黄土高原旱塬区土壤贮水量对冬小麦产量的影响

选择黄土高原旱塬区最具代表性的董志塬所在地西峰站冬小麦2 m土层20 a土壤贮水量与产量资料,从大气降水-土壤水-作物循环系统的理论观点出发,研究土壤贮水量对冬小麦产量的影响。结果表明:土壤贮水量减少是旱塬区现代气候暖干化的重要特征,冬小麦生长年度2 m土层土壤贮水量历年平均值为351 mm,总体变化呈下降趋势,每10 a约减少21.4 mm,生长关键阶段的拔节期和孕穗-开花期变化最大,每10 a约减少32.1 mm和54.2 mm;而秋季底墒和返青期变化较平缓,每10 a约减少12.2 mm和7.6 mm,愈往生殖生长阶段干旱出现频率愈大。土壤贮水量突变年与气候产量突变年均发生在1994—1995年。不孕小穗率和千粒重与产量的相关性非常密切,是影响产量的主要要素。不孕小穗率对土壤贮水量的反应尤为敏感,其次是千粒重,最小是穗粒数。不同生育期2 m土壤贮水量与千粒重均呈正相关,其中拔节期与千粒重呈极显著直线相关,每增加10 mm千粒重提高0.8 g,当土壤贮水量在320—500 mm时,千粒重≥30 g,出现频率为80%。土壤贮水量是影响产量最重要的因素,拔节期2 m土壤贮水量与气候产量关系最密切。苗期主要利用浅层土壤水,营养生长中后期至生殖生长阶段主要利用中层和深层土壤水,而且愈往生长后期所利用的土层愈有加深的趋势。在产量形成过程中,不同深度土壤贮水量均起到重要作用,但浅中层(50 cm至1 m)具有突出作用;生殖生长阶段深层(2 m)土壤水向浅中层输送,对产量形成起重要的"补偿作用"。秋季底墒和返青至拔节期土壤贮水量是冬小麦需水和供水矛盾最突出的时期,对产量影响最显著。土壤贮水量对冬小麦产量贡献非常显著,产量年际波动主要受土壤贮水量的影响,气候变干前后的土壤贮水对产量的贡献不同,变干前平均气候产量为604.4 kg/hm2,变干后平均气候产量为-154.2 kg/hm2,下降了758.6 kg/hm2,125.5%。气候变干后,干旱年份出现的频率增大,丰产年型减少20%,而歉收年型增加12%。建立冬小麦前期气候产量预测模式,应选用浅中层底墒作预测因子;中期模式应选用浅中层拔节期土壤贮水量作预测因子;綜合最佳模式应选用浅中层底墒和拔节期深层土壤贮水量的复合预测因子。因此,创建旱塬区现代农业发展模式,建立一整套旱作农业生产机制来应对气候暖干化,确保冬小麦安全生产。

湘西北小流域典型植被恢复群落土壤贮水量与入渗特性

对湘西北女儿寨小流域7种典型植被恢复群落土壤贮水量与入渗特征进行研究。结果表明:1)森林群落土壤饱和贮水量与最大吸持贮水量均高于荒草灌丛群落,表明森林植被能较好地改良土壤、提高土壤持水能力;2)通用经验方程对各种植被类型土壤入渗过程的拟合效果最好,Kostiakov方程次之,Horton方程最差;3)毛竹杉木混交林群落土壤初渗率(17·10mm·min-1)和平均入渗率(7·42mm·min-1)最大,杉木人工林稳渗率(11·51mm·min-1)最高,油桐人工林初渗率(4·93mm·min-1)、稳渗率(0·52mm·min-1)和平均入渗率(1·23mm·min-1)均最小;4)坡位对土壤入渗率的影响具有不确定性,杜仲人工林表现为上坡>中坡>下坡,马尾松天然林、润楠次生林及荒草灌丛群落表现出与之相反的规律,以下坡最高,上坡最低,杉木人工林和毛竹杉木混交林则以上坡最高,中坡最低,油桐人工林以中坡最高,上坡最低;5)主成分分析结果表明,土壤水分入渗性能与土壤持水量、土壤孔隙状况密切相关,并受林分结构、植物群落生物量、海拔、坡度及坡位因子的制约,而坡向、草层盖度、土壤密度的作用较小;6)通过双重筛选逐步回归分析,建立土壤初渗率、稳渗率、平均入渗率的主导因子方程。

