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《浙江大学》 2008年
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连续覆膜旱作稻田土壤肥力及水稻营养特性研究

武美燕  
【摘要】: 为了评价连续覆膜旱作对稻田土壤肥力及水稻营养特性的影响,从2001年起在浙江省兰溪市墩头镇(盆地地区)和海宁市丁桥镇(平原地区)2点进行水稻覆膜旱作长期定位试验。墩头点试验采用裂区设计,主处理设:(1)覆膜旱作,不施氮;(2)覆膜旱作,施纯氮45 kg·hm~(-2);(3)覆膜旱作,施纯氮90 kg·hm~(-2);(4)覆膜旱作,施纯氮135 kg·hm~(-2);(5)覆膜旱作,施纯氮180 kg·hm~(-2);(6)裸地旱作,施纯氮135 kg·hm~(-2);(7)常规水作,施纯氮135 kg·hm~(-2)。裂区设秸秆还田和不还田,重复3次。丁桥点试验也采用裂区设计,主处理为覆膜旱作条件下不同氮肥处理:(1)不施氮;(2)施纯氮45 kg·hm~(-2);(3)施纯氮90 kg·hm~(-2);(4)施纯氮135 kg·hm~(-2);(5)施纯氮180 kg·hm~(-2),裂区设秸秆还田和不还田,另外设常规水作(施纯氮135 kg·hm~(-2))和裸地旱作(施纯氮135 kg·hm~(-2))为对照,重复3次。采用常规分析和现代分子生物学技术相结合的方法对连续6年覆膜旱作稻田土壤物理、化学、生物学等性质的变化规律及水稻营养特性进行了分析,结果如下: 1.连续覆膜旱作改变了稻田土壤团粒结构和pH值。与水作相比,覆膜旱作有利于土壤微团粒结构(小于5 mm)的形成,土壤pH值有升高趋势。与裸地旱作相比,覆膜旱作降低了大于5 mm的土壤团粒结构,增加了2-5 mm土壤团粒结构,土壤pH值有降低趋势。 2.连续覆膜旱作对稻田土壤有机质和氮、磷、钾含量有明显影响。土壤有机质含量呈下降趋势,墩头点,覆膜旱作6年后土壤有机质比试验前降低了36.7%,丁桥点降低了51.4%。不同生育期土壤养分含量变化不同。与水作相比,墩头点,覆膜旱作稻田在全生育期(播前、拔节期、灌浆期、成熟期)土壤碱解氮和速效钾分别降低了5.3%-14.8%和13.2%-20.8%,土壤有效磷增加了5.1%-21.6%,有效硅增加了2.5%-9.1%;与裸地旱作相比,覆膜旱作使全生育期土壤碱解氮含量降低了2.4%-11.1%,有效磷降低了7.0%-12.7%,速效钾降低了1.6%-25.9%,有效硅差别不大。丁桥点,与水作相比,覆膜旱作使全生育期土壤碱解氮含量显著降低了8.7%-25.1%,有效磷显著增加了23.4%-114.4%,速效钾含量在各生育期变化不一致,而有效硅在灌浆期和成熟期显著降低了11.7%和7.6%。与裸地旱作相比,在播前和拔节期覆膜旱作土壤碱解氮含量显著低于裸地旱作,有效磷在全生育期降低了13.7%-47.3%,速效钾含量降低了5.0%-22.4%,有效硅显著降低了1.9%-7.6%。施氮肥对覆膜旱作稻田土壤有机质和氮、磷、钾含量有一定影响,墩头点,施纯氮135 kg·hm~(-2)和180 kg·hm~(-2)处理分别比不施氮肥有机质含量显著增加了11.8%和11.3%,在施纯氮45 kg·hm~(-2)、90 kg·hm~(-2)、135 kg·hm~(-2)和180 kg·hm~(-2)条件下碱解氮含量分别比不施氮肥显著增加了7.7%-22.5%,有效磷含量显著增加了6.6%-45.1%,速效钾含量差别不大。丁桥点,与不施氮肥相比,施氮肥对土壤有机质影响不大,随氮肥用量的增加,碱解氮含量逐渐增高,增加幅度为12.2%-29.2%,而有效磷和速效钾含量分别降低了27.1%-59.8%和6.3%-19.6%。 3.覆膜旱作对稻田土壤全量及有效Fe、Mn、Cu、Zn含量有一定影响。从全量来看,与水作相比,覆膜旱作对稻田土壤全量Fe、Mn、Cu、Zn含量影响不大;与裸地旱作相比,覆膜旱作使2005年成熟期和2006年拔节期土壤全Fe含量显著增加了11.8%和7.7%,使2005年成熟期土壤全Mn含量增加了17.4%,但对全量Cu、Zn含量影响不大。