發(fā)布時間：2020-06-15 08:58

【摘要】：黃土高原是典型的半干旱地區(qū),也是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)。一直以來,有限和高變異的降水威脅著該地區(qū)作物生產(chǎn)的持續(xù)性,常常導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降,甚至生產(chǎn)失敗。同時,該地區(qū)春秋季的低溫和養(yǎng)分管理不科學(xué)也限制著作物的生長和發(fā)育,進(jìn)一步加劇了干旱對農(nóng)田生產(chǎn)的脅迫。人口壓力、社會發(fā)展及生態(tài)環(huán)境安全對我國糧食生產(chǎn)高效可持續(xù)的需要日趨迫切,如何促進(jìn)半干旱地區(qū)水、熱、光、養(yǎng)生產(chǎn)資源協(xié)同高效利用,實現(xiàn)農(nóng)田的持續(xù)生產(chǎn)是黃土高原地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)面臨的重要研究問題。針對黃土高原地區(qū)有效水分、熱量和養(yǎng)分因素對農(nóng)田生產(chǎn)的共同限制性及其驅(qū)動的作物生產(chǎn)力不確定性,本研究于2014-2017年在寧夏南部山區(qū)開展了連續(xù)4年大田試驗。研究設(shè)置:1)三種不同覆膜種植方式(溝壟全覆膜RFF、溝壟半覆膜RFH和平作半覆膜FH,以平作不覆膜FN為對照),和2)溝壟全覆膜種植RFF和溝壟半覆膜種植RFH下5個施肥水平(N 0+P_2O_5 0 kg ha~(-1),CK;N 117+P_2O_5 59 kg ha~(-1),L;N 173+P_2O_587 kg ha~(-1),M;N 229+P_2O_5 115 kg ha~(-1),H;N 285+P_2O_5 143 kg ha~(-1),SH)兩項大田試驗,分析了覆膜種植方式和施肥量對土壤溫度和水分、玉米生長發(fā)育和光合特性、植株養(yǎng)分含量和吸收量、籽粒產(chǎn)量和水肥利用效率以及經(jīng)濟(jì)效益的影響,探討了覆膜種植提高水、熱、光、養(yǎng)資源協(xié)同利用的土壤水溫驅(qū)動機(jī)制和施肥量對覆膜種植水、養(yǎng)資源利用和生產(chǎn)力可持續(xù)的影響機(jī)制。研究可為了解作物水熱生理響應(yīng)、作物建模、完善覆膜種植技術(shù)、農(nóng)業(yè)區(qū)劃和水肥優(yōu)化匹配管理提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果和結(jié)論如下:(1)覆膜種植驅(qū)動的土壤熱響應(yīng)特征和玉米的生長發(fā)育覆膜種植提高了10 cm處土壤溫度,RFF、RFH和FH玉米生育期日平均溫度較對照FN分別提高了2.9℃、1.9℃和FH 1.5℃。隨玉米生長覆膜種植增溫幅度呈降低趨勢,在苗期、營養(yǎng)生長期和生殖生長期分別提高2.4℃、2.3℃和1.8℃。覆膜種植在夜間(20:00-08:00)的保溫效果強(qiáng)于白天(08:00-20:00)的升溫效果,引起晝夜溫差降低0.7-1.3℃,緩和了土壤溫度的驟變,以RFF最強(qiáng),FH次之,RFH最弱。統(tǒng)計土壤溫度和氣溫數(shù)據(jù),分析發(fā)現(xiàn)覆膜種植在低氣溫區(qū)間5-10℃表現(xiàn)最強(qiáng)的增溫能力,增溫幅度達(dá)2.5℃,同時提高了土壤溫度在20-25℃區(qū)間的分布頻次,降低了在5-20℃區(qū)間的分布頻次,改善了玉米生長土壤熱環(huán)境。