甘肃黄土高原旱作区土壤贮水量对春小麦水分生产力的影响

选择甘肃黄土高原旱作区5个春小麦测站2m土层深度多年土壤贮水量与产量资料,从大气降水-土壤水-作物循环系统的理论出发,研究了土壤贮水量和农田耗水量对春小麦水分生产力的影响.结果表明:该区域是一个贮水和保水性能较好的天然土壤水库,干旱区、半干旱区、半湿润区2m土层最大贮水量分别达470mm、582mm和617mm,但实际贮水量只有190mm、230mm和370mm,实际贮水量只相当于最大贮水量的40%、40%和60%,总的趋势是随湿润度增加而增大.干旱区、半干旱区和半湿润区分别为春小麦全生育期2m土层农田实际耗水量153mm、175mm和323mm,有随湿润度增大而增加的趋势.土壤贮水量是该区域春小麦生产力最重要的因素,土壤水分籽粒生产力为0.24～1.0kg.mm-1,平均为0.67kg.mm-1,总生物产量生产力为1.41kg.mm-1,随干旱程度增加明显递减.对不同水分气候区要采取增加土壤水库库容的各种抗旱措施,以提高土壤贮水量的利用效率.

晋南土壤质地、耕作方式及茬口对小麦播前土壤贮水量的影响

在山西临汾、襄汾采用大区对比法研究了土壤质地、耕作方式及茬口对小麦播前土壤贮水量的影响。结果表明：夏闲制不同土壤质地的传统土壤耕作方式,小麦播前0-200cm的各主要土壤层面的贮水量为中粘土〉中壤土〉轻壤土;夏季复播制的土壤质地和复播作物对小麦播前贮水量的影响以土壤质地〉复播作物种类;夏闲制不同土壤耕作方式的小麦播前贮水量以浅旋灭茬〉免耕〉隔行深松〉传统耕作〉全耕层深松。不同春播作物茬口小麦播前的贮水量以地黄茬贮水量最高,其次为丹参茬,棉花茬较差。该项研究为小麦播前土壤贮水量的恢复选择夏季复播制的土壤质地、夏闲制合理的土壤耕作方式和春播作物茬口提供了理论依据。

沟垄集雨对紫花苜蓿和裸燕麦出苗及土壤贮水量的影响

采用沟垄覆膜集雨种植紫花苜蓿和裸燕麦,测定不同沟垄比和不同垄覆盖材料对植物土壤贮水量和出苗数的影响。结果表明,沟中土壤贮水量随沟垄比增加而增加。普通地膜、可降解地膜和自然降水形成的土壤结皮具有减少土壤蒸发的作用,从而提高土壤贮水量。2012年5月7日紫花苜蓿出苗期测定结果显示,普通膜垄、可降解膜垄和土垄种植紫花苜蓿的土壤贮水量比平作分别提高为77,61和38mm。2012年4月27日裸燕麦出苗期测定结果显示,普通膜垄、可降解膜垄和土垄种植裸燕麦的土壤贮水量比平作分别提高102,83和61mm。普通地膜、可降解地膜和土垄处理提高了土壤含水量,从而提高裸燕麦株数;普通膜垄、可降解膜垄和土垄的裸燕麦株数比平作分别提高47,37和11株/m2。但高强度集雨不一定利于紫花苜蓿发芽,平作土壤含水量分布均匀,更有利于紫花苜蓿发芽。

