黄土高原半湿润区苜蓿—粮食作物轮作效应模拟研究

论文摘要

紫花苜蓿是多年生豆科牧草作物,在黄土高原半湿润区大面积栽培。苜蓿具有强烈的耗水性能,导致半湿润区苜蓿草地发生干燥化,草地退化较为严重。为了克服和缓解苜蓿草地高强度耗水效应,逐步提高和恢复苜蓿草地深层土壤湿度,需要采取雨季休闲或轮作耗水量较小的粮食作物等措施,促进干燥化苜蓿草地的更新和高效再利用。本研究采用野外实地测定和EPIC模型模拟相结合的方法研究了黄土高原半湿润区苜蓿草地土壤干燥化特征和草粮轮作土壤水分恢复效应。首先,对黄土高原半湿润区镇原不同生长年限苜蓿草地深层土壤水分进行了测定,分析了不同生长年限苜蓿草地深层土壤干燥化特征。同时,对连作10年苜蓿翻耕后轮作不同生长年限粮食作物农田的深层土壤水分进行了测定,探讨了采用不同年限草粮轮作方式对苜蓿草地土壤水分恢复效果。其次,选取黄土高原半湿润区镇原为试验站点,组建逐日气象要素序列、典型土壤剖面理化性状、作物生长参数等一系列数据库,借助EPIC0509模型,模拟研究了1～16年生苜蓿草地水分生产力和土壤干燥化效应,并设置了10年生苜蓿与21年“连作春大豆”、“连作冬小麦”、“连作春玉米”、“冬小麦→冬小麦→春大豆（WWS）”、“冬小麦→冬小麦→春玉米（WWC）”、“春大豆→春大豆→冬小麦（SSW）”和“春大豆→春大豆→春玉米（SSC）”等7种草粮轮作的长周期定量模拟试验,对苜蓿草地轮作不同类型粮食作物后的逐年产量变化以及深层土壤干层湿度恢复规律进行了动态模拟分析,依据试验结果,选择出了适应半湿润区的最优草粮轮作方式。研究取得的进展:1.镇原实测结果:（1）黄土高原半湿润区15～28年生苜蓿草地0～1 000 cm土层土壤湿度平均为10.20%,土壤干燥化速度34.2 mm·a-1,土壤干层最大分布深度超过了1 400 cm。苜蓿草地适宜翻耕和轮作粮食作物的生长年限为10年生。（2）苜蓿草地翻耕并轮作3～25年粮食作物后土壤干层湿度能够逐步恢复,土壤干层恢复厚度为583 cm,土壤湿度恢复度为83.3%,达到极好恢复程度,土壤湿度恢复速率为77.3 mm·a-1。通过粮草轮作方式使15年生苜蓿草地土壤湿度恢复到当地土壤稳定湿度需要8年以上。有利于土壤水分恢复的适宜粮草轮作模式是“10年生苜蓿→8年以上粮食作物”。2.模拟结果:（1）苜蓿草地产量和土壤水分变化模拟结果表明,10年生苜蓿草地0～1000 cm土层土壤有效含水量波动较小,土壤湿度趋于不稳定,土壤发生严重干燥化,导致草地产量下降。所以苜蓿生长10～12年后,应采取草粮轮作等适当措施来缓解土壤水分亏缺加剧。（2）不同草粮轮作方式下土壤湿度恢复模拟结果表明,草粮轮作利于干燥化苜蓿草地土壤水分的恢复,土壤水分恢复效果与轮作年限成正比。在7种轮作方式中,连作春大豆、轮作WWS和SSW达到完全恢复程度所需年限为15年,连作冬小麦、轮作WWC和SSC达到完全恢复程度所需年限为21年,7种轮作方式中WWS土壤水分恢复状况最为显著,轮作方式比连作方式的恢复效果要好。（3）不同草粮轮作方式下粮食作物产量模拟结果表明,在整个轮作过程中,产量呈现“倒U”型。苜蓿草地翻耕后种植15年左右的粮食作物为宜,此时土壤水分就已经恢复到了较好水平。（4）不同草粮轮作方式下土壤养分演变模拟结果表明,种植苜蓿对土壤有机碳和有机氮的积累起到了促进作用,有机碳和有机氮积累与苜蓿生长年限成正比,有机磷、活性磷和NO3-N含量则略有降低。7种轮作模式中的粮食作物均消耗土壤有机碳、有机氮和有机磷,损耗最大的是冬小麦,损耗最小的是春大豆,二者轮作则有利于冬小麦田有机质含量的积累。表明WWS轮作模式有利于土壤养分的均衡。（5）综上所述,既要考虑到不同轮作模式下土壤湿度和水分生产力的变化动态,又要结合养分变化动态,得出“10年生苜蓿→15年WWS”为黄土高原半湿润区的最优草粮轮作方式。

