生产管理知识_保护性耕作对旱区农田水分及作物生产力影响

中国农业科学院 硕士学位论文 保护性耕作对旱区农田水分及作物生产力影响模拟研究 姓名：杜建涛 申请学位级别：硕士 专业：生态学 指导教师：严昌荣 20080601 摘要宰 北方旱区主要分布在昆仑山秦岭淮河一线以北的广大地区，包括1 7 个省的9 6 6 个县市，约占 国土陆地面积的5 6 ，其中耕地面积占全国的5 5 4 ，早地面积占的7 3 。北方旱区也是中国最具 开发潜力的农业生产基地，全国8 5 以上的后备农业土地资源也集中在这里。 然而北方旱区水资源总量却不足全国的2 0 ，大部分地区年降水量仅为3 0 0 5 0 0m m ，降水几 乎是旱地作物生长所需水分的唯一来源，降水不足和季节分配不均严重制约着作物生产力的发挥， 已成为制约该区农业和农村经济可持续发展的“瓶颈”。 保护性耕作技术通过少耕或者免耕以减少对土壤的翻动，用作物秸秆覆盖地表，是目前旱农 地区保蓄水分，减轻和缓解干早的重要手段。因此，研究保护性耕作技术措施下土壤含水量、水 分利用效率及作物生产力的变化趋势具有积极意义。 本文首先对D S S A T 模型在北方旱区的适用性进行了验证，在2 a 的旱农试验站田间试验基础 上，对传统耕作、免耕覆盖、秸秆还田和浅旋耕4 个处理进行了模拟，将实测结果和模型模拟结果 进行了比较，结果显示D S S A l 时莫型可以较好的模拟保护性耕作处理，4 个处理土壤水分含量R M S E 误差在0 0 2 5 0 0 8 5 ，尤其是在0 - 3 0c m 的根层土壤中，误差在0 0 2 5 0 0 5 9 之_ 间，效果较好；土壤储 水量变化2 0 0 5 年模拟和同降水年型实测值分别为1 4 4 6n 瑚和1 5 1 7m m ，2 0 0 6 年分别为2 2 9m m 和 4 6 1m m ；玉米生产力的误差2 0 0 5 年在3 1 1 2 之间，2 0 0 6 年2 8 2 5 2 之间；玉米水分利用效率模 拟结果，2 0 0 5 年4 个处理之间1 5 2 1 7 8k g m 3 ，免耕水分效率最高为1 7 8 蚝m 3 ，2 0 0 6 年各个处理 为1 7 1 7 1k g m 3 ，差异较小。 在试验和模拟结果误差较小的基础上，对不同保护性耕作处理1 9 9 5 2 0 0 4 年土壤含水量、水 分利用效率、水分平衡及作物生产力进行模拟和分析。结果显示，在采用保护性耕作技术的最初 的几年，保护性耕作技术的效果不是特别明显，随着实施年限的增加，其效果也越来越明显，保 护性耕作处理玉米生产力最高可达3 6 ，土壤储水量最多可增加2 2 0 ，而地表径流最多可减少 9 3 ，水分利用效率最多可提高2 7 7 ，土壤储水量减少较多的年份，生产力增加较多。初步结果 显示，处理之间免耕覆盖和秸秆还田效果较好，而留茬浅旋耕效果较差。同时，还对免耕秸秆覆 盖处理进行了不同秸秆覆盖量的模拟，结果显示，不同秸秆覆盖量处理生产力及水分利用效率均 要明显好于零覆盖处理，而不同水平之间差异则不是特别明显。 关键词：作物生产力；D S S A T 模型；保护性耕作；北方旱区 “十一五”国家8 6 3 项目“华北旱作节水技术集成示范基地”( 2 0 0 6 A M 0 0 2 2 0 ) ； “十一五”科技支撑农田水分平衡和生产潜力研究( 2 0 0 6 B A D 2 9 B O I ) ； 国际合作项目C h a l l e n g eP r o g r a mo nW a t e r F o o d “C o n s e r v a t i o na g r i c u l t u r ef o rd r yl a n da r e a so fY e l l o w R i v e rB a s i n ” I A b s t r a c t I nn o r t hC h i n a ，d r yl a n dc o v e nal a r g ea r e ai nt h en o r t ho fK u n l u nM o u n t a i n ，Q i n l i n gM o u n t a i na n d H u a i h eR i v e r i n c l u d i n g9 6 6c o u n t i e so f17p r o v i n c e s ，a b o u t5 6 o fa r e ao fn a t i o n a lt e r r i t o r y T h ea r e a o fc u l t i v a t e dl a n di nt h i sr e g i o ni sa p p r o x i m a t e l y5 5 4 o fn a t i o n a lt o t a la r a b l el a n d a n dd r yl a n di s7 3 o fd r yl a n di no u rc o u n t r y C o n s i d e r e da so n eo ft h em o s t - p o t e n t i a la r e a I th a sb e e na ni m p