覆膜种植和施肥对半干旱地区资源高效利用及玉米生产持续性的影响机制

发布时间：2020-06-15 08:58

【摘要】：黄土高原是典型的半干旱地区,也是我国重要的粮食产区。一直以来,有限和高变异的降水威胁着该地区作物生产的持续性,常常导致粮食产量下降,甚至生产失败。同时,该地区春秋季的低温和养分管理不科学也限制着作物的生长和发育,进一步加剧了干旱对农田生产的胁迫。人口压力、社会发展及生态环境安全对我国粮食生产高效可持续的需要日趋迫切,如何促进半干旱地区水、热、光、养生产资源协同高效利用,实现农田的持续生产是黄土高原地区旱作农业面临的重要研究问题。针对黄土高原地区有效水分、热量和养分因素对农田生产的共同限制性及其驱动的作物生产力不确定性,本研究于2014-2017年在宁夏南部山区开展了连续4年大田试验。研究设置:1)三种不同覆膜种植方式(沟垄全覆膜RFF、沟垄半覆膜RFH和平作半覆膜FH,以平作不覆膜FN为对照),和2)沟垄全覆膜种植RFF和沟垄半覆膜种植RFH下5个施肥水平(N 0+P_2O_5 0 kg ha~(-1),CK;N 117+P_2O_5 59 kg ha~(-1),L;N 173+P_2O_587 kg ha~(-1),M;N 229+P_2O_5 115 kg ha~(-1),H;N 285+P_2O_5 143 kg ha~(-1),SH)两项大田试验,分析了覆膜种植方式和施肥量对土壤温度和水分、玉米生长发育和光合特性、植株养分含量和吸收量、籽粒产量和水肥利用效率以及经济效益的影响,探讨了覆膜种植提高水、热、光、养资源协同利用的土壤水温驱动机制和施肥量对覆膜种植水、养资源利用和生产力可持续的影响机制。研究可为了解作物水热生理响应、作物建模、完善覆膜种植技术、农业区划和水肥优化匹配管理提供科学依据。主要研究结果和结论如下:(1)覆膜种植驱动的土壤热响应特征和玉米的生长发育覆膜种植提高了10 cm处土壤温度,RFF、RFH和FH玉米生育期日平均温度较对照FN分别提高了2.9℃、1.9℃和FH 1.5℃。随玉米生长覆膜种植增温幅度呈降低趋势,在苗期、营养生长期和生殖生长期分别提高2.4℃、2.3℃和1.8℃。覆膜种植在夜间(20:00-08:00)的保温效果强于白天(08:00-20:00)的升温效果,引起昼夜温差降低0.7-1.3℃,缓和了土壤温度的骤变,以RFF最强,FH次之,RFH最弱。统计土壤温度和气温数据,分析发现覆膜种植在低气温区间5-10℃表现最强的增温能力,增温幅度达2.5℃,同时提高了土壤温度在20-25℃区间的分布频次,降低了在5-20℃区间的分布频次,改善了玉米生长土壤热环境。覆膜种植通过提高土壤温度加速了玉米的生长发育,缩短了其生育期2-17天,并使出苗(VE)、拔节(V6)和吐丝(R1)分别提前2.5-6天、4-10天和4-13天,提前和缩短能力依次为RFFFHRFH。覆膜种植缩短了玉米营养生长期(8-13天),但相改善了生殖生长期,其中RFF缩短3.5天,FH缩短2天,RFH延长2天。(2)覆膜种植驱动玉米高效光合的土壤水分时空动态变化策略覆膜种植显著改善了土壤水分状况,驱动了高效的水分利用策略—土壤时空湿干交替行为。时间角度,覆膜种植土壤在播后0-50天、50-130天和130-160天较不覆膜种植分别呈相对湿润、干燥和湿润的交替变化趋势;空间角度,覆膜种植于播后50-130天在0-20 cm、20-120 cm和120-200 cm土层较不覆膜种植分别呈现土壤相对湿润、干燥和湿润的交替变化趋势。