华北平原水肥管理对小麦玉米水、氮利用效率的研究

【摘要】小麦和玉米是全世界重要的种植作物,而在中国华北平原是重要轮作种植区域。土壤水分和养分管理是影响华北平原小麦玉米产量和品质的两大主要因素。在华北平原小麦-玉米轮作体系下,不当水氮管理已被广泛报道,特别是当氮施用量到超出植物需要时,会转换成不同形态氮,从而容易挥发到大气中或向下淋溶到土壤中,这样不仅造成经济损失,并且还污染空气和地下水源。在气候变暖和该地区极端降雨天气频度增加背景下,进一步加强水氮管理、减少水氮损失尤为重要。因此,本文重点探讨在气候变化情景下,降水和不同施氮量影响作物生长各部位生物量、产量以及提高其水氮利用效率,为华北平原可持续小麦和玉米高产提供科学依据。两年田间试验设在中国农业科学院廊坊实验站(39°60’27”N,116°60’09”E),土壤类型为碱性沙壤土,实验设计为4个肥料水平(F0=NOPOK0,F1=N120P84K120,F2=N240P168K240,F3=N360P254K360公斤/公顷)、5种降水年型(根据30降水分布资料模拟不同降水年型降水)灌水水平(干旱年W1=483mm/年,欠水年W2=650mm/年,正常年W3=850mm/年,丰水年W4=1200mm/年,实际降水年W5=年间降水+66mm播前水),灌溉水分处理(W1,W2,W3,W4)在移动防雨棚(防止降雨)内进行,降雨水分处理(W5)在露天场地进行。完全随机设计,每个处理三次重复。生长季为2011-12年和2012-13年两个生长季。本文重点是研究不同氮肥和用水对小麦和玉米生长、干物质量、产量的影响,评价在不同气候变化情景下,土壤和植物体各部位氮累积。主要结果如下：水氮影响作物各部位干物质累积量的研究表明：两个生长季(2011-2012年和2012-2013年)小麦在开花期叶片干物质随水分和氮处理水平增加而显著增加；在2012-13年,穗干物质在不同水分及氮处理中显著变化,W4F1产量最高；茎和根干物质也有类似趋势,其中在2011-12年度,所有处理均表现不显著,但在2012-13年,W4F3处理呈显著差异,表现为茎>穗壳>叶>根；在两个生长季节中,氮肥用量和水含量显著影响小麦收获期各个部位干物质量；在2011-12年,在W4F3处理下,籽粒产量达到最大,其次为F2W4,F2W3处理,而2012-13年干旱年,W3F2处理茎秆干物质产量较高；茎干物质量在2011-12年W4F3处理较高,在小麦收获期表现为籽粒>茎>穗壳>根>叶；在两个年度内,F3W4和F2W3处理最大叶干物质重达到最大,然而,在2012-2013年期间F3W4处理的茎秆干物质量较高；在2011-12年F3W4和F4W4处理下根干物质量最高；2011-12年各处理千粒重明显高于2012-13年,但处理间无显著差异。2012年玉米在吐丝期,在W5F2处理具有最大叶和棒轴干物质量,其次为F3F1处理,同样,在W5F3处理下根干物质量较高,吐丝期干物质累积量依次为表现为茎>叶>根>棒轴,而收获期则为表现为籽粒>茎>棒轴>叶>根,但氮和水分水平对株高没有显著影响；F3W5、F2W5处理下到玉米籽粒产量更高,F2W3、F1W4、F3W4、F2W4处理的产量也相对较高,而产量随水和施氮水平增加表现增加趋势。通过各生育期氮转移量NT,氮转移效率NTE,籽粒中来自花期/吐丝期氮的贡献CNS和氮收获指数NHI测算,对小麦和玉米花期/吐丝期和收获期各部位中N吸收和积累的研究表明：2012-13生长季,作物氮素吸收和积累随水分和氮肥施用而增加；在小麦中,大部分土壤氮肥主要在花期吸收,尽管土壤中氮继续保证了植物氮吸收,之后吸收速率稳定或略有下降,在灌浆期各部位氮累积量依次为茎>叶>穗>根,而收获期则表现为籽粒>茎>穗壳>根>叶;在玉米生长期,N吸收在吐丝和收获阶段趋于稳定,在吐丝期,玉米各部位氮累积量依次为茎>叶>棒>根,而在收获期则表现为籽粒>叶>茎>根>棒轴；相对自然降雨水分处理条件下,灌溉水分处理下作物能够吸收更多的氮,特别是在2012-2013年表现更突出；NT、NTE、CNS和NHI显著受水分和氮肥水平影响；在所有水分处理下,NT、NTE、CNS和NHI随氮肥水平的增加而增加,表明氮肥和灌溉影响植物氮的吸收和转运。因此,干旱条件下生长敏感阶段补充灌溉,是提高水分利用率和作物氮吸收量的一个有效管理措施。此外,水和氮肥极大地影响水分与氮的吸收效率,因此有效地利用水分和氮肥将有助于减少过度水和氮的输入,进一步增加净收入。土壤N平衡计算结果表明：无论水肥处理水平、年份和作物类型,铵态氮最高积累量均出现在0-20厘米表层土壤剖面；铵态氮累积量达到最大期的时间,W5F4处理是在2012年小麦收获后,而W5F3和W3F4处理均在2012年和2013年小麦收获后；无论作物和年份,所有土壤剖面深度的硝态氮累积随氮肥料剂量的增加而增加,施肥处理对土壤硝酸盐含量有显著作用；相对施肥处理,未施肥处理土壤硝态氮浓度最低,高施氮肥以及灌溉处理土壤硝态氮浓度最高；由于硝酸盐是组成矿质氮的主要部分,土层中无机氮含量或多或少受施氮肥影响,存在硝态氮积累趋势。每种作物播种前土壤含水量会随灌溉水平和降雨而显著变化。最经济施氮量和灌溉水平均低于最高产量要求的最大施氮和灌溉水平,施氮量在225-330kgha-1和476-638mm总用水量时,小麦可以获得最佳经济产量4849-8838kgha-1,而玉米施氮量在250-345kgha-1和833-1164mm总用水量时,可获得最高经济产量9466-11463kgha-1。在试验年度里,作物水分利用(蒸散)与灌溉量存在线性相关的。WUE随着灌水量增加而降低,低灌溉处理下WUE比高灌溉处理高。试验年度,WUE随施氮量增加而显著增加,施肥氮量到240kgha-1时达到最高。在不同的施氮处理中,N240处理水分利用效率最高。氮肥利用效率随灌溉量增加而增加(表现较好的氮水协同作用),但随施氮量进一步增加而下降,在F3W1处理在所有作物生长季的氮利用效率最低。总之,本研究提供的证据表明,合理水氮管理可以部分抵消气候变化带来的干旱影响,并获取小麦和玉米高产、较高水分和氮肥利用效率的重要措施。
【作者】TalpurKhalidHussain；
【导师】蔡典雄；
【作者基本信息】中国农业科学院，土壤学，2014，博士
【关键词】水氮管理；作物各部位氮；氮累积与转移；小麦和玉米；氮水利用效率；

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