o r t a n tb a s e o ff o o d s t u f fp r o d u c t i o ni nC h i n aw i t ho v e r8 5 o ft h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo fu n u s e dl a n d H o w e v e r , m o s tp a r to ft h ea i dr e g i o n sr a i nf a l li s3 0 0 - 5 0 0r a m , w a t e rr e s o u r c ei sn om o t et h a n 2 0 o ft h ew h o l ec o u n t r y d r ya n ds h o r to fw a m ri sb e c o m i n gt h em a i nf a c t o rt h a tl i m i tt h ea g r i c u l t u r e i nt h e s er e g i o n C o n s e r v a t i o na g r i c u l t u r ew h i c hu s i n gn ot i l lo rl e s st i l li st h em a i nt e c h n o l o g yt h a tc o u l dd e c r e a s e t h ee v a p o r a t i o na n dr u no f f , i n c r e a s et h ew a t e rp r o d u c t i v i t ya n dw a t e ru s ee f f i c i e n c y S oi t si m p o r t a n tt o r e s e a r c ht h ee f f e c to ft h ec o n s e r v a t i o na g r i c u l t u r et ot h es o i lw a t e rc o n t e n ta n dw a t e rp r o d u c t i v i t y T oe v a l u a t ep o t e n t i a lt oi m p r o v el a n da n dw a t e rp r o d u c t i v i t yw i t ha d o p t i o no fc o n s e r v a t i o n a g r i c u l t u r ep r a c t i c e s ，t h eD S S A Tc r o pm o d e lw a sc a l i b r a t e da n da p p l i e dt ot h ed r yl a n da g r i c u l t u r e e x p e r i m e n ts i t e W eu s e dt w oc r o ps e a s o n s2 0 0 5a n d2 0 0 6d a t af r o mf o u rt r e a t m e n t sf o rc a l i b r a t i o n T h e c a l i b r a t i o nr e s u l t sg a v es a t i s f a c t o r ya g r e e m e n tb e t w e e no b s e r v e da n dp r e d i c t e dd a i l ys o i lm o i s t u r e c o n t e n t sf o ra l lt r e a t m e n t sw i t hR M S Ei nt h er a n g eo f0 0 2 5 - 0 0 6 3 ，e s p e c i a l l yi nt h ed e p t h0 - 3 0c m , t h e R M S Ei si nt h er a n g eo f0 0 2 5 - 0 0 5 9 T h e r ew a ss a t i s f a c t o r ya g r e e m e n tb e t w e e nf i e l do b s e r v e da n d m o d e lp r e d i c t e dv a l u e sf o rc r o py i e l dw i t hd i f f e r e n c e sb e t w e e no b s e r v e da n dp r e d i c t e dv a l u e sb e i n gi n t h er a n g eo f3 1 - 1 2 f o r2 0 0 5a n di nt h er a n g eo f2 8 - 2 5 2 f o r2 0 0 6 T h er e s u l to fw a t e ru s e e f f i c i e n c ys i m u l a t i o nf o r2 0 0 5i si nt h er