秸秆覆盖下的夏玉米蒸散、水分利用效率和作物系数的变化

农业用水占华北水资源的70%以上,提高农业用水的效率对华北水资源安全具有重要意义。在节水农业研究中,利用农艺节水提高农田水分利用效率是节水农业的重要组成部分,其中减少农田无效棵间蒸发耗水和优化供水制度是主要的农艺节水措施。夏玉米是华北太行山山前平原的主要作物之一,一般在冬小麦收获前的5～7天套种在其中,以延长夏玉米的生育期。随着联合收割机的广泛应用,冬小麦收获后的秸秆直接覆盖夏玉米,对夏玉米的农田蒸散特别是苗期的蒸散产生影响;夏玉米生长在6～9月的雨季,一般年份降水能够满足夏玉米的需水要求,但夏季降水的分布变异较大,再加上近6年来的夏季干旱,使灌水对夏玉米的高产至关重要。为了提高夏玉米的农田水分利用效率,本研究的目的是建立秸秆覆盖下的夏玉米优化供水制度和研究秸秆覆盖对减少棵间无效耗水的影响及秸秆覆盖下的夏玉米作物系数的变化,为制定秸秆覆盖下的夏玉米优化供水制度提供依据。2年的实验结果显示,秸秆覆盖下的夏玉米产量在8000kg/ha,总蒸散量在390mm,水分利用效率在2.2kg/m3。干旱年份,夏玉米在灌四水的条件下产量最高,再增加灌水量,产量减少。水分利用效率随着灌水量的增加有所递减。     

黑龙港易旱地区不同类型农作物的水分生态适应性研究

本文通过二个不同土壤水分年型的试验,用农田水分平衡法和彭门公式分别计算了黑龙港地区作物的蒸散量和需水系数,由此计算了旱地作物的水分亏缺率;运用生长分析进行平行分析,应用多年气候资料计算年型频率,对不同类型农作物一秋粮,夏粮和棉花的水分生态适应性进行了研究。秋粮中玉米和高粱的气候生态适应性较好。干旱年份虽在干旱时期水分亏缺比谷子严重,生育状况不如谷子,但由于玉米和高粱在雨后比谷子和大豆有较高的干物质累积速度,最终也能获得与谷子相同的产量、水分利用效率和光能利用率。正常年和夏涝年份,水份亏缺率各作物差异不大,但生育状况玉米和高粱则明显地优于谷子和大豆,具有较高生产力、水分利用率和相对较强的抗涝能力,经济效益也高于谷子和大豆。春播作物生育期间旱年占37%,初夏降水正常,湿润和夏涝的年份占63%;夏播作物旱年占21%,夏常和夏涝的年份占79%。底墒足和春多雨的年份冬小麦可获得一定产量(亩产可达500-600斤)。底墒的作用可以维持到4月下旬前后。在冬小麦获得一定产量的基础上,加上夏播构成二熟,可比一熟获得较高的年产量、光能利用率和经济效益。若7月下旬(雨期)土壤水分达到田间持水量,计算得出达到底墒足指标所需的8～9月降水量为167.4毫米。     

农田生态系统二氧化碳通量与群体水分利用率研究

本文利用二氧化碳分析系统,配合波文比装置,测定了夏玉米农田群体二氧化碳浓度差及农田小气候特征,并计算了农田冠层瞬时的二氧化碳通量和群体水分利用率。结果表明,夏玉米群体二氧化碳通量、二氧化碳浓度差及群体水分利用率存在明显的日、季节变化规律。其中水分利用率呈“Ｌ”型曲线,上午８时左右达到一天的峰值。拔节后随着作物生长发育水分利用率逐渐增大,灌浆后期由于群体光合能力下降、呼吸消耗增强而逐步下降。太阳总辐射、二氧化碳浓度、空气饱和差及土壤水分等环境因素以不同机制及过程影响水分利用率。在生产实际中,可通过秸秆覆盖、喷灌等措施降低蒸腾驱动势,提高水分利用率。     

