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夜间增温对土壤-小麦系统氮素平衡及利用的影响

胡晨曦  
【摘要】:气候变暖已成为全球性问题。气温升高呈现非对称性,冬春季和夜间增幅大于夏秋季和白天。温度作为重要的生态因子,温度增加势必会对麦田土壤氮素供应和小麦氮素吸收利用产生影响。明确增温下麦田土壤氮素供应和小麦氮素吸收利用间的关系及两者对增温的响应规律是亟待解决的问题。本研究以春性品种扬麦13和半冬性品种烟农19为材料,采用大田模拟增温试验结合田间15N 土柱试验研究了夜间增温(冬季、春季和冬春季夜间平均增温1.50℃、1.73℃和1.57℃)对小麦氮利用、土壤氮供应与平衡、根系生长以及土壤-小麦系统氮肥流向的影响,同时在前期结果的基础上研究了夜间增温下,氮肥基追比和密度对小麦氮利用的影响及其机制,此外进一步探索了夜间增温锻炼对灌浆期夜间增温下小麦氮利用的影响,为未来气候变暖背景下提高小麦氮素利用效率,减少土壤氮素损失提供理论依据。主要研究结果如下:1.夜间增温通过增强土壤供氮能力来增加小麦花前氮素积累,同时促进了开花期氮素向叶片的分配和花后氮素转运,从而提高了小麦氮素利用效率并减少了土壤氮素损失。夜间增温提高了两个小麦品种氮素利用效率,且冬春季夜间增温的提高幅度大于冬季夜间增温和春季夜间增温。夜间增温提高了小麦花前氮积累速率,增加了成熟期氮积累量,从而提高了氮肥回收效率(NRE)。同时,夜间增温提高了开花期氮素在叶片中的分配量和分配比例,增加了叶片氮含量,提高了灌浆前期旗叶净光合速率、最大光化学效率和实际光化学效率,从而提高了氮肥农学效率(NAE)。此外,夜间增温提高了花前氮转运量和花后氮积累量,从而提高了氮收获指数(NHI)。两个小麦品种叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性在夜间增温下显著提高,增强了小麦植株对氮素的同化和转运能力,有利于氮素的积累和转运。夜间增温提高了土壤脲酶和蛋白酶活性以及净矿化速率,增强了土壤供氮能力,有利于小麦对氮素的吸收,而土壤无机氮积累和氮素盈余呈降低趋势,这是由于小麦氮积累量显著增加所致,从而减少了土壤氮素损失。2.夜间增温改善了小麦上层根系的生长与分布,从而增加了肥料氮吸收,并减少了肥料氮损失。夜间增温提高了肥料氮吸收,并降低了肥料氮残留和损失,且追肥氮吸收量的提高幅度要大于基肥氮,表明夜间增温主要通过提高追肥氮吸收量来增加肥料氮吸收量。同时,夜间增温提高了小麦花前0-60 cm 土层根系生长速率,且0-20 cm 土层根系的提高幅度要大于20-60 cm 土层根系,从而提高了根系生物量,并改善了根系形态,有利于增加肥料氮吸收。此外,夜间增温降低了 0-100 cm 土层残留肥料氮含量,这是由于0-60 cm 土层根重密度显著提高所致,有利于减少肥料氮淋溶损失。通径分析表明,0-20 cm 土层根系在提高肥料氮吸收,减少肥料氮损失中起着最重要的作用。3.夜间增温下,提高追肥比例和增加密度有利于提高小麦氮素利用效率并减少土壤氮素损失。夜间增温下,与N5/5(基肥:拔节肥:孕穗肥5:3:2)处理相比,N3/7(基肥:拔节肥:孕穗肥3:5:2)处理提高了两个小麦品种氮素利用效率。N3/7处理提高了小麦拔节至开花期氮积累速率,有利于提高氮肥回收效率。同时,N3/7处理提高了开花期单茎叶片氮含量,有利于提高氮肥农学效率。此外,N3/7处理减少了播种至拔节期土壤氮素盈余,缓解了开花至成熟期土壤氮素亏缺,从而降低了土壤总氮素盈余。夜间增温下,与D225(基本苗225万株/ha)处理相比,D300(基本苗300万株/ha)处理提高了两个小麦品种氮素利用效率。D300处理提高了小麦花前氮积累速率,有利于提高氮肥回收效率。同时,D300处理增加了小麦穗数,维持了开花期较高的单茎叶片氮含量,有利于提高氮肥农学效率。此外D300处理减少了拔节至开花期土壤氮素盈余从而降低了土壤总氮素盈余。4.夜间增温下,提高追肥比例和增加密度有利于增加肥料氮吸收,并减少肥料氮损失。夜间增温下,与N5/5处理相比,N3/7处理增加了肥料氮吸收和残留,并减少了肥料氮损失。N3/7处理对播种至拔节期根系生长速率无显著影响,但主要提高了拔节至开花期0-20 cm 土层根系生长速率,从而提高了根系生物量,并改善了根系形态,有利于增加肥料氮吸收。同时,N3/7处理降低了播种至拔节期肥料氮损失,从而减少了总肥料氮损失。此外,N3/7处理提高了根重密度,有利于减少肥料氮淋溶损失。夜间增温下,与D225处理相比,D300处理增加了肥料氮吸收,并减少了肥料氮残留和损失。D300处理主要提高了花前0-20 cm 土层根系生长速率,从而提高了根系生物量,并改善了根系形态,有利于增加肥料氮吸收。同时,D300处理降低了拔节至开花期肥料氮损失,从而减少了总肥料氮损失。此外,D300处理提高了根重密度,有利于减少肥料氮淋溶损失。5.夜间增温锻炼能够延缓花后旗叶衰老,维持其较强的光合和氮同化能力,从而缓解灌浆期夜间增温对小麦氮素利用效率的降低。灌浆期夜间增温降低了小麦氮素利用效率,而经夜间增温锻炼的小麦再经历灌浆期夜间增温时氮素利用效率降低幅度要小于灌浆期夜间增温。夜间增温锻炼提高了花后旗叶净光合速率以及最大光化学效率和实际光化学效率,有利于小麦花后光合产物积累,从而缓解了氮肥农学效率的降低。同时,夜间增温锻炼提高了花后旗叶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性以及可溶性蛋白含量,有利于小麦花后氮素同化积累,提高了花后氮素积累量以及其对籽粒的贡献率,从而缓解了氮肥回收效率的降低。此外,夜间增温锻炼提高了旗叶超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性,降低了旗叶超氧阴离子(O2-)产生速率和丙二醛(MDA)含量,延缓了叶片的衰老,有利于维持小麦花后较强的光合和氮同化能力。综上所述,夜间增温通过增强土壤供氮能力、促进花前上层根系生长、以及提高叶片氮同化能力,从而增加了小麦植株对氮素的积累,同时促进开花期氮素向叶片的分配、增强花后旗叶光合和氮转运能力,从而增加了籽粒氮积累量和产量,最终提高了小麦氮素利用效率,并减少了土壤氮素损失。同时,在夜间增温下,提高追肥比例和增加密度通过促进花前上层根系的生长来提高小麦氮素利用效率。此外,夜间增温锻炼通过延缓花后旗叶衰老,维持其较强的光合和氮同化能力,从而缓解了灌浆期夜间增温对小麦氮素利用效率的降低。


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