从有效含量来看,与水作相比,覆膜旱作使全生育期土壤有效Fe、Mn含量分别显著降低了11.4%-15.1%和10.8%-33.5%,使有效Cu含量增加了1.6%-15.0%,而有效Zn含量在各生育期及年际间变化不一致。与裸地旱作相比,覆膜旱作处理显著增加了土壤有效Fe、Mn、Cu的含量,有效Zn含量在年际间变化不一致。 4.覆膜旱作对稻田土壤酶活性有一定影响。与水作相比,覆膜旱作对土壤过氧化氢酶活性影响不大,使2006年灌浆期和成熟期脲酶活性显著增加了28.7%和45.6%,整个生育期蔗糖酶活性增加了14.2%-372.7%,使2005年成熟期、2006年灌浆期和成熟期碱性磷酸酶活性分别增加了60.0%、43.8%和51.1%;与裸地旱作相比,覆膜旱作对土壤过氧化氢酶影响不大,脲酶活性降低了14.1%-45.6%,蔗糖酶活性在2006年拔节和灌浆期显著增加了95.3%和57.7%,碱性磷酸酶活性在2005年成熟期、2006年灌浆期、成熟期分别增加了26.3%、31.3%和17.5%。与不施氮肥相比,施氮肥显著提高了覆膜旱作水稻成熟期土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性,其中,以施纯氮135 kg·hm~(-2)处理各种酶活性最高。 5.覆膜旱作明显影响了土壤微生物量碳、氮、磷含量。与水作相比,在播前和成熟期,覆膜旱作降低了土壤微生物量碳,降低幅度为12.2%和8.2%;微生物量氮在播前有所降低,但在拔节和灌浆期显著增加,增加幅度为45.0%和35.4%;微生物量磷在全生育期显著增加了8.7%-186.8%;与裸地旱作相比,覆膜旱作有增加土壤微生物量碳、氮、磷的趋势。施氮肥增加了土壤微生物量碳、氮、磷含量,以施纯氮135 kg·hm~(-2)处理微生物量碳、氮、磷含量最高,分别为243.2 mg·kg~(-1)、37.5 mg·kg~(-1)和15.0 mg·kg~(-1)。 6.由于覆膜旱作改变了土壤的生态环境,从而影响了土壤细菌的多样性。群落水平生理剖面(CLPP)分析表明,平均孔的颜色变化(AWCD)值随培养时间的延长呈S型曲线变化;与水作相比,在拔节期和灌浆期,覆膜旱作处理AWCD值在72 h培养后均显著高于水作(P<0.05~*),细菌碳源利用的主成分分析表明,两个生育时期,覆膜旱作和水作处理在主成分1上均有显著差异(P<0.05~*),而且覆膜旱作处理后Shannon丰富度和均匀度均显著高于水作处理(P<0.05~*),表明覆膜旱作较水作处理有更加多样的可培养的土壤细菌。与裸地旱作处理相比,拔节期,AWCD值在培养72 h后覆膜旱作显著高于裸地旱作,而且在主成分1上有显著差异,Shannon丰富度和均匀度均显著高于裸地旱作;灌浆期,两处理间各指标差别不显著,说明覆膜旱作和裸地旱作在拔节期可培养的细菌多样性差别较大,后期差别较小。变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析表明,与水作和裸地旱作相比,覆膜旱作显著增加了土壤细菌微生物区系基因总条带数;DGGE指纹图谱的系统聚类分析结果表明,覆膜旱作与水作处理聚类距离较远,而与裸地旱作处理距离较近。因此,与水作相比,覆膜旱作有利于稻田总的细菌群落多样性的形成,与裸地旱作相比,两个处理间稻田土壤总的细菌群落多样性相似。 7.由于连续覆膜旱作降低了稻田土壤肥力,可以通过秸秆还田等措施维持其地力。