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《武汉大学》 2015年
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向日葵水、氮、盐耦合效应及其模拟

曾文治  
【摘要】:农业是我国国民经济发展的基础,农田水分和氮素的高效利用对于解决我国水资源紧缺、水环境恶化和粮食安全问题非常重要。统计资料表明,我国农业灌溉水利用系数仅为0.5,而发达国家约为0.7-0.8;与此同时,我国主要粮食作物氮肥平均利用率仅27.5%,比全球平均水平低45%。因此,迫切需要提高水肥利用效率,增进农业高产和水资源保护。这种需求在干旱半干旱地区更加突出,这些地区一方面水资源短缺、土地相对贫瘠,需要通过农田水氮管理“以肥调水”、“以水促肥”;另一方面,这类地区普遍受到土壤盐渍化的威胁。以内蒙古河套灌区为例,由于土壤母质含盐,地下水的埋深较浅,以及强烈的蒸发作用,灌区一直受到土壤盐渍化威胁,为了保证农作物的正常生长,灌区每年都会采用大水漫灌的方式淋洗土壤盐分,这在导致水资源浪费的同时,也将相当数量的养分与盐分一起淋洗至深层土壤及地下水体中,带来环境的污染和次生盐渍化的潜在威胁。然而,目前有关水肥耦合机理以及农田水肥管理的研究多集中在非盐渍土地区,当作物生长于盐分胁迫的环境中,同时存在水、肥、盐三者的交互作用,其内在机理更加复杂。鉴于我国仍有约1.2亿亩的耕地遭受不同程度的盐渍化威胁,研究盐渍农田的水肥耦合机理,发展适用于土壤盐渍化地区的水肥管理模式具有重要的现实意义。本文依托国家“十二五”科技支撑计划课题“农业节水综合技术集成”以及国家自然科学基金项目“基于作物生长模拟的盐渍农田水肥生产函数研究”,选取河套灌区主要经济作物向日葵作为研究对象,开展室内土柱实验、土壤氮素转化培养实验、田间灌溉实验、田间微区实验以及土壤小型蒸渗仪实验,以土壤物理学、土壤化学、植物生理学、农学、气象学、水利学等多学科交叉理论为依据,综合运用方差分析、协方差分析、相关分析、回归分析、偏最小二乘分析、人工神经网络等数学方法,对土壤盐氮耦合机理以及向日葵受土壤水、盐和施氮量三者交互作用的响应机理展开研究,主要研究内容如下:(1)通过田间微区实验和小型土壤蒸渗仪实验,定量描述水、氮、盐对向日葵生长的耦合效应,包括不同的灌溉水量、氮肥施用量、土壤初始含盐量条件下,向日葵出苗率、叶面积指数、株高、干物质量、光合能力、产量等生长指标的响应规律等,并提出不同生长指标适宜的水、盐和施氮量组合方式.(2)利用气压分离技术研究不同盐分含量对土壤中氮素总硝化反应速率和反硝化反应速率的影响,并结合土壤氮素转化的培养实验对尿素态氮向铵态氮及硝态氮转化的机理进行定量表达;(3)结合水、氮、盐对向日葵生长的耦合效应与水、盐对土壤氮素转化的耦合机理,建立盐渍农田的向日葵水肥生长函数。研究结果表明:(1)向日葵的生长指标受到土壤盐分、灌溉水量以及施氮量的影响,但是不同指标对水、盐和施氮量的响应不同,当向日葵受到中度以上水分胁迫时,水分对向日葵生长的影响是主要的,盐分次之,而施氮量的影响最弱。(2)向日葵苗期、蕾期、花期和成熟期对土壤盐分的耐受阈值分别为:6.93 dSm-1、14.46 dSm-1、14.46 dS m-1和17.26 dS m-1,当播种前土壤0-20 cm的平均盐分含量高于耐盐阈值时,向日葵各生育期的实际腾发量随盐分的增加而明显降低,合理施用氮肥能够缓解盐分对向日葵生长的不利影响,但过量施氮对多数向日葵生长指标存在抑制作用,考虑到氮素可能会导致的环境问题以及氮肥的经济成本,在盐分水平较低(9 dS m-1)的土壤中宜采用中等施氮量(135 kg ha1),当土壤盐分水平较高(≥9-18dSm-1)时,高施氮量处理(180 kg ha1)能够更有效的增加向日葵籽粒产量。(3)无论是酸性土壤还是碱性土壤,其总硝化反应速率均受盐分水平的影响,并且盐分水平的影响存在着临界值,在临界值两侧,盐分对总硝化反应速率的影响趋势是相反的,酸性土壤和碱性土壤的临界值分别为4.93 dS m-1和5.52 dS m-1;尿素态氮向铵态氮的转化的一阶动力学反应系数与土壤盐分含量之间存在指数关系;硝态氮还原的一阶动力学反应系数与土壤盐分含量之间满足线性关系。(4)从3个不同的角度建立了盐渍农田的向日葵水肥生产函数:基于播种前土壤初始水盐状况和施氮量的向日葵产量预测模型(SWSN-Jensen Model)是一个具有一定土壤物理学与作物生理学意义的向日葵产量模型。它可以用于播前向日葵产量的预测,施氮量以及全生育期灌溉水量的估计等,并且播种前土壤0-20 cm盐分含量较为容易通过遥感技术获得,所以SWSN-Jensen模型具有在区域尺度应用的能力;基于土壤水、盐与施氮量的向日葵产量传递函数(Yield Transfer Function, YTF)是根据不同生育期向日葵根区的水分和盐分状况以及有效氮含量建立的产量模型。由于YTF模型考虑了不同生育期根区的水盐状况,其模拟精度较SWSN-Jensen模型有所提高,但是YTF模型所需要的输入参数一般较难获得,因此模型的推广性较弱;基于作物生长指标的偏最小二乘产量估计模型(PLSY)和产量传递函数(YTFAC)以蕾期和成熟期的叶面积指数(LAI)和株高(H)作为自变量,而LAI可以方便的通过遥感技术获取,H与LAI之间可以由经验公式相互转换,因此PLSY和YTFAC模型都具有在区域尺度应用的能力,利用大田数据对2个模型的验证结果表明,YTFAC模型具有更好的准确性、稳定性和可移植性,适用于在区域尺度上进行向日葵产量的估计。本文的研究结果以及建立的土壤水盐及向日葵产量模型以播种前的灌溉、施肥为起点,贯穿整个向日葵生长过程,不仅能够在播种前对向日葵产量做出初步估计、还可以在播种前以及向日葵全生育期内根据土壤盐分含量有针对性地进行水肥管理,能够为我国干旱半干旱地区农田水肥高效利用、粮食增产和水环境保护提供理论依据和实用工具。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S565.5;S156.41

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