华北平原冬小麦—夏玉米轮作区DLM与CLM5模型模拟对比研究

作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具,其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在作物生长及农田热通量模拟方面的差异及原因,评估2个模型在华北平原作物研究中的适用程度,论文开展了冬小麦—夏玉米轮作站点的模拟对比研究。结果显示,DLM的夏玉米叶面积指数和生态系统总初级生产力的模拟值更高,与观测值更为接近;CLM5模型则在冬小麦模拟中略优。DLM的潜热模拟值与观测值的相关性普遍更高,可能反映了DLM采用的彭曼公式、双叶策略比CLM5采用基于水势梯度质量守恒、大叶策略的潜热计算方法更具优势。对于产量,模型当前的估测能力并不理想。总的来说,在默认设定下,2个模型的模拟结果能基本反映研究区农田站点内夏玉米和冬小麦的生长规律,但与实测值存在一定偏差。模型在该区域的适用性可能需要通过添加农田管理措施、算法优化和参数本地化等方式进一步提高。     

华北平原典型农田水、热与CO2通量的测定

在中国科学院栾城农业生态试验站用波文比-能量平衡法与涡度相关技术对净辐射通量（Rn)，潜热通量（λE），感热通量（H），土壤热通量（G）与冠层CO2通量（Fco2)进行了长期定位研究，结果显示Rn大部分用于作物潜热的消耗，连续2年4个生长季λE/Rn都在70%以上，在作物生育盛期，夏玉米λE/Rn略高于冬小麦，H/Rn都在15%左右，G/Rn在5%-13%之间，且冬小麦G/Rn明显高于夏玉米。蒸发比值（EF）在不同的理想环境条件下，随着可供能量（Rn-G)的增加表现出先迅速下降，后缓慢下降，最后趋于稳定的趋势，并在冬小麦环境条件下得到了验证，直角双曲线模型可以模拟Fco2随光通量密度（PPFD）的响应过程。晴天冠层水分利用效率（WUE）不是在正午出现最高值，当PPFD达到1500μmolm^-2s^-1左右时，WUE却略有下降。     

河北省低平原地区主要作物农田水分盈亏分析

本文计算了河北省低平原地区主要农作物的需水量,根据农田水量平衡方程估算了冬小麦、夏玉米和棉花整个生长期的水分盈亏及其在地区上的差异,分析了作物需水关键期的水分状况。     

耕作模式对河西绿洲灌区夏玉米农田土壤呼吸的影响北大核心CSCD

以河西绿洲灌区夏玉米农田土壤为研究对象,设置免耕(NT)和传统耕作(CT)两种耕作方式,玉米间作小麦(W/M)、玉米小麦轮作(W→M)和麦后插播冬油菜还田玉米轮作(W-G→M)3种种植模式,探讨河西绿洲灌区不同耕作模式对夏玉米农田土壤呼吸变化特征的影响。测定夏玉米不同生育时期土壤呼吸速率、土壤温度和土壤含水量。结果表明:河西绿洲灌区不同耕作模式下夏玉米农田土壤呼吸有着明显的单峰型日变化,且峰值出现在15:00左右,玉米生育期峰值出现在拔节期(6月上旬)。土壤呼吸速率与土壤温度、土壤含水量均显著正相关,且土壤呼吸速率日变化主要受5 cm土壤温度影响。6种耕作模式的土壤呼吸的温度敏感性Q10值为1.60~2.70,免耕均高于传统耕作,且依次为NT W→M>NT W/M>NT W-G→M>CT W-G→M>CT W→M>CT W/M。河西绿洲灌区不同耕作模式下夏玉米农田土壤呼吸不仅受土壤温度影响,还受土壤含水量的影响。     

MODIS水汽通量估算方法在华北平原农田的适应性验证

利用遥感手段估算区域水汽通量对研究区域气候变化及生态系统功能评价颇具意义。但是由于估算模式涉及时空差异很大的地表特征参数很难完全通过遥感数据获得,因此MODIS水汽通量数据产品 (MOD16) 至今尚未问世。本研究以中科院禹城综合实验站2002年4~5月份冬小麦田的涡度相关实测水汽通量为标准,验证MOD16算法所估算的农田水汽通量,结果表明直接使用MOD16算法计算的麦田水汽通量比实测水汽通量平均偏大近20%。对其中的作物三基点温度、空气动力学阻抗计算方法和植被覆盖度进行修正,修正后的MOD16计算结果和实测值非常吻合,1:1曲线斜率为0.9706,相关系数R₂为0.8845。这为利用MODIS数据大面积估算农田水汽通量提供了科学依据。     