秸秆还田显著增加了稻田土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量,墩头点分别增加了5.0%、9.9%、12.3%、61.5%,其中,覆膜旱作条件下施纯氮135 kg·hm~(-2)配合秸秆还田土壤有机质和碱解氮含量与水作不还田相比差别不大,但有效磷和速效钾含量分别比水作不还田显著提高了33.9%和48.6%;丁桥点秸秆还田后土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别显著增加了5.4%、15.3%、17.8%、12.9%,其中,覆膜旱作条件下施纯氮135 kg·hm~(-2)配合秸秆还田土壤有机质和碱解氮含量与水作不还田相比差别不大,但有效磷和速效钾含量分别比水作不还田显著提高了44.1%和14.5%;秸秆还田也显著增加了成熟期土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性,2005年分别增加了12.3%、35.3%、24.1%、25.0%,2006年分别增加了11.8%、28.3%、11.6%、50.0%,土壤微生物量碳、氮、磷含量也有不同程度提高。 8.由于连续覆膜旱作明显改变了稻田土壤肥力,从而影响了水稻产量及植株对养分的吸收。连续7年覆膜旱作水稻产量结果表明,从2001年开始,水稻产量先增加后降低,以2003年产量最高,2004年开始下滑,到2007年又略有回升。以2006年为例,与水作相比,覆膜旱作使水稻穗粒数和结实率分别降低了6.6%和2.5%,因此,水稻产量比水作处理降低了5.0%。覆膜旱作使水稻成熟期地上部氮含量提高了6.O%,磷含量降低了9.6%,而钾含量差别不大;与裸地旱作相比,由于覆膜旱作主要提高了水稻有效穗和穗粒数,使得产量较裸地旱作显著增加了6.1%。覆膜旱作使水稻成熟期地上部氮、磷、钾含量比裸地旱作分别增加了24.8%、18.3%和4.3%;与不施氮肥相比,施氮肥显著增加了成熟期水稻地上部氮、磷、钾含量,均以施纯氮180 kg·hm~(-2)处理最高,分别为1.286 g·株~(-1)、0.227 g·株~(-1)、1.810 g·株~(-1);随氮肥用量的增加,水稻地上部氮、磷、钾总量逐渐增加,但是施纯氮135 kg·hm~(-2)和180 kg·hm~(-2)处理间差别不显著;施氮肥也显著增加了覆膜旱作稻平均有效穗、穗粒数、结实率和千粒重,从而增加了水稻产量,其中以施纯氮135 kg·hm~(-2)处理配合秸秆还田水稻产量最高,为7104 kg·hm~(-2);水稻产量(Y)与氮肥用量(X)之间呈显著正相关关系,可拟合为一元二次抛物线方程,秸秆还田处理条件下方程为:(?)=5390.2+20.216 X-0.0613 X~2 (R~2=0.9869~*),不还田条件下方程为:(?)=5212.2+15.287 X-0.0306 X~2 (R~2=0.9869~*)。施氮肥也增加了水稻氮收获指数、氮肥表观利用率,而氮肥农学利用率显著下降,其中,以施纯氮135 kg·hm~(-2)处理配合秸秆还田氮收获指数、氮肥表观利用率最高,氮肥农学利用率相对较高,分别为0.626、49.6%、12.6 kggrain·kg~(-1)。秸秆还田有利于覆膜旱作稻地上部养分含量、产量和氮肥利用率的全面提高。 9.覆膜旱作明显影响了水稻地上部微量元素Fe、Mn、Cu、Zn含量。与水作相比,覆膜旱作降低了水稻茎、穗轴、壳、糙米及地上部总铁含量,降低幅度分别为9.1%、29.1%、46.2%、25.0%和9.5%,达到显著水平;覆膜旱作使茎、壳、糙米及地上部总锰含量显著降低了6.5%、74.2%、32.9%和10.3%,使茎中铜含量和地上部总铜含量增加了100.1%和15.0%,使穗轴和糙米中铜含量降低了25.8%和20.8%,使壳和糙米中锌含量降低了59.5%和7.9%,但地上部总锌含量差别不大。与裸地旱作相比,覆膜旱作对水稻不同器官Fe、Mn、Cu、Zn含量影响不同,但是显著提高了水稻地上部Fe、Mn、Cu、Zn总吸收量,提高幅度分别为28.0%、35.0%、35.2%和15.8%,而糙米中铁、锰、铜、锌含量差别不大。 综上所述,连续覆膜旱作会导致土壤肥力降低,生产上可以通过合理施肥,如施用氮肥、钾肥以及稻草秸秆还田等措施培肥土壤,以保持该生态系统的健康持续发展。此外,覆膜旱作稻也应注意微量元素肥料的施用,以保证水稻能够正常生长并获得较高的产量和良好的品质。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:S511

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