陕北生态退耕区植被群落土壤贮水量与入渗特性

为了研究陕北生态退耕区土壤水文特性,对吴起县县城周边各植被群落土壤贮水与入渗特征进行了研究。结果表明:吸持贮水量和饱和贮水量之间、初渗率和稳渗率之间变化趋势基本相同,而滞留贮水量和饱和贮水量之间的相关性不大;土壤贮水量与入渗率在不同土地利用类型、地貌类型和坡向间变化;草本植被土壤水分入渗性能与坡度、坡向、株均高、容重、非毛管孔隙度、群落密度和海拔因子密切相关。

基于BP神经网络的土壤贮水量预报模型研究

[目的]为实现作物的实时灌溉提供科学依据。[方法]利用实测气象资料、桓台县节水灌溉试验站2008～2009冬小麦试验资料等建立BP神经网络预报模型,应用Matlab神经网络工具箱,采用Trainlm算法进行模型训练,对试验田的土壤贮水量进行预测。[结果]基于BP神经网络的土壤贮水量预报模型的泛化能力较强;在冬小麦日耗水量较大的拔节、扬花、灌浆3个时期,该模型的预报精度较高,稳定性较好。[结论]基于BP神经网络的土壤贮水量预报模型在冬小麦耗水较大时期的模拟值具有较高的精度。

祁连山区林地的土壤贮水量坡位响应

同一坡面上不同坡位土壤贮水量差异的研究,有助于了解坡面土壤水分分布特征,指导坡面植被恢复和坡面治理。对祁连山排露沟小流域阴坡上不同坡位土壤水分差异,分析表明：1）生长季平均土壤贮水量自坡上到坡下呈“单峰”变化：坡中和坡中下最高,分别为201和198 mm;坡中上和坡下次之,分别为177和175 mm;而坡上最少,为159 mm。2）6月、7月和9月,坡中、坡中下土壤贮水量显著高于其他坡位。5月和8月,不同坡位土壤贮水量差异较小,但坡中、坡中下土壤贮水量仍略高于其他坡位。3）在任何天气条件下,不同土层土壤贮水量沿坡面的变化规律均表现为自坡上到坡下呈“单峰”变化。0～30 cm土层土壤贮水量,在持续无雨、小雨或连阴雨的天气条件下,均表现为坡上最低,坡中最高。30～80 cm土层的贮水量,在不同天气条件下,坡中和坡中下的土壤贮水量总量最高;在持续无雨或小雨的天气下,坡中上最低;连阴雨的天气条件下,坡上最低。因此,中坡位由于接收坡上来水,水分条件最好。这说明在坡面尺度上进行林业管理时,考虑不同坡位的水分条件,合理管控不同坡位林分密度,有利于实现林-水可持续发展。

覆盖材料和沟垄比对土壤贮水量和燕麦出苗率的影响

试验在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地进行,采用完全随机设计,研究不同覆盖材料(普通地膜、生物可降解地膜和土壤结皮)和不同沟垄比(60∶30cm、60∶45cm和60∶60cm)对燕麦土壤贮水量和出苗率的影响。研究结果表明,普通膜垄、可降解膜垄和土垄的土壤贮水量比平作分别提高8%,13%和15%,土壤贮水量随垄宽增加而增加。普通膜垄、可降解膜垄和土垄燕麦出苗率比平作分别提高8%,28%和33%,燕麦出苗率随垄宽增加而增加。普通膜垄、可降解膜垄和土垄的燕麦出苗期比平作分别提前1.1,3.9和5.2d,燕麦出苗期随垄宽增加而减小。普通覆膜、可降解覆膜和土垄可有效收集地面微降雨和地表径流,提高土壤含水量及贮水量,改善土壤水分状况,缩短燕麦出苗期,提高燕麦的出苗率。

