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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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长期定位施肥条件下旱地小麦“产量差”影响因子评估

胡雨彤  
【摘要】:旱作小麦“产量差”即雨养小麦生产潜力与农田实际产量间的差值,其受气候要素、肥料、土壤养分以及作物品种等各种因素影响。由于小麦“产量差”影响因子间存在多重共线性,很难对其影响因子进行恰当评估。为了维持黄土旱地小麦高产和持续增产,解决小麦“产量差”影响因子评估不当的问题,本研究以长武长期定位试验(1984年开始)为依托,选取其中小麦连作6个施肥处理和粮豆轮作4个施肥处理,利用DSSAT模型结合田间试验法,模拟雨养小麦生产潜力,评估田块小麦“产量差”;同时分析气象要素、土壤养分、土壤水分等时间变化及对小麦“产量差”的影响,最后利用偏最小二乘回归分析排除变量间的共线问题,定量识别影响黄土旱地长期连作与粮豆轮作下小麦“产量差”的主控因子,对指导黄土旱地地区小麦生产具有重要意义。本研究的主要结论如下:(1)DSSAT模型适合在黄土旱地应用,研究区雨养小麦生产潜力为8324 kg·hm-2。长期定位试验种植31年(1984-2014)对小麦“产量差”分析表明,小麦连作不施肥(CK)和单施化肥中小麦“产量差”显著高于单施有机肥(M)、氮磷(NP)和氮磷有机肥(NPM)配施中小麦“产量差”,其中单施P中小麦“产量差”最高,达到6996 kg·hm-2;肥料贡献率在单施磷肥中呈抑制作用,大小为-18.3 kg·kg-1,降水利用率在P处理中最低,NPM处理中最高,分别为2.34 kg·mm-1·hm-2和7.45 kg·mm-1·hm-2。粮豆轮作中小麦“产量差”在CK中最高,NPM中最低;肥料贡献率和降水利用率最高值出现在NPM中,最低值在CK中。同一降水年型下不施肥和单施化肥中小麦“产量差”高于有机肥和肥料配施中小麦“产量差”,肥料贡献率和降水利用率在肥料配施下高于单施肥和不施肥处理;各个施肥处理中小麦“产量差”干旱年平水年丰水年,其中肥料配施中效果最明显。(2)气象要素在长期定位31年间分析发现,小麦生育期积温、平均温度、太阳辐射、休闲期降水和生育年(休闲期+生育期)降水呈现增加趋势,生育期降水呈现降低趋势,月降水中3、5、6、10、12月间呈现降低趋势,其他月份呈现增加趋势。气象要素间相关分析表明,干旱年、丰水年和31年中,小麦生育年降水与休闲期降水之间呈现出极显著相关关系,相关系数分别为0.816、0.832和0.901,干旱年下生育年降水和9月、12月份降水间相关系数分别为0.619和-0.688,丰水年下,生育年降水与8月份降水间呈现出极显著正相关关系。不同施肥处理下,小麦“产量差”与休闲期降水、生育年降水和9月份降水之间呈现出显著负相关,12月份降水间呈现正相关关系。(3)长期连作与粮豆轮作施肥下土壤养分分析发现,CK和单施N处理下土壤有机质、土壤全氮、有效磷、速效钾基本维持一个水平,年际间波动范围较小。截止至2014年,连作中单施P中有效磷比试验初期提高了12.39倍,NP配施中速效钾比试验初期降低了9.58%,NPM中各个养分与试验初期比呈显著增加趋势;小麦“产量差”与CK中速效钾呈现显著正相关,与P处理中土壤养分呈现显著正相关,其他处理中小麦“产量差”均与养分间呈现负相关。截止至2014年,粮豆轮作中P处理下土壤速效磷比试验初期提高了12.90倍,NP处理中土壤速效钾比试验初期降低了14.69%,NPM配施下各个养分显著高于试验初期;小麦“产量差”与各个施肥水平下土壤养分均呈现负相关关系。(4)长期连作与粮豆轮作施肥下土壤水分分析发现,连作中单施P中播种期和收获期储水量多年均值最高,NPM配施中最低;土壤消耗水绝对值和小麦耗水量在NP处理中最高,土壤消耗水绝对值和小麦耗水量在单施P中最低,分别为70.55 mm和347.65 mm;水分利用效率肥料配施中显著高于不施肥和单施肥;相关分析发现,小麦“产量差”与单施N和NPM配施下播种期储水量和小麦耗水量间存在显著负相关,与土壤耗水量间存在显著正相关。粮豆轮作中土壤耗水量绝对值和小麦耗水量在CK中最低;播种期和收获期储水量、水分利用效率不同施肥间变化趋势与连作中类似;小麦“产量差”与单施P中播种期储水量和小麦耗水量间呈显著负相关,与土壤耗水量呈显著正相关,相关系数分别为-0.700,-0.817和0.826。(5)针对小麦“产量差”与降水因子间做多重线性检验可知,许多降水因子间存在多重共线性,特别是生育年降水与休闲期降水和生育期降水间存在严重多重共线问题。