大尺度流域水稻免耕的产量与环境效应及其空间差异评估

Assessment of no-tillage (NT) effect is of great significance to understand the key ecological and environmental processes, to develop scientific farming management measures and to ensure the safety of food and ecological environment. At paddy field scale, experiment results have shown that NT can effectively improve yields while protect the environment. But the spatial heterogenous of NT affecting yield and environment, as well as the mechanisms underpin, are poor documented at river basin scale. Base on the data for 1998-2013, this project aims to bridge the gap through in-depth analysis of the NT practice in the Xiangjiang River Basin. To advance, SWAT model simulations will be introduced to quantitatively evaluate the yield effect, environmental effect and comprehensive effect of rice no-tillage measures at continuous river basin scale. The results will be interpreted to systematically analyze the spatial heterogenous and synergistic response mechanisms of yield and the multiple environmental variables to NT measure at river basin scale. The output of the project is expected to provide a scientific basis for the promotion of NT technology and sustainable increase of rice yields.

免耕效应的评估对于了解生态环境关键过程、制定科学的耕作管理措施、确保粮食和生态环境安全意义重大。在田间站点尺度上,试验结果已经表明免耕能有效提高产量和保护环境。然而在流域尺度上，免耕对产量和环境的影响机制及其空间差异都亟待进一步研究。本项目拟采用SWAT模型模拟方法，以湘江流域为例，基于1998-2013年的数据，定量评估流域连续尺度间水稻免耕措施的产量效应、环境效应以及综合效应，系统地解析流域尺度上产量及主要环境参数对免耕措施的协同响应规律及其空间差异特征。项目产出将为免耕技术在流域的推广以及水稻可持续性增产提供科学的理论依据。

目前水稻免耕效应的研究主要集中在田间尺度，站点试验结果并不能推广到流域尺度上，在流域尺度上免耕效应的相关认识还相当有限。在连续的流域大尺度上，水稻免耕是否也能有效地提高水稻产量并改善环境效应?如果能，它又呈现出何种规律?是简单的线性增加还是几何增加？还是以其他规律变化?在流域内又存在着何种区域差异？这些都尚不清楚。本项目采用SWAT模型模拟方法，以湘江流域为例，基于1998-2013年的数据，定量评估流域连续尺度间水稻免耕措施的产量效应、环境效应以及综合效应，系统地解析流域尺度上产量及主要环境参数对免耕措施的协同响应规律及其空间差异特征。研究结果表明水稻免耕对流域的影响总体来说是积极的。免耕使得流域水稻产量增加，面源污染减少，土壤侵蚀量减少。水稻免耕减少流域稻田8.22%的地表产流量，0.19%的土壤蒸发量，9.02%的土壤补给量、9.41%的浅层地下水补给量，最终减少0.22%的产流量。水稻免耕引起流域总的土壤侵蚀量减少了9.30%，流域上游、中游和下游的土壤侵蚀量分别下降了4.75%、10.78%和14.19%。免耕引起水稻产量在整个流域上增加了10.25%。水稻免耕引起了整个湘江流域、上游、中游和下游输入河道的总氮分别减少了48.25%、42.95%、43.94%和46.41%。水稻免耕引起整个湘江流域、上游、中游和下游输入河道的总磷分别减少了46.45%、42.95%、43.94%和46.41%。水稻免耕在流域尺度上的产量和环境效应并不是田间尺度的简单线性累加，也不存在着明显的线性关系，而是呈现出明显的非线性空间差异性。研究结果可用于指导流域尺度上水稻免耕技术的推广，权衡各种效应的基础上制定科学的耕作管理措施和水稻的可持续性增产，具有良好的应用前景。