我国北方典型农田小麦和玉米产量及其氮肥利用率预测

发布时间：2020-05-25 06:46

【摘要】：氮肥利用率是衡量施氮肥经济效益和环境效益的重要参数。我国主要粮食作物的氮肥利用率低,约为30%,且氮肥施用过量、环境风险大的现象普遍存在,严重影响土地质量。另外,IPCC气候情景显示,未来20~50年极端气候发生频率显著增加。然而,气候变化对作物生长及其氮素利用率的影响程度仍不明确。因此,阐明未来不同气候变化程度、不同施肥措施条件下,作物产量和氮肥利用率的变化趋势,能为我国农田管理措施优化、应对气候变化、保障粮食安全提供重要的科学依据。本文以我国北方7个小麦-玉米长期定位试验数据为基础(公主岭、张掖、平凉、昌平、郑州、徐州、杨凌),验证和评价作物-土壤模型(SPACSYS)对作物产量、氮吸收量和氮肥利用率模拟与预测的适用性;借助校验后的模型,在假设作物品种、管理措施等不改变的前提下,运用IPCC最新RCP(Representative Concentration Pathway,RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)气候情景,对不同地区、不同施氮方式下作物产量和氮肥利用率的变化趋势进行预测,阐明未来气候变化对我国北方地区小麦和玉米生长的影响,确定不同气候变化情景下现有施肥模式中最优施肥方式,为我国北方农用地的合理利用提供参考。研究结果表明:1.作物-土壤模型SPACSYS可用于模拟我国北方不同气候区、不同施肥措施下小麦-玉米典型农田的作物产量、氮吸收量和氮肥利用率。其中,作物产量的模型校准结果显示,小麦和玉米产量的模拟值和观测值的相关系数(R2)为0.40~0.70(P0.01),残差均方根(RMSE)为4.5%~14.6%,相对误差(RE)为1.2%~8.5%;模型验证结果显示,小麦和玉米产量的模拟值和观测值的R2为0.65~0.79(P0.01),RMSE为3.0%~13.5%,RE为1.2%~4.8%。作物氮吸收量的模型校准结果显示,小麦和玉米的II籽粒和秸秆氮吸收量的模拟值和观测值的R2为0.32~0.80(P0.01),RMSE为3.9%~6.2%,RE为1.3%~8.9%;模型验证结果显示,小麦和玉米的籽粒和秸秆氮吸收量的模拟值和观测值的R2为0.38~0.75(P0.01),RMSE为3.0%~7.8%,RE为3.1%~9.7%。研究区各种施肥方式的NUE模拟值(16%~80%)与观测值(15%~87%)相接近,且各种施肥处理模拟值与观测值没有明显差异。2.冬小麦-夏玉米一年两熟地区,即华北地区的昌平、郑州、徐州和西北地区的杨凌,未来气候变化(气温升高、降雨量和降雨次数增加,CO2浓度升高)使各种施肥方式下的小麦产量增加,平均增产8.5%;玉米产量均下降,平均减产3.8%,且玉米产量变异系数较小,产量更加稳定。在同一种气候情景下,不同施肥方式对小麦增产效果无明显差异,对玉米的增产效果则不同且总体呈现:NPK,NPKMNPKSh NPKM(P0.05)的变化趋势。总体来看,高量有机粪肥配施氮磷钾化肥(h NPKM)处理的小麦和玉米的产量最高,分别为571.17~627.85 g/m2和663.10~741.38 g/m2,并且作物氮吸收量最大。未来气候变化使我国北方冬小麦-夏玉米轮作系统的氮肥利用率平均降低了15%,且NUE呈现:baselineRCP2.6RCP4.5RCP8.5的变化趋势。各气候变化情景下,不同施肥处理的氮肥利用率存在显著差异(P0.05),其中高量有机粪肥配施氮磷钾化肥(h NPKM)处理的NUE最高,为38.70%~52.78%。h NPKM和NPKS处理的NUE相对稳定,变化幅度为-30%~10%。3.小麦、玉米一年一熟地区,即西北地区的张掖、平凉和东北地区的公主岭,未来气候变化使各种施肥方式下的西北地区玉米产量平均减少33.5%,东北玉米增产5.6%;小麦在大部分气候情景下减产(除平凉的RCP4.5情景、张掖的RCP8.5情景),变化范围为-49%~11%。在未来气候变化情景下,不同施肥处理对一年一熟地区小麦和玉米的增产效果差异不大,有机肥(粪肥)配施氮磷钾化肥(NPKM)处理的产量(小麦270~595 g/m2;玉米501~1267 g/m2)略高于其他处理,作物氮吸收量显著高于其他处理(P0.05)。未来气候变化使我国北方一年一熟地区的小麦(除平凉的RCP4.5情景)和玉米的氮肥利用率下降,西北地区小麦平均下降45%,玉米平均下降33%,东北地区玉米平均下降8%。各种气候情景下,有机肥(粪肥)配施无机肥(NPKM)的作物氮肥利用率下降范围都最少(或RCP4.5情景下,平凉的作物氮肥利用率增加最大),玉米下降4.65%~46.47%,小麦变化范围为-64.32%~55.89%。此外,各种气候情景下,施化肥和化肥配施有机肥处理的小麦氮肥利用率没有明显差异,玉米氮肥利用率则存在显著差异(NPK≥NPKMNPKS,P0.05),且相比小麦,玉米的氮肥利用率更高、产量也更稳定,更适应未来气候变化。
【图文】：

点分布,长期定位试验,土壤类型,制度

本文选择 1980 年左右建立的全国农田肥料网、1990 年左右建立的土壤肥力网的长期试验中的昌平（CP）、郑州（ZZ）、杨凌（YL）、徐州（XZ）、公主岭（GZL）、张掖（ZY）、平凉（PL）7 个长期（>20 年）定位试验点为研究对象（图 2.1），这些点位分布在我国北方的小麦、玉米主产区，并且有典型的气候特征、不同的土壤类型。气候类型从干旱到半干旱，从中温带到暖温带。年平均气温为 4.5~14.5°C。年均降雨量为 127（干旱区）~860mm（季风区），从西部到东部，降雨量呈逐渐增加的态势。年蒸发量为 993~2345mm（中国气象共享服务系统；http://cdc.cma.gov.cn/）。个试验点中，，PL、XZ、GZL 无灌溉，其余各点在小麦、玉米的生长季会依据实际气候情况，有 1~3 次灌溉。作物种植制度包括了北方小麦、玉米的典型种植制度，一年两熟的有：CP、ZZ、XZ、YL，一年一熟的有：GZL、ZY、PL。包括气候条件、土壤类型和试验初始年份的土壤理化性质等 7 个长期定位试验点的基本情况，见表2.1。

块结构,循环模

SPACSYS中碳循环模块结构
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1;S513;F326.11

【参考文献】