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《甘肃农业大学》 2018年
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西北干旱灌区紫花苜蓿施肥模型构建及养分高效生理机制研究

于铁峰  
【摘要】:西北干旱灌区是我国重要的牧草产区之一,由于管理手段欠缺,施肥盲目性较大,造成土壤营养元素缺乏和不平衡,氮磷钾肥利用率低致使紫花苜蓿(Medicago sativa)产量和品质远没有达到优质牧草标准。为此研究以西北干旱灌区高产年份苜蓿田(2016年建植2年苜蓿和2017年建植3年苜蓿)为研究对象,采用现代肥料二次回归3414试验设计及单因素试验设计,系统深入地研究不同施肥制度对紫花苜蓿生产性能、碳氮代谢、根瘤固氮、土壤养分特征及土壤微生物特征的影响。并分析了肥料、作物、土壤和微生物四者之间的关系,进而揭示高产苜蓿田养分高效吸收利用的机理,并建立西北干旱灌区甘农3号苜蓿生产的肥效模型,得出最佳施肥量。主要研究结果如下:氮、磷、钾对建植2年苜蓿产量的贡献为钾磷氮,对建植3年苜蓿产量的贡献为磷钾氮,建植2年苜蓿交互效应表现为氮磷氮钾磷钾,建植3年苜蓿交互效应表现为氮钾氮磷磷钾。氮、磷、钾对建植2年苜蓿蛋白总量的贡献为氮钾磷,对建植3年苜蓿蛋白总量的贡献为氮磷钾。建植2年苜蓿氮磷肥互作效应明显优于氮钾互作、磷钾互作;建植3年苜蓿氮磷交互、氮钾交互对苜蓿蛋白总量的增产效果明显大于磷钾交互。通过模拟寻优,分别得到建植2年和3年苜蓿产量的三元二次肥料效应函数,采用频度分析法,得出建植2年紫花苜蓿目标产量大于平均产量17522.1kg·hm-2时,优化施肥量为氮56.27~67.51 kg·hm-2、磷77.69~90.48 kg·hm-2、钾76.43~87.18 kg·hm-2;建植3年紫花苜蓿目标产量大于平均产量19234.1 kg·hm-2时,优化施肥量为氮46.75~57.66kg·hm-2、磷80.15~92.28 kg·hm-2、钾57.79~69.74 kg·hm-2;建植2年紫花苜蓿目标蛋白总量大于平均2115.7 kg·hm-2时,优化施肥量为氮66.35~77.48 kg·hm-2、磷79.34~92.87 kg·hm-2、钾73.68~85.38 kg·hm-2;建植3年紫花苜蓿目标蛋白总量大于平均2656.0kg·hm-2时,优化施肥量为氮68.44~79.50kg·hm-2、磷72.74~85.96 kg·hm-2、钾50.68~61.61kg·hm-2。各施肥处理土壤p H降低,有机质含量增加,磷52.5 kg·hm-2、钾90 kg·hm-2、氮51.75 kg·hm-2有机质含量最高,较基础值提高了9.31%~14.93%;土壤全氮不受施肥与苜蓿种植年限的影响;施用氮、磷、钾肥分别有助于提高土壤碱解氮、速效磷和速效钾。在施磷105 kg·hm-2、钾90 kg·hm-2基础上,氮素的吸收利用效率在氮51.75 kg·hm-2水平最大;可达到以磷促氮、以钾促氮的目的;磷52.5 kg·hm-2、钾90 kg·hm-2、氮103.5 kg·hm-2处理、磷105kg·hm-2、钾90 kg·hm-2、氮103.5 kg·hm-2处理和磷105 kg·hm-2、钾45 kg·hm-2、氮103.5 kg·hm-2处理的肥料利用率均高于全国平均水平。磷105 kg·hm-2、钾90 kg·hm-2、氮52.5 kg·hm-2处理、磷52.5 kg·hm-2、钾90 kg·hm-2、氮51.75 kg·hm-2处理和磷105 kg·hm-2、钾45 kg·hm-2、氮51.75 kg·hm-2处理的经济效益较不施肥处理分别提高了85.18%、87.65%和88.52%。在氮0~103.5 kg·hm-2、磷0~105 kg·hm-2、钾0~90 kg·hm-2范围内,增加施肥量有利于叶片含氮量,硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性的提高,叶绿素及RUBP羧化酶含量增多,光合能力加强(Pn、Gs和Tr均显著升高,Ci则表现相反),也在一定程度上了提高了叶片可溶性糖含量,增强了蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性。建植3年的苜蓿各种酶活均高于建植2年的苜蓿,且均在第2茬活性最高。产量、氮积累量与可溶性糖含量、RUBP羧化酶活性,NR、GS、叶绿素含量,Pn、Tr呈正相关关系,指标间促进作用显著。通过主成分分析认为适宜的氮磷钾配比主要通过协调碳氮代谢,激发NR和GS酶活,将根系吸收的无机氮,特别是NO3--N快速同化,转化成各种游离氨基酸,增强光合能力,提高RUBP羧化酶和蔗糖磷酸合成酶活性,从而提高紫花苜蓿产量、品质及肥料利用效率。本研究探索了苜蓿酰脲与固氮酶活性的关系,找寻到了一种可能在生产实践中评估紫花苜蓿固氮能力的简便、快速的方法,即酰脲评估法。并得出在西北干旱灌区施氮量在0~51.75 kg·hm-2范围内,紫花苜蓿的固氮能力不会受到抑制,且随施氮量的增加而增强。施氮量为51.75 kg·hm-2时,其固氮能力最强。适量的施氮(0~103.5 kg·hm-2)有利于微生物数量(细菌、真菌、放线菌)、微生物生物量(微生物量碳、氮、磷)和土壤酶活性(脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶)的提高,而对过氧化氢酶的影响则无规律。各指标在土层中均呈现垂直递减规律,在0~10cm最为活跃。同时,微生物量和脲酶以及蔗糖酶均表现出季节性,即夏季春季秋季。通过主成分分析认为适宜的氮肥施用量主要通过增加土壤细菌及放线菌的数量、微生物生物量,激发土壤酶活性,加快氮营养物质矿化速度,使土壤供氮能力提升,促进苜蓿对养分的吸收利用,从而提高紫花苜蓿产量、品质及相对饲用价值。
【学位授予单位】:甘肃农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S541.9

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