a n g eo f1 5 2 - 1 7 8k g m 3 , N T S Mi st h eh i g h e s t1 7 8k g r n - 3 , w h i l e i n2 0 0 6 ，t h er a n g ei s1 7 0 - 1 71 k g m - 3 ) t h ed i f f e r e n c ei sv e r yl i t t l e T h es i m u l a t e da n do b s e r v e dc h a n g e o f w a t e rs t o r a g ef o r2 0 0 5i s1 4 4 6I T l ma n d151 7m m , a n df o r2 0 0 6i s2 2 9t o n ia n d4 6 1m l T l T h ec a l i b r a t e dm o d e lw a su s e df o ra n a l y z i n gt h el o n g t e r mc h a n g e si nc r o py i e l d ，s o i l w a t e rb a l a n c e a n df o rc o m p u t i n gt h ec r o pw a t e rp r o d u c t i v i t yf o rt h ef o u rt r e a t m e n t sf r o m1 9 9 5t o2 0 0 4 B ya d o p t i n g c o n s e r v a t i o na g r i c u l t u r ep r a c t i c e s ，t h ec r o py i e l db ei m p r o v e db y3 6 ，s o i l - w a t e rs t o r a g eb ei n c r e a s e d b y2 2 0 r u n o f fb er e d u c e db y9 3 a n dw a t e rp r o d u c t i v i t yb ei m p r o v e db y2 7 7 W h e r es o i l w a t e r s t o r a g ei m p r o v e m e n t sw e r el o wt on o n e ，t h e yw e r ec o m p e n s a t e df o rb yl a r g e ri m p r o v e m e n t si nc r o p y i e l d sa n dn o n b e n e f i c i a le v a p o r a t i v el o s s e sw e r ec o n v e n e di n t ob e n e f i c i a lt r a n s p i r a t i o nl o s s e s F u n l l e r t h et r e a t m e n tw i t hr e s i d u er e t e n t i o ni nt h er a n g eo f0 - 1 0 0 r e s i d u ec o v e rg e n e r a t e ds i m i l a ri n c r e a s ei n c r o py i e l da n dw a t e rp r o d u c t i v i t yc o m p a r e dt ot h eC Tt r e a t m e n t T h eR R Tc o n s e r v a t i o na g r i c u l t u r e t r e a t m e n tw a sl e s se f f e c t i v ei ni m p r o v i n gl a n da n dw a t e rp r o d u c t i v i t i e s T h u s ，a d o p t i n gN T S Ma n d A S R Tt r e a t m e n t sa r er e c o m m e n d e df o ri m p r o v i n gl a n da n dw a t e rp r o d u c t i v i t ya n df o rr e d u c i n gs o i l e r o s i o ni nd r y l a n dr e g i o n s K e y w o r d ：w a t e rp r o d u c t i v i t y ；D S S A T ；C o n s e r v a t i o na g r i c u l t u r e ；N o r t h e r na r i dr e g i o n 英文缩略表 英文缩写 英文全称 中义名称 A C o n s e r v a t i o na g r i c u l t u r e C 俅任微业 C T C o n v e n t i o n a lt i l l a g e 传统耕作 N T S M