河北南部地区资源、环境、发展初析

河北南部地区山前平原区农业气候条件适于夏玉米的生长 ,黑龙港地区适于棉花的生长。本区水资源匮乏 ,地下水超采严重。浅层地下水超采模数为 8.0 1× 1 0 4 m3/( km2 ·a) ,深层地下水为 2 .5 8× 1 0 4 m3/( km2·a)。全区水资源利用的综合边际效益以廊坊市最高 ( 2 6.68元 /t) ,保定市最低 ( 1 4.85元 /t) ,两者之比为 1 .80。区内地下水降落漏斗与地面沉降等环境地质灾害频繁 ,1 998年浅层地下水漏斗区面积为 0 .5 4× 1 0 4 km2 ,深层地下水为 1 .5 9× 1 0 4 km2。地下水、粮食和蔬菜受到农药残留、过量化肥的污染。本区 2 0 1 0水平年外流域调水将占可供水量的 2 3.9% ,但缺水率仍达 36.2 %。若全区通过发展工程节水 (提高综合节水率 3.2 % )、实施适水种植 (冬小麦播种面积下调 7% ) ,利用水分胁迫处理 (减少一次灌溉 )等节水措施 ,则比 1 999年节水 1 7.2 %。     

河北平原冬小麦播种面积收缩及由此节省的水资源量估算

以河北平原1998-2010 年11 地市的农业统计数据和22 个气象站点的逐日气温、降水量、水汽压、风速、日照时数和相对湿度等资料为基础,对该地区冬小麦播种面积的收缩情况及由此引发的耕作制度变化进行了分析;同时,结合作物系数法和逐旬有效降水量法,计算了不同耕作制度下的水分亏缺量,进而估算了该地区因耕作制度变化节省的水资源量。结果表明:① 该时段河北平原11 地市冬小麦的播种面积均呈收缩趋势,总面积下降了16.07%,约49.62×10⁴ hm²。京津唐城市群表现最为明显,下降了47.23%;② 冬小麦的降水满足率仅为20%~30%,而春玉米和夏玉米均为50%以上;冬小麦-夏玉米一年两熟制所需的灌溉水资源量为400~530 mm,而春玉米一年一熟制仅为160~210 mm;③ 该时段河北平原因冬小麦播种面积收缩而节省的灌溉水资源量约为15.96×10⁸ m³/a,相当于南水北调中线一期工程为京津冀三省市供水量的27.85%。     

气候变暖对西北干旱区农作物种植结构的影响

采用年平均气温与冬小麦、春小麦、玉米和棉花种植面积的相关分析得出：年平均气温与新疆冬小麦种植面积呈显著负相关,与西北干旱区大部地方春小麦种植面积呈显著负相关,与西北干旱区大部地方玉米种植面积呈显著正相关,与新疆和甘肃河西棉花种植面积呈显著正相关。气候变暖、热量资源增加,使喜凉的春小麦和冬小麦种植面积呈迅速减少趋势,喜温的玉米和棉花种植面积呈迅速扩大,夏秋作物种植结构发生明显改变。     

山西省中部五大盆地主要作物农田热量、水量盈亏分析

本文根据晋中五大盆地的热量、水量实测数据和当地的实际情况,分析计算了不同耕作制度下主要作物农田热量盈亏量和无灌溉条件下的水量盈亏量。为充分合理利用水热资源,发展农业生产,提供科学依据。     

西北地区气候暖干化对作物气候生态适应性的影响

在综述西北地区现代气候变化基本特征是暖干化的基础上,重点揭示了冬小麦、春小麦 (夏粮)、玉米、马铃薯、谷子、糜子（秋粮）和棉花、胡麻、冬油菜、酿酒葡萄（经济作物）等10种主要作物的热量指标、水分指标和生长发育状况等对现代气候暖干化的响应特征。气候变暖对作物热量生态适应性的影响非常显著,作物需要热量指标比变暖前有提高的趋势;气候变干对作物水分生态适应性的影响非常敏感,作物需要水分指标比变干前有增多的趋势。气候暖干化对作物气候生态适应性的影响总体来说是利弊并重。对灌溉区作物是利多弊少,建议要创建干旱区现代农业发展模式来应对;对旱作区作物是弊远大于利,建议要建立一整套旱作农业生产机制来适应气候暖干化。提出了作物气候生态适宜度是气候暖干化对作物产生重大影响的重要原因。     

冬小麦水分耗散特性与农业节水

本文根据中国科学院禹城综合试验站１９８６年－１９９６年蒸渗仪农田水分模拟试验资料统计；冬小麦全生育期耗水量可达４８２．５ｍｍ，缺水率可达６９．３％；冬小麦全生育不分耗散过程有两个明显的需水峰区和３个关键需水期，为实施节水灌溉提供了实验依据；冬小麦耗水量与环境因子有明显的相关关系，其统计规律可供地下水浅埋区区域灌溉预测参照应用。     

