中国节水农业战略思考与研发重点

从分析我国战略水安全与粮食安全所引发的农业用水矛盾出发,认为解决这一矛盾的唯一出路在于依靠科学技术大力发展现代节水高效农业。据此,从战略层面对我国发展节水农业的总体思路进行了思考,提出到2020年,即近15年内,在不增加农业总用水量的前提下,通过提高农业用水利用率和作物水分利用效率,可基本满足我国粮食安全用水需求的重要观点,在此基础上,进一步提出了为实现上述目标近期我国节水农业领域应研究的若干重点。

气候变化对中国农业用水和粮食生产的影响

全球气候变暖作为一个不争的客观事实,不可避免地会对中国农业用水和粮食生产产生影响。该文分别采用Palmer干旱指数(PDSI)、单位灌溉面积用水量(GIQ)、单位面积粮食产量(PHGO)作为气候变化、农业用水和粮食生产具体度量指标,分析了中国1949-2005年PDSI、GIQ、PHGO年际变化特征及其相关关系,发现在1949-1983年PHGO和1949-1990年GIQ均与PDSI具有较好线性相关关系,表明气候变化在上述时间段对农业用水和粮食生产影响显著,人为因素(技术进步、政策机制、生产投入等)影响相对较小。依据相关关系对1949-2005年GIQ和PHGO进行预测发现,1991-2005年GIQ和1984-2005年PHGO预测值与实际值拟合程度较差,表明人为因素(技术进步、政策机制、生产投入等)在农业用水和粮食生产中已逐渐占据主导地位,对农业节水平均影响率达27%以上,对粮食增产平均影响率达40%以上。通过技术创新、政策机制保障和生产投入增加等人为因素控制,可在一定程度上缓解气候变化对中国农业用水和粮食生产带来的负面影响。

中国退耕还林(草)的发展历史阶段与对策探讨

土地荒漠化是我国21世纪最为突出的环境问题,是近几年来水旱灾害频发和沙尘风暴加剧的根源,成为中华民族的心腹大患。在分析了国内有关资料的基础上,归纳总结了建国50年来退耕还林工程建设发展的5个阶段,可供决策部门在制订计划时参考。

挖掘植物自身抗旱节水潜力的探讨——兼论科学思路与实践的关系

结合个人实践经历,就形成生物节水研究方向,建立半旱地农业生产体系方面的问题进行了探讨,并提出有关建议.

西部地区农业科学用水方略分析

我国西部地区占国土总面积的 71 2 % ,农业水资源的利用方式粗放而效益低下 ,形成对农业未来可持续发展的严重制约 .对此 ,我们以水资源利用学、农业生态学、环境保护学、持续发展学为依据 ,深入地分析了西部地区在建设小康社会中农业用水存在的主要问题 ,根据西部的实际情况 。

西部地区农业科学用水方略分析

我国西部地区占国土总面积的71.2%,农业水资源的利用方式粗放而效益低下,形成对农业未来可持续发展的严重制约。对此,我们以水资源利用学、农业生态学、环境保护学和持续发展学为依据,分析西部地区在建设小康社会中农业用水存在的主要问题,根据西部的实际情况,提出了相应的对策。

陕北丘陵沟壑区撂荒地自然恢复植被的组成结构与数量分类

采用样带调查与TWINSPAN分类等方法,对陕北丘陵沟壑区延安、安塞和吴旗174个撂荒地样方的物种组成、出现频率与盖度、及群落类型进行了统计与分类。植被组成结构的统计结果表明:该区自然恢复的植被几乎一半是由禾本科、菊科、豆科和蔷薇科的物种组成,北温带、旧世界温带、世界与泛热带分布成分占到总物种数近75%,且以中旱生、中生和旱生的草本类植物为主,具有典型的温带地面芽植物气候特征。植被的数量分类表明:调查样方基本包括了该区自然恢复的主要植被类型,延安、安塞和吴旗的植被在1年生草本群落到多年生蒿禾类草本群落阶段,依次均以猪毛蒿(Artemisia scoparia)、赖草(Leymussecalinus)、长芒草(Stipa bungeana)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(Artemisia giraldii)、白羊草(Bothriochloa ischaemun)等为主要优势物种构成的不同组合的植物群落,且这些物种具有较高的盖度和频度;但在植被演替后期,不同植被带及阴阳坡的演替方向却发生了明显的变化。以延安为代表的森林带,阴坡可形成黄刺玫(Rosa xanthina)、三角槭(Acer buergerianum)、辽东栎(Quercus liaotungensis)等为优势种的群落,阳坡可形成狼牙刺(Sophora viciifolia)、侧柏(Platycladus orientalis)等为优势种的群落;以安塞为代表的森林草原带,阴坡可形成黄刺玫、紫丁香(Syringa julianae)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)等为优势种的群落,阳坡可形成白羊草(Bothriochloa ischaemun)、狼牙刺等为优势种的群落;而以吴旗为代表的草原带,阴阳坡植被分异不明显,为多年生蒿禾类草本群落。这些演替后期的灌乔优势物种均为高位芽植物,在阴坡为中生,在阳坡为旱生、中旱生,虽具有比较高的盖度,但分布仅仅是零散出现,并不是目前黄土丘陵沟壑区的主要植被类型。

