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北方旱作区作物产量和水肥利用特征与提升途径

孙东宝  
【摘要】:北方旱作区是我国重要的粮食生产基地,在保障国家粮食安全中有着重要地位,但该区域粮食生产面临着干旱缺水和土壤供肥不足等资源条件限制,导致作物产量低而不稳。虽然在过去的多年中作物产量大幅提升,但是该区域旱地小麦、玉米产量和水肥利用特征、提升空间及其主要驱动因素仍不清楚。本研究对我国北方旱作区1970-2015年开展的田间试验进行了系统研究和整合分析,获得如下主要结论:(1)探明了北方旱作区旱地小麦、玉米产量和水肥利用效率的变化特征。1980-2015年北方旱作区旱地小麦和玉米的产量平均为3902 kg/ha和7785 kg/ha,WUE平均为11.6 kg/ha.mm和19.1 kg/ha.mm,NUE平均为30.7%和35.1%。1980s至今,小麦、玉米的产量和WUE大幅提高。与1980s相比,2011-2015年小麦和玉米的产量分别提高了 60.2%和54.5%,WUE分别提高了 37.0%和70.5%。1980-2015年,小麦和玉米NUE呈先升高后降低的趋势,分别在2000s和1990s达到最高。小麦产量和WUE随着区域降水量的增加显著提高,玉米产量和WUE在年降水量350 mm区域显著降低,其它区域差异不显著。小麦和玉米的NUE均在年降水量550-650 mm区域显著高于其它降水区域。小麦和玉米的PFP-N和PFP-P随着降水量的增加而显著提高。(2)1980s以来,北方旱作区降水总体呈现降低趋势,对作物产量和WUE的提高不利。化肥投入量的大幅增加和土壤肥力的提升驱动了作物产量和WUE提高。但是施肥量的增加导致了作物PFP和NUE的降低。作物产量、WUE和NUE区域间的差异主要受ET影响,尤其是小麦。不同区域化肥投入和土壤供肥能力的不均衡也导致了作物产量的差异。(3)栽培技术的进步是推动作物产量和WUE提升的重要因素。1980s至今,技术对小麦和玉米产量的贡献分别为19.1%和18.2%、对WUE的贡献均为15.3%。随着时间推移和区域降水量的增加,技术对作物产量和WUE的贡献份额降低。技术对小麦和玉米NUE的贡献则随着年代和降水量的增加呈显著升高的趋势。从单项技术看,地膜覆盖、秸秆覆盖、免耕、深松、平衡施肥等技术均对作物产量和WUE具有较好的提升效果,且多数技术在降水较低区域更优。(4)北方旱作区小麦和玉米高产分别为6823 kg/ha和13149 kg/ha,平均产量分别为高产的的48.4%和53.4%,仍有1倍的提升空间。小麦和玉米WUE最大可实现20.4 kg/ha.mm和34.2 kg/ha.mm。造成作物产量差异的主要原因是土壤供水不足、肥料投入偏低、土壤供肥能力差以及技术应用率低。有效降低土壤蒸发、协调水肥关系、提升土壤供肥能力和加强技术应用是北方旱作区作物产量和水肥效率进一步提高的主要途径。


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