覆膜種植通過提高土壤溫度加速了玉米的生長發(fā)育,縮短了其生育期2-17天,并使出苗(VE)、拔節(jié)(V6)和吐絲(R1)分別提前2.5-6天、4-10天和4-13天,提前和縮短能力依次為RFFFHRFH。覆膜種植縮短了玉米營養(yǎng)生長期(8-13天),但相改善了生殖生長期,其中RFF縮短3.5天,FH縮短2天,RFH延長2天。(2)覆膜種植驅(qū)動玉米高效光合的土壤水分時空動態(tài)變化策略覆膜種植顯著改善了土壤水分狀況,驅(qū)動了高效的水分利用策略—土壤時空濕干交替行為。時間角度,覆膜種植土壤在播后0-50天、50-130天和130-160天較不覆膜種植分別呈相對濕潤、干燥和濕潤的交替變化趨勢;空間角度,覆膜種植于播后50-130天在0-20 cm、20-120 cm和120-200 cm土層較不覆膜種植分別呈現(xiàn)土壤相對濕潤、干燥和濕潤的交替變化趨勢。相對于半覆膜RFH(中濕-微干-微濕)和FH(微濕-強(qiáng)干-微干),全覆膜RFF隨玉米生長土壤呈強(qiáng)濕(土壤含水量SWC提高0-2.0%)-中干(SWC降低0.4-1.5%)-微濕(SWC提高0-0.9%)變化趨勢,表現(xiàn)更強(qiáng)的水分平衡能力。雖然覆膜種植降低了水分敏感期土壤平均濕度,但驅(qū)動了水分定向運動與作物生長生理相匹配,維持了作物水分敏感期關(guān)鍵的淺層土壤水分,顯著提高了玉米凈光合速率12.4-52.9%、蒸騰速率12.6-59.2%、氣孔導(dǎo)度17.9-120.5%,以及葉面積生長和干物質(zhì)累積。(3)覆膜種植對水、熱、光、養(yǎng)資源的協(xié)同利用機(jī)制和玉米生產(chǎn)力的影響覆膜種植改善了水分耗散結(jié)構(gòu),提高了作物捕獲熱、光、養(yǎng)資源的總量,光合有效輻射截獲量提高6.3-11.8%、土壤有效積溫增加129-389℃d,氮吸收量提高8.8-21.7%,資源捕獲能力以RFF最強(qiáng),RFH和FH次之。覆膜種植通過驅(qū)動積極的土壤熱響應(yīng)為玉米營造優(yōu)良的生長熱環(huán)境,在提高水分有效性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步驅(qū)動了高效的水分利用策略,提高了土壤水分與作物需水匹配度。受熱效應(yīng)影響覆膜種植縮短了玉米的營養(yǎng)生長期但維持(甚至延長)了相當(dāng)?shù)纳�殖生長期,改善了玉米物候,促進(jìn)了水、熱、光、養(yǎng)資源向玉米生殖生長中心富集,驅(qū)動半干旱研究地區(qū)資源的獲取和優(yōu)化配置,以及資源轉(zhuǎn)化為生物材料(尤其是籽粒)的過程。與RFH、FH和FN相比,RFF籽粒產(chǎn)量分別提高24.6%、20.4%和42.7%;水分利用效率(WUE_(GY))分別提高24.0%、21.7%和42.5%;熱量利用效率(TUE_(GY))分別提高15.0%、12.0和20.2%;光能利用效率(RUE_(GY))分別提高19.7%、15.6%和34.8%;養(yǎng)分利用效率(NUE)分別提高17.4%、12.7%和26.5%;經(jīng)濟(jì)收益分別提高69.0%、50.0%和1.5倍。(4)RFF和RFH覆膜種植下施肥量對玉米生長發(fā)育和水肥吸收的影響RFF較RFH加速了玉米生長,玉米生育期平均縮短17天。兩種種植方式下,施肥延長了玉米生育期(主要是生殖生長期),在L、M、H和SH下分別延長了9天、11天、14天和15天,同時顯著改善了玉米光合作用,促進(jìn)了玉米株高、葉面積生長和干物質(zhì),但超過H水平后再提高施肥量則不再顯著改善。