N ot i l lw i t hs t r a wm u l c h i n g 免耕覆盖处理 A S R T A l ls t r a wr e t u mt i l l a g e 秸秆还田处理 R R T S h a l l o wr o t a r yt r e a t m e n t 浅旋耕处理 D e c i 8 i o ns u P P o n sYDSSAT 8 钯m 农业技术转移决策支持系统职业仪小将矽伏乘又付尔匀L f o rA g r o t e c h n o l o g yT r a n s f e r V 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 柱连涛 时间：如略年 月 7 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科 学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 论文作者签名： 奉遣三夤 新躲亍唠 时间：山哪孑年 时间：盘矿夕年 日 日 罗9 月 月 f 中国农业科学院硕I 学位论文第帝绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 北方旱区是中国最具开发潜力的农业生产基地，这个地区地域辽阔，约占国土总面积的 2 1 7 ，占全国耕地面积的5 1 ，人均土地资源丰富，人均耕地、草地、果园、林地等分别比全 国平均水平高3 4 、5 6 、5 3 和1 5 ，全国8 5 以上的后备土地资源也集中在北方旱区。而 且有发展优质高效农业的气候资源和生物资源，早区光热资源配置优势明显，日照时数多，光合 有效辐射充足，是具有开发潜力的优质农产品基地，加上土层深厚、土壤质地适中、通透性好， 改良措施容易到位，投资少、见效快、潜力大。最近的评估显示这个地区作物生产仍然存在很大 的潜力，多年的旱地农业攻关实践也证明，中国旱地农业蕴藏着巨大的发展潜力，改革开放后的 近1 0 年间，北方旱区粮食增长近4 0 ，对全国农业具有举足轻重的作用。但是北方早区不少地方 仍处在广种薄收的粗放生产阶段，研究表明目前北方旱农区大田的生产力开发程度较低，平均产 量水平为潜力水平的4 0 - 5 0 ，而通过人工控制的田间试验，可使潜力水平开发程度提高到6 0 9 0 ( 信乃诠等，1 9 9 8 ) ，可见，北方旱农区具有很大的开发潜力。自“七五”以来农田生产潜力一 直是旱地农业研究中非常活跃的一个领域，实施公式概算、田区定位试验和高产纪录值调查相结 合的研究方法得到广泛的应用，虽然取得了一定成效，但由于方法粗略，结果不够准确。 北方早农地区大部分地区年降水量为3 0 0 5 0 0m i l l ，水资源总量不足全国的2 0 ( 梅旭荣， 2 0 0 5 ：信乃诠，王立祥，1 9 9 8 ) 。降水几乎是旱地作物生长所需水分的唯一来源，降水不足和季节 分配不均严重制约着作物生产力的发挥，干旱缺水是旱农区农业生产的主要限制因素之一，已成 为制约该区农业和农村经济可持续发展的“瓶颈”。农田水分动态规律是改进旱地农业耕作、栽培、 农田水分调控技术的科学依据，是提高旱地农田水分保蓄率和利用效率的科学依据( 山仑，1 9 9 3 ) 。 在旱农地区，进行生产力的适度开发，就必须了解农田水分平衡规律。 保护性耕作技术( C o n s e r v a t i o nT i l l a g e ) 以减轻水十流失和保护土壤为主要目标，实行少耕、 免耕、松耕、沟垄耕作、轮耕、覆盖等耕作方法来实现保蓄水分，减轻和缓解干旱，增产增收以 及改善生态环境的目的。许多学者认为保护性耕作技术具有保护农田，减轻土壤风蚀和水蚀，防 治沙尘暴和水土流失；增加表层土壤有机质含量，保持地力长久不衰，改善土壤养分供应；降低 能源消耗和节约成本，提高农业经济效益；保持和增加作物产量的作用。( 贾延明，2 0 0 2 ；何进， 2 0 0 6 ：高焕文，2 0 0 3 ) 。 本文主要研究北方旱区保护性耕作技术对农田土壤水分及作物生产力的长期影响，为高效节 水耕作方式的引进提供客观而科学的评价，分析不同耕作措施下农业开发潜力及前景，对指导生 产实践、发挥节水潜力，具有十分重要的理论意义。 中同农业科学院硕 学位论文 第章绪论 1 2 保护性耕作技术的研究进展 1 2 1 国外保护性耕作研究进展 以少耕和免耕为主要内容的保护性耕作在国外发展很早。美国是最早研究保护性耕作的国家， 起因于2 0 世纪3 0 年代震惊世界的黑风暴事件。1 9 世纪中叶，美国组织向西部旱农区移民，鼓励 大面积开荒种地，大量饲养牲畜。到2 0 世纪3 0 年代，一轮干旱周期出现，终于发生了毁灭性的 黑风暴，大地被刮走1 0 - - 3 0 c m 厚的表土，毁坏了3 0 万h m 2 以上的良田。1 9 3 5 年，美国成立了土 壤保持局，研究改良传统耕作方法，研制深松铲、凿式犁等不翻土的农机具，推广少耕、免耕和 种植覆盖作物等保护性耕作技术。2 0 世纪7 0 年代初，P h i n i p s 等人在多年实践研究的基础上，出 版了N o t i l l a g eF a r m i n g s ) ) 一书( 黄东迈，1 9 8 8 ) 。