半干旱区非粮能源植物菊芋高产形成机制及丰产栽培措施研究

发布时间：2020-05-23 20:29

【摘要】：能源作为社会发展的重要驱动力,对现代经济社会高速发展起着巨大推动作用,伴随着经济社会的高速发展,造成对能源大量消耗,由此引发的化石能源危机、环境污染等一系列问题引起了人们对能源发展战略高度重视和深度思考,并推动了可再生能源的迅速发展,而在可再生能源原料体系中能源植物的发展尤为突出。在确保国家粮食安全前提下,在边际土地上规模化种植适宜的非粮能源植物是获取大量可再生能源原料的理想选择,而菊芋便是其中的典型代表之一,菊芋除具备优良的能源属性和高抗逆性外,其在食品、饲草、医药、生态修复等领域均有广泛的应用,然而由于其高产优良品种匮乏,且丰产栽培措施不足严重制约着菊芋产业的发展。因此,本研究基于前期对其播种、种植密度、水肥调控等栽培措施研究的基础上,通过系统分析15个不同产量特性菊芋品系光合、生长等特征变化和覆膜对菊芋产量的影响,较为全面地探讨了其高产形成的生理生态机制和覆膜对菊芋产量影响的机理,以期为半干旱雨养农业区菊芋高产栽培措施优化提供一定的理论依据和技术支撑,主要结果如下:1.菊芋高产品系的叶面积指数、株高、基茎显著高于低产品系,其地上生物量达8.28 t ha~(-1),为低产品系的2.43倍;同时高产品系的光合特性得到改善,其暗呼吸速率、光补偿点和光饱和点仅为低产品系的49.19%、43.28%和81.2%,降低光合产物消耗提高对弱光利用能力;且其有性生殖能力较低,低产品系结实率达16.19%,而高产品系结实率仅3.74%。高的叶面积指数、株高、基茎和低的暗呼吸速率、光补偿点、光饱和点以及营养生长期延长等性状与其高产密切相关。在菊芋产量构成因素中相比单个块茎重,高产品系中单株块茎数的增加更有利于块茎产量提高,且其菊糖含量和总糖含量也呈增加的趋势。2.覆膜的引入可以显著地改善菊芋生长早期的表层土壤温度,且全覆膜要优于半覆膜,最高增幅达6.75℃,使菊芋出苗提前约1-2周,但对其最终出苗率和成熟期没有影响。与不覆膜处理相比,覆膜显著提高了菊芋的株高、基茎、叶面积指数等指标,其最高增幅达17.65%、39.07%、52.88%。同时覆膜明显提高了单株块茎数和块茎产量,尤其是在全覆膜条件下,且在干旱年份要优于湿润年份,如干旱的2016年全覆膜和半覆膜处理下块茎产量最高分别达48.66 t ha~(-1)和38.1 t ha~(-1),而湿润的2018年块茎产量最高分别仅为44.15 t ha~(-1)和35.64 t ha~(-1)。此外,虽全覆膜可明显提高块茎产量,但其高产的获得是以对土壤水分的大量消耗为代价的,而这种过度消耗在湿润年份可以得到缓解。3.全覆膜显著提高了菊芋块茎产量,且从出苗开始菊芋在各生长阶段的长势均优于不覆膜处理,其增温效应主要表现在覆膜后的前2个月,之后增温效应基本消失,而在不种植菊芋处理下其增温效应贯穿于整个生长季,总体上覆膜改善了表层土壤温度。在全覆膜种植菊芋处理下其生长季平均土壤温度为16.22℃,而在不覆膜种植菊芋处理下其生长季平均土壤温度仅为14.14℃,在全覆膜不种植菊芋处理下其生长季平均土壤温度达18.93℃,而在不覆膜不种植菊芋处理下其生长季平均土壤温度为15.34℃,且在不种植菊芋处理下其土壤温度相对变化趋势与大气温度的变化趋势基本一致。全覆膜对降雨和土壤水分表现出良好的收集保存效果,甚至出现土壤水分向更深层的渗漏,而不覆膜处理下前3个月基本实现了土壤水分的平衡,由于8月份的大幅度降雨,土壤水分开始出现富集,其整个生长季200 cm土层储水增加了66.9 mm,但其变化特征在有菊芋种植时受其生长发育影响较大,虽然生长季降雨较多,不覆膜种植菊芋时基本实现了200 cm土层土壤水分的平衡,但全覆膜处理下整个生长季其200 cm土层储水大幅下降达56.7 mm,充分体现了菊芋高产对水分的大量需求。综上,本研究明确了菊芋高产形成的生理生态机制和覆膜尤其是全覆膜在半干旱雨养农业区菊芋丰产栽培中的重要性,并进一步从土壤水热状况变化角度揭示了全膜覆盖提高菊芋产量的作用机理,以上结果为半干旱区菊芋高产品系选育和丰产栽培提供了一定的理论依据和技术支撑。
【图文】：

月降雨量,形成机制研究,矿化氮,菊芋

士学位论文半干旱区非粮能源植物菊芋高产形成机制及丰产栽第二章材料与方法高产形成机制研究地概况于 2016-2017 年每年 4 月至 11 月份在兰州大学榆中校区56′ N, 104°09′ E, 1750 m asl）实验样地中进行，根据位于站的多年记录，其年均温、年均降雨量以及大于 0℃的、371 mm 和 2310℃。该地 2016 年 4 月至 2017 年 11 月如图 2.1 所示。实验地土壤类型为黄绵土，其耕作层（0机碳、全氮、矿化氮、速效磷、容重分别为 7.68、12.6 g mg kg-1、23 mg kg-1和 1.25 g cm-3。

月降雨量,生长季,储水量

9 月份为 2016 年对应月总降雨量的 4.43 倍和 2.20 倍，，而在 2018 年生长季的前期（5 月份）平均温度达到 11.9℃较 2016 年的高 1.6℃，而其降雨仅为 2016 年的 68.93%，至 6月份其温度与 2016 年类似但是其降雨量为 2016年的 2.36倍，在 2018 年生长季的末期（10 月）其月均温与 2016 年的类似，仅较其低 0.58℃，其月总降雨量仅 8.48 mm 约为 2016年对应值的五分之一。采用环刀法测定土壤容重，实验样地 0-200 cm 的综合平均容重为 1.20 g cm-3。土壤温度采用全自动温度采集器（GS3, Decagon, USA）于 10 cm 深度，以半小时为间隔进行土壤温度的自动采集。作物蒸散量为生长季降雨量与土壤储水量（播种时 200 cm 土层储水量与收获时其对应储水量之差）之和，该区为黄土高原典型的雨养旱农区，整个生长期无地表径流，降水向 200 cm 以下土层的入渗可以忽略，作物水分利用效率为块茎产量（干重）与生长季蒸散量之比。作物产量、地上和根生物量以及株高、基茎等形态指标的测定与实验 2.1 中的类似，并在播种后 10 天、20天、35 天和 50 天统计各处理下的出苗数并计算出苗率，且以地上部 80%以上枯黄为标准确定其成熟期。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S578

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