[目的]结合大田试验与计算机模型技术,于我国北方农牧交错带明确建立粮草轮作模式在产量、耗水量与水分利用效率,和传统粮食生产模式的差异;阐明气候变化条件下的粮草轮作模式和粮食生产模式以上组分的变化规律,探明该地区粮-饲耦合系统的气候变化适应力。[方法]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 Simulator)进行校准和验证,结合气象数据生产工具ACSGTR模拟、分析研究点基准情景(1980-2009年)及未来情景(世纪中期2040-2069年、世纪后期2070-2099年)多种种植模式的产量,耗水量(ET)和水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)变化。[结果]APSIM模型对研究区玉米(Zea mays L.)、马铃薯(Solanum tuberosum L.)、饲用燕麦(Avena sativa L.)和秣食豆(Glycine max L.)生产模拟的精度较高,归一化均方根误差(NRMSE)仅为6.25%~15.48%。情景模拟中,随着模拟区间内升温度与降水提高,各作物产量均有所提高,其中秣食豆产量增幅最高,达21.90%~36.07%,马铃薯次之,达15.71%~23.02%。ET方面,马铃薯在2040-2079年、2060-2099年情景下ET相对基准情景增加11.56%~20.83%,幅度最大。WUE方面,2040-2079年、2060-2099年情景下玉米、饲用燕麦与秣食豆WUE提高幅度较大,平均为16.50%、12.10%和23.13%(P<0.05)。[结论]APSIM于北方农牧交错带地区可较准确模拟几种主要作物的生产。相较基准情景,2040-2069年、2070-2099年情景下各作物产量,ET和WUE均有提升趋势。由于较高的产量与WUE,可认为玉米-饲用燕麦轮作、拥有较高生产力的同时也具备较好的气候适应性;而马铃薯-玉米轮作相对其它轮作模式的耗水量更高但产量变化不显著,适宜中短期旱作生产以保障食物安全;马铃薯与饲用燕麦、秣食豆轮作和玉米-燕麦轮作模式耗水量较低,更适宜恢复土壤水分。研究结果可充实相近地区的长期数据积累与研究空缺,并为农牧业可持续生产提供参考。
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