 200 m3·hm-2的处理是最优的;④随着储水定额的增大,全生育期和全年的日均耗水量增大,而灌溉水分利用效率递减。若仅仅为提高节水效率和灌溉水分利用效率可以将冬季储水定额减少到750 m3·hm-2。     

干旱区梨园不同覆盖条件下土壤环境因子综合性评价研究

在干旱沿黄灌区开展不同覆盖材料配合滴灌的灌溉保墒方式下,进一步研究了不同覆盖方式对梨园全生育期的土壤理化性状和养分含量变化影响,分析了土壤温度、水分、pH等和矿质营养元素间的相互关系,对覆盖后的土壤质量进行了综合性评价。试验处理分为无覆盖对照（T1）、园艺地布覆盖（T2）、玉米秸秆覆盖（T3）和黑地膜覆盖（T4）4个处理;试验设计为随机区组设计,每个处理小区均为167株梨树（约占地667 m²）,重复3次;各小区土样分0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层取样。结果表明：（1） 园艺地布和黑地膜覆盖处理有一定的增温效应,而玉米秸秆覆盖有较好的降温和稳温效应,且增墒效应明显,土壤含水率比其他3种处理显著提高了1.0%~2.7%。（2） 相较无覆盖处理,黑地膜覆盖可提升表层土壤pH,并加速表层土壤有机质的分解,有机质含量较无覆盖处理下降33.1%;玉米秸秆覆盖可显著降低各土层的土壤pH,降低范围为1.8%~4.6%,并促进0~20 cm土层有机质的提升,土壤有机质含量增加12.2%;园艺地布覆盖下0~40 cm土层内土壤有机质含量和全盐量均有降低。（3） 黑地膜覆盖下0~20 cm和20~40 cm土层的碱解氮含量分别为73.00 mg·g^-1和64.53 mg·g^-1,均显著地高于无覆盖处理,无覆盖条件下土壤碱解氮在深层（40~60 cm土层）积累较多,显著地高于玉米秸秆和黑地膜覆盖;各处理0~20 cm和20~40 cm土层速效磷含量差异显著,大小顺序均为T4>T3>T2>T1,玉米秸秆覆盖可提升土壤速效钾和速效铁的含量。（4） 进行主成分分析表明不同覆盖方式对梨园浅层土壤环境因子的影响要明显大于深层土壤,在0~40 cm土层内各覆盖处理效果均好于无覆盖处理,其中玉米秸秆覆盖在0~20 cm和20~40 cm土层综合得分分别为1.189和0.326,覆盖效果最佳。     

根系分隔对小麦玉米套作田土壤水分状况的影响

2009年3-10月通过田间试验研究了小麦玉米套作田塑料薄膜隔根（PW/C）、尼龙网隔根（NW/C）、不隔根（W/C）及单作玉米（C）和单作小麦（W）的土壤水分状况。结果表明：以单作小麦、单作玉米加权平均为对照,W/C、NW/C和PW/C处理分别显著提高经济产量33.60 %、26.93%和24.69%,增大耗水量-0.2%、1.02%和6.69%,显著提高水分利用效率34.93%、26.67%和17.80%。W/C处理较NW/C和PW/C处理分别提高经济产量5.25%和7.14%,降低耗水量1.21%和6.64%,提高水分利用效率6.52%和14.54%。小麦玉米共生期,土壤水分在套作群体组分间能够优化分配,根系分隔显著降低了作物群体产量及对土壤水分的利用效率。     

甘肃河西干旱区温室葡萄对地表覆盖的响应

试验了温室葡萄超氧化物气化酶（SOD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、游离脯氨酸（Pro）含量、丙二醛（MDA）含量和果粒生长对地表覆盖的响应。结果表明：整个生育期内,砂土覆盖、秸秆覆盖、秸秆+白地膜覆盖及秸秆+黑地膜覆盖都对0~40 cm土层土壤有显著的保水作用,其中秸秆+黑地膜保水性能最强（土壤含水量比无覆盖的提高14.53%,P<0.05）,且各覆盖方式的保水能力随着土层的加深而增强。秸秆+白地膜覆盖下葡萄细胞的抗氧化酶活性最高。砂土覆盖极显著（P<0.01）提高果粒内Pro含量（约增加42.40%）。砂土覆盖后葡萄果粒粒径最大,秸秆+地膜覆盖、秸秆覆盖下的果粒粒径均小于无覆盖的粒径。秸秆覆盖能够提高土壤水分含量,抑制果粒的增长。砂土覆盖可以作为温室葡萄适宜覆盖方式。     

内陆绿洲灌溉农田SPAC系统土壤水分动态模拟研究

基于土壤水动力学原理,建立了内陆河流域山前农田绿洲SPAC系统土壤水分运移的子模型。应用该模型对土壤剖面含水率、农田棵间蒸发和叶面蒸腾量进行了模拟研究,并以实测值进行了验证。对相同种植与田间管理条件下的春小麦生长季田间土壤水分、土壤蒸发和叶面蒸腾量进行了预报,得到了较满意的结果。对模型主要参数土壤饱和导水率Ks、土表排水系数Wmax、净辐射Rn、风速Uz、饱和差D、作物叶面指数LAI进行了敏感性分析,得出这些参数对土壤水分运移的影响显著。应用该模型对西北干旱区内陆河流域山前绿洲灌溉农田的土壤水分均衡和作物根系吸水规律以及SPAC系统中土壤水分运移规律进行了模拟研究。