使用偏最小二乘回归分析可有效解决自变量间多重共线问题,连作、粮豆轮作、连作与粮豆轮作组合模型中均表明,第一成分和第二成分对小麦“产量差”的解释性相对较大,两个成分的累积解释性在三个模型中,分别达到66.7%、84.4%和74.9%,偏最小二乘回归分析中,第一和第二成分主要是由氮肥、磷肥、有机肥主导;通过自变量的变量投影重要性指标(VIP值)可以看出三个模型中,氮、磷、有机肥、休闲期降水和生育年降水对小麦“产量差”起着重要影响(VIP1),而生育期积温、平均温度、太阳总辐射、小麦品种、种植方式等对小麦“产量差”作用相对较弱(VIP1);从变量的回归系数来看,小麦“产量差”随着施肥量和休闲期和生育年降水量的增加而降低。
【关键词】:长期定位试验 DSSAT模型 小麦“产量差” 气象要素 土壤养分 土壤水分 偏最小二乘回归分析
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S512.1
【目录】:
  • 致谢4-6
  • 摘要6-9
  • ABSTRACT9-17
  • 第一章 绪论17-27
  • 1.1 研究背景与意义17-18
  • 1.2 国内外研究进展18-26
  • 1.2.1“产量差”的概念18-19
  • 1.2.2“产量差”评估方法19-21
  • 1.2.3 小麦“产量差”影响因素21-25
  • 1.2.4 小麦“产量差”影响因子分析发展现状25-26
  • 1.3 存在问题与不足26-27
  • 第二章 研究内容与方法27-33
  • 2.1 研究目标与内容27-28
  • 2.1.1 研究目标27
  • 2.1.2 研究内容27-28
  • 2.2 拟采用的技术路线28-29
  • 2.3 试验方案29-32
  • 2.3.1 试验区概况29
  • 2.3.2 长期连作与粮豆轮作施肥试验29-30
  • 2.3.3 样品采集及分析30-32
  • 2.4 研究方法32-33
  • 第三章 DSSAT模型评估黄土旱地雨养小麦生产潜力33-43
  • 3.1 DSSAT模型数据库的建立33-38
  • 3.1.1 气象数据34-35
  • 3.1.2 土壤剖面数据35-37
  • 3.1.3 小麦田间管理数据37
  • 3.1.4 作物品种数据文件37-38
  • 3.2 参数验证38-42
  • 3.2.1 参数调试与模型校验方法38-39
  • 3.2.2 不同方案模型校验分析39-42
  • 3.3 结论与讨论42-43
  • 第四章 长期连作和粮豆轮作施肥对小麦“产量差”、肥料贡献率和降水利用率的影响43-54
  • 4.1 长期连作施肥对小麦“产量差”、肥料贡献率和降水利用率的影响43-45
  • 4.1.1 长期连作施肥对小麦“产量差”的影响43-44
  • 4.1.2 长期连作施肥对肥效贡献率的影响44-45
  • 4.1.3 长期连作施肥对降水利用率的影响45
  • 4.2 不同降水年型对连作施肥下小麦“产量差”、肥料贡献率和降水利用率的影响45-48
  • 4.2.1 不同降水年型对连作施肥下小麦“产量差”的影响45-46
  • 4.2.2 不同降水年型对连作施肥下肥料贡献率的影响46-47
  • 4.2.3 不同降水年型对连作施肥下降水利用率的影响47-48
  • 4.3 粮豆轮作施肥对小麦“产量差”、肥料贡献率和降水利用率的影响48-49
  • 4.3.1 长期粮豆轮作施肥对小麦“产量差”的影响48
  • 4.3.2 长期粮豆轮作施肥对肥效贡献率的影响48-49
  • 4.3.3 长期粮豆轮作施肥对降水利用率的影响49
  • 4.4 不同降水年型对粮豆轮作施肥下小麦“产量差”、肥料贡献率和降水利用率的影响49-51
  • 4.4.1 不同降水年型对粮豆轮作施肥下小麦“产量差”的影响49-50
  • 4.4.2 不同降水年型对粮豆轮作肥料贡献率的影响50-51
  • 4.4.3 不同降水年型对粮豆轮作施肥下降水利用率的影响51
  • 4.5 结论与讨论51-54
  • 第五章 长期定位施肥期间气象要素变化趋势及对小麦“产量差”的影响54-64
  • 5.1 生育期积温和平均温度变化趋势54-55
  • 5.2 生育期太阳辐射变化趋势55-56
  • 5.3 降水年际变化趋势56-60
  • 5.3.1 月降水在年际间变化趋势56-58
  • 5.3.2 生育年、休闲期、生育期降水年际间变化趋势58-59
  • 5.3.3 生育年降水与休闲期降水和生育期降水和月降水间相关分析59-60
