發(fā)布時間：2020-11-14 09:40

　　 西北旱區(qū)光熱資源豐富,利于作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。然而該地區(qū)由于水資源短缺和水肥利用效率較低等問題,發(fā)展水肥高效利用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一直受到制約。近年來,隨著農(nóng)業(yè)集約化的推進(jìn),西北地區(qū)玉米生產(chǎn)發(fā)展迅速,采用滴灌施肥技術(shù)逐漸增多,在水資源短缺的西北地區(qū),如何利用滴灌施肥技術(shù)提高玉米產(chǎn)量和水肥利用效率,對于高效、綠色的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。本研究以春玉米為研究對象,于2015年和2016年在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗站開展了不同滴灌施肥水肥耦合田間試驗,以期探索提高水肥利用效率的滴灌施肥模式。利用兩年的大田試驗,以春玉米“強(qiáng)盛51號”為試驗材料,設(shè)置4個灌水水平,2015年和2016年分別為I_(60)、I_(75)、I_(90)、I_(105)和I_(60)、I_(80)、I_(100)、I_(120);4個施肥水平:F_(60)、F_(120)、F_(180)和F_(240),共16個處理。對不同滴灌施肥水平春玉米生長、產(chǎn)量及構(gòu)成要素、根系指標(biāo)、水分利用效率、氮磷鉀利用效率、氮磷鉀累積量、土壤水分和土壤溫度進(jìn)行了分析,研究了該地區(qū)不同滴灌施肥處理春玉米生長特性、干物質(zhì)累積規(guī)律、根系分布規(guī)律、土壤水熱分布規(guī)律及水肥消耗機(jī)制,在此基礎(chǔ)上,建立了春玉米相對根長密度分布模型,利用HYDRUS-2D模擬和驗證了不同滴灌施肥春玉米土壤水熱運(yùn)移規(guī)律。具體結(jié)果如下:(1)探究了滴灌施肥條件下不同水肥供應(yīng)對春玉米生長發(fā)育和干物質(zhì)累積的影響機(jī)制,并運(yùn)用主成分分析法對各指標(biāo)進(jìn)行了綜合評價。2015和2016年不同水肥處理春玉米株高、莖粗均隨灌水量和施肥量增加而增加,分別在I_(105)F_(240)和I_(120)F_(240)處理取得最大值。兩年LAI均表現(xiàn)出―遞增-平臺-降低‖的規(guī)律。兩年根干物質(zhì)量均隨施肥量增加而降低,在F_(180)施肥水平達(dá)到最大值,施肥量過大不利于根系生長。從根冠比來看,兩年根冠比均隨灌水量增加而降低,隨施肥量增加先增加后降低,均在I_(60)F_(120)處理取得最大值。作為直接反映作物群體―源-庫‖關(guān)系的收獲指數(shù),2015年和2016年灌水和施肥對春玉米收獲指數(shù)的影響均達(dá)極顯著水平(P0.01)。兩年各處理春玉米凈同化率(NAR)在整個生育期均呈現(xiàn)出“M”形雙峰曲線變化,地上部干物質(zhì)量符合Logistic生長模型,且擬合結(jié)果較優(yōu)(R~2=0.996,P0.01)。植株生長狀況與作物產(chǎn)量的形成緊密相關(guān),運(yùn)用主成分分析法綜合評價春玉米產(chǎn)量與生長指標(biāo)、水分利用效率、收獲指數(shù)、凈同化率的相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)地上部干物質(zhì)、凈同化率與產(chǎn)量關(guān)系最為密切,灌水和施肥分別在100%~105%ET_c灌水量與F_(180)施肥量得分最高。(2)優(yōu)化水肥管理實(shí)現(xiàn)了春玉米產(chǎn)量和水肥利用效率的協(xié)同提高,并顯著降低了肥料損失。春玉米對不同養(yǎng)分的利用效率因施肥量和肥料性質(zhì)不同而不同,規(guī)律表現(xiàn)為磷素鉀素氮素。就氮肥而言,用量為120 kg N ha~(-1)時,春玉米氮素利用效率最高,當(dāng)?shù)�肥用量增加�?40 kg N ha~(-1)時,氮素利用效率降低了13.1%。磷肥施用范圍為30~60 kg P_2O_5 ha~(-1)時,更有利于磷素利用效率的提高。過量施用鉀肥會造成植株對鉀的奢侈吸收,降低產(chǎn)量,使鉀素利用效率降低,當(dāng)鉀肥施用量從30 kg K_2O ha~(-1)增加到120 kg K_2O ha~(-1)時,鉀素利用效率下降了25.2%。春玉米籽粒對不同養(yǎng)分?jǐn)z取量反應(yīng)出植株對于養(yǎng)分的需求比例,不同水肥處理春玉米籽粒的氮磷鉀攝取量比值平均為1:0.21:0.39。(3)探究了滴灌施肥條件下不同水肥供應(yīng)對春玉米各生育期根系分布規(guī)律,建立了考慮水肥耦合下春玉米相對根長密度分布模型。春玉米各生育期根系特征參數(shù)與產(chǎn)量和地上部總干物質(zhì)量均呈顯著相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)大小按生育期排序表現(xiàn)出灌漿期大喇叭口期成熟期小喇叭口期規(guī)律,保證大喇叭口至灌漿期合理的水肥供應(yīng)最為重要,其次是小喇叭口至大喇叭口期,播種至小喇叭口期和灌漿至成熟期2個生育階段有較大的節(jié)水節(jié)肥潛力。建立滴灌不同水肥供應(yīng)春玉米相對根長密度(NRLD)分布模型,發(fā)現(xiàn)春玉米NRLD與土壤相對深度呈現(xiàn)顯著的三階多項式函數(shù)。運(yùn)用NRLD分布模型估算相對深度根系分布比例,從估算結(jié)果可以看出,根系主要集中于表層土壤,地表至相對根系扎深1/3處根長占總根長比例平均達(dá)73.6%,地表至相對根系扎深1/2處根長占總根長比例達(dá)82.8%。(4)揭示了不同水肥供應(yīng)春玉米根區(qū)土壤水分和土壤溫度的時空分布規(guī)律,并基于HYDRUS-2D模型模擬和驗證了滴灌施肥條件下玉米農(nóng)田的水熱運(yùn)移規(guī)律。不同灌水量春玉米小喇叭口至成熟期土壤表層下5 cm日均溫度差異顯著。同一灌水處理不同土層在苗期取得最大溫差,拔節(jié)期次之。T1點(diǎn)土壤溫度離散程度要大于其他位置點(diǎn),中位值隨著土層深度的增大而降低;相同位置土壤溫度中位值隨著灌水量的增加而降低。采用HYDRUS-2D模型模擬滴灌春玉米土壤水熱運(yùn)移,發(fā)現(xiàn)土壤含水量和土壤溫度模擬值與實(shí)測值吻合度較好。I_(60)、I_(75)、I_(90)和I_(105)灌水處理0-20 cm土層土壤含水量模擬值與實(shí)測值n-RMSE介于11.9~21.3%,其他土層模擬值與實(shí)測值n-RMSE均小于20%。表層土壤(5cm)土壤溫度的RMSE隨著灌水量增加而降低,其他土層RMSE隨著灌水量增加先降低后增加,均在I_(90)處理取得最小值。土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)差化均方根誤差(n-RMSE)除了I_(60)處理在表層土壤5cm處大于10%(為14.0),其他灌水處理各土層均小于10%,模擬效果均為極好水平。(5)研究分析了滴灌施肥條件下春玉米產(chǎn)量、干物質(zhì)量、水分利用效率、肥料偏生產(chǎn)力及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的水肥耦合效應(yīng)。基于最小二乘法原理,建立和求解了單目標(biāo)的二元二次方程,2015年和2016年灌水量和施肥量作為自變量的春玉米產(chǎn)量、地上部干物質(zhì)量、WUE、PFP和凈收益的二元二次回歸方程均達(dá)極顯著水平(P0.01),決定系數(shù)均在0.8以上。運(yùn)用二元二次回歸和歸一化處理相結(jié)合的方法,2015年和2016年灌水量分別為452(110%ET_c)和449(98%ET_c)mm,施肥量分別為190-95-95和178-89-89(N-P_2O_5-K_2O)kg/ha,可以使春玉米產(chǎn)量、WUE和凈收益的綜合效益最大化。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S513
【部分圖文】：

飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在某處的斜率（kPa/℃）。試驗站內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣象站（Hobo, OComputer., USA）記錄作物全生育期內(nèi)氣溫、降雨、太陽輻射、相對濕度、大氣數(shù)據(jù)，2015 年和 2016 年生育期（播種至收獲）的降雨量和 ET0情況如圖 3-1。滴灌施肥試驗采用滴灌施肥方式。每小區(qū)長為 6 m，寬為 5 m，小區(qū)面積為 30采用寬窄行和一條滴灌帶控制 2 行植株種植方式，窄行間距為 40 cm，寬行間距為cm，滴灌帶處于窄行中間，距兩行植株距離分別為 20 cm。玉米株距為 20 cm，滴頭對應(yīng)兩株玉米，一條滴灌帶控制 46 株玉米，玉米種植密度為 5100 株/畝（出為 92%）。按玉米的生長特性，整個生育期共施肥 4 次，每次施肥量占總施肥量為 20%（苗期）、30%（小喇叭口期）、30%（抽雄期）和 20%（灌漿期），灌取根樣之前各處理施肥量分別為總施肥量的 80%。各處理灌水日期相同，灌水間10 d，遇到降雨灌水日期順延，每次計算灌水量采用的 ETc為灌水當(dāng)日前 10 天 E和。實(shí)際灌水量為除去灌溉管網(wǎng)中的損失水量，計算實(shí)際灌水量時灌溉水利用系0.95（Wu et al. 2014）。2015 年試驗地初始含水量較大，故沒有灌出苗水及緩苗水水處理從植株 3 葉 1 心開始，收獲前 15~20 天結(jié)束灌水，具體灌溉實(shí)施方案見表

取根樣之前各處理施肥量分別為總施肥量的 80%。各處理灌水日期相同，灌水間隔為10 d，遇到降雨灌水日期順延，每次計算灌水量采用的 ETc為灌水當(dāng)日前 10 天 ETc之和。實(shí)際灌水量為除去灌溉管網(wǎng)中的損失水量，計算實(shí)際灌水量時灌溉水利用系數(shù)取0.95（Wu et al. 2014）。2015 年試驗地初始含水量較大，故沒有灌出苗水及緩苗水，灌水處理從植株 3 葉 1 心開始，收獲前 15~20 天結(jié)束灌水，具體灌溉實(shí)施方案見表 2-1。圖 2-3 滴灌系統(tǒng)Fig.2-3 Drip irrigation system

滴灌春玉米試驗場景Fig.2-5Experimentscenarioofdrip-irrigatedspringmaize成熟期

本文編號：2883333