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气候变化对黄土高原作物生产系统产量、水分利用及土壤养分的影响

杨轩  
【摘要】:由于全球气候变化,黄土高原以粮食生产为主的传统农业系统的作物生产力、环境生态功能等将受到影响。通过纳入饲草作物、实行秸秆覆盖、免耕等措施,可增加农业系统的稳定性,缓冲气候变化对农业生产造成的负面作用。但是现阶段,该地区在作物生产系统改进、实行保护性耕作后,生产力和水分利用过程如何受气候变化影响的研究尚不深入。本研究选取的研究点甘肃庆阳,该地位于典型的黄土高原旱作农区,传统作物生产系统为玉米、冬小麦连作和玉米-冬小麦轮作。研究首先结合大田试验数据,对作物模型APSIM(Agricultural Production Systems sIMulator)模拟研究区多种作物生产的适应性进行了评估,并在气候变化情景下模拟了长期尺度下传统作物系统和改进的作物系统的生产,分析了作物产量、蒸散分配、水分利用、土壤养分和经济效益的变化,明确了该地区作物生产受不同管理、气候变化影响的机制,得到以下主要结果:1.在兰州大学庆阳黄土高原试验站进行的田间试验的基础上对APSIM进行了本土化,以精确模拟玉米(Zea mays)、冬小麦(Triticum aestivum)、大豆(Gyleine max)、紫花苜蓿(Medicago sativa)的生产和资源利用。模型的土壤参数和作物参数由田间试验测定。结果显示,APSIM模拟玉米-冬小麦-大豆轮作(MWS)中玉米、冬小麦和大豆的产量及生物量的精度较高,决定系数R~2(Determination Coefficient)分别为0.81-0.87、0.82-0.95和0.72-0.92(P0.01),均方根误差RMSE(Root Mean Squared Error)最高不超过平均实测值的30%。APSIM对玉米-小麦-大豆轮作试验田土壤水分模拟的R~2为0.43-0.65(P0.01),RMSE为平均实测值的11.7-17.8%;对紫花苜蓿草地(L)土壤水分模拟的R~2为0.43-0.47(P0.01),RMSE为平均实测值的12.0-20.2%,模型略高估了土壤水分。对0-200 cm土壤NO_3-N和0-30 cm土壤有机碳(SOC,Soil Organic Carbon)模拟的R~2达到0.70-0.99和0.68-0.97(P0.05),RMSE最高仅占平均实测值的13.1%和17.2%。APSIM对作物产量、水分动态和土壤养分模拟较为准确,可用于情景模拟,评估作物生产系统在生产条件变化后多个组分的变化。2.在甘肃庆阳1961-2010年历史气象数据的基础上,通过改变全年降水(降水量不变、降低10%和20%、增加10%和20%)和全年气温(不变、降低1.5°C和1°C、升高1.5°C和1°C)建立了新的长期尺度气候情景,并模拟了玉米连作、冬小麦连作和紫花苜蓿草地的生产,分析3种作物的产量变化趋势。结果表明在气温升高、降水量减少的情景下冬小麦、玉米和紫花苜蓿产量降低,最大幅度分别可达38.7%、40.3%和41.8%。冬小麦、紫花苜蓿的在气温降低、降水量增加时增产,最大增幅分别为29.8%和51.7%。玉米在降水量增加、温度不变的情景下增产幅度最大,为22.0%。在设定范围内,紫花苜蓿的产量变异范围受气候变化的影响最小,说明适应能力较强。3.在甘肃庆阳1961-2010年历史气象数据的基础上,设置传统耕作处理(CT)和免耕+秸秆覆盖处理(NTR),利用APSIM模拟了玉米-冬小麦-大豆轮作系统的生产。结果表明,在每个轮作序列初期(玉米播种期),相比CT处理,NTR处理下0-200 cm土层土壤水分显著提高(平均提高72 mm;P0.01),冬小麦的籽粒产量和干物质生物量分别平均提高1805和4309 kg/hm~2(P0.01),但NTR处理对玉米、大豆的籽粒产量和生物量无显著影响(P0.05)。NTR还显著提升了系统蒸腾量T_c,降低了土壤蒸发量E_s和蒸散量ET(P0.05),但玉米生长季的植物蒸腾和土壤蒸发量受耕作处理的影响不显著(P0.05)。冬小麦和大豆的籽粒产量水分利用效率WUE_Y和生物量水分利用效率WUE_B在NTR下有显著提升,幅度为1.9-8.0 kg/hm~2·mm(P0.05),总体来说,在甘肃庆阳的玉米-冬小麦-大豆轮作中实行长期免耕+秸秆覆盖,有极大的提高土壤持水力、作物产量和水分利用的潜力。4.利用气象数据生成软件ACSGTR(AgMIP Climate Scenario Generation Tools with R),以甘肃庆阳历史气象数据为基准情景,生成了RCP4.5(Representative Concentration Pathways)、RCP8.5的未来气候情景系列,以玉米连作、冬小麦连作、紫花苜蓿草地、玉米-冬小麦-大豆轮作和紫花苜蓿-冬小麦轮作为对象,设定了传统耕作处理(CT)与免耕+秸秆覆盖处理(NTR)。长期生产模拟结果表明玉米、冬小麦的产量在未来情景中相对历史情景下降1.2-39.4%,但紫花苜蓿产量在RCP4.5情景中提高4.0-12.3%。各系统的蒸腾量有随RCP通道系数增加和时间区间推后呈下降的趋势,但RCP情景中CT处理的土壤蒸发量倾向减小,而NTR处理的蒸发量倾向上升,至RCP8.5情景比NTR高16%。玉米-小麦-大豆轮作的0-200 cm土壤NO_3-N含量最高,而苜蓿草地土壤0-30 cm的SOC含量最高,苜蓿-小麦轮作次之。大多数情景下苜蓿草地获得最高的毛利润(38.4-46.1万RMB/hm~2)和水分效益(24.32-28.71 RMB/hm~2·mm·轮),苜蓿-小麦轮作次之。气候变化对小麦连作、玉米连作、玉米-小麦-大豆轮作经济效益有负效应,相对历史基准情景的变幅在-39.2%和+3.7%之间。苜蓿连作和苜蓿-小麦轮作的毛利润和水分效益于RCP4.5下相对历史情景提升了0.8-12.8%。综上,在黄土高原旱作农区未来气候变化下,苜蓿-小麦系统在产量、土壤养分或经济效益方面表现出较高的适应性。研究在黄土高原旱作农区对APSIM进行了本土化,验证了模型对黄土高原地区复杂农业系统的描述能力,为后续情景分析研究奠定了基础。探讨了未来气候情景下不同作物生产系统各组分的适应塑性,阐明了长期免耕+秸秆覆盖措施对不同气候条件下的响应。结果可为进一步探究草地农业系统对全球变化的响应提供理论依据,对改善黄土高原地区的生态环境和农业生产的提质增效具有实践指导意义。


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