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摘要

ABSTRACT

第一章文献综述

1.1 研究背景

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外研究动态

1.3.1 国内研究现状

1.3.2 国外研究现状

1.4 Win EPIC 模型简介

1.4.1 模型的结构与功能

1.4.2 模型的研发历史

1.4.3 模型的应用

第二章材料与方法

2.1 试验站简介

2.2 试验设计

2.3 研究内容

2.4 技术路线

2.5 试验方案

2.5.1 旱作苜蓿草地和轮作粮田深层土壤湿度状况田间测定

2.5.2 模型验证与参数修订

2.5.3 EPIC 模型数据库组建

2.5.4 草粮轮作方式下产量、土壤水分和养分效应模拟与分析

第三章旱作苜蓿草地和轮作粮田深层土壤湿度田间测定

3.1 不同生长年限苜蓿草地土壤干燥化程度

3.1.1 不同生长年限苜蓿草地土壤贮水量

3.1.2 苜蓿草地土壤干层分布深度

3.1.3 连作苜蓿草地适宜翻耕时期

3.2 粮草轮作后土壤水分恢复效应

3.2.1 苜蓿草地轮作粮食作物后土壤水分恢复情况

3.2.2 土壤干层水分恢复厚度、速率及所需时间

3.3 讨论与结论

3.3.1 讨论

3.3.2 结论

第四章黄土高原半湿润区EPIC 模型数据库的组建

4.1 EPIC 模型气象数据库的组建

4.1.1 气象数据库的参数设定

4.1.2 气象数据库的组建

4.2 EPIC 模型土壤数据库的组建

4.2.1 土壤数据库的参数设定

4.2.2 土壤数据库的组建

4.3 EPIC 模型作物参数数据库的组建

4.3.1 作物数据库的参数设定

4.3.2 作物数据库的组建

4.4 EPIC 模型肥料参数数据库的组建

4.4.1 肥料数据库的参数设定

4.4.2 肥料数据库的组建

4.5 EPIC 模型农作措施数据库的组建

4.5.1 农作措施数据库的参数设定

4.5.2 农作措施数据库的组建

4.6 EPIC 模型田间管理数据库的组建

4.6.1 田间管理数据库的参数设定

4.6.2 田间管理数据库的组建

4.7 EPIC 模型在黄土高原地区的应用验证

4.7.1 模型验证的意义

4.7.2 WinEPIC 模型模拟精度验证

第五章黄土高原半湿润区紫花苜蓿草地水分生产力模拟

5.1 镇原紫花苜蓿草地水分生产力变化

5.1.1 镇原16 年降水变化

5.1.2 镇原紫花苜蓿草地产量变化

5.1.3 逐年干旱胁迫日数变化

5.2 镇原紫花苜蓿草地土壤水分变化情况

5.2.1 苜蓿草地10 m 土层逐月土壤有效含水量变化

5.2.2 不同生长年限紫花苜蓿草地土壤水分剖面分布特征

5.2.3 苜蓿草地干燥化强度评价

5.3 镇原紫花苜蓿草地生产力水平及稳定性评价

第六章苜蓿草地适宜翻耕年限的模拟研究

6.1 草粮轮作模式下冬小麦产量变化

6.2 草粮轮作田土壤水分变化模拟

6.2.1 各类苜蓿地翻耕后冬小麦土壤湿度剖面特征

6.2.2 草粮轮作田逐月土壤有效含水量变化

6.3 草粮轮作田土壤水分恢复速度比较

6.4 小结

第七章不同草粮轮作方式土壤水分恢复效应与产量模拟研究

7.1 10 年生苜蓿茬口轮作不同类型粮食作物期间土壤水分变化

7.1.1 逐月有效含水量动态变化

7.1.2 土壤湿度剖面分布特征变化

7.2 10 年生苜蓿茬轮作不同粮食作物期间产量变化

7.3 小结

第八章不同苜蓿-粮食轮作方式土壤养分变化模拟研究

8.1 草粮轮作0～5 M 土层土壤有机碳变化模拟

8.1.1 土壤有机碳剖面分布变化

8.1.2 草粮轮作期间0～5 m 土壤有机碳平均含量逐年变化

8.2 草粮轮作0～5 M 土层有机氮变化模拟

8.2.1 土壤有机氮剖面分布变化

8.2.2 草粮轮作期间0～5m 土壤有机氮平均含量逐年变化

8.3 草粮轮作0～5 M 米土层有机磷变化模拟

8.3.1 土壤有机磷剖面分布变化

8.3.2 草粮轮作期间0～5 m 土壤有机磷平均含量逐年变化

8.4 草粮轮作0～5 M 土层活性磷变化模拟

8.4.1 土壤活性磷剖面分布变化

8.4.2 草粮轮作期间0～5 m 土壤活性磷平均含量逐年变化

3-N 变化模拟'>8.5 草粮轮作0～5 M 土层NO₃-N 变化模拟

3-N 剖面分布变化'>8.5.1 土壤NO₃-N 剖面分布变化

3-N 平均含量逐年变化'>8.5.2 草粮轮作期间0～5 m 土壤NO₃-N 平均含量逐年变化

8.6 小结

第九章结论与讨论

9.1 主要结论

9.1.1 野外实地测定结论

9.1.2 模拟结论

9.2 讨论

9.2.1 关于EPIC 模型

9.2.2 关于模拟结果

参考文献

致谢

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