基于作物模型探究北方农牧交错带气候变化对轮作的影响

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于北方农牧交错带实施粮草轮作可改善农牧业系统,提高稳定生产力,而分析多种种植模式之间的差异并阐明气候变化条件下多个组分的变化规律可进一步探明该地区粮-饲耦合系统优势形成机制。本研究首先基于山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站的田间试验数据对作物模型APISM(Agricultural Production Systems s IMulator)进行校准和验证,并结合全球气候模型(Global climate model)预测未来情景,模拟分析基准(1980-2009年)及未来情景(世纪中期2040-2069、世纪后期2070-2099年)中多个粮草种植模式、粮食生产模式的作物产量、系统耗水量(Evapotranspiration,ET)、水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)、氮肥偏生产力(Nitrogen partial factor productivity,NPFP)和经济效益之间的差异,为北方农牧交错带粮草轮作模式建立与农牧业的气候变化适应策略提供参考。研究主要得出以下结果:1.本研究于北方农牧交错带-雁门关地区,校准了APSIM中的四种作物模块(APSIM-Maize、APSIM-Oats、APSIM-Potato、APSIM-Soybean)。结果显示,验证指标RMSE值均较小,NRMSE值均小于20%,APSIM模型在该地区对以上作物生产的模拟准确度较高。2.玉米-饲用燕麦轮作模式田间试验和模型模拟净收入均最高,分别为36549元·hm-2·年-1和44635元·hm-2·年-1,可作为农民增收种植模式;田间试验产投比最高为玉米-饲用燕麦轮作模式,达5.26,情景模拟中产投比最高为秣食豆(Glycine max L.)-玉米轮作模式,达7.00;说明未来情况下,秣食豆-玉米轮作具有更好的成本利用效率。3.各粮草轮作对作物产量的效应不显著(P>0.05),但显著降低作物ET,提升作物WUE(P<0.05);其中,玉米(Zea mays L.)与饲草作物轮作降低玉米ET,幅度为8.26%-8.51%,燕麦(Avena sativa L.)显著提升玉米WUE,幅度为10.51%;马铃薯(Solanum tuberosum L.)与饲草作物轮作同样降低马铃薯ET,提升马铃薯WUE,幅度分别为5.74%-11.29%和7.94%-15.89%。综上所述,本研究验证了APSIM模型中四种作物模块于北方农牧交错带地区的适应性,并评估了几种粮食生产模式和粮草轮作模式受气候变化条件的影响,研究结果可为提高该地区的土地利用率和作物生产适应性提供重要的资料依据。
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