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黄土高原不同降水类型区苜蓿—粮食作物轮作效应模拟与比较研究

作　者: 任晶晶
导　师: 李军
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 作物栽培学与耕作学
关键词: 黄土高原 不同降水类型区 EPIC0509模型 草粮轮作 水分恢复效应
分类号: S344
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


近年来,随着种植业结构的调整以及大面积退耕还草工程的实施,紫花苜蓿在黄土高原上的种植面积不断扩大,苜蓿种植面积占人工草地面积的比例高达90%以上。苜蓿草地在生长初期,依赖于深层雨季降水和土壤贮蓄水的双重供给,产量较高且稳定,但苜蓿生长强烈耗水导致深层土壤湿度接近凋萎湿度,在生长一定年限后,苜蓿草地会形成长久性的蒸散型土壤干层,最终导致旱地苜蓿草地生长大面积衰败。目前,旱作苜蓿草地土壤干燥化以及草地退化现象严峻,因此,苜蓿草地土壤水分的恢复以及如何高效利用土地的问题亟待解决。与耗水较少的粮食作物轮作或雨季休闲等方式,可以克服和缓解苜蓿的高强度耗水效应,并逐步提高且恢复苜蓿地深层土壤湿度。本研究是在苜蓿草地产草量、土壤水分和养分以及轮作粮田土壤水分田间测定的基础上,利用美国科学家Williams等人研制的EPIC(环境政策综合气候)模型的0509版,分别模拟研究了1960～1990年期间黄土高原半湿润区甘肃镇原和半干旱区宁夏固原,以及1960～1995年期间黄土高原半干旱偏旱区宁夏海原苜蓿草地及其轮作粮田水分生产潜力和深层土壤水分的演变规律,确定了与黄土高原不同降水类型区相适应的苜蓿地种植年限以及可持续的苜蓿—粮食作物轮作方式,并比较分析了不同降水类型区最佳草粮轮作方式下的土壤水分恢复效应,为黄土高原苜蓿草地的可持续利用以及旱地作物的稳产提供合理的科学依据。取得的主要研究进展如下:1.野外土壤水分测定:(1)3个降水类型区连作苜蓿草地深层土壤水分和养分实测结果表明:镇原11a苜蓿草地0～300cm土层土壤湿度平均值为9.89%,接近当地土壤凋萎湿度9.00%,同时,15a苜蓿地土壤全氮、全磷、全钾含量明显低于10a苜蓿地,所以镇原试区苜蓿地的最佳利用年限不超过11a;固原试区7a产草量急剧下降且草地开始衰败,8a苜蓿草地0～300cm土层土壤湿度已接近当地凋萎湿度5.00%,6～7a深层土壤养分胁迫严峻,综合各因素考虑,固原苜蓿连作7a后应该翻耕;海原7a左右苜蓿草产量急剧减少,且7a苜蓿草地0～300cm土层土壤湿度急剧下降已接近当地凋萎湿度4.50%,6～7a苜蓿地土壤养分胁迫严峻,所以海原苜蓿在连续种植6a收获后应及时翻耕。(2)3个降水类型区轮作粮田深层土壤水分田间测定结果表明:镇原试区10a苜蓿草地0～1000cm土层土壤贮水量为1607.84mm,达到完全恢复时的土壤贮水量应为2015.00mm,待恢复贮水量为407.16mm,平均土壤水分恢复速率为77.15mm/a,需轮作5.28a才能达到完全恢复,所以镇原试区最佳轮作模式为:10a苜蓿轮作5～6a以上粮食作物;固原试区7a苜蓿草地0～1000cm土层土壤贮水量为777.19mm,达到完全恢复时土壤贮水量应为1560.00mm,待恢复贮水量为782.81mm,平均土壤水分恢复速率为80.88mm/a,需轮作9.68a才能达到完全恢复,所以固原试区最佳轮作模式为:7a苜蓿轮作9～10a以上粮食作物;海原试区6a苜蓿草地0～1000cm土层土壤贮水量为796.88mm,达到完全恢复时土壤贮水量应为1397.50mm,待恢复贮水量为600.62mm,土壤水分恢复速率为25.14mm/a,需轮作23.89a才能达到完全恢复,所以海原试区最佳轮作模式为:6a苜蓿轮作23～24a以上粮食作物。