模擬氣候變化條件下太湖地區(qū)農(nóng)田土壤水分和養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化.pdf

1、全球正經(jīng)歷著顯著的氣候變化，最近100年(1906～2005)以來(lái)全球平均地表溫度上升了0.74℃。氣候變暖造成了海平面上升、降水帶變化以及極端氣候事件頻發(fā)等問(wèn)題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)對(duì)自然條件尤其是氣候條件（包括溫度、降水、風(fēng)速和大氣CO2濃度等）和土壤條件（土壤水分及養(yǎng)分狀況）具有很強(qiáng)的依賴性。因此，氣候變化勢(shì)必對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重大影響。為了明確未來(lái)氣候變化的不確定性給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的影響，確保氣候變化背景下我國(guó)的糧食生產(chǎn)安全，本文以太湖地區(qū)

2、典型水稻土（烏柵土）為研究對(duì)象，分析了研究區(qū)土壤的水力學(xué)特征和水環(huán)境狀況，并且利用農(nóng)田開(kāi)放式CO2濃度和溫度升高系統(tǒng)(T-FACE:Temperature-FreeAirCarbonDioxideEnrichment)系統(tǒng)平臺(tái)人工模擬了未來(lái)50年CO2濃度和溫度升高的氣侯條件，研究不同CO2濃度和溫度水平下，小麥不同生育期土壤水分含量、全氮、有機(jī)碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷的變化，并采用多種模型對(duì)土壤水分進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)，闡明了氣候變化情

3、境下土壤水分和養(yǎng)分含量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，為氣候變化下農(nóng)田水肥管理提供科學(xué)依據(jù)。
　　本論文研究結(jié)果如下:
　　(1)影響太湖地區(qū)典型水稻土水分特征曲線的主要因素是容重和粘粒含量。在低水吸力狀況下，耕作層土壤持水量相對(duì)較高。烏柵土中有效水含量與容重和粘粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與孔隙度呈顯著正相關(guān)。在土壤的各種理化性質(zhì)中，容重和總孔隙度是影響飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因素，其它如毛管孔度，pH為次要因素。烏柵土表層(0-14cm)土壤水分總庫(kù)容

4、達(dá)到91.48mm，有效水庫(kù)容為22.02mm，滯洪庫(kù)容為20.50mm。因此，烏柵土具有良好的水分狀況，能夠保證太湖地區(qū)糧食作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，緩和氣候變化引起的降雨和干旱使土壤水分產(chǎn)生的異常變化，在防治旱、澇災(zāi)害方面有著重要意義。
　　(2)在大氣CO2濃度和溫度升高的影響下，不同CO2濃度和溫度處理使各個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)0-14cm土壤平均含水量存在顯著性差異(p＜0.05)，其大小順序?yàn)?CT圈(CO2濃度和溫度升高)＜T圈（溫度升高

5、）＜C圈(CO2濃度升高)＜CK（對(duì)照圈）。研究區(qū)土壤三個(gè)層次0-14cm，14-33cm和33-59cm土層中土壤含水量存在顯著性差異(p＜0.05)，且0-14cm土壤含水量比14-33cm和33-59cm土壤含水量高。
　　C圈和CK圈內(nèi)0-14cm土壤水分含量分別為:273.62g·kg-1和279.87g·kg-1，各占研究區(qū)耕層土壤田間持水量的72.10％和73.75％;而CT和T圈內(nèi)0-14cm土壤含水量分別為:25

6、3.98g·kg-1和259.72g·kg-1，占耕層土壤田間持水量的65.93％和67.44％,說(shuō)明溫度升高能顯著降低耕作層土壤含水量，而CO2濃度升高對(duì)耕作層土壤含水量的影響較小。
　　通過(guò)對(duì)研究區(qū)三個(gè)土壤層次(0-14cm，14-33cm和33-59cm)土壤水分含量的時(shí)間穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較，得出隨著土壤層次的加深土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性越來(lái)越好。在CO2濃度和溫度升高交互作用處理下，土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性表現(xiàn)更好。運(yùn)用平均相對(duì)偏

7、差的方法找到了各土層中具有時(shí)間穩(wěn)定性的代表性測(cè)點(diǎn)，并且能很好地反映該層土壤水分的平均動(dòng)態(tài)變化，均方根誤差小于3.52％。
　　(3)模擬氣候變化條件下，小麥從分蘗期到成熟期，CO2濃度升高降低了土壤中NH4+-N含量。因此，在氣候變化條件下，增加氮肥用量能保證作物對(duì)氮的吸收利用。然而，不同CO2濃度和溫度處理對(duì)土壤中NO3--N沒(méi)有顯著影響;CO2濃度升高使耕作層土壤速效磷含量增加。在不同CO2濃度和溫度處理下，土壤C/N大小依次

8、為:C圈＞CT圈＞CK圈＞T圈。CO2濃度升高處理下，土壤水分含量與NO3--N含量的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，C圈內(nèi)土壤水分含量和NH4+-N含量相關(guān)性達(dá)到顯著水平;CO2濃度升高和溫度升高的交互下，CT圈內(nèi)土壤水分含量與NH4+-N含量的相關(guān)性達(dá)到顯著水平;溫度升高處理下，土壤水分含量與土壤養(yǎng)分含量沒(méi)有顯著影響。
　　從分蘗期到成熟期，CO2濃度升高處理降低了土壤中NH4+-N含量，但農(nóng)田滲漏水中NH4+-N含量的變化與耕作層和犁

9、底層土壤中NH4+-N含量沒(méi)有表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，說(shuō)明氣候變化對(duì)農(nóng)田滲漏水中NH4+-N的變化影響不大。
　　(4)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)土壤含水量與氣象因素進(jìn)行了敏感性分析，從局部和全局敏感性分析的結(jié)果可以看出，土壤水分含量對(duì)降水量的敏感性最大，蒸發(fā)量、平均氣溫和平均地表溫度次之。運(yùn)用ARIMA，BP-ANN和LS-SVM三種模型對(duì)土壤水分進(jìn)行模擬，結(jié)果表明將氣象因素作為輸入?yún)?shù)能得到較好的模擬效果，而且LS-SVM模擬精度最高。