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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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基于地块和坡面尺度不同农艺景观格局下作物对气候的适应性研究

雷振锋  
【摘要】:如何提高农业生产对气候变化的适应性已经成为生态学和农业科学领域的一个热点研究议题。由农户管理措施而形成的农艺景观格局在很大程度上决定了作物生产对气候变化的适应性程度,本研究立足于东北地区常见的地块尺度类型和坡面尺度类型,揭示气候变化背景下的农艺景观格局分布及其气候适应性效益,其对提高作物的气候适应性,趋利避害,达到稳产高产具有重要意义。以东北地区主栽作物玉米和大豆为研究对象,以田间实测数据、气象数据和遥感影像数据为数据源,综合运用方差分析法和空间分法,系统分析了地块尺度上不同株行距配置形成的农艺景观格局在冠层气象因子和产量上的差异;同时,揭示不同坡位景观位置上作物类型和垄向选择不同而形成的坡面景观格局的时空变化特征和作物的气候适应性程度,进而对不同农艺景观格局下作物的气候适应性进行量化,提出相应的适应措施与方案。研究获得以下结论:(1)地块尺度上不同种植格局对玉米冠层微气候和产量的影响。(1)增温前冠层温湿度特征:增温前,不同株行距配置模式下的玉米冠层温度会产生差异,但是差异不显著。玉米冠层温度在55cm×36cm~65cm×31cm配置范围内随着垄距的增大、株距的减小而降低,湿度变化与之相反。总体而言,65cm×31cm配置格局下的冠层温度最低,湿度最大。(2)增温后冠层温湿度特征:增温使各种配置格局下的玉米冠层温度显著提高,55cm×36cm和65cm×31cm种植格局下的冠层相对湿度下降,另外两个处理相对湿度上升,均达到极显著水平(p0.01)。增温后,不同格局下的玉米冠层温湿度差异不显著,55cm×36cm配置格局下冠层温度最高,湿度最低。(3)增温前产量特征:玉米SPAD值、百粒重和产量在各类配置格局间均有差异,但未达到显著水平,以55cm×36cm配置最优,能够得到高产稳产。(4)增温后产量特征:增温后,玉米SPAD值、百粒重和产量均有一定的下降,但未达到显著水平,以70cm×24cm配置最优,能够得到高产稳产。此外研究发现,65cm×31cm在高温虫害严重年份里具有较好的抗性,在4个垄距配置格局下能够获得较高的产量。(2)地块尺度上不同种植格局对大豆冠层微气候和产量的影响。(1)增温前冠层温湿度特征:增温前,不同配置格局下的大豆冠层温度会产生差异,但是差异不显著。大豆冠层温度随着垄距的增大、株距的减小而升高。一定垄距范围内,湿度是随着垄距的增大、株距的减小而降低。(2)增温后冠层温湿度特征:大豆的冠层温湿度都发生了极显著的变化(p0.01)。其中55cm×6.1cm的冠层温湿度受增温的影响变化最大,70cm×4.8cm的垄距格局受增温影响最小;65cm×5.2cm配置格局下的冠层温度最高,湿度最低。(3)增温前产量特征:大豆SPAD值、百粒重和产量在各处理间均有变化,但未达到显著水平,以55cm×6.1cm和60cm×5.6cm配置较优,能够得到高产稳产。(4)增温后产量特征:增温后,大豆SPAD值、百粒重和产量没有显著变化,但产量总体呈上升趋势。70cm×4.8cm配置下产量最高。(3)坡面尺度上农艺景观格局时空特征。2014年、2015年、2017年,坡面上作物面积呈现扩张趋势,玉米增加比例高于大豆。整体以斜垄种植为主,种植面积占51%。其中,坡顶景观位置上,玉米面积以斜垄方式增加,大豆种植面积减少;坡腰景观位置上,2015年玉米面积比例高于大豆;2014年和2017年大豆面积高于玉米面积,呈现玉米和大豆间作种植方式;坡底洼地景观位置上,玉米和大豆成片分布,玉米面积呈现增加的趋势且多转换为横垄种植,大豆面积减少。(4)坡面尺度上农艺景观格局生产力特征。坡面尺度上的作物生产力整体呈现为:坡顶高地坡腰坡底洼地景观。在坡底洼地景观位置上,玉米在2014湿润年和2017干旱年斜垄种植方式的生产力最大,2015正常年为顺垄种植最大;坡腰景观位置上的玉米在2014湿润年和2017干旱年的生产力最大的垄向方式为顺垄,2015正常年为斜垄种植;坡顶景观位置地上,2014湿润年玉米的种植方式为横垄时,生产力最大。2015正常年和2017干旱年斜垄种植的生产力最大。大豆垄向选择在各个年份间各个坡位上保持稳定,在2015正常年均以横垄种植,生产力最大。2014湿润年和2017干旱年时,大豆顺垄种植方式生产力最大。基于上述研究结果,本研究提出了适应气候变化的农艺种植景观配置格局。目前在地块尺度上,玉米采用55cm×36cm的配置最优;未来温度持续升高,适宜采用70cm×24cm的配置格局;大豆在当下和未来气候变化下,都适宜采用55cm~60cm的种植格局。对于作物在坡面尺度上的分布来说,坡面的农艺景观格局在不同水热年份下的配置各不相同。在保证玉米和大豆种植配比合理的前提下,坡顶景观位置上适当增加玉米种植面积;在干旱或湿润年份,坡腰景观位置上可适当增加大豆种植面积,坡底洼地景观位置上适当增加大豆种植面积。不同作物在不同年份各坡位上垄向选择方式如下:在坡底洼地景观位置上,正常年份,玉米选择顺垄种植,大豆选择横垄种植;干旱和湿润年份里玉米选择斜垄种植,大豆选择顺垄种植。在坡腰景观位置上,正常年份玉米斜垄种植获得较大的生产力,大豆采用横垄种植;湿润和干旱年份里,玉米可以采用顺垄种植方式,大豆选择顺垄种植。在坡顶景观位置上,正常年份,玉米采用斜垄种植可获得较大的生产力,大豆选择横垄种植;干旱年份,玉米选择斜垄种植,大豆选择顺垄种植;湿润年份,玉米选择横垄种植,大豆选择斜垄种植可以获得最高的生产力。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S162.5

【参考文献】
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