陕北黄土丘陵区撂荒草地群落生物量及植被土壤养分效应

为了明确植被演替过程中植被与土壤的互动效应,为植被恢复提供依据。根据陕北黄土丘陵区36块不同年限(时间尺度为2～45a)的撂荒样地地上生物量、土壤养分和水分的测定结果,及4块典型撂荒群落样地地上/地下生物量,7种撂荒群落主要植物生长特性的测定,分析了撂荒演替过程中群落生物量与土壤养分的变化过程、趋势及其相互关系,进而探讨了撂荒演替过程中群落生物量对土壤养分的作用效应,并利用多元回归和通径分析法分析了土壤养分对群落生物量的作用。结果表明:(1)除速效磷外,撂荒演替过程中群落地上生物量和土壤有机质、全氮、全磷、全钾、NO3-N、NH4-N和速效钾都呈先减少后增加的趋势,步调基本一致。(2)从撂荒年限与土壤养分的相关性来看,0～20cm土壤有机质含量、速效磷含量和0～20、20～40cm土壤层NO3-N含量与撂荒年限相关显著,说明演替过程中有机质、速效磷和NO3-N有较为明显的植被土壤效应,而其它土壤养分与撂荒年限相关不显著,不能排除演替初始条件和植物暂时固定的影响;从群落生物量与土壤养分的相关性来看,群落生物量对土壤有机质、全氮、磷、钾、NO3-N、速效钾和速效磷含量具有正效应,而对NH4-N具有负效应,但都不显著。(3)通径分析说明撂荒年限、土壤全氮、全钾、速效钾和土壤水分变异量对生物量表现为正的直接作用,其中以撂荒年限和土壤水分波动量作用较大,土壤养分对群落地上生物量的作用以土壤全氮最大,全钾和速效钾影响较小;演替过程中群落地上生物量的变化主要是由于植被盖度和群落组成种的生态学特性造成的(撂荒年限较大的直接作用),其次是由于撂荒演替过程中土壤水分的波动造成的(撂荒年限通过土壤水分的间接负作用)。(4)随着土层深度的加深植物根系生物量呈幂函数递减过程,演替后期群落根冠比有增加的趋势,演替后期序列种根冠比和根长也有增加的趋势,这些在一定程度上会影响到生物量积累和有机质分解等,进而会影响到植被土壤效应。

黄土丘陵沟壑区退耕地土壤养分因子对植被恢复的贡献

为了探求各土壤养分因子对植被恢复贡献的大小,利用因子分析 Factoranalysis 对黄土高原丘陵沟壑区退耕地植被恢复中的土壤养分进行了多元统计分析,定量研究了土壤养分环境对植被恢复的作用.结果表明:在所选取的6个土壤养分因子中,土壤有机质、有效N、全P和速效P对植被恢复的贡献较大,是限制该地区植被恢复的主导因素,其它养分因子的贡献相对较小.根据土壤养分因子间的相关系数,土壤有机质与全N和有效N呈显著相关.因此,在评价土壤养分因子对植被恢复贡献大小时,选取土壤有机质、氮和磷的含量作为评价指标,不但节省了时间和财力,而且有助于植被恢复的快速评价.

干旱胁迫下紫花苜蓿根系形态变化及与水分利用的关系

采用盆栽实验方法研究了紫花苜蓿(品种:陇东和阿尔冈金)根系形态、生物量、蒸腾耗水量等对持续干旱的反应及与水分利用效率(WUE)间的关系,以期揭示紫花苜蓿对干旱胁迫的适应机制。结果表明:干旱胁迫使得紫花苜蓿根系形态特征在年季间、茬次间和品种间发生了显著变化,主要表现为主根伸长生长受到抑制、主根直径变细、侧根和根系总长度伸长生长则被促进、根系表面积和直径≥1mm的侧根数目显著增加、根系生物量下降,这是紫花苜蓿对干旱逆境的适应策略,但这种适应性存在限度。另一方面,干旱胁迫条件下紫花苜蓿草产量和蒸腾耗水量也因生长年限、茬次和品种的不同而呈现不同程度的降低。紫花苜蓿根系形态性状(总根长、根系生物量与根冠比)与植株水分利用效率间具有显著的相关性,其中根重对水分效率的影响是第一位的。WUE在根系形态与冠层水分消耗的协同变化下得到有限提高。对干旱的耐性最终表现为第2年>第1年、第1茬和第2茬>第3茬、陇东>阿尔冈金。

