【摘要】：北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國北方農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的重要分界線,降水量少且年際變異大,降水是該地區(qū)作物產(chǎn)量變異的主要決定因子。馬鈴薯是世界第四大作物,也是農(nóng)牧交錯(cuò)帶的主要作物。作物生育期的總降水及降水在不同生長階段的分配均對馬鈴薯產(chǎn)量具有重要影響。解析農(nóng)牧交錯(cuò)帶作物產(chǎn)量形成和降水的關(guān)系,提高降水和馬鈴薯需水關(guān)鍵期的匹配度對提升馬鈴薯的產(chǎn)量和保障該地區(qū)的糧食安全具有重要意義。適期播種和集雨補(bǔ)灌是農(nóng)牧交錯(cuò)帶作物縮差和增效的有效手段。分期播種試驗(yàn)可以在較短的年限內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同的氣象條件,因此是確定最適播期和作物產(chǎn)量控制因子的有效方法。集雨補(bǔ)灌可以提高馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率,而最佳播期和補(bǔ)充灌溉時(shí)間與局地降水年型和土壤條件存在密切關(guān)系。作物生長模型為分析不同區(qū)域和不同氣候年型下馬鈴薯的最佳播期和補(bǔ)灌時(shí)間及其交互作用提供了有效手段。通過補(bǔ)充灌溉可以提高農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯產(chǎn)量,然而大規(guī)模的進(jìn)行灌溉不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,因此量化不同灌溉水平對長期連續(xù)種植馬鈴薯農(nóng)田的土壤水分和地下水位的影響,對干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究選取北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯為研究對象,利用分期播種試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯產(chǎn)量變異的主要決定因子和不同區(qū)域及不同年型下的最適播期,應(yīng)用驗(yàn)證后的APSIM-Potato模型分析了播期和不同灌溉水平對馬鈴薯產(chǎn)量、水分生產(chǎn)力、土壤水分和地下水位等的影響,主要的研究結(jié)果如下:(1)農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同年份馬鈴薯最適播期變異較大,其中薯塊形成期總降水量和潛在蒸散量的比值(PT/ETpT)與馬鈴薯產(chǎn)量的相關(guān)性最高(R2=0.51,P0.01),其次是薯塊膨大期后的有效降水(EPpoTB)(R2=0.43,P0.01)以及馬鈴薯生育期的總有效降水(EPgp)(R2=0.28,P0.05)。馬鈴薯產(chǎn)量和生育期總太陽輻射呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(Sgp)(R2=0.37,P0.01),尤其是薯塊膨大期之前的總太陽輻射(R2=0.44,P0.01),馬鈴薯生育期最高溫度和馬鈴薯產(chǎn)量呈顯著的負(fù)相關(guān)(R2=0.27,P0.05)。馬鈴薯生育期PT/ETpT,EPpooTB和SprTB的變異可以解釋產(chǎn)量變異的71%。根據(jù)PT/ETpT,EPpoTB和SprTB與產(chǎn)量建立的統(tǒng)計(jì)模型,確定了 1961-2010年不同年型下馬鈴薯的最適播期,結(jié)果表明當(dāng)土壤水分能夠保證馬鈴薯出苗的前提下,濕潤年型下馬鈴薯的最適播期在5月27日-6月12日之間,正常年份下馬鈴薯的最適播期在5月3日-5月26日之間,干旱年型下馬鈴薯的最適播期在4月4日-5月2日之間。(2)APSIM-Potato模型可以很好地模擬不同播期馬鈴薯的生育期、葉面積指數(shù)(LAI)、土壤水分動(dòng)態(tài)和干物質(zhì)積累,同時(shí)也可以很好地反映馬鈴薯產(chǎn)量隨播期的變化趨勢。