2. EPIC0509模型模拟结果:(1)3个降水类型区连作苜蓿模拟结果表明:镇原试区1～7a苜蓿草地水分生产力逐渐增加,之后由于干旱胁迫日数的增加、土壤有效含水量的降低以及土壤干层的形成,苜蓿草地开始衰退,第11a苜蓿产草量仅为7a苜蓿的36%左右,9～11a苜蓿消耗土壤水分已超过模型所设置土深10m,土壤发生严重干燥化,因此,镇原试区苜蓿在种植9～10a后应及时翻耕;固原试区7a苜蓿水分生产力急剧下降,同时,7a苜蓿草地土壤有效含水量稳定在低水平上且已形成1～6m的稳定土壤干层,所以固原试区苜蓿草地在种植6～7a后应及时翻耕;海原试区苜蓿水分生产力变化趋势与固原基本一致,6～7a苜蓿草地土壤有效含水量开始在低水平上波动,5a苜蓿草地形成1～6m的稳定土壤干层,而6a苜蓿草地已形成1～8m的稳定土壤干层,所以海原试区苜蓿草地在种植5～6年后应及时翻耕。(2)3个降水类型区草粮轮作模拟结果表明:镇原试区粮食作物产量在15a时急剧下降,而15a之前土壤水分已达到完全恢复,最佳草粮模式为10a苜蓿轮作15aWw-Ww-Ss;固原试区16a时粮食作物产量下降较明显,而16a时土壤水分恢复指数为0.92,达到极好恢复,最佳草粮模式为7a苜蓿轮作16aP-P-Sw;海原试区22a时粮食作物产量开始在较低水平上波动,24a时土壤水分恢复指数为0.84,达到极好恢复,最佳草粮模式为6a苜蓿轮作24aP-P-Sw。综上所述,在实测数据验证基础上,通过EPIC模型模拟3个降水类型区草粮轮作恢复效应,可以弥补实测的一些不足之处,使试验结果更加全面可靠。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章 文献综述  13-20
  1.1 研究的背景及意义  13-15
    1.1.1 研究背景  13-14
    1.1.2 研究目的与意义  14-15
  1.2 国内外研究概况  15-16
    1.2.1 我国苜蓿—粮食作物轮作研究概况  15
    1.2.2 国外苜蓿—粮食作物轮作研究概况  15-16
  1.3 EPIC 模型简介  16-20
    1.3.1 模型的结构与功能  16-17
    1.3.2 模型的研发历史  17-18
    1.3.3 模型的研究领域  18-20
第二章 材料与方法  20-24
  2.1 试验站的选择  20-21
    2.1.1 甘肃镇原上肖  20
    2.1.2 宁夏固原彭堡  20-21
    2.1.3 宁夏海原贾塘  21
  2.2 试验设计  21
  2.3 试验方案  21-22
    2.3.1 黄土高原不同降水类型区苜蓿草地和轮作粮田深层土壤湿度状况测定  21
    2.3.2 黄土高原不同降水类型区苜蓿草地深层土壤养分测定  21-22
    2.3.3 EPIC 模型数据库组建  22
    2.3.4 模型验证与参数修订  22
    2.3.5 苜蓿地和草粮轮作方式下水分生产力和土壤水分效应模拟与比较分析  22
  2.4 研究目标  22-24
第三章 黄土高原不同降水类型区苜蓿草地土壤水分与养分特征  24-38
  3.1 3 个不同降水类型区不同生长年限苜蓿草地土壤水分含量  24-26
  3.2 苜蓿草地土壤干燥化强度评价  26-28
  3.3 半干旱与半干旱偏旱区苜蓿草地土壤养分变化规律  28-35
    3.3.1 土壤有机质含量  28-30
    3.3.2 土壤全氮含量  30-31
    3.3.3 土壤碱解氮含量  31-33
    3.3.4 土壤速效磷含量  33-35
  3.4 不同降水类型区苜蓿草地适宜利用年限  35
  3.5 讨论与小结  35-38
第四章 黄土高原不同降水类型区苜蓿-粮食作物轮作土壤水分恢复效应比较  38-46
  4.1 不同降水类型区草粮轮作土壤水分恢复评价  38-41
