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《武汉大学》 2013年
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农田水肥运移模拟及多维临界调控方法研究

刘欢欢  
【摘要】:我国是水资源十分短缺的农业大国,传统农业生产方式高耗、低效,既造成水肥资源浪费又加剧了水环境恶化,因此,定量化研究变化灌排模式下农田氮素迁移转化过程,优选适合于我国南方水稻灌区灌排临界调控模式,对促进农业增产增效,提高水肥利用效率,减少水肥流失,防控面源污染,构建节水控污型健康生态灌区具有一定的理论意义与实践价值。本文以节水灌溉、控制排水、水肥耦合、临界控制论理论为指导,在田间试验及模型模拟的基础上,深入分析了节灌控排条件下土壤中氮素迁移转化规律和水肥利用效率,构建了稻田水肥临界调控体系,主要研究结果如下: 1.以湖北漳河灌区团林灌溉试验站2007~2008年稻田面源污染灌排调控试验为基础,对比分析不同节水灌溉模式、施氮及排水控制方式下的稻田氮素迁移转化规律,结果表明:不同灌溉处理下,土壤水中NH4+-N、TN浓度表现为浅灌深蓄处理大于浅勤灌溉,土壤中NH4+-N含量则相反,土壤和土壤水中NO3--N浓度差距较小;与传统排水相比,控制排水处理提高了土壤水中氮素浓度和土壤中NH4+-N含量,减少N03--N.NH4+-N.TN的排水流失量分别为34.08%、7.11%、11.31%。 2.基于田间实验数据,研究了节灌控排条件下水稻水肥利用效率,结果表明:增施氮肥有利于提高水稻及各器官氮素含量,但过量施氮既不利于养分向穗部(稻谷)中转移,又降低了氮肥利用效率;与浅勤灌溉相比,浅灌深蓄分别减少灌水量和排水量29.7%和34.5%以上,降水利用效率高,与传统排水相比,控制排水抬高地下水位,减少排水7.59%-9.71%,且促进了氮素在水稻茎秆和叶中积累,在低施氮条件对水稻产量和籽粒吸氮有明显促进作用,提高了氮肥利用效率;综合考虑灌溉、施氮与排水协同效应,浅灌深蓄、施中氮(135kgN/hm2和控制排水50cm的组合模式是本实验条件下较优的水肥处理模式,毛入流量水分生产率为1.031kg/m3氮肥增产效应为28.29kg/kg。 3.基于田间试验数据,建立了节灌控排条件下全生育期水、氮耦合产量效应模型Y=-0.029x12-0.065x22+0.005x,x2+42x1+19x2-8525,分析得出毛入流量为739.15mm,施氮量为174.58kg/hm2.时,产量最高为8656.5kg/hm2,毛入流量水分生产率为1.17kg/m3,氮素偏生产力为49.58kg/kg。 4.利用田间实测数据验证模型,结果表明,DNDC模型能比较好模拟南方湿润地区水稻产量及吸氮、稻田土壤表层氮素的动态变化规律,相关系数达到0.8以上;节灌控排条件下,稻田土壤氮库均表现为亏损,亏损量为54.7~127.6kg/hm2,亏损量随着施肥量的增加而逐渐减小,施氮量相同时,浅灌深蓄和浅勤灌溉间差距较小,施氮处理时,控制排水+浅灌深蓄的灌排模式氮素亏缺量较小;敏感性分析表明:施氮是影响水稻产量和氮素交换通量的关键因素;降雨与灌溉对氮素淋溶和径流损失影响较大,只轻微影响水稻产量和吸氮量,负面影响氨挥发;增加排水深度,会减少了氮素淋溶损失,但对产量、吸氮量和径流损失呈负面影响。 5.构建了农田水肥临界调控模型,并结合DNDC模型,提出了农田面源污染灌排临界调控模式,即干湿交替灌溉、施氮量170.3kg/hm2、控制排水深度20cm,与常规条件(淹灌、施氮量262kgN/hm2和传统排水)相比,节省氮肥用量35.0%,减少年均灌水和排水分别为31.4%和23.7%,提高水分生产率和氮肥增产效应分别为13.4%和39.5%以上,水稻氮素吸收比例提高约11.4%,排水流失和氨挥发比例分别减少约17.12%和7.71%。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:S275

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