蓄水坑灌条件下土壤贮水量预测模型对比研究

为了实现对蓄水坑灌苹果园根区土壤水分的定量监测,基于最小二乘向量机模型、BP神经网络模型和增量逆传播学习算法优化的BP神经网络模型,建立了以土壤初始贮水量、灌水后时段长度、时段内灌水量、时段内降雨量和蒸发蒸腾量为输入项,以蓄水坑灌果园根区贮水量为输出项的LSSVM、BP和IBP-BP模型,对田间土壤贮水量进行预测,并采用田间实测数据对模型进行率定和验证。结果表明:LSSVM、IBP-BP和BP模型的平均相对误差分别为6.53%、3.64%和5.98%。IBP-BP模型的预测精度最高,建议采用该模型进行蓄水坑灌果园土壤贮水量预测。

天然荒漠植物干旱期根区土壤贮水量的确定

在土壤-植物-大气连续统中,植物根区土壤贮水量是一个重要水源。对植物根区贮水量的研究是对该连续统研究的一个重要内容。准确估计植物根区土壤贮水量将为估计灌溉水量、生态需水量及环境的可持续发展提供科学的依据。特别是在中国干旱内陆河下游地区,由于水量减少造成植物根区贮水量减少而产生植物死亡．由此引起一系列生态环境问题。本文基于在一定边界条件下Richard方程的解,利用地表测值(0～10cm土层容积含水量——遥感方法可确定的值)及根系分布密度来确定黑河下游地区天然荒漠植物根区土壤贮水量,从而证明了利用遥感方法可以确定中国荒漠天然植物根区土壤贮水量。为今后从面上确定根区贮水量提供了科学基础。

春小麦地和大气观测场土壤贮水量对比分析

通过青海省互助县1997-2002年大气观测场和春小麦地测定的0-50 cm土壤贮水量变化规律的对比分析得出：同一气候背景下,地形地势相同的不同场地不同植被0-50 cm土壤贮水量变化特征基本一致。大气观测场11月至次年2月（一般为土壤封冻期）土壤贮水量保持在25-27 mm间,变化较平稳,6-7月处于谷值阶段,为24 mm,3月至4月初和9月处于峰值阶段,为28 mm,年变化似呈“M”形。春小麦地在土壤封冻期未测定,3月至4月初处于最大峰值阶段,为33 mm,7月处于谷值阶段,为21 mm,9月达次峰值阶段,为25 mm,年变化似呈“M”形。在同一气候背景下,大气观测场中子仪测定和春小麦地烘干法测定的0-50 cm贮水量经过相关性检验,建立回归关系式后可相互代替应用。

膜上灌对河西绿洲灌区玉米全生育期土壤贮水量的影响

[目的]研究干旱条件下膜上灌对玉米地土壤贮水量的影响。[方法]以当地主栽玉米品种为试材，以露地畦灌为对照，采用不同宽度地膜覆盖进行膜上灌，通过对比分析研究了不同土层及不同生育期土壤贮水量的变化。[结果]0～120cm土层，处理Ⅰ（膜上灌处理覆膜宽度为0．75m）的土壤贮水量比播前降低了24．6％，处理Ⅱ（膜上灌处理覆膜宽度为1．25m）的土壤贮水量比播前降低了25．1％，对照的土壤贮水量比播前降低了33％。各生育期膜上灌处理和对照0～40cm土层的土壤贮水量低于40～80和80—120cm土层。40～80cm土层的土壤贮水量介于0～40和80～120cm．抽雄开花期，处理Ⅰ和Ⅱ的0～40cm土层的土壤贮水量分别比对照增加了7％和10．5％。在玉米成熟期，膜上灌处理的土壤贮水量高于对照。[结论]该研究为中国西部地区的灌溉农业的发展提供了理论支持.