近3 0 年来，随着农业机械及多种除草剂的发 展，以免耕法为代表的保护性耕作方法在美国、加拿大及澳大利亚等发达国家得到大面积试验和 推广。美国对保护性耕作技术的研究最为详尽。从上世纪3 0 4 0 年代开始对保护性耕作的内容、 方式、机具及经济效益等都进行了研究，提出了一套完整的以减( 少) 耕法、免耕法、垄作、覆 盖、带状耕作等为内容的保护性耕作新技术，并进行了大面积的示范推广( J o h n e M o r r i s i o n ，2 0 0 0 ) 。 1 9 6 5 年美国免耕法耕地面积占国土总面积的1 5 4 ，1 9 7 7 年达1 7 ，1 9 5 9 年达2 6 ，1 9 9 5 年达到 3 7 左右。澳大利证从加世纪4 0 年代以来，开始重视对旱作农业的研究。7 0 年代后，在北部半干 旱地区试验成功了节水农作制度，从而充分地利用了自然降水，为免耕法的应用与推广铺平了道 路。前苏联在5 0 年代初，提出马尔采夫无壁犁耕作法，6 0 年代中期在哈萨克斯坦和西伯利亚地 区，采取以宽型铲深松犁代替传统的耕翻法，以维持和提高耕层中的水稳性团聚体含量，尽量保 留根茬和植物残体，以达到蓄水保墒的目的( 赵化春，王晓丽，1 9 9 1 ) 。随着化学除草剂的研制成 功和农业机械工业的发展，到2 0 世纪7 0 年代，少、免耕法在世界各国的研究发展很快，并大面 积应用于生产。然而随着大量机械的应用，造成的结果是对土壤的压实( c o m p a c t i o n ) 问题；科 学家研究出了所谓的固定道耕作( c o n t r o lt r a f f i cf a r m i n g ，c T F ) 与精准农业结合( P r e c i s i o n A g f i c u l t I l r e ，P A ) ，走出了农业快速发展的路子。随着农业生产实践，人们逐渐认识到，免耕、少 耕等名词已经不能涵盖这种耕作技术上的变更，近年来世界上提出了保护性耕作这一术语，泛指 一切有别于传统耕作( c o n v e n t i o n a lt i l l a g e ) 的技术。到2 0 世纪9 0 年代末，美国全国耕地面积的 4 5 左右采用免耕，4 5 以上面积采用少耕( B e n i t e s J R ，2 0 0 3 ) 。目前南美洲的巴西、阿根廷、巴 拉圭等国是世界上保护性农业最普及的国家( B e n i t e s J R ，2 0 0 3 ) 。此外，英国在小麦、油菜上推 行免耕的面积达几十万公顷；加拿大、澳大利亚、欧洲的德国、法国、意大利、西班牙( T e b r u g g e F ，2 0 0 1 ) 挪威( B o r r e s e n ，2 0 0 3 ) 、匈牙利( M a r t aB i r k a s ，2 0 0 3 ) 、罗马尼亚、克罗地亚( H u l u g a l l e s ， 2 0 0 3 ) 等国在早田实施保护性耕作，东南亚的日本、菲律宾、越南、印度等在水田也都有少、免 耕的研究和应用。1 9 9 9 年1 月1 4 日，由比利时、丹麦、法国、德国、希腊、意大利、葡萄牙、 斯洛伐克、西班牙、瑞士和英国的农业科学家、农场主发起成立了欧洲保护性农业联合会( T h e E u r o p e a nC o n s e r v a t i o nA g r i c u l t u r eF e d e r a t i o n ，E C A F ) 。这个组织对欧洲推广保护性农业措施起到 了积极的推动作用。撒哈拉以南地区、中亚目前也在致力于发展保护性农业，如摩洛哥、肯尼亚、 埃塞俄比亚、土耳其、伊朗等国都有研究报道( B e n i t e s J R ，2 0 0 3 ) 。到2 0 0 3 年，全世界以少、免 2 中同农、I k 科学院硕十学位论文 第一章绪论 耕法为主要内容的保护性耕作已达到1 6 亿公顷，其中排在前五名的分别是：美国6 6 6 7 万公顷， 巴西1 7 3 6 万公顷，阿根廷1 4 5 0 万公顷，澳大利亚9 0 0 万公顷，加拿大4 0 8 万公顷。以比例计算， 则拉丁美洲占4 7 5 ，美国和加拿大占3 6 7 ，澳大利亚占1 2 5 ，其它国家占3 3 。特别是在 南美的巴西、阿根廷和乌拉圭推广免耕的速度很快，其免耕的面积占整个耕作面积的比例分别达 到了4 5 、5 0 及6 0 ( B e n i t e s J R ，2 0 0 3 ) 。在欧洲和地中海国家中，葡萄牙的保护性耕作面积 占可耕土地的4 5 ，西班牙占4 5 5 ，意大利占2 2 5 ，希腊占3 7 ，法国占3 1 8 ( 赵化春， 王晓丽，1 9 9 1 ) 。目前，世界上己有几十个国家在大规模地采用保护性耕作，并把它看作是一场传 统耕作向保护性耕作转变的一次革命。2 0 0 1 年1 0 月联合国粮农组织( E A o ) 与欧洲保护性农业 联合会( E C A F ) 在西班牙召开了第一届世界保护性农业大会，标志着保护性耕作在世界范围内的 得到广泛重视，保护性耕作现已成为一种世界性的农业可持续生产方式和现代生态农业的一个重 要组成部分( T e b r u g g e F ，2 0 0 1 ) 。