[00112252]在干旱胁迫下春小麦产量形成过程对耕作措施的响应机制及调控

1.课题来源和背景 本项目来源于国家自然科学基金项目。黄土高原是我国典型的旱作农业区,小麦是该区域主要粮食作物。近年来该区域极端干旱和极端降水频发,小麦生产所受的威胁日趋严重,对干旱环境下春小麦产量形成过程进行系统评价和预先控制,是应对干旱胁迫有效的办法。 2.研究目的与意义 本项目基于水分、播期和耕作措施调控试验,结合长期大田定位试验,以APSIM模型为平台,并应用系统工程和数学建模的方法研究春小麦产量形成过程对干旱胁迫和耕作措施的响应机制和调控效应。研究对优化旱地春小麦产量形成的限制因素,揭示耕作措施在干旱环境下对春小麦产量形成的调控效应及方案有重要的意义,为黄土高原干旱频发的环境下春小麦稳产高效栽培提供了理论依据和技术支撑。 3.主要论点与论据 项目主要研究结果如下： （1）利用扩展傅里叶幅度检验法和智能混合蛙跳算法快速、准确及高效估算了APSIM模型相关参数,持续更新了模型标准参数库,提升了模型本土化适应能力。APSIM模型在干旱胁迫下春小麦产量形成过程对耕作措施的适宜性较好。不同耕作措施、播期的春小麦全生育期及各生育阶段持续天数、籽粒干物质、产量和籽粒蛋白质含量RMSE分别为0.7～3.0d、15.41～143.13kg/hm2、66.43～121.92k g/hm2和0.2%～1.1%,NRMSE分别为2.34%～6.93%、1.38%～9.89%、1.23%～9.66%和1.31%～9.94%;干旱调控条件下,产量和生物量NRMSE分别为8.64%和3.62%。 （2）在干旱环境下正常播期、免耕＋秸秆覆盖耕作中合理增加秸秆覆盖量能够起到节水作用。确定了灌溉量对产量、籽粒数和千粒重分别为开口朝下抛物线且呈递增、递增和“先增后减”的调控效应,且灌溉量371.41mm、370.27mm和136.40mm时,极大值3910.92kg/hm2和10744.20粒/m2和36.03g;秸秆覆盖量对产量、籽粒数和千粒重分别为开口朝上抛物线且呈递增、递增和递减的调控效应。 （3）考虑研究区投入产出效益,采用收获后秸秆全部还田的做法,即秸秆覆盖量约为3000kg/hm2,建立优化调控模型,确定了在实际秸秆覆盖量情况下产量、籽粒数和千粒重达到极大值3835.71kg/hm2、10538.42粒/m2和35.77g时,灌溉量则下降了37.76mm38.56mm和16.31mm,下降比例为10.17%、10.41%和11.96%,春小麦在保证稳产高产的情况下,秸秆覆盖作用使得节水效率达到10%。由此提出了适合研究区调控干旱环境下春小麦生产的耕作措施优化方案为当地正常适宜播期、免耕＋秸秆覆盖,收获后秸秆全部还田。 （4）发表科技论文12篇,获授权实用新型专利1项,培养硕士研究生3名。 4.创见与创新 （1）利用长期定位试验的方法,进一步验证了不同耕作措施下春小麦产量生产过程对干旱胁迫模型的适宜性,为APSIM模型在黄土丘陵区域的推广应用提供了技术支撑。 （2）干旱胁迫-耕作措施耦合的方法,确定在干旱环境中不同耕作措施对春小麦产量形成过程调控的精确阈值,揭示春小麦产量形成过程对不同耕作措施土壤水分阈值区间的响应机制;提出干旱环境下春小麦稳产高产的最优耕作措施调控方案。 5.社会经济效益,存在的问题 （1）研究区（甘肃旱作区）在中国干旱半干旱农业区具有广泛的代表性,项目针对旱地春小麦提出的应对干旱环境的最优耕作方案可广泛的适用于中国的干旱地区。项目研究成果具有很大的社会经济效益应用潜力。 （2）标准气候、作物和土壤等基础属性数据库的建立与更新是模型应用的重要保证,后续有必要持续开展APSIM模型中其他子模型参数的优化及基于APSIM的旱地春小麦生长模型的多目标协同优化。通过田间试验进一步提高APSIM模型的区域适宜能力,使模型在黄土丘陵区具有更广泛的代表性。 6.历年获奖情况 无