根據(jù)1981-2010年的長序列模擬研究表明,北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶東部、中部和西部地區(qū)的最適播期分別為5月10日、5月20日和5月30日。雨養(yǎng)條件下,與常規(guī)播期(5月10日)相比,最適播期能夠使中部地區(qū)馬鈴薯的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)力分別提高12.5%和7.0%,西部地區(qū)馬鈴薯的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)力分別提高23.3%和18.3%。常規(guī)播期下進(jìn)行集雨補(bǔ)灌(8-55 mm),東部、中部和西部地區(qū)的馬鈴薯產(chǎn)量可以分別提高 3.5-35.2%、6.9-41.8%和 9.0-50.8%,水分生產(chǎn)力分別可以提高 1.2-22.7%、6.7-30.8%和 4.5-33.7%。利用集雨補(bǔ)灌的最大量和最適播期耦合,東部、中部和西部地區(qū)的馬鈴薯產(chǎn)量可以提高36.8%、69.2%和64.3%,水分生產(chǎn)力可以提高23.4%、49.2%和48.8%。(3)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯鮮薯的潛在產(chǎn)量、雨養(yǎng)潛在產(chǎn)量和產(chǎn)量差分別為29000-39500 kg·ha-1 12000-24100kg.ha-1和11400-24700kg·ha-1。農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同區(qū)域馬鈴薯雨養(yǎng)產(chǎn)量達(dá)到了潛在產(chǎn)量的35-67%。農(nóng)牧交錯(cuò)帶東部地區(qū)播前降水和降水分配與馬鈴薯需水關(guān)鍵期的匹配度高于中部和西部地區(qū),因此東部地區(qū)馬鈴薯的產(chǎn)量差要低于中部和西部地區(qū)。對馬鈴薯進(jìn)行灌溉60-240 mm后,相比于雨養(yǎng)產(chǎn)量馬鈴薯可以增產(chǎn)41-86.8%,潛在產(chǎn)量和雨養(yǎng)產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差可以縮減5-70%。然而,長期連續(xù)模擬結(jié)果表明灌溉會(huì)導(dǎo)致農(nóng)牧交錯(cuò)帶地下水位下降4.2-44.8 m。在雨養(yǎng)條件下,長期連續(xù)種植馬鈴薯,能夠使農(nóng)牧交錯(cuò)帶地下水位升高0-3 m,然而會(huì)導(dǎo)致1 m 土層的土壤水分降低。相比于長期連續(xù)種植馬鈴薯,采用一年種植一年休閑的種植方式和長期休閑的種植方式,分別可以使1 m 土層的土壤水分增加2-79 mm和100-143 mm,地下水位可以分別升高0-4.3 m和6-16 m。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S532
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ａｇｒｏ－ｐａｓｔｏｒａｌ邋ｅｃｏｔｏｎｅ邋（ＡＰＥ）邋ｉｎ邋Ｎｏｒｔｈ邋Ｃｈｉｎａ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ｓｉｔｅｓ．逡逑農(nóng)牧交錯(cuò)帶東部、中部和西部的雨季起始時(shí)間分別為５月２０日－６月５日、６月６日－６月２０月２１日－７月５日。東部地區(qū)生長季（４月－９月）平均溫度和總降水量分別為１５．５°Ｃ和３２６邋ｍ地區(qū)生長季平均溫度和總降水量分別為１５．１邋°Ｃ和３３３邋ｍｍ，西部地區(qū)生長季平均溫度和總降１５．６°Ｃ和３２１邋ｍｍ。農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯的種植時(shí)間在４月底至６月初，當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)播期為左右，收獲時(shí)間一般在９月份第一次霜凍之前（Ｔａｎｇｅｔａｌ．，２０１６）。