北方农牧交错带马铃薯基于缩差和增效的种植管理模式研究

发布时间：2020-08-25 18:09

【摘要】：北方农牧交错带是我国北方农区和牧区的重要分界线,降水量少且年际变异大,降水是该地区作物产量变异的主要决定因子。马铃薯是世界第四大作物,也是农牧交错带的主要作物。作物生育期的总降水及降水在不同生长阶段的分配均对马铃薯产量具有重要影响。解析农牧交错带作物产量形成和降水的关系,提高降水和马铃薯需水关键期的匹配度对提升马铃薯的产量和保障该地区的粮食安全具有重要意义。适期播种和集雨补灌是农牧交错带作物缩差和增效的有效手段。分期播种试验可以在较短的年限内实现不同的气象条件,因此是确定最适播期和作物产量控制因子的有效方法。集雨补灌可以提高马铃薯的产量和水分利用效率,而最佳播期和补充灌溉时间与局地降水年型和土壤条件存在密切关系。作物生长模型为分析不同区域和不同气候年型下马铃薯的最佳播期和补灌时间及其交互作用提供了有效手段。通过补充灌溉可以提高农牧交错带马铃薯产量,然而大规模的进行灌溉不利于当地农业的可持续发展,因此量化不同灌溉水平对长期连续种植马铃薯农田的土壤水分和地下水位的影响,对干旱半干旱地区农业的可持续发展具有重要意义。本研究选取北方农牧交错带马铃薯为研究对象,利用分期播种试验数据分析了农牧交错带马铃薯产量变异的主要决定因子和不同区域及不同年型下的最适播期,应用验证后的APSIM-Potato模型分析了播期和不同灌溉水平对马铃薯产量、水分生产力、土壤水分和地下水位等的影响,主要的研究结果如下:(1)农牧交错带不同年份马铃薯最适播期变异较大,其中薯块形成期总降水量和潜在蒸散量的比值(PT/ETpT)与马铃薯产量的相关性最高(R2=0.51,P0.01),其次是薯块膨大期后的有效降水(EPpoTB)(R2=0.43,P0.01)以及马铃薯生育期的总有效降水(EPgp)(R2=0.28,P0.05)。马铃薯产量和生育期总太阳辐射呈显著的正相关关系(Sgp)(R2=0.37,P0.01),尤其是薯块膨大期之前的总太阳辐射(R2=0.44,P0.01),马铃薯生育期最高温度和马铃薯产量呈显著的负相关(R2=0.27,P0.05)。马铃薯生育期PT/ETpT,EPpooTB和SprTB的变异可以解释产量变异的71%。根据PT/ETpT,EPpoTB和SprTB与产量建立的统计模型,确定了 1961-2010年不同年型下马铃薯的最适播期,结果表明当土壤水分能够保证马铃薯出苗的前提下,湿润年型下马铃薯的最适播期在5月27日-6月12日之间,正常年份下马铃薯的最适播期在5月3日-5月26日之间,干旱年型下马铃薯的最适播期在4月4日-5月2日之间。(2)APSIM-Potato模型可以很好地模拟不同播期马铃薯的生育期、叶面积指数(LAI)、土壤水分动态和干物质积累,同时也可以很好地反映马铃薯产量随播期的变化趋势。根据1981-2010年的长序列模拟研究表明,北方农牧交错带东部、中部和西部地区的最适播期分别为5月10日、5月20日和5月30日。雨养条件下,与常规播期(5月10日)相比,最适播期能够使中部地区马铃薯的产量和水分生产力分别提高12.5%和7.0%,西部地区马铃薯的产量和水分生产力分别提高23.3%和18.3%。常规播期下进行集雨补灌(8-55 mm),东部、中部和西部地区的马铃薯产量可以分别提高 3.5-35.2%、6.9-41.8%和 9.0-50.8%,水分生产力分别可以提高 1.2-22.7%、6.7-30.8%和 4.5-33.7%。利用集雨补灌的最大量和最适播期耦合,东部、中部和西部地区的马铃薯产量可以提高36.8%、69.2%和64.3%,水分生产力可以提高23.4%、49.2%和48.8%。(3)北方农牧交错带马铃薯鲜薯的潜在产量、雨养潜在产量和产量差分别为29000-39500 kg·ha-1 12000-24100kg.ha-1和11400-24700kg·ha-1。农牧交错带不同区域马铃薯雨养产量达到了潜在产量的35-67%。农牧交错带东部地区播前降水和降水分配与马铃薯需水关键期的匹配度高于中部和西部地区,因此东部地区马铃薯的产量差要低于中部和西部地区。对马铃薯进行灌溉60-240 mm后,相比于雨养产量马铃薯可以增产41-86.8%,潜在产量和雨养产量之间的产量差可以缩减5-70%。然而,长期连续模拟结果表明灌溉会导致农牧交错带地下水位下降4.2-44.8 m。在雨养条件下,长期连续种植马铃薯,能够使农牧交错带地下水位升高0-3 m,然而会导致1 m 土层的土壤水分降低。相比于长期连续种植马铃薯,采用一年种植一年休闲的种植方式和长期休闲的种植方式,分别可以使1 m 土层的土壤水分增加2-79 mm和100-143 mm,地下水位可以分别升高0-4.3 m和6-16 m。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S532
【图文】：