氮磷钾及有机肥对马铃薯生长发育和干物质积累的影响

采取田间试验,探讨不同施肥处理对马铃薯生长发育及干物质积累的影响。结果表明,N1PKM处理(氮300 kg.hm-2,磷200 kg.hm-2,钾200 kg.hm-2,有机肥17.5 t.hm-2)的马铃薯叶片叶绿素含量最高,比对照处理的叶片叶绿素a、b、总量分别高出15.12%、18.18%和36.37%。施用磷肥有效促进了叶面积的增加,N1PKM、N1P、N1PK、P处理的叶面积比对照分别高出27.78%,24.57%,20.26%和20.16%。其中施用磷肥促进马铃薯根系生长的效果最明显,而单施钾肥、有机肥对根长发育的影响不明显。氮、磷、钾、有机肥配比施用可以促进马铃薯地上及地下部的生长,采用氮磷钾与有机肥配合施用时,马铃薯干物质累积总量N1PKM>N1PK>N1K>N1P。N1PKM处理的马铃薯生物量较对照显著提高了117.1%,可以作为旱地马铃薯的施肥方案。

不同土壤干旱程度对刺槐幼苗水分生理和生长指标的影响

采用盆栽试验对不同土壤干旱程度下刺槐幼苗水分生理和生长指标进行了初步研究。结果表明,蒸腾速率、叶水势、叶片相对含水率、耗水量和耗水系数均随土壤水分的减少而呈降低趋势;结合不同处理下刺槐幼苗生长特征和生长速率可知,刺槐幼苗良好生长的土壤水分条件应不低于58.69%θf;通过统计回归,获得了刺槐幼苗生长与土壤水分关系的数学拟和模型。同时,对存在问题进行了探讨。

不同次降雨条件对黄土区主要地类水沙动态过程的影响及其机理研究

通过野外人工模拟降雨试验,对不同次降雨条件下黄土丘陵区主要地类坡面水沙过程进行对比研究,分析降雨因素与产流产沙过程的关系,并对林草植被的水土保持机理做了有益探讨。结果表明,降雨因素是影响径流和产沙的主要动力因素之一,在不同降雨条件下,各地类小区产流产沙过程线均表现出较为强烈的波动趋势,产沙过程较产流过程波动更为剧烈,在植被覆度较低的黄土丘陵区,降雨强度是产流产沙的主控因子。不同地类的产流量和产沙量的变化,随着降雨强度的增强而增加,随着植物被覆度的增加,由于林草植被措施具有蓄水固土作用,减沙效益显著,降雨的影响相对降低。因此将陡坡耕地退耕还林还草是解决水土流失、恢复黄土高原良性生态环境的必由之路。

延河流域本氏针茅(Stipa bungeana)分布预测——广义相加模型及其应用

物种分布预测,对于物种的保护、利用和恢复具有重要意义。利用广义相加模型(GAM,Generalized Additive Model),对延河流域典型地带性物种本氏针茅(Stipa bungeana)的空间分布预测进行研究,以期为该流域本氏针茅草地的保护、恢复等提供依据。结果表明,本氏针茅分布的环境梯度较广,在坡度、坡向、温度与降雨的各个梯度上都有分布,除高平地和侵蚀剧烈的沟道外,各种地形部位上亦可以存在。建立的广义相加模型表明,本氏针茅的分布主要取决于年均蒸发量和温度季节变化两个因子,而非单纯的降雨、温度因素。从其分布概率看,本氏针茅在延河流域大部分地区都有可能分布,但其分布集中区主要在中北部,与实际观测相符。模型检验表明,建立的模型满足统计要求。

我国半干旱地区农业用水现状及发展方向

通过对国外旱地农业成功经验和我国半干旱地区农业发展的历史阶段性回顾与现状分析 ,认为我国半干旱地区农业的可持续发展战略应该以实现资源的高效利用、提高作物生产力为目标 ,在协调、优化和永续利用农业资源和改善生态环境的基础上 ,重点实施以水土资源高效利用和基因资源的潜力开发为中心的旱地农业科学技术体系 ,服务于半干旱地区社会经济、食物、资源、环境的可持续发展。针对我国半干旱地区农业的特点 ,提出了培育节水品种、实施有限灌溉。