  4.2 不同降水类型区草粮轮作后的土壤水分恢复情况  41-44
  4.3 不同降水类型区最佳草粮轮作模式  44-45
  4.4 讨论与小结  45-46
第五章 黄土高原不同降水类型区EPIC 模型数据库的组建  46-57
  5.1 模型中气象数据库的组建（以半干旱偏旱区海原为例）  46-48
    5.1.1 气象数据库参数的设定  46-47
    5.1.2 气象数据库的组建  47-48
  5.2 模型中土壤数据库的组建（以半干旱偏旱区海原为例）  48-50
    5.2.1 土壤数据库参数的设定  48-49
    5.2.2 土壤数据库的组建（以半干旱偏旱区海原黄绵土为例）  49-50
  5.3 模型中作物参数数据库组建  50-52
    5.3.1 作物数据库的参数设定  50-51
    5.3.2 作物数据库的组建  51-52
  5.4 模型中肥料参数数据库的组建  52-53
    5.4.1 肥料数据库参数的设定  52
    5.4.2 肥料数据库的组建  52-53
  5.5 模型中农作措施数据库的组建  53
    5.5.1 农作措施数据库参数的设定  53
    5.5.2 农作措施数据库的组建  53
  5.6 模型中田间管理数据库的组建  53-54
    5.6.1 田间管理数据库参数的设定  53-54
    5.6.2 田间管理数据库的组建  54
  5.7 黄土高原地区模型的应用验证  54-57
    5.7.1 EPIC 模型对黄土高原地区草粮轮作土壤有效含水量模拟精度的验证  54-55
    5.7.2 EPIC 模型对黄土高原地区紫花苜蓿产草量和土壤水分模拟精度的验证..  55
    5.7.3 EPIC 模型对黄土高原地区春小麦模拟精度的验证  55
    5.7.4 EPIC 模型对黄土高原地区冬小麦和春玉米的验证  55-57
第六章 黄土高原不同降水类型区苜蓿草地水分生产力与土壤干燥化效应模拟  57-63
  6.1 苜蓿产草量变化规律  57-59
    6.1.1 3 个代表试区降水变化趋势  57
    6.1.2 逐年干旱胁迫日数变化  57-58
    6.1.3 苜蓿草地产草量变化  58-59
  6.2 3 个降水类型区苜蓿草地土壤水分变化  59-62
    6.2.1 0～10m 苜蓿草地逐月土壤有效含水量变化规律  59-60
    6.2.2 不同生长年限紫花苜蓿草地土壤水分剖面分布特征  60-62
  6.3 苜蓿草地适宜翻耕年限的确定  62-63
第七章 黄土高原不同降水类型区草粮轮作田土壤水分恢复效应模拟  63-70
  7.1 草粮轮作期间水分生产潜力变化  63-64
  7.2 轮作不同类型粮食作物期间土壤水分变化  64-68
    7.2.1 0～10m 逐月土壤有效含水量变化  64-65
    7.2.2 土壤湿度剖面分布特征变化  65-68
  7.3 轮作年限筛选  68-69
  7.4 讨论与小结  69-70
第八章 结论与讨论  70-73
  8.1 结论  70-71
    8.1.1 野外实测结论  70-71
    8.1.2 模拟结论  71
  8.2 讨论  71-73
    8.2.1 关于EPIC0509 模型  71
    8.2.2 关于模拟结果  71-73
参考文献  73-79
致谢  79-80
作者简介  80

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中图分类: > 农业科学 > 农学（农艺学） > 耕作学与有机农业 > 耕作的制度和方式
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