施肥主導(dǎo)了年際間的光合特性差異,可能使限制玉米光合作用的因素逐漸由氣孔導(dǎo)度因素向氣孔密度和質(zhì)量因素轉(zhuǎn)移。四年平均,RFF玉米生育期蒸散量(ET)較RFH平均提高8 mm,低于在休閑期蓄墑量增加值15.7 mm,表現(xiàn)相對高的水分平衡能力。施肥顯著增強(qiáng)了玉米對水分的吸收,隨施肥水平提高ET平均由CK水平的433.3 mm逐漸提高到最高H水平的479.0mm,較生育期平均降水404.8 mm高出28.5-74.2mm。然而,休閑期土壤蓄水量僅32.9-51.2 mm,難以平衡ET和降水之間的差異,導(dǎo)致水分失衡,土壤含水量逐漸下降,并隨著施肥的增加而加劇。與RFH相比,RFF植株氮磷吸收總量顯著提高而養(yǎng)分含量呈降低趨勢,平均降幅為氮9.8%和磷6.9%,但均降幅隨施肥水平提高逐漸減小。施肥顯著改善了RFF和RFH下植株氮磷養(yǎng)分的含量并提高了氮收總量1.0-2.4倍,磷吸收量0.6-1.3倍,在SH施肥水平達(dá)最高,但與H水平無顯著差異。提高施肥量會逐漸降低氮磷收獲指數(shù)。(5)RFF和RFH覆膜種植下不同施肥量玉米產(chǎn)量、水肥利用效率、水肥優(yōu)化匹配、水分虧缺預(yù)警和經(jīng)濟(jì)效益RFF較RFH顯著提高了玉米籽粒產(chǎn)量21.8-43.9%和WUE_(GY) 21.6-42.4%,且隨施肥水平提高增幅呈先升高后降低趨勢。隨施肥水平提高,玉米籽粒產(chǎn)量呈增加趨勢,擬合發(fā)現(xiàn)RFF模式下于N 226.8+P_2O_5 113.4 kg ha~(-1)達(dá)到最高值8741.3 kg ha~(-1),RFH模式下于N 295.7+P_2O_5 147.9 kg ha~(-1)達(dá)到最高值6931.9 kg ha~(-1)。因此,RFF較RFH呈現(xiàn)“減肥(幅度:N 68.9+P_2O_5 34.5 kg ha~(-1))、增產(chǎn)(幅度1782.4 kg ha~(-1),25.7%)”效應(yīng),表明了種植方式的高效性。WUE_(GY)與產(chǎn)量表現(xiàn)類似的趨勢,并表現(xiàn)明顯“減肥、高效”效應(yīng)。RFF較RFH氮的利用效率(NUE)、吸收效率(NUPE)、生產(chǎn)效率(NPE)和肥料利用率(FUR)分別提高24.8%、13.4%、33.4%和8.0%,磷的分別提高5.2%、27.8%、33.7%和32.2%。隨施肥水平提高RFF和RFH對養(yǎng)分的利用效率呈下降趨勢,至H和SH水平大幅降至低水平;肥料利用率和肥料產(chǎn)量貢獻(xiàn)率呈先升高后降低水平,在M和H水平達(dá)最高,表明了M至H施肥水平養(yǎng)分策略的可推薦性。ET與施肥量、籽粒產(chǎn)量、WUE_(GY)和播前底墑(SWSS)均顯著正相關(guān),但是施肥量與SWSS顯著負(fù)相關(guān),表明協(xié)調(diào)施肥量與SWSS獲得合理的ET有利于水分的可持續(xù)利用和作物的可持續(xù)生產(chǎn)力。雖然在較高的施肥水平(H或SH)能夠獲得最高的產(chǎn)量和水肥利用效率,由區(qū)域降水決定的土壤水分平衡能力要求施肥必須與之匹配。隨施肥量提高年土壤水分平衡由盈余逐漸轉(zhuǎn)為虧缺,RFF和RFH分別在N 180.9+P_2O_590.5 kg ha~(-1)和N 121.0+P_2O_5 60.5 kg ha~(-1)獲得水分平衡臨界點,并可分別實現(xiàn)各自模式產(chǎn)量潛力值的97.7%和78.3%。