2 0 0 3 年6 月在澳大利亚昆士兰州举行的第十六届国际土壤耕作 研究年会( I S T R O ) 上，保护性耕作也成为学者交流的热点问题，各国有关保护性耕作技术研究 和推广的论文报道约占一半，说明保护性耕作已为世界各国所接受。 国外M EP r o b e r t ( 2 0 0 7 ) 利用A P S I M 模型对不用比率秸秆覆盖水平的土壤有机质的变化进 行了模拟研究，发现在低有机质的土壤6 0 的覆盖可以很大程度的提高土壤有机质，而对于缺少 氮的土壤，即使1 0 0 的覆盖也难以维持十壤有机质。M o b i n ( 2 0 0 2 ) 等运用S W A P 模型针对棉花 一小麦和水稻小麦不同耕作模式下的土壤水分含量和地下水运移情况进行了模拟和比较，计算结 果水稻叫、麦模式每年的地下水补给为3 8 9c m 高于棉花小麦的2 3 3c m 的深层地下水补给。 1 2 2 国内保护性耕作研究进展 中国传统农业以精耕细作著称于世，具有分散经营和以牛为主要耕作动力的显著特点。精耕 细作农法奠基于战国时代，到魏晋南北朝和宋代，南方和北方的精耕细作体系相继臻于成熟。北 方早地耕作体系为“耕一耙一耢一压一锄”，南方水田耕作体系为“耕一耙一耖一耘一耥”。几千年来，人们 对这种耕作方式习以为常，对耕作效果毫无置疑。直到上世纪8 0 年代，水土流失、土壤板结、风 蚀沙化、地下水位下降、河溪干枯、植被破坏等环境严重恶化的突出表象，促使人们重新审视和 研究传统耕作，针对传统耕作的缺点，人们自然想到地表覆盖和少( 免) 耕，即保护性耕作。 一般认为我国保护性耕作的研究开始于2 0 世纪6 0 年代初。上世纪5 0 年代末6 0 年代初期， 黑龙江国营农场等就进行过免耕种麦的实验示范工作。7 0 年代在江苏太湖、徐州、吴江、无锡等 地进行稻茬免耕种植小麦技术研究。云南、贵州等有关院校也开展了少免耕的研究( 罗永潘等， 1 9 9 1 ) 。从8 0 年代初期开始，着手研究少、免耕农作系统。尤其是近2 0 年来，随着人口的迅速增 长，生态环境日益恶化，水土流失及干旱逐年加剧，旱区各地将少耕、免耕、深松耕等保水、保 土耕作措施与覆盖措施相结合，形成了多种类型的早地保护性耕作技术，如地膜覆盖耕作法，秸 秆覆盖还田耕作法，少耕秸秆全程覆盖法，免耕整秸秆覆盖法等等。这些措施的推广和应用或多 或少地解决了旱作农田“早”与“薄”的问题，对减少土壤水分蒸发，增加十壤有机质，增加作 物产量，简化耕作手续，降低生产成本，提高劳动生产率和经济效益均有一定的效果。1 9 9 2 年， 针对我国水资源缺乏，需要大力发展早作农业的要求，由中国农业科学院、中国农业大学与山西 省农机局和澳大利亚昆士兰大学合作，引入和借鉴澳大利亚保护性耕作技术，在山西黄土高原部 3 中围农业科学院硕l ：学位论文第一章绪论 分地区开始进行积极的探索。经过多年持续的试验，历经国家“八五”、“九五”、“十五”、“十一 五”己经完成了保护性耕作在我国的适应性研究，证明保护性耕作在我国是可行的，适宜大面积 推广，是解决生态环境问题、实现增产增效、促进旱区农业可持续发展的先进耕作技术( 蔡典雄， 1 9 9 4 ；王小彬，2 0 0 3 ：W a n gXB ，2 0 0 4 ；W a n gXB ，2 0 0 5 ) ；提出了适合一年一熟区的机械化保 护性耕作工艺体系；并且将这一技术在我国北方1 0 个省市推广面积已达到3 0 万h m 2 ( G a o H W ， 2 0 0 3 ) 。山西试验的成功，引起了国家有关部门的高度重视。2 0 0 0 年科技部将保护性耕作技术列 为国家“十五”重大科技攻关计划，加强了保护性耕作在抑制农田扬尘等方面的科研开发和试验 研究。农业部组织了“机械化秸秆还田工程”、“农业科技跨越计划”、“农业节本增效- 丁程”等项 目的实施，在北方旱作农区的河北中北部、内蒙古中南部、山西北部、辽宁西部、陕西北部、甘 肃东部以及北京、天津等北方8 省( 市、区) 建立了3 8 个保护性耕作示范县，开展了3 5 0 多万亩 规模的保护性耕作技术的生产示范工作，取得了可喜的成果，并将保护性耕作技术作为“十五” 重点推广的5 0 项农业新技术之一( 贾建国，2 0 0 1 ) 。张海林、高旺盛等( 2 0 0 0 ) 也针对覆盖免耕 下的玉米耗水特性及水分利用效率进行了研究，结果发现覆盖免耕可以降低地温，减少土壤蒸发， 增加作物的蒸腾耗水，提高夏玉米对水分利用率，达到节水增产的目的。王小彬( 2 0 0 0 ) 等研究 探讨了玉米秸秆还田方式( 直接或过腹还田) 与化肥配施对土壤养分变化的影响，研究为该区玉 米秸秆作为饲源和有机肥源的合理再分配利用，秸秆、牛粪与化肥平衡配施，以及秸秆还田对 土壤肥力的贡献和对作物产量的影响提供了依据。 张喜英等( 2 0 0 2 ) 在华北地区试验研究发现秸秆覆盖下的夏玉米产量在8 0 0 0k g h m - 2 ，总蒸散 量在3 9 0m i l l ，水分利用效率高达2 2k g m - 3 ，脱云飞等( 2 0 0 8 ) 利用实测资料和作物根系吸水、 水热运移模型模拟了不用比率的秸秆覆盖对田间土壤水分和温度的影响，结果显示土壤含水率在 4 0c m 逐渐减小，而在4 0 1 0 0c m 逐渐增加。