土壤水分特征曲线,农牧,中国北方,站点

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．逡逑农牧交错带东部、中部和西部的雨季起始时间分别为５月２０日－６月５日、６月６日－６月２０月２１日－７月５日。东部地区生长季（４月－９月）平均温度和总降水量分别为１５．５°Ｃ和３２６邋ｍ地区生长季平均温度和总降水量分别为１５．１邋°Ｃ和３３３邋ｍｍ，西部地区生长季平均温度和总降１５．６°Ｃ和３２１邋ｍｍ。农牧交错带马铃薯的种植时间在４月底至６月初，当地的常规播期为左右，收获时间一般在９月份第一次霜冻之前（Ｔａｎｇｅｔａｌ．，２０１６）。农牧交错带土壤数据来壤数据库（ｈｔｔｖ：／／ｗｗｗ．ｓｏｉｌ．ｃｓｄｂ．ｃｎ／），主要包括土壤容重、调萎含水量、田间持水量、饱和壤养分含量和ｐＨ值等土壤理化数据。农牧交错带东部、中部和西部地区土壤中有效水ＡＷＣ）分别为１６２邋ｍｍ、１２０邋ｍｍ和１０９邋ｍｍ。土壤水分特征曲线，包括土壤凋萎含水量（ＬＬ１５水量（ＤＵＬ）和饱和含水量（ＳＡＴ）见图２－２逡逑体积含水量（ｍｉｒｒｍｍ１）逡逑Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ邋ｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ邋（ｍｍ－ｍｍ＊１）逡逑０逦０．１逦０．２邋ＯＪ邋０．４逦０＊５邋0邋0．ｌ邋0．２逦０３逦０．４逦０．５逦０逦０．１逦０．２邋０Ｊ邋０．４逦０＊５逡逑0邋逦１逦１逦＇逦１逦１邋Ｏ邋－｜逦１逦１逦＇逦１逦１逦０邋逦＇逦＇逦１逦１逦＇逡逑Ｉ逦１逦［逦Ｉ逦Ｊ逦Ｉ逦Ｉ逡逑ｉ逦Ｉ逦｜逦ｉ逦；逦Ｉ逡逑２００邋－逦：逦２００邋■逦２００邋－逦ｊ逦—ＬＬ，５逡

土壤水分特征曲线,田间持水量,西部地区,饱和含水量

逦１２０°邋Ｅ逦１２５°邋Ｅ逡逑图２－１中国北方农牧交错带及研究站点分布逡逑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．逡逑农牧交错带东部、中部和西部的雨季起始时间分别为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。东部地区生长季（４月－９月）平均温度和总降水量分别为１５．５°Ｃ和３２６邋ｍｍ，逡逑中部地区生长季平均温度和总降水量分别为１５．１邋°Ｃ和３３３邋ｍｍ，西部地区生长季平均温度和总降水量逡逑分别为１５．６°Ｃ和３２１邋ｍｍ。农牧交错带马铃薯的种植时间在４月底至６月初，当地的常规播期为５月逡逑１０日左右，收获时间一般在９月份第一次霜冻之前（Ｔａｎｇｅｔａｌ．，２０１６）。农牧交错带土壤数据来自中逡逑国土壤数据库（ｈｔｔｖ：／／ｗｗｗ．ｓｏｉｌ．ｃｓｄｂ．ｃｎ／），主要包括土壤容重、调萎含水量、田间持水量、饱和含水逡逑量、土壤养分含量和ｐＨ值等土壤理化数据。农牧交错带东部、中部和西部地区土壤中有效水分含逡逑量（ＰＡＷＣ）分别为１６２邋ｍｍ、１２０邋ｍｍ和１０９邋ｍｍ。土壤水分特征曲线

集雨,潜力,充灌,水分生产力

雨养产量和不同的管理措施对马铃薯产量和水分可持续利用的影响。逡逑２．７播期和补充灌溉对产量、蒸散量和水分生产力的影响模拟逡逑通过设置１９８１－２０１０年不同播期和补充灌溉的模拟情景，分析农牧交错带２７个站点（图２－１）逡逑播期和补充灌溉对马铃薯产量、生育期蒸散量和水分生产力的影响。其中水分生产力是指马铃薯的逡逑鲜重和生育期内蒸散量的比值。采用连续模拟情景，即每年模拟开始之前不进行土壤水分的重置，逡逑不同的情境中只有播期和补充灌溉的设置不同，其他管理措施的设置均相同。为保证氮肥不对马铃逡逑薯产生胁迫，利用模型自动施肥模块，设置当０－６０邋ｃｍ邋土层中全氮含量低于３００邋ｋｇ．ｈａ—１时，自动进逡逑行氮肥的补充。逡逑１）

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