气候暖干化对环县土壤贮水量的影响

通过对干旱半干旱区环县近38年（1971-2008）来的气温、降水分析发现，环县气候暖干化明显，年平均气温增高，增幅为0．0385℃／a，增温幅度远高于全国近40年增温幅度（0．004／a）；气温年代变化以80年代到90年代上升幅度最大；季节变化以春季、冬季增温最为显著，夏季、秋季增温缓慢。年降水量呈略减趋势，逐月降水量变化不一致，6月、9月降水量呈显著增加，7月、11月呈显著减少，其它各月正常或略减变化；年代变化，70到80年代呈现增加，80到90年代减少，90到2000年来呈现增加；从80年代以来，春季降水呈显著减少，表明春旱明显，夏季、秋季和冬季的降水随年代不同有增有减，变化趋势不一。近26年（1983—2008）来，0—100cm土壤贮水量呈升高趋势变化，年增幅为0．5586mm／a。其中，春季和秋季呈递增变化，增幅分别为0．941mm／a、0．5164mm／a；夏季呈现减少趋势；不论是在干旱年、多雨年、或是不同年代情况下，一年中土壤贮水量的低值区总是出现在作物旺盛生长时期的6月份，而高值区总是出现在秋季，而不是出现在降雨量最多的夏季；气候暖干化对耕作层30cm以上土壤贮水量影响明显，年景不同，土壤贮水量差异较大。

土壤贮水量与油菜产量关系的模拟试验研究

试验在专门砌成的池内,用人工控制土壤含水量,测定了土壤贮水的生产能力及油菜的耗水量,当一生供水170mm左右时,油菜可发育至返青;供水250mm,可发育至盛花;供水300mm以上才可获得一定的籽粒产量,此后油菜产量随供水量的增加而提高,当供水量达一定值后,产量即趋于稳定,该值在600-750mm左右,产量为200-230kg/mu。产量的增加不与供水量的增加成正比。在本试验条件下,油菜的耗水系数为3.18-1.49mm/mu·kg,水分生产效率为0.31-0.69kg/mu·mm。

门源地区土壤贮水量对油菜产量影响的研究

利用门源气象站1982～2005年农业气象观测资料,经统计分析得出:0～50cm土壤贮水量对油菜产量的形成所产生影响为负效应;1982～2005年间土壤贮水量以14.8mm/10a的速率下降;气候变化使油菜生育期内0～50cm土壤贮水量缓慢减少,有利于油菜产量形成,从而有利于门源地区油菜基地的发展。

高寒草甸草地土壤贮水量对牧压梯度的响应

为探讨放牧情况下土壤水分驱动特征,揭示其水源涵养能力,以青海海北高寒草甸为研究对象,采用实地采样与室内测试分析相结合的方法,分析了禁牧(CK)、轻牧(LG)、中牧(MG)、重牧(HG)等不同牧压梯度下植被生长季5~9月的土壤贮水量特征及其与环境因素的关系。结果表明:在0~50cm层次上,牧压梯度并未显著改变土壤贮水量的季节变化动态,均表现在5、6月高,7月低,8月以后缓慢升高。但封育提高了土壤贮水量,0~50cm层次土壤平均贮水量表现出CK>HG>LG>MG,分别为222.82±26.44mm、199.71±16.91mm、189.00±16.36mm、187.69±14.71mm,表明禁牧有利于提高土壤贮水量。同一时期土壤贮水量垂直分布变化受牧压梯度影响较小,不同月份土壤贮水量在垂直变化上呈现出不同变化趋势。土壤含水率与容重显著负相关(P<0.01),与毛管孔隙度、土壤有机质含量、地下生物量显著正相关(P<0.01),暗示放牧管理通过驱动土壤特征来影响土壤贮水量。