鲁西北地区土地现实生产力调查与估算

以鲁西北地区县级1∶5万土壤类型图图斑作为基础评价单元,根据农户现有的投入水平,采用“调查法”模拟分析农业土地资源的现实生产力,并与统计资料和“机制法”模型模拟结果进行对比分析。研究结果表明,现实投入水平下鲁西北地区夏玉米单产略高于冬小麦单产,对冬小麦的投入从整体上来看相当于中等投入,但又存在着区域差异。对夏玉米的投入具有南北向的差异,由南到北投入水平逐渐降低。鲁西北地区土地现实生产力以宁津县最高,庆云县最低,与“机制法”模型模拟结果比较,各县市之间土地生产潜力差距较大。由此可以说明,各县市土壤质量本身对土地年生产力的大小起着重要作用,进一步证明“调查法”能充分反映土壤在土地综合性质中的主要作用。     

Remote sensing monitoring on regional crop water productivity in the Haihe River Basin

Crop water productivity （CWP） agricultural development in water scarcity is one of the important indicators for sustainable area. There is serious conflict between water sup- ply and requirement in the Haihe River Basin. CWP of winter wheat and summer maize from 2003 to 2007 in the Haihe River Basin is estimated based on large-scale evapotranspiration （ET） and crop yield obtained by remote sensing technology. Spatial and temporal distribution of CWP of winter wheat and summer maize is investigated in this study. Results show that CWP of winter wheat in most parts of the study area varies from 1.02 kg/m3 to 1.53 kg/m3, and CWP of summer maize varies from 1.31 kg/m3 to 2.03 kg/m3. Multi-year averaged CWP of winter wheat and summer maize in the study area is about 1.19 kg/m3 and 1.59 kg/m3. CWP results show certain promotion potential to alleviate the water shortage in the Haihe River Basin. Correlation analysis of CWP, crop yield and ET shows that there is great potential for crop yield promotion without the growth in irrigation water. Large-scale CWP estimated by remote sensing technology in this study shows spatial distribution features, which could be used to real-time agricultural water resource management combined with crop yield and ET.     

Simulated effect of soil freeze-thaw process on surface hydrologic and thermal fluxes in frozen ground region of the Northern Hemisphere

Soil freeze-thaw process is closely related to surface energy budget,hydrological activity,and terrestrial ecosystems.In this study,two numerical experiments(including and excluding soil freeze-thaw process)were designed to examine the effect of soil freeze-thaw process on surface hydrologic and thermal fluxes in frozen ground region in the Northern Hemisphere based on the state-of-the-art Community Earth System Model version 1.0.5.Results show that in response to soil freeze-thaw process,the area averaged soil temperature in the shallow layer(0.0175?0.0451 m)decreases by 0.35℃in the TP(Tibetan Plateau),0.69℃in CES(Central and Eastern Siberia),and 0.6℃in NA(North America)during summer,and increases by 1.93℃in the TP,2.28℃in CES and 1.61℃in NA during winter,respectively.Meanwhile,in response to soil freeze-thaw process,the area averaged soil liquid water content increases in summer and decrease in winter.For surface heat flux components,the ground heat flux is most significantly affected by the freeze-thaw process in both summer and winter,followed by sensible heat flux and latent heat flux in summer.In the TP area,the ground heat flux increases by 2.82 W/m2(28.5%)in summer and decreases by 3.63 W/m2(40%)in winter.Meanwhile,in CES,the ground heat flux increases by 1.89 W/m2(11.3%)in summer and decreases by 1.41 W/m2(18.6%)in winter.The heat fluxes in the Tibetan Plateau are more susceptible to the freeze-thaw process compared with the high-latitude frozen soil regions.Soil freeze-thaw process can induce significant warming in the Tibetan Plateau in winter.Also,this process induces significant cooling in high-latitude regions in summer.The frozen ground can prevent soil liquid water from infiltrating to deep soil layers at the beginning of thawing;however,as the frozen ground thaws continuously,the infiltration of the liquid water increases and the deep soil can store water like a sponge,accompanied by decreasing surface runoff.The influence of the soil freeze-thaw process on surface hydrologic and thermal fluxes varies seasonally and spatially.