  • 5.4 气象因子对连作与粮豆轮作施肥下小麦“产量差”的影响60-62
  • 5.4.1 气象因子对连作施肥下小麦“产量差”的影响60-61
  • 5.4.2 气象因子对粮豆轮作施肥下小麦“产量差”的影响61-62
  • 5.5 结论与讨论62-64
  • 第六章 长期连作与粮豆轮作施肥下土壤养分变化及对小麦“产量差”的影响64-74
  • 6.1 长期连作施肥下土壤要素时间分布变化特征64-67
  • 6.1.1 土壤有机质变化动态64-65
  • 6.1.2 土壤全氮变化动态65-66
  • 6.1.3 土壤有效磷变化动态66-67
  • 6.1.4 土壤速效钾变化动态67
  • 6.2 长期粮豆轮作施肥下土壤要素时间分布变化特征67-70
  • 6.2.1 土壤有机质变化动态67-68
  • 6.2.2 土壤全氮变化动态68-69
  • 6.2.3 土壤有效磷变化动态69
  • 6.2.4 土壤速效钾变化动态69-70
  • 6.3 长期连作与粮豆轮作施肥对小麦“产量差”的影响70-71
  • 6.3.1 连作施肥中小麦“产量差”与土壤养分相关分析70-71
  • 6.3.2 粮豆施肥中小麦“产量差”与土壤养分相关分析71
  • 6.4 结论与讨论71-74
  • 第七章 长期连作与粮豆轮作施肥下土壤储水量变化及对小麦“产量差”的影响74-84
  • 7.1 长期连作施肥下土壤储水量年际变化特征74-78
  • 7.1.1 播种期土壤储水量年际变化74-75
  • 7.1.2 收获期土壤储水量年际变化75
  • 7.1.3 生育期土壤耗水量年际变化75-76
  • 7.1.4 小麦耗水量年际变化76-77
  • 7.1.5 长期连作施肥对水分利用效率的影响77
  • 7.1.6 土壤水分对连作施肥中小麦“产量差”的影响77-78
  • 7.2 长期粮豆轮作施肥下土壤储水量年际变化特征78-81
  • 7.2.1 播种期土壤储水量年际变化78-79
  • 7.2.2 收获期土壤储水量年际变化79
  • 7.2.3 生育期土壤耗水量年际变化79-80
  • 7.2.4 小麦耗水量年际变化80
  • 7.2.5 长期粮豆轮作与施肥对水分利用效率的影响80-81
  • 7.2.6 土壤水分对小麦“产量差”的影响81
  • 7.3 结论与讨论81-84
  • 第八章 长期连作与粮豆轮作施肥下小麦“产量差”的主控因子评估84-103
  • 8.1 偏最小二乘回归分析简介84-89
  • 8.1.1 偏最小二乘回归分析介绍84-85
  • 8.1.2 偏最小二乘回归分析计算方法85-86
  • 8.1.3 偏最小二乘回归成分确定86-87
  • 8.1.4 研究小麦“产量差”与影响因素间耦合关系87-89
  • 8.2 小麦“产量差”与降水之间共线性分析89-91
  • 8.3 连作施肥中小麦“产量差”影响因子评估91-94
  • 8.3.1 连作施肥中偏最小二乘回归分析中使用数据基本特征91-92
  • 8.3.2 连作施肥中小麦“产量差”的PLSR模型概述92-93
  • 8.3.3 连作施肥中小麦“产量差”影响因子特征向量的权重93
  • 8.3.4 各种因子对连作施肥中小麦“产量差”的影响93-94
  • 8.4 粮豆轮作施肥中小麦“产量差”影响因子评估94-98
  • 8.4.1 粮豆轮作施肥中偏最小二乘回归分析中使用数据基本特征94-95
  • 8.4.2 粮豆轮作施肥中小麦“产量差”的PLSR模型概述95-96
  • 8.4.3 粮豆轮作施肥中小麦“产量差”影响因子特征向量的权重96-97
  • 8.4.4 各种因子对粮豆轮作下小麦“产量差”的影响97-98
  • 8.5 不同种植体系下影响因子对小麦“产量差”影响因子评估98-101
  • 8.5.1 小麦连作与粮豆轮作中偏最小二乘回归分析中使用数据基本特征98-99
  • 8.5.2 连作与粮豆轮作中小麦“产量差”的PLSR模型概述99
  • 8.5.3 连作与粮豆轮作中小麦“产量差”影响因子特征向量的权重99-100
  • 8.5.4 各种因子对连作与粮豆轮作小麦“产量差”的影响100-101
  • 8.6 结论与讨论101-103
  • 第九章 主要结论与展望103-107
  • 9.1 主要结论103-105
  • 9.2 主要创新点105
  • 9.3 未来进一步研究的问题105-107
  • 作者简介107-109
  • 参考文献109-122

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