耕作管理措施对作物产量及农田土壤碳库影响的模拟研究——以松嫩平原西部为例

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本文以松嫩平原西部为研究对象,分别于2015年4月中旬作物播种前和10月初作物收割前进行了两次野外样品采集,通过室内理化实验分析获取得到研究区的土壤数据,通过MODIS时间序列提取松嫩平原西部植被物候信息,对研究区物候特征进行最大似然分类,得到了研究区的空间数据,同时在收集并且整理了研究区的气象数据、作物数据及农田耕作管理数据后,建立了DNDC模型数据库。将数据库中的参数输入到生物地球化学DNDC模型中,首先利用两次采集的土壤样品进行模型精度验证,以确保模型在研究区的适用性。然后通过点位模式及区位模式的模拟获取研究区的土壤有机碳储量和作物产量,并对他们进行空间分析。最后进行三种不同情景模式下的模拟,以期寻找影响研究区土壤有机碳储量和作物产量的关键人为因素,得到的结论如下:  研究区松嫩平原西部共有374.5万公顷玉米种植,水稻有11.5万公顷,其他土地利用类型有325.8万公顷。本文所用到的生物地球化学模型DNDC,选取了24个采样点并通过均方根误差的方法来验证了模型的精度,经验证模型精度为11.949%,模拟结果较好,模型适合在本研究区进行模拟。通过DNDC模型的点位及区位模拟,获取得到研究区2015土壤有机碳储量及作物产量。研究区有机碳储量分布极不均匀,呈现由西北向南、向东递减的趋势,土壤中有机碳储量基本介于2638.31-88357.46kgC·ha-1之间,平均值为20317.41kgC·ha-1,总储量约为7794.42万吨C,研究区表层土壤有机碳变化分布总体上呈现减少的趋势,仅有部分地区略有增加,表现为“碳源”;研究区单位面积作物纯碳产量基本在2500~4500kgC·ha-1之间,平均为3576.167kgC·ha-1,换算为实际作物产量约为8.94t·ha-1,总产量约为3429.83万t,作物产量区域分布差异显著,呈现出由北向南逐渐减少的趋势。  通过DNDC模型三种不同情景下的模拟分析得出,施肥、秸秆还田以及耕作深度都对研究区土壤有机碳含量以及作物产量产生着影响。其中,在施肥条件下,CK<NPK<M1NPK<M2NPK,表明施无机肥配施大量有机肥能够显著提高研究区土壤有机碳及作物产量;而秸秆还田比例越高,研究区土壤中有机碳含量也越高,但是秸秆还田比例的高低不能直接影响本年度的作物产量,需要一个长期的累积过程;最后在不同的耕作深度下,也会对研究区土壤有机碳含量及作物产量产生不同的影响,耕作深度越深,土壤中有机碳含量会越低,但是作物产量会越高。因此,研究区内应该配施无机肥和大量的有机肥、尽可能提高秸秆还田比例以及合理的深耕,通过这些人为的手段去维持土壤有机碳含量的平衡,进而提高作物产量。
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