黄土旱塬不同种植模式夏玉米对降雨截留再分配及利用过程与模拟

Agricultural production in drylands of Loess Plateau largely relies on limited rainfall due to the poor irrigation system. Research on the utilization of natural rainfall by dry farmlands contributes to the development of theory and methods for high efficient use of rainfall by crops. Due to the randomness of natural rainfall, its utilization by crops under different planting patterns is still lack of systematic research and quantitative description. This project takes rainfall interception, redistribution and utilization by summer maize under different planting patterns in drylands of Loess Plateau as a research object, and the rain water - soil water - crop water transfer as a starting point. Through field experiments and numerical simulations, we study the rainfall interception loss by maize canopy at different growth stages, and set up the rainfall interception model; reveal the spatial redistribution of rainwater at the soil surface after canopy redistribution, and explore the rules of rainwater infiltration under canopy and the soil water redistribution; study the soil water use and evapotranspiration characteristics by summer maize after rainfall events; discuss the effects of planting density and mulching patterns on rainfall interception and utilization; use HYDRUS-2D/3D model to simulate the soil water dynamics and crop root water uptake under different planting patterns. The results are aimed to provide a scientific basis for enriching the theory of hydrological cycle in dryland agriculture, and provide guidance for the development of suitable planting patterns in these areas to improve the rainfall use efficiency.

西北黄土旱塬区灌溉条件落后，农业生产主要依靠有限的天然降水。研究旱作农田对降水的利用过程有助于丰富作物高效利用降水的理论和方法。由于天然降水的复杂多变性，作物在不同种植模式下的降水利用过程尚缺乏系统研究和定量描述。本课题以黄土塬区不同种植模式旱作夏玉米对天然降雨截留再分配及利用过程为研究对象，以雨水-土壤水-作物水转化为研究方向，通过田间试验和数值模拟，揭示不同生育期夏玉米对降雨截留过程和机理，建立冠层降雨截留模型；揭示降雨经作物冠层再分配后在农田地表的空间分布规律，探索冠下雨水入渗与土壤水分再分布动态；研究雨后夏玉米田对土壤水分的利用与蒸散耗水特性；探讨种植密度和覆盖方式对降雨截留及利用的影响；利用HYDRUS-2D/3D建立土壤水动力学模型，模拟不同种植模式下土壤水分动态及夏玉米根系吸水过程。从而为完善旱作农田水文循环理论提供科学依据，并为发展适宜夏玉米种植模式提供技术指导。

西北黄土旱塬灌溉条件落后，农业生产主要依靠有限的天然降水。由于天然降水的复杂多变性，旱作农田在不同种植模式下的降水利用过程尚缺乏系统研究和定量描述。本课题以黄土塬区不同种植模式旱作夏玉米对天然降雨截留再分配及利用过程为研究对象，以雨水-土壤水-作物水转化为研究方向，通过田间试验和数值模拟，揭示了不同生育期夏玉米对降雨截留过程和机理，建立了基于经验公式的冠层降雨截留模型；揭示了降雨经作物冠层再分配后在农田地表的空间分布规律，探索了冠下雨水入渗与土壤水分再分布动态，建立了基于HYDRUS-2D/3D的土壤水动力学模型；研究了雨后夏玉米田对土壤水分的利用与蒸散耗水特性；探讨了种植密度和覆盖方式对降雨截留及利用的影响。研究结果发现，夏玉米全生育期内平均穿透雨率为65.2%，茎秆流率22.3%，冠层截留率为12.5%。通过总降雨量、降雨强度和叶面积指数3个参数可以较好地模拟估算天然降雨条件下夏玉米全生育期对降雨截留再分配后各分量及其所占比例大小。地表最大穿透雨量一般出现在两行玉米中间位置，而地表净降雨量最大值出现在玉米种植行位置。与玉米行位置相比，玉米行间土壤水分对降雨的响应存在较大延迟，且土壤水分入渗深度较小。不同覆盖方式对穿透降雨和茎秆汇流有极显著影响，对冠层截留和净降雨影响并不显著，而种植密度对降雨再分配各分量都有显著影响。覆盖处理均能减少无效土壤蒸发和提高植株蒸腾，较NM处理，SM、RP、RPFS处理下全生育期蒸腾量分别提高18.7%，32.2%和39.6%，但不同覆盖方式下全生育期总耗水之间无明显减小或者增大。各覆盖和密度处理中，RPFS×MD产量最高，其次为RP×MD，且这两个处理间产量无显著差异；水分利用效率有与产量类似的变化；RP×MD处理的净利润最高。综上，垄覆地膜沟内不覆方式结合中等种植密度为该研究区域较为适宜的种植模式。本项目研究结果可为完善旱作农田水文循环理论提供科学依据，并为发展适宜夏玉米种植模式提供技术指导。