本研究旨在探究非生物逆境胁迫对华北平原冬小麦-夏玉米种植体系的影响,并提出应对气候变化、地下水位下降带来的水资源压力的建议。随着全球气候变化,干旱频发,干旱降低植物生产力,影响生态系统碳循环,导致大规模农业减产。干旱胁迫通常表现为低土壤含水量和高饱和蒸气压差,这两个变量是紧密耦合的,并受到气候因素的制约。气候变化已经成为制约作物产量提升主要因素,实现这一增长面临重要挑战。华北平原作为我国粮食主产区之一,在我国粮食安全战略中占据着重要地位。同时,水资源短缺已是一个世界性问题。面对水资源紧缺及人口剧增和工业的发展,农业用水的压力将显著增加。华北平原作为我国的主要粮食产区由于地下水的过度开采,已经形成了世界上最大的地下水漏斗,总体水资源不足导致农业用水资源短缺,水资源的日益减少和不可持续利用威胁着中国的粮食安全。粮食生产与用水的矛盾已引起了全世界的广泛关注。气候变化加剧了大气干旱-土壤干旱造成得水资源压力,已成为华北平原冬小麦-夏玉米生产中亟需解决的关键问题。

为实现这一目标,本研究采用了作物模型结合机器学习的方法,考察了气候因素对产量的影响,并确定了影响因素的重要程度。研究成果总结为两篇论文。首先,我们深入探究了气候因素对冬小麦-夏玉米种植体系的影响,发现其主导作用因作物生育期时间跨度和气候波动而异。研究结果显示,气候因素对VPD、土壤水分和产量产生了影响,其中冬小麦开花前活动积温与VPD显著相关,辐射和其他与土壤水分显著相关。花后降雨量与VPD显著相关,活动积温与土壤水分显著相关。土壤水分和VPD对产量的相对作用也有所不同。对不同水分供应条件分析表明,开花前土壤水分在浇灌良好的条件下起主导作用(21%),而VPD在缺水条件中变得很重要(34%,45%)。开花后,土壤水分在所有处理中都发挥了重要作用(85%、75%、76%)。

其次,我们关注了前茬的水分胁迫是否对后茬玉米产生影响,并提出了相应的解决方案。为了解决这个问题,我们分析了前期小麦作物水分管理措施(常规灌溉,Con.W/M;优化灌溉,Opt.W/M;最小灌溉,Min.W/M)对玉米产量和耗水量的影响。结果显示,前一季小麦作物的水管理并不影响随后的玉米产量,但却导致了年际产量波动的加剧。六年中,三个处理中的玉米平均产量超过10.7兆克/公顷。在Min.W/M中观察到最高的年际产量变异性(CV)(12.0%),而在Con.W/M和Opt.W/M之间没有观察到CV的明显差异。年耗水量按以下顺序下降: Con.W/M(357毫米)>Opt.W/M(332毫米)>Min.W/M(290毫米),主要是由于深层土壤剖面(深度大于80厘米)的初始储水量不同。然而,在随后的玉米生长季节,这种差异被观察到,在温带大陆季风气候下,降雨量充足,这种差异得到纠正。玉米产量的变化主要归因于籽粒重量的变化(从55-86%不等)。在Min.W/M处理中,发现杀极端高温累积度日、累积积温、最高温度、太阳辐射的交互效应的交互效应可以解释85%的籽粒重量变化。

本研究的主要发现和创新之处在于,我们深入探究了气候因素对冬小麦-夏玉米种植体系的影响,发现其主导作用因作物生育期时间跨度和气候波动而异。同时,我们关注了前茬的水分胁迫是否对后茬玉米产生影响,并提出了相应的解决方案。这些发现为未来种植体系的调整和水资源管理提供了理论基础。

综合已有的研究成果和农户种植方式,我们提出了华北平原应对气候变化、地下水位下降的建议。项目的实施将促进节水农业应对气候变化。提高综合生产能力,为实现农民增产增收,带来良好经济效益提供理论依据。未来研究方向可以从气候变化对作物产量、水分利用效率和地下水位深度的综合影响角度出发,进一步深入研究华北平原的水资源管理问题,提出更加有效的应对策略。同时,可以结合新型技术手段,如物联网、人工智能等,建立更加智能化的农业生产管理系统,提高资源利用效率和农业生产的可持续性


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