農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤數(shù)據(jù)來壤數(shù)據(jù)庫（ｈｔｔｖ：／／ｗｗｗ．ｓｏｉｌ．ｃｓｄｂ．ｃｎ／），主要包括土壤容重、調(diào)萎含水量、田間持水量、飽和壤養(yǎng)分含量和ｐＨ值等土壤理化數(shù)據(jù)。農(nóng)牧交錯(cuò)帶東部、中部和西部地區(qū)土壤中有效水ＡＷＣ）分別為１６２邋ｍｍ、１２０邋ｍｍ和１０９邋ｍｍ。土壤水分特征曲線，包括土壤凋萎含水量（ＬＬ１５水量（ＤＵＬ）和飽和含水量（ＳＡＴ）見圖２－２逡逑體積含水量（ｍｉｒｒｍｍ１）逡逑Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ邋ｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ邋（ｍｍ－ｍｍ＊１）逡逑０邐０．１邐０．２邋ＯＪ邋０．４邐０＊５邋0邋0．ｌ邋0．２邐０３邐０．４邐０．５邐０邐０．１邐０．２邋０Ｊ邋０．４邐０＊５逡逑0邋邐１邐１邐＇邐１邐１邋Ｏ邋－｜邐１邐１邐＇邐１邐１邐０邋邐＇邐＇邐１邐１邐＇逡逑Ｉ邐１邐［邐Ｉ邐Ｊ邐Ｉ邐Ｉ逡逑ｉ邐Ｉ邐｜邐ｉ邐；邐Ｉ逡逑２００邋－邐：邐２００邋■邐２００邋－邐ｊ邐—ＬＬ，５逡

邐１２０°邋Ｅ邐１２５°邋Ｅ逡逑圖２－１中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶及研究站點(diǎn)分布逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ａｇｒｏ－ｐａｓｔｏｒａｌ邋ｅｃｏｔｏｎｅ邋（ＡＰＥ）邋ｉｎ邋Ｎｏｒｔｈ邋Ｃｈｉｎａ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ｓｉｔｅｓ．逡逑農(nóng)牧交錯(cuò)帶東部、中部和西部的雨季起始時(shí)間分別為５月２０日－６月５日、６月６日－６月２０日逡逑和６月２１日－７月５日。東部地區(qū)生長季（４月－９月）平均溫度和總降水量分別為１５．５°Ｃ和３２６邋ｍｍ，逡逑中部地區(qū)生長季平均溫度和總降水量分別為１５．１邋°Ｃ和３３３邋ｍｍ，西部地區(qū)生長季平均溫度和總降水量逡逑分別為１５．６°Ｃ和３２１邋ｍｍ。農(nóng)牧交錯(cuò)帶馬鈴薯的種植時(shí)間在４月底至６月初，當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)播期為５月逡逑１０日左右，收獲時(shí)間一般在９月份第一次霜凍之前（Ｔａｎｇｅｔａｌ．，２０１６）。農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤數(shù)據(jù)來自中逡逑國土壤數(shù)據(jù)庫（ｈｔｔｖ：／／ｗｗｗ．ｓｏｉｌ．ｃｓｄｂ．ｃｎ／），主要包括土壤容重、調(diào)萎含水量、田間持水量、飽和含水逡逑量、土壤養(yǎng)分含量和ｐＨ值等土壤理化數(shù)據(jù)。農(nóng)牧交錯(cuò)帶東部、中部和西部地區(qū)土壤中有效水分含逡逑量（ＰＡＷＣ）分別為１６２邋ｍｍ、１２０邋ｍｍ和１０９邋ｍｍ。土壤水分特征曲線

雨養(yǎng)產(chǎn)量和不同的管理措施對馬鈴薯產(chǎn)量和水分可持續(xù)利用的影響。逡逑２．７播期和補(bǔ)充灌溉對產(chǎn)量、蒸散量和水分生產(chǎn)力的影響模擬逡逑通過設(shè)置１９８１－２０１０年不同播期和補(bǔ)充灌溉的模擬情景，分析農(nóng)牧交錯(cuò)帶２７個(gè)站點(diǎn)（圖２－１）逡逑播期和補(bǔ)充灌溉對馬鈴薯產(chǎn)量、生育期蒸散量和水分生產(chǎn)力的影響。其中水分生產(chǎn)力是指馬鈴薯的逡逑鮮重和生育期內(nèi)蒸散量的比值。采用連續(xù)模擬情景，即每年模擬開始之前不進(jìn)行土壤水分的重置，逡逑不同的情境中只有播期和補(bǔ)充灌溉的設(shè)置不同，其他管理措施的設(shè)置均相同。為保證氮肥不對馬鈴逡逑薯產(chǎn)生脅迫，利用模型自動(dòng)施肥模塊，設(shè)置當(dāng)０－６０邋ｃｍ邋土層中全氮含量低于３００邋ｋｇ．ｈａ—１時(shí)，自動(dòng)進(jìn)逡逑行氮肥的補(bǔ)充。逡逑１）

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本文編號(hào)：2804022