此外,為保證水分可持續(xù)利用和玉米可持續(xù)生產(chǎn),還需要在關(guān)鍵時期保證有效水分供應(yīng),RFF播前底墑、播前底墑+播后30天降水、播前底墑+播后60天降水、播前底墑+播后90天降水的虧缺閾值分別為441.1 mm、488.3mm、558.8.3 mm、624.3 mm;RFH以上四個時期的水分虧缺閾值分別為367.3mm、426.1 mm、505.3 mm、564.1 mm,有效水分低于預(yù)警閾值需要進(jìn)行一定程度的補(bǔ)灌措施,以避免玉米生長受限、甚至生產(chǎn)失敗。雖然RFF(較RFH)和施肥(較不施肥)增加了生產(chǎn)投入,但會更大幅度提高產(chǎn)出價值,因此表現(xiàn)更高的凈收入。但是,在覆膜種植下,農(nóng)田水肥應(yīng)得到謹(jǐn)慎管理,水肥不匹配會降低經(jīng)濟(jì)效益,甚至導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)虧損。在RFF種植條件下,與區(qū)域降水相匹配的水分平衡施肥量N 180.9+P_2O_5 90.5 kg ha~(-1)與經(jīng)濟(jì)效益達(dá)最高的施肥量N 206.3+P_2O_5 103.2 kg ha~(-1)較接近,也從經(jīng)濟(jì)效益的角度證明了平衡施肥具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益特征,可作為推薦施肥。綜合考慮,RFF較RFH可以在更高施肥量下維持基于當(dāng)?shù)亟涤甑耐寥浪�分平�?并表現(xiàn)可持續(xù)的水肥耦合增產(chǎn)、增效、增收效果,因此推薦RFF+N 180.9+P_2O_5 90.5 kg ha~(-1)作為黃土高原半干旱區(qū)高效種植管理方案,并關(guān)注播種0-90天內(nèi)有效水分量。更長期(4年)的高效管理方案或覆膜種植與其它農(nóng)藝措施結(jié)合的水、熱、養(yǎng)管理需建立在土壤質(zhì)量研究證據(jù)和農(nóng)田生產(chǎn)設(shè)施改善的基礎(chǔ)上。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S513
【圖文】：

本研究采用大田試驗，對黃土高原半干旱區(qū)不同覆膜種植方式和施肥量下的水、熱、光、養(yǎng)生產(chǎn)資源協(xié)同利用和玉米生產(chǎn)持續(xù)性進(jìn)行研究，具體思路和技術(shù)路線如下：圖1-1 研究技術(shù)路線圖Fig. 1-1 Technology roadmap for this study

時數(shù)2518 h，無霜期150-170天。該地區(qū)常采用種植制度為春玉米或冬小麥一季種植。試驗期間2014，2015，2016和2017年玉米生育期日平均氣溫分別為17.0℃，17.5℃，17.1℃和16.6℃；降雨量分別為381.4 mm，356.9 mm，382.0 mm和498.7 mm（圖2-1）。此外，2015和2016年玉米生長季光合有效輻射總量分別為3471.9 MJ m-2和3442.7 MJm-2（圖2-2）。試驗地土壤為黃綿土，0-40 cm土壤全氮、有機(jī)碳、速效磷和速效鉀含量分別為0.74 g kg-1，7.39 g kg-1、4.3 mg kg-1和100.0 mg kg-1。圖 2-1 試驗點 2014-2017 年玉米生育期逐日氣溫和降雨量Fig. 2-1 Precipitation and air temperature at the experimental station during the 2014 2017 maizegrowing seasons

本文編號：2714188