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南疆盐碱化农田膜下滴灌棉花水氮耦合效应与高效利用模式研究

侯翔皓  
【摘要】:灌溉和施肥是保证西北干旱半干旱地区农业发展最重要的措施。新疆因其特殊的气候条件已成为中国最大的棉花生产地。在南疆绿洲灌区,降雨稀少,蒸发强烈,不合理的灌溉和施肥导致该地区水肥利用效率低和土壤盐碱化问题,严重制约了当地棉花产业的发展。因此,研究南疆盐碱化棉田膜下滴灌水氮耦合效应和高效利用模式对于节水节肥控盐,提高农田水肥利用效率和棉花产量与品质有重要意义。本文通过棉花滴灌水肥一体化试验,系统研究了不同水氮供应对棉花生长、农田水肥盐运移、水氮利用效率、产量和品质的调控机理。试验于2018~2019年在新疆南部进行,设置4个灌水量水平(W_(0.6)-60%ET_c,W_(0.8)-80%ET_c,W_(1.0)-100%ET_c和W_(1.2)-120%ET_c,ET_c为作物蒸散发量)和4个施氮量水平(N_(250)-250 kg N/ha,N_(300)-300 kg N/ha,N_(350)-350 kg N/ha,N_(400)-400 kg N/ha),不同灌水量下均设置不施氮处理。通过研究不同水氮供应对农田水肥盐运移以及棉花生长、产量、水氮利用效率、纤维品质的影响,为盐碱化棉田节水节肥控盐、高效优质生产提出有效的灌溉施肥管理策略和科学的理论指导。本研究取得以下研究结果:1、揭示了膜下滴灌棉田不同灌溉定额下水热盐变化规律,利用半方差函数模型分析灌溉定额对土壤水盐分布、变异性及积盐和脱盐的影响,通过分析灌溉定额、土壤盐分和籽棉产量之间的关系确定了棉花耐盐阈值。土壤温度随时间推移呈现先升高后降低的变化趋势,W_(0.6)灌溉定额下土壤温度显著高于其它三个灌水处理。土壤储水量随着棉花生育期推进呈现先减少后增加的变化趋势,花铃期达到最低值。灌溉定额对土壤水分分布影响不显著。增加灌溉定额显著降低了土壤盐分含量,同时增加积盐区深度。灌水前后土壤剖面的土壤盐分含量没有显著变化,但土壤盐分分布存在显著差异。利用半方差函数模型分析发现土壤水分和土壤盐分总的空间变异性随灌溉定额及土壤深度的增加而降低。研究确定了棉花的耐盐阈值,即0~60cm土层总固体溶解度(TDS)累积量为32 Mg/ha,以及最佳灌水量W_(1.0)。2、揭示了棉花生长、产量、水分利用效率及经济效益的水氮耦合效应。增加水氮供应显著促进棉花生长及产量形成。棉花籽棉产量随着灌水量的增加而增加,但2018年和2019年W_(1.0)和W_(1.2)灌水量下的籽棉产量差异仅为0.2%左右。施氮量对亏缺灌溉条件下(W_(0.6)和W_(0.8))的棉花籽棉产量的增加有着更显著作用。随着施氮量的增加,两年内W_(0.6)和W_(0.8)灌水量下的籽棉产量分别增加了16.28%,22.19%和13.35%,13.67%,显著高于W_(1.0)和W_(1.2)灌水量下的籽棉产量增幅。水分利用效率随着灌水量的增加而降低,随着施氮量的增加而增加。经济效益随着水氮供应的增加呈现出先增加后降低的趋势,最优值出现在W_(1.0)N_(350)处理。3、明晰了棉花氮素吸收、氮素营养状况以及土壤无机氮残留的水氮耦合效应,利用改进后临界氮稀释曲线模型和氮素营养指数对棉花的氮素营养状况进行诊断。增加施氮量提高了棉花体内的氮素浓度以及氮素累积量。增加灌水量降低了氮素浓度,但提高了氮素累积量。结果显示W_(1.2)N_(400)处理下的氮素累积量达到最大值,2018年为223.88 kg/ha,2019年为242.77 kg/ha。水氮供应对氮素利用率(a NUE,NRE,p NUE,PFPN)均有显著性影响。改进临界氮稀释曲线模型用于诊断不同灌水量下的棉花氮素营养状况,结合氮素营养指数的变化规律,确定了W_(1.0)N_(300)处理下棉株的氮素营养状况最佳。土壤_3;-N含量随着施氮量的增加而增加。增加灌水量会淋洗土壤表层的土壤_3;-N,同时造成土壤深层_3;-N含量的增加。4、探究了棉花品质的水氮耦合效应。灌水量与纤维长度、纤维强度、纤维质量指数以及纺织参数呈现显著的正相关关系,而与马克隆值和短纤维指数为负相关关系。纤维长度、纤维强度、纤维质量指数和纺织参数随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势。试验结果表明各品质指标之间存在较强的相关关系,而水氮供应对纤维成熟度没有显著影响。5、综合评价棉花籽棉产量、水氮利用效率、经济效益以及纤维指标的水氮耦合效应,结合多元非线性回归及空间分析,实现膜下滴灌棉花高效优质生产的多目标优化。利用多种评价方法对籽棉产量、水氮利用效率、经济效益以及纤维品质进行独立评价,结果显示各个评价结果排序有所不同,但各评价结果之间存在很强的相关性,利用基于整体差异组合评价模型对各个评价结果进行综合评价,获得最优处理为W_(1.0)N_(350)。同时,本研究基于多元非线性回归以及空间分析,提出3种灌水施氮区间以满足不同的生产要求:棉花节水高效生产的灌溉施氮模式,灌水施氮区间为灌水量275mm~304 mm,施氮量为290 kg/ha~440 kg/ha;棉花高产优质的水氮管理模式,灌水施氮区间为灌水量356 mm~450 mm,施氮量335 kg/ha~395 kg/ha;棉花高产节水提质增效的水氮管理综合模式,灌水施氮区间为:灌水量344 mm~380 mm,施氮量335kg/ha~395 kg/ha。6、利用土壤水分平衡法优化南疆棉花作物系数花铃期的耗水量约占棉花全生育期耗水量的60%,且花铃期的日平均耗水量显著高于其它三个生育期,因此,确定花铃期为棉花需水关键期。通过土壤水分平衡平衡法确定的适用于南疆棉花生育前期、中期和后期的作物系数平均值分别为0.38,1.30和1.09。建立棉花作物系数K_c与t/T(出苗后天数/全生育期天数)的二次多项式,为当地棉花作物系数K_c的确定以及灌溉管理提供一定的参考。


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