黑龙江西部半干旱区玉米灌溉制度和水氮利用试验研究

发布时间：2020-06-11 05:18

【摘要】：黑龙江省是我国重要的粮食生产基地,但水资源总量较为匮乏,面对农业用水量的逐年提高以及干旱趋势的加剧,在该地区发展节水农业对保障我国粮食安全具有重要意义。本文作者在黑龙江省西部肇州灌溉试验站内进行了喷灌玉米的节水灌溉试验,以CROPWAT模型为研究工具,研究了黑龙江省西部半干旱区玉米耗水量、有效降雨量和灌溉需水量的年间和各生育期间的变化规律,分析了不同水文年型作物需水与有效降雨的耦合度并制订了相应的喷灌灌溉制度;采用~(13)C稳定同位素质谱分析技术,研究了玉米耗水规律以及叶片和产量水平的水分利用效率的变化规律,进一步探究不同灌溉制度对寒地黑土区玉米水分利用效率的影响;通过在玉米拔节期施用~(15)N标记的尿素作为拔节肥,研究了不同灌水方案下成熟期玉米对追肥氮素的吸收利用率以及在地上部各器官中的分配状况,同时研究了玉米收获后追肥氮素在土壤中的残留情况和最终的损失率。试验研究取得的主要研究结果如下:(1)不同灌水方案下玉米日耗水强度均均呈抛物线趋势变化,在拔节期—抽穗期达到峰值,峰值变化范围为4.21 mm/d~5.89 mm/d。不同处理拔节期到成熟期玉米WUE_i变化范围为7.56~29.84μmol/mmol,WUE_n变化范围为73.15~168.69μmol/mmol,WUE_y变化范围为2.90~3.74 kg/m~3。选取枯水年、平水年和丰水年分别为2004年、2010年和1992年,喷灌条件下,枯水年和平水年的灌溉净定额分别为170.2 mm和79.9 mm,灌水次数分别为3次和1次,为确保玉米稳产、高产,抽雄期和灌浆期必须进行补充灌溉。(2)拔节期玉米叶片碳同位素分辨率(ΔL_B)、成熟期叶片碳同位素分辨率(ΔL_C)和果实碳同位素分辨率(ΔF)分别为0.451%~0.505%、0.505%~0.598%、0.396%~0.526%,随着生育期的推进,叶片ΔL逐渐增加。此外,玉米ΔL对灌溉定额和灌水次数变化的响应效果要优于籽粒ΔF。不同灌水方案条件下玉米ΔL与WUE_i、WUE_n均呈负相关,且ΔL与WUE_n的相关性优于其与WUE_i的相关性,玉米ΔF与WUE_y、Y均呈显著负相关。(3)在灌溉定额不变的条件下,玉米地上部干物质量均随灌水次数的减少呈逐渐下降趋势。不同灌水处理下成熟期玉米籽粒氮素积累量、~(15)N积累量分别占两者总积累量的45.50%~68.80%、47.88%~74.40%,成熟期玉米地上部氮素总积累量的8.14%~13.21%来自于追肥氮素,其中成熟期玉米籽粒中积累的追肥~(15)N最多,占比47.95~74.4%。不同灌水处理下玉米籽粒积累的总氮素量中来自追肥氮素的比例约为4.80%~9.83%。(4)玉米收获后8.81%~24.89%的追肥氮素残留在土壤中,其中83.25%~95.55%的~(15)N残留在0~60 cm土层中,60 cm以下~(15)N残留量仅占4.45%~16.75%,并且施用氮肥对40 cm以下土层中氮素水平影响较小,对60 cm以下土层的氮素水平基本不产生影响。在灌溉定额不变的情况下,单次灌水量过大会造成土壤中氮素的淋溶损失,适当增加灌水次数,减少单次灌水量能够有效地降低氮肥损失,提高肥料氮素残留率,在一定程度上起到维持土壤氮平衡的作用。综上,研究得出符合玉米节水高产生产要求的灌水方案为全生育期灌水为800 m~3/hm~2,分别在苗期、拔节期、抽雄期灌水3次,该方案下玉米WUE_y为3.65 kg/m~3,产量为14712kg/hm~2;利用ΔL和ΔF指示玉米不同水平水分利用效率具有一定的可行性,玉米成熟期叶片和籽粒Δ~(13)C可作为量化表征作物叶片和产量水平水分利用效率的重要指标;玉米地上部分各器官中~(15)N分配比例由大到小依次为籽粒、叶片、茎秆、穗轴、苞叶。抽雄期和灌浆期缺水会导致植株~(15)N总吸收率显著下降,抑制玉米吸收肥料氮素,降低氮肥吸收率,同时单次灌水量过大增加氮肥淋溶损失,降低肥料利用率。
【图文】：

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图 4-1 CROPWAT 初始化界面Fig.4-1 CROPWAT initialization interfaceCROPWAT 模型是联合国粮食与农业组织（FAO）于 1991 年开发的作物水分计算软过计算作物蒸发量，结合不同水文年气象数据及作物水分要求，模拟雨养和灌溉条件下产量、需水量和土壤水分变化，，设计供水和灌溉制度。CROPWAT 模型包含以下数据输块：（1）气候数据及对应的参考作物腾发量 ET0；（2）降雨量数据；（3）作物与种植模式括作物生育时期、作物系数、根系吸水深度等；（4）研究区土壤数据，包括土壤种类，含水率、降水入渗率等。结果输出模块：（1）作物需水量（CWR）；（2）灌溉制度及评价.2 CROPWAT 模型数据输入.2.1 典型年降雨设计本研究采用黑龙江西部地区肇州灌溉试验站 1986~2015 年的逐日气象数据，主要包括量、最高气温、最低气温、平均相对湿度、风速等。数据来源于中国气象数据ttp://data.cma.cn/site/index.html)。对肇州试验站 30 年年降水量数据进行降序排列，计算经验频率，并绘制出 P3 型水文

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图 4-2 CROPWAT 模型气象数据输入界面Fig.4-2 Input interface of CROPWAT model meteorological data图 4-3 CROPWAT 模型有效降雨量计算界面Fig.4-3 CROPWAT model effective rainfall calculating interface算 ET0所需要的 3 个典型年的气象资料（表 4-2、表 4-3、表 4-4）输入到T 模型中，计算出各典型年的月 ET0值如图 4-4 所示。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513;S274

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