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滇池流域集约化农田生态系统氮素格局与作物功能性状响应策略

夏体渊  
【摘要】:农田生态系统面源污染与水体潜在富营养化威胁成为目前研究的核心论题之一。清楚集约化蔬菜生产过程中农田生态系统氮素分布格局及时空分布规律,了解养分差异化管理条件下作物的性状响应和生物量变化,有助于增加农作物的养分利用效率,并从源头控制面源污染及水体富营养化。 本研究于2009年春季(3月)和夏季(7月)选择滇池流域不同农田土地类型(台地和坝区农田)典型实验区域,结合作物生育期需肥特性进行西芹生产氮素差异化管理,并对西芹生产进行CK(裸地对照)、LF(合理施肥)、NF(无氮素处理)和HF(高氮量施肥)实验处理,在不同生育期进行土壤分层取样、植株生物学功能性状测定、大气氮素损失取样分析,研究“大气—作物—土壤”农田生态系统内不同季节、不同生育期、不同土壤质地类型条件下西芹生产过程的土壤氮素分布格局、气态氮素损失与植株氮素累积效应,及作物不同生物学性状功能特性,估算集约化蔬菜生产条件下农田生态系统氮素挥发损失量及其氮素在土壤、植株中的分布格局,了解差异化氮素管理对作物生物学性状及作物根系活性影响,主要结果如下: (1)滇池流域农田通过氨气、氮氧化物及氮气挥发损失造成大量氮素流失,不同土地类型氮素气态损失变异较大,土壤温度、施肥种类、施肥量是农田氮素气态损失的关键因子,由土壤性质及土壤含水量状况决定了坝区农田氮素气态损失高于台地,滇池流域农田氮素气态损失占施氮量的12.98%~44.59%。流域NH3挥发量在0.09~23.44 kg NH3-N/ha之间,一个生育期内的NH3挥发量占施氮量的0.06%~2.57%;氮氧化物排放量在15.45~183.97 kg N/ha之间,排放损失量占施氮量的11.22%~19.02%,土壤干湿效应和作物生长代谢有利于农田氮氧化物的排放损失;氮气排放损失一个生长季节不同处理在7.7~276.0kg N/ha之间,占施氮量的1.7%~23%。 (2)流域集约化蔬菜地单一季节的施肥量对作物生物量累积影响不明显。收获期生物量与施肥量正相关,与无外源氮素输入处理NF比较,外源氮素输入LF.HF处理植株生物量高出NF处理7.3%~11.4%o,生物量累积增产效应与施肥量无正比关系。当季氮素利用率在在8.5%-30.4%之间,合理施肥LF处理氮肥利用率最高,集约化农田的单季化肥利用率远远低于我国目前氮肥的单季利用率30%-41%。 (3)流域农田作物生育期内不同处理不同深度土壤全氮含量存在显著差异,垂向分布规律明显。由于滇池流域土壤养分背景值较高,当季作物生产外源氮素的输入对流域农田土壤全氮含量影响较小,施肥造成当季作物生产的氮素盈余加剧了水体富营养化潜在威胁。施肥影响流域表层土壤NH4+-N含量变化,由于NH4+-N含量变异性大,地下水位高导致硝化作用增强而坝区农田各层土壤由表向下有降低的趋势,但生育期间分布规律不明显。外源氮素输入导致土壤表层和亚表层的N03-N含量而出现养分盈余,作物生长前期N03-N含量高于后期;流域土壤N02--N含量均十分低,甚至出现负值且无明显垂向分布规律。 (4)流域作物西芹株高、活性根系体积、活性根系比表面、二级次生根直径、地上生物量与施肥量无相关性;生物量比值、收获期总根长、主根长、直径与施肥量成正相关,生物量比值随着生育期的变化逐渐增大,比值范围在14.8-22.41之间,其地上、地下生物量累积及其比值与生物量生长不符合等速生长假说;活性根系比表面在33.20%~43.06%之间波动,地下生物量累积、根冠比与施肥量负相关。 二级次生根直径在整个生育期变化很小且无显著差异,高量施肥不利于西芹侧根的生长。氮素施用是造成作物硝酸盐含量高低的主要因素,合理施肥前提下,作物生长后期由于生物量累积产生稀释效应而含量降低。


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