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北方冬小麦水分利用及其应对气候变化的灌溉模式研究

王晓文  
【摘要】:水资源短缺使得亏缺灌溉逐渐成为主要的灌溉模式。探究不同水分供应条件对作物水分利用过程,特别是根系吸水的影响至关重要。然而由于取样困难等原因,有关水分胁迫及复水后,根系吸水的变化规律尚不明确。随着未来气候的变化,作物生长的水、热、光等环境条件发生了改变。量化这些因素对区域农业生产的影响,并通过调整栽培策略减少气候变化的不利作用,对于保障粮食安全和水资源高效利用十分关键。本研究以蒸渗仪实测的蒸发蒸腾量(evapotranspiration,ET)为标准,在冬小麦不同生长阶段,设置了无胁迫(100%ET)、中度胁迫(80%ET)和重度胁迫(60%ET)3种灌溉水平的田间试验。在此基础上,首先分析了农业水文模型SWAP(soil-water-atmosphere-plant)参数的敏感性,探究了其参数估计的顺序和方向;然后利用率定好的模型,在田间尺度上模拟了冬小麦根系吸水以及农田水分消耗途径,研究了SPAC(soil-plant-atmosphere continuum)系统中土壤水分被吸收及转化为蒸发蒸腾的过程;其次通过SWAP模型与参数自动优化程序PEST(parameter estimation)的耦合,实现了模型大量参数的自动估计,并结合Arc GIS软件将模型的应用从田间尺度提升到了区域尺度;最后以CMIP5(the fifth phase of the climate model intercomparison project)提供的未来气象数据驱动SWAP模型,分析了两种RCP(representative concentration pathway)情景下,气候变化对中国北方冬麦区内小麦生长、水分利用及产量的影响,提出了适宜的灌溉模式。得到的主要成果如下:(1)揭示了水分胁迫及复水对冬小麦根系吸水的影响规律,得出了根系吸水的主要影响因子,构建了根系吸水估算模型。0~60 cm土层的累积根系吸水占总根区吸水量的89.4%,是冬小麦根系吸收水分的主要来源。冬小麦在生殖生长阶段的累积根系吸水占总生长季吸水量的56.3%,略高于营养生长阶段。根系吸水存在一定的补偿效应,出苗~拔节期的水分胁迫以及复水后能够促进根系吸水,但其他生长阶段的水分胁迫会抑制根系吸水。根系吸水的恢复具有滞后效应,其恢复时间为2~11 d。冬小麦在生殖生长阶段对水分胁迫的耐受程度高于营养生长阶段,但水分胁迫对生殖生长阶段根系吸水的影响程度更大,使得根系吸水降低更多,恢复时间更长,有必要确保这一生长阶段的土壤含水量维持在65%的田间持水量以上。作物高度、净辐射和0~60 cm土壤含水量是影响冬小麦根系吸水的关键因子,基于此建立的模型能够较好地估算根系吸水(R~2=0.836,P0.01)。(2)探究了不同水分供应条件下冬小麦农田水分消耗规律,量化了各因子对蒸发蒸腾的影响,构建了蒸发蒸腾估算模型。亏缺灌溉条件下,土壤贮水的消耗占冬小麦总耗水量的15.99~35.58%。不同灌溉模式中,冬小麦田间存在一定程度的深层渗漏,100 cm处土层的平均水分通量为14.54mm。最大蒸发蒸腾出现在灌浆~成熟期,为6.21~7.75 mm d~(-1)。植物蒸腾占总蒸发蒸腾的88.40%,是冬小麦农田的主要耗水途径。灌溉对植物蒸腾的影响较大,而对土壤蒸发的影响有限。拔节前的水分胁迫对冬小麦蒸发蒸腾的影响较小,复水后往往能恢复到正常水平;而抽穗~灌浆期的水分胁迫复水后蒸发蒸腾难以恢复。基于作物系数和水分胁迫系数构建的模型,能够利用少数易测参数,对冬小麦蒸发蒸腾进行准确估算(R~2=0.727,P0.01)。(3)分析了SWAP模型参数的敏感性,并利用PEST程序完成了模型参数的自动估计,实现了模型应用尺度的提升。在进行土壤含水量和蒸发蒸腾模拟时,SWAP模型对Van Genuchten模型参数中的土壤饱和含水量?_s和土壤水分特征曲线形状系数n更敏感;而对土壤残余含水量?_r,土壤水分特征曲线形状系数?和饱和导水率K_s较不敏感。将参数自动优化程序PEST与SWAP模型耦合后,能够完成模型大量参数的自动估计。率定后的模型可以对区域内各站点的土壤含水量、冬小麦生育期以及产量进行准确模拟,平均相对误差(mean relative error,MRE)为0.99~20.87%,归一化均方根误差(normalized root mean square error,NRMSE)为1.33~25.83%,实现了模型应用尺度的提升。(4)明确了未来气候对区域冬小麦水分利用和产量的影响,提出了适应气候变化的冬小麦品种优化和灌溉调整策略。CMIP5中MRI-CGCM3气候预测模型的RCP4.5和RCP8.5情景下,中国北方冬麦区小麦生长季内的净辐射、累积降水和气温均显著增加(P0.05)。净辐射和气温呈现周期为10年的波动性变化。在空间分布上,各站点的净辐射、累积降水和气温变化存在显著差异(P0.05)。气温升高5.39~7.26°C使冬小麦生育期缩短,且主要体现为出苗~抽穗天数减少了23.9~33.7 d。两种RCP情景下冬小麦蒸发蒸腾和产量分别显著增加41.39%和减少41.71%(P0.05)。通径分析结果表明,降水量的增加和最低气温的升高分别是导致蒸发蒸腾上升和产量下降的主要原因。基于多个品种优化和灌溉调整情景的模拟结果,建议在未来气候条件下,种植收获日期推迟约30 d的冬小麦品种,井灌区和渠灌区的灌水定额可以为60 mm和90 mm。各区域在湿润年和正常年,分别进行一次灌溉(拔节期)和两次灌溉(拔节期和抽穗期),能使产量增加38.21%,水分利用效率提高44.30%。而对于干旱年,有必要增加灌溉次数和灌水定额来避免减产。本研究探明了北方冬小麦从田间到区域尺度的水分利用规律,提出了未来气候变化条件下保障其产量和水分利用效率的品种优化及灌溉调整策略。但仍有必要在后续的研究中继续比较多种气候预测模型的差异,进一步增强结果的可靠性。


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