基于LSTM神经网络模拟的陇中黄土高原沟壑区保护性耕作下土壤贮水量变化

为分析陇中黄土高原沟壑区不同保护性耕作措施的贮水效果,本研究利用春小麦/豌豆(W/P)、豌豆/春小麦(P/W)轮作的长期定位试验,分别设置传统耕作(T)、免耕(NT)、传统耕作秸秆覆盖(TS)和免耕覆盖(NTS)4种耕作措施,以当地月平均气温、月降水量、月平均辐射量、月平均蒸发量、月作物耗水量为输入因子,以月土壤贮水量为输出,建立基于长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络的土壤贮水量预测模型,并对该模型的有效性进行评估。研究结果表明:1)基于LSTM神经网络建立的土壤贮水量模型对陇中黄土高原沟壑区保护性耕作下土壤贮水量预测具有较好的适用性,模型模拟结果的平均均方根误差为7.76mm,平均绝对误差为6.95mm,相对误差控制在5%^+5%的范围内。2)P/W轮作序列中各处理的土壤贮水量均比W/P轮作序列增加1.09%~1.43%。3)不同轮作序列,NTS处理的贮水效果均优于其他3种耕作措施,在W/P轮作序列中,NTS处理的年均土壤贮水量比T、NT和TS分别增加2.89%、1.70%和2.46%;在P/W轮作序列中,NTS处理的年均土壤贮水量比T、NT和TS分别增加3.03%、1.91%和2.57%。4)不同降水年型,NTS处理的土壤贮水量最高,且干旱年效果更加显著,其中丰水年NTS处理的土壤贮水量比T、NT和TS平均增加2.71%、1.48%和2.19%,而干旱年平均增加3.97%、2.54%和3.64%。5)保护性耕作措施的贮水效果随季节发生变化,作物生长前期(3—5月)保护性耕作措施的贮水优势较为明显,进入作物生长旺盛期(5—6月)保护性耕作措施与传统耕作的贮水效果差异不显著,而作物生长后期(7月)保护性耕作措施较传统耕作土壤贮水量明显增加。基于LSTM神经网络模拟环境下免耕覆盖的贮水保墒效果最好,为陇中黄土高原沟壑区最适宜的保护性耕作措施。

高寒草甸土壤贮水量对封育措施的响应

以三江源玛沁县高寒草甸为研究对象,分析了11a封育措施下土壤贮水量的时空变化特征、土壤持水能力及其对封育措施的响应。结果表明:封育和未封育措施下土壤贮水量变化趋势一致,可分为融冻集聚期、波动消耗期和蓄积期;植物生长期的5月1日—9月28日,0—40cm封育和未封育措施下土壤平均贮水量分别为112.58mm和96.26mm,表现为封育>未封育;贮水量与土壤容重呈极显著负相关(p<0.01),与地上生物量、地下生物量和有机碳密度分别呈极显著(p<0.01)、显著(p<0.05)和无相关(p>0.05);贮水量在垂直方向上总体表现出上层高下层低;封育11a后0—40cm平均容重比未封育样地降低11%。11a来土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量分别增加了6%,9%和11%,分别以1.03,1.37,1.38mm/a的速率增加。表明封育措施一定程度上增加了高寒草甸土壤持水能力,利于水源涵养。

垄沟集雨种植对土壤贮水量和紫花苜蓿生长特性的影响

采用完全随机设计田间试验,研究不同覆盖材料(普通地膜、生物可降解地膜和土壤结皮)和不同沟垄比(60∶30,60∶45和60∶60cm)对紫花苜蓿土壤贮水量和生长特性的影响。结果表明:土壤贮水量的排列次序为普通膜垄>生物可降解膜垄>土垄>平作,在同一覆盖材料下,土壤贮水量、株高和分枝数随垄宽增加而增加,茎叶比随垄宽增加而减小。就同一覆盖材料平均值而言,与平作相比,土垄、生物可降解膜垄和普通膜垄的土壤贮水量分别增加16.7,29.2和34.9mm;株高分别提高28%,52%和56%;分枝数分别提高7%,20%和25%;茎叶比分别降低4%,11%和8%。在半干旱地区利用垄沟集雨种植紫花苜蓿,土垄、生物可降解膜垄和普通膜垄可以增加土壤贮水量,改善土壤水分状况,提高紫花苜蓿越冬率,促进紫花苜蓿生长,综合分析,生物可降解地膜可以作为半干旱区种植紫花苜蓿的最佳覆盖材料。