W M C o r n e l i s 等( 2 0 0 2 ) 在河南孟津研究了不同 保护性耕作措施下的农田土壤水分平衡，结果显示在休闲期花生两季轮作可以增加土壤储水量和 减少蒸发，免耕和传统耕作次之，而少耕则是最差的选择。 1 3 农田水分及水分平衡研究进展 水分平衡方程使用的关键项是参考作物蒸散量( R e f e r e n c ec r o pe v a p o t r a n s p i r a t i o n ) 的计算。 2 0 世纪9 0 年代以前，国内计算参考作物蒸散量大多采用1 9 7 9 年联合国粮农组织推荐的修正的彭 曼公式( M o d i f i e dP e n m a nE q u a t i o n ，F A O 1 9 7 9 ) ，但后来许多研究表明，这一方法存在一些弱点， 比如把一种具体作物的蒸散量定义标准的参考作物蒸散量，是不合适的，其中加入了较多的修正 参数和风函数，有些参数是难以测定的。1 9 9 1 年联合国粮农组织( F A O ) 召集有关资深专家，对 1 9 7 9 年推荐的公式进行了修订，提出了修正后的P e n m a n M o n m i t h 公式( F A OP a p e r5 6 ，1 9 9 8 ) ， 用一种假想的参考冠层代替实际的参考作物，并对方程中的辐射项与空气动力学项的有关参数也 进行了修正。龚元石( 1 9 9 5 ) 、毛飞等( 2 0 0 3 ) 国内许多学者对这两种方法计算的结果进行了对比 分析，指出了二者计算结果的差别及后者的优点，修正后的P e n m a n M o n t e i t h 公式使用日益广泛。 根据农田水分平衡基本原理( 华孟，1 9 9 3 ) ，在某一时段内，对一定面积的土壤的各项水分收 入等于各项水分支出。中国对蒸发的研究始于2 0 世纪5 0 年代，迄今约有5 0 年的历史，朱岗昆利 用P e n m a n 公式计算了中国东部月蒸发量( 朱岗昆，1 9 5 5 ) 。中国气象学者所用的蒸发公式，基本 4 中围农业科学院硕1 j 学化论文第一章绪论 上包括了国外普遍流行的一些主要公式，例如P e n m a n 公式、布德科公式、T h o m t h w a i t e 公式、空 气饱和差公式以及空气动力学为基础的经验公式等，这些公式的引入，对中国蒸发研究起着推动 作用，但这些，T 作存在明显的不足：其一，一些外国公式直接运用于中国，计算结果没有经受实 际的充分检验，而且客观上也往往缺少检验的实验数据，因而计算结果的误差是很难确定的；其 二，除个别外，蒸发计算大多考虑的是在水分条件没有限制下的蒸发，而实际蒸发因缺乏实验数 据往往很少涉及。 水分供需平衡特征分析采用旱地作物水分平衡分析方法，对作物水分满足状况作定量评价。 作物的需水肇是指在适宜的土壤水分和肥力水平下，经过正常生长发育并获得高产时全生育期所 需消耗的水量。影响作物需水量的因素比较多，诸如气象条件、土壤条件、作物类别和品种、耕 作水平和栽培方式等。作物需水量是一个随时间和空间而不断变化的变量，在不同年份和不同地 区其值是不同的。 有效降雨量是指降雨通过入渗后保存于土壤计划湿润层中能被作物直接利用的那部分降雨 量，其值为降雨量减去地面径流量、深层渗漏量和降雨期间的蒸发损失量以及植株截留量等。影 响有效降雨量的因素很多，包括气象因素、土壤因素以及雨前土壤含水量、地下水埋深、植被覆 盖情况、作物根系层深度以及耕作栽培方式等。地下水利用量是地下水通过土壤毛管作用向作物 根系层运动被作物所利用的那部分水量，其值主要与地下水埋深、土壤质地、作物种类和作物生 育阶段等因素有关( 李金冰，2 0 0 3 ) 。 1 4 作物模型研究进展 1 4 1 国外作物模型研究进展 目前欧美等国已经开始普遍采用数值方法探讨生产力分布状况，从1 9 7 0 年荷兰科学家 C T D e W i t 研制出第一个作物计算机模拟模型E L - C R O S 以来，国外、国内相继开发出数十个作物 生长模拟模型，其中尤以C E R E S 、G O S S Y M 等模型最为著名。作物生长模拟模型反映的是作物 生长和发育的基本生理生态机理和过程，被称为机理模型或过程模型，与传统的反映因果关系的 统计回归模型有显著差别( W i s i o lK ，H e s k e t hJ D ，1 9 8 7 ；G o r d o n ，2 0 0 0 ) 它具有系统性、动态性、 机制性与预测性，更重要的是它具有通用性，适用于任何地点、时间和品种，不受地区、时间、 品种与栽培技术差异的限制( 曹卫星，1 9 9 5 ) 。因而，在资源生产力评价中应用广泛( F e d d sR A ， K o w a l i kP J ，1 9 7 8 ；W i l s o nDR ，1 9 9 5 ) ，计算机模型与高新技术的结合成为研究农田作物生产力 新的发展趋势( H o o g e n b o o m ，2 0 0 1 ) 。由于模型复杂而且机理性强，包含的参数多，因此模型 参数的获取及其可靠性影响到模型的应用。 