PAM对土壤物理性状以及水分分布的影响

为了研究聚丙烯酰胺(PAM)在黄土高原自然条件下对土壤物理性状和水分分布的影响,采用表面撒施的方法研究了12个不同处理小区的土壤体积质量、饱和导水率以及水分分布的变化。结果表明,在0～2g/m2范围内添加PAM可以减小土壤体积质量增加土壤饱和导水率,但用量超过2g/m2土壤体积质量开始增加。饱和导水率开始降低。在0～3g/m2均可用二次曲线进行描述,相关系数达到95%以上。表层土壤含水量随着PAM添加量的增加而升高,20～60cm土层土壤含水率随着PAM用量的增加出现交叉现象,60～100cm土层随着PAM用量的增加而增加,在2g/m2用量时达到最高,再增加PAM用量土壤含水率反而有降低趋势。100cm以下土层变化不明显。该研究为探明PAM在黄土高原地区的适应性和大规模应用提供依据。

土壤干旱对油松生长及水分利用的影响

在适宜土壤水分(田间持水量的70%)、中度干旱(田间持水量的55%)和严重干旱(田间持水量的40%)3种土壤水分条件下,研究了油松(PinustabulaeformisCarr.)苗木生长及水分利用特征。结果表明,随着土壤含水量的降低,油松叶水势、叶含水量、生长速率显著下降。油松枝条的快速生长和干物质迅速积累时期主要集中在4～5月;总耗水量和总生物量的大小顺序为:适宜水分>中度干旱>严重干旱;水分利用率(WUE)则表现为中度干旱最高,严重干旱最低;在适宜水分条件下油松的日、旬、月耗水量明显高于中度干旱和严重干旱处理;3种土壤水分处理下,油松耗水高峰期均为5～8月,最高旬耗水量均在7月上旬,最高耗水日均在7月5日,但在不同土壤水分条件下其耗水日进程存在差异;在中度干旱和严重干旱条件下,SOD活性呈现先升后降的规律,在严重干旱条件下,SOD活性高峰期维持时间较短;3种处理下的K+含量在胁迫后期均高于胁迫初期,表明K+含量与油松抗旱性有一定的相关性。

草本植物对土质路面径流水动力学特征及水沙过程的影响

通过室内人工模拟降雨,研究了草本植物不同覆盖度土质路面的径流水动力学特征以及路面的产流产沙过程。结果表明,路面径流的弗劳德数和雷诺数属层流的急流范畴,并且二者与径流流速及过水断面单位能量相同,均随草本植物覆盖度的增大而减小。而Darcy-weisbach阻力系数以及曼宁糙率系数则均随覆盖度的增大而增大。在不同覆盖度土质路面上,径流量随径流时间急剧增大后趋于稳定,且二者符合移轴双曲线关系,而输沙率则经历了先增大后减小的过程。随着植被覆盖度的增大,土质道路的水分入渗率逐渐增大,而径流量、输沙率及含沙率均逐渐减小。该研究表明土质路面种植的草本植物具有较好的水土保持功能,为阐明草本植物与土壤侵蚀的关系提供了理论依据。

根际沉积及其在植物-土壤碳循环中的作用

植物根际沉积是一种重要的植物与土壤交换的界面过程,在土壤碳周转方面具有重要的作用;根际碳的沉积也是联系植物、土壤及微生物的桥梁.本文就近年来关于根际沉积中碳平衡、碳循环等相关研究,阐述了根际碳沉积的机制,探讨了相关试验中存在的问题,以及不同植物品种、种类和生育期根际沉积的差异和根际沉积物与土壤呼吸的关系,指出了根际沉积在植物-土壤体系中碳循环的重要作用.在此基础上,提出了未来的研究领域及方向.

黄土丘陵区植被恢复中不同粒级土壤团聚体有机碳分布特征

对黄土丘陵区土壤有机碳在不同粒级团聚体中的分布特征及其对植被恢复的响应进行了研究。结果表明：（1）黄土丘陵区不同植被覆盖条件下,土壤有机碳的分布具有一定的表聚性,0～20 cm土层中有机碳的含量均高于20～40 cm中有机碳的含量,不同植被群落下有机碳的含量大小为：大针茅群落〉长芒草群落〉铁杆蒿群落〉百里香群落;（2）同一深度土壤各粒级团聚体中有机碳的分布特征是：0.5～0.25 mm与1～0.5 mm两个粒级中有机碳的含量最高,〉1 mm的团聚体中有机碳的含量有随粒级增大而减小的趋势;（3）恢复年限对不同粒级土壤团聚体中有机碳的含量影响很大,有机碳的含量随恢复年限的增加总体呈上升趋势。黄土高原沟壑区土壤有机碳的积累与土壤团聚体的粒级和植被恢复的类型、年限等有明显的关系。