相对于半覆膜RFH(中湿-微干-微湿)和FH(微湿-强干-微干),全覆膜RFF随玉米生长土壤呈强湿(土壤含水量SWC提高0-2.0%)-中干(SWC降低0.4-1.5%)-微湿(SWC提高0-0.9%)变化趋势,表现更强的水分平衡能力。虽然覆膜种植降低了水分敏感期土壤平均湿度,但驱动了水分定向运动与作物生长生理相匹配,维持了作物水分敏感期关键的浅层土壤水分,显著提高了玉米净光合速率12.4-52.9%、蒸腾速率12.6-59.2%、气孔导度17.9-120.5%,以及叶面积生长和干物质累积。(3)覆膜种植对水、热、光、养资源的协同利用机制和玉米生产力的影响覆膜种植改善了水分耗散结构,提高了作物捕获热、光、养资源的总量,光合有效辐射截获量提高6.3-11.8%、土壤有效积温增加129-389℃d,氮吸收量提高8.8-21.7%,资源捕获能力以RFF最强,RFH和FH次之。覆膜种植通过驱动积极的土壤热响应为玉米营造优良的生长热环境,在提高水分有效性的基础上进一步驱动了高效的水分利用策略,提高了土壤水分与作物需水匹配度。受热效应影响覆膜种植缩短了玉米的营养生长期但维持(甚至延长)了相当的生殖生长期,改善了玉米物候,促进了水、热、光、养资源向玉米生殖生长中心富集,驱动半干旱研究地区资源的获取和优化配置,以及资源转化为生物材料(尤其是籽粒)的过程。与RFH、FH和FN相比,RFF籽粒产量分别提高24.6%、20.4%和42.7%;水分利用效率(WUE_(GY))分别提高24.0%、21.7%和42.5%;热量利用效率(TUE_(GY))分别提高15.0%、12.0和20.2%;光能利用效率(RUE_(GY))分别提高19.7%、15.6%和34.8%;养分利用效率(NUE)分别提高17.4%、12.7%和26.5%;经济收益分别提高69.0%、50.0%和1.5倍。(4)RFF和RFH覆膜种植下施肥量对玉米生长发育和水肥吸收的影响RFF较RFH加速了玉米生长,玉米生育期平均缩短17天。两种种植方式下,施肥延长了玉米生育期(主要是生殖生长期),在L、M、H和SH下分别延长了9天、11天、14天和15天,同时显著改善了玉米光合作用,促进了玉米株高、叶面积生长和干物质,但超过H水平后再提高施肥量则不再显著改善。施肥主导了年际间的光合特性差异,可能使限制玉米光合作用的因素逐渐由气孔导度因素向气孔密度和质量因素转移。四年平均,RFF玉米生育期蒸散量(ET)较RFH平均提高8 mm,低于在休闲期蓄墒量增加值15.7 mm,表现相对高的水分平衡能力。施肥显著增强了玉米对水分的吸收,随施肥水平提高ET平均由CK水平的433.3 mm逐渐提高到最高H水平的479.0mm,较生育期平均降水404.8 mm高出28.5-74.2mm。然而,休闲期土壤蓄水量仅32.9-51.2 mm,难以平衡ET和降水之间的差异,导致水分失衡,土壤含水量逐渐下降,并随着施肥的增加而加剧。与RFH相比,RFF植株氮磷吸收总量显著提高而养分含量呈降低趋势,平均降幅为氮9.8%和磷6.9%,但均降幅随施肥水平提高逐渐减小。施肥显著改善了RFF和RFH下植株氮磷养分的含量并提高了氮收总量1.0-2.4倍,磷吸收量0.6-1.3倍,在SH施肥水平达最高,但与H水平无显著差异。提高施肥量会逐渐降低氮磷收获指数。(5)RFF和RFH覆膜种植下不同施肥量玉米产量、水肥利用效率、水肥优化匹配、水分亏缺预警和经济效益RFF较RFH显著提高了玉米籽粒产量21.8-43.9%