一般而言，作物模拟模型是基于点的系统( S c h u l z eR ，2 0 0 0 ) 大部分输入数据也是针对具体 地点的，因此在空间外推上很不理想( O l e s e nJE ，2 0 0 0 ) 。在将假设环境均匀的小区水平的作物 动力模型应用于更大空间尺度和更高级系统水平时，面临的最大问题是升尺度连接( s c a l i n g u p ) 。 需要解决环境信息的时空变异，响应变量的空间归并，以及由于空间平均、时间变异和现有模型 未考虑的新特性和新过程时所产生的偏差问题。G I S 可以将时间作为第四维空间进行考虑，把基 于机理过程的作物生长模型即随时间而发生的变化结合进来，解决作物模型普适性不强的问题， 这将有利于对作物生长过程中的时间和空间变量进行分析，以求建立普适的模型，人们研制了将 5 中同农业科学院砂! 卜学位论文第一章绪论 G I S 与作物模型结合的方法研究作物生产力，一些应用研究人员在这方面开展了深入研究( J a m e s W Ha n dJ a m e sW J ，2 0 0 0 ) 。目前作物生产力研究，国外采用的先进方法基本上是借用计算机技术 和田间试验进行作物生长动态及产量形成模拟，剖析农田水分与生产力的量化关系。它能够详细 的量化描述作物基本生理生态过程，把“作物土壤气体”作为一个整体加以描述，考虑全面， 机理性强，是目前估算作物生产力较为理想的方法。 1 4 2 国内作物模型研究进展 随着近几十年国外生产力数值模型的发展，我国也逐渐的吸收荷兰和美国的作物生长模型来 研究作物生产力，主要模拟光、温、降水对作物生长的影响，并对有关气候和作物参数做了一定 的修正，开始尝试利用生产力数值模型模拟计算作物生产力。1 9 9 4 年，魏军等研制了基于 C E R E S M a i z e 模型的“玉米生产管理专家咨询系统”；1 9 9 5 年，刘克礼等建立了基于动态模拟模 型的“春玉米优化栽培管理咨询系统M O C M C S ”( 高聚林，1 9 9 5 ) ；1 9 9 7 年，刘海波等应用 C E R E S M a i z e 模型建立黑龙江省玉米生产管理信息咨询系统；1 9 9 8 年，陈桂芬等研制出“多媒体 玉米生产专家系统”；1 9 9 9 年，刘大有等利用知识工程的方法和技术，结合不确定性推理，充分 考虑引起玉米病虫害发生的多种因素及因素中信息的不确定性，实现了一个面向农民的“玉米病 虫害防治专家系统”( 刘大有，1 9 9 9 ) ；而后，研制出“多媒体玉米生产智能系统M I S M A P ，包括 多媒体玉米生产专家系统、数据库系统、农业生产区划系统和决策支持系统等。刘建栋等( 1 9 9 8 ) 在总结了前人统计模式的基础上，借鉴了国内外地理学、农学、气象学、生物学等领域的最新研 究成果( 杨春虹，1 9 9 0 ：董振国，1 9 8 8 ；D eW i t C T ，e t a l ，1 9 7 8 ) 建立了一个光合生产力数值模拟 模型，并且利用中国小麦生态实验资料建立了黄淮海地区冬小麦发育阶段模式和光合作用、呼吸 作用等模式( 刘建栋，于强等，1 9 9 9 ) 。当前，我国学者在研制作物生长模型方面有了一定的进展， 如潘学标等( 1 9 9 6 ) 自主开发的棉花模型C O T G R O W 等，但仍以国外研制的作物生长模型使用较 多。目前我国力分析以主要以数学模型、动态模拟、田间力试验等结合探讨农田生产力，并且作 物动态生长模型与地理信息系统的结合成为研究农田作物生产力新的发展趋势。国内学者将作物 模型应用于评价未来气候变化情况下作物生产力的变化及地区作物生产力的评价，研究以C E R E S 模型应用较多( 张宇等，2 0 0 0 ；崔鲜一，1 9 9 8 ；石春林等，2 0 0 1 ) ，在地区作物生产力评价方 A L M A N A C 、C E R E S 和E P I C 等物理模型都有应用。李军( 1 9 9 7 ) 在国内较早引进作物生长模型 A L M A N A C 模拟黄土高原地区作物产量力，验证了该模型的在黄土高原地区有较好的适用性。此 后，李军( 2 0 0 l ，2 0 0 2 ) 等应用从美国引进的作物生长模C E R E S 对黄士高原地区的作物生长进行 模拟，研究表明通过模拟不仅可以准确的获得各种年型的作物产量力值，较通常的公式概算省时 省力，而且可以减少作物生产力研究中的田间试验年限，存在的主要问题是逐日气象资料的获取 较为困难，模型的普适性能很低，往往一地建立起来的模型不能在另一地使用。王宗明等( 2 0 0 0 ) 应用E P I C 模型进行黄土塬区冬小麦和春玉米生产力模拟研究，表明E P I C 模型在黄土高原地区作 物生产力模拟研究中具有较好的适用性。存在的问题主要是干旱年份的力值的模拟值与实测值的 相对误差较大，需要对作物、土壤等参数的修正方法加以改进。 D S S A T 模型在中国的应用推广也有很长时间的历史，2 0 世纪9 0 年代，林而达( 1 9 9 6 ) 引进 了美国研制的作物生长模型软件包D S S A T 3 ，采用作物生长与产量形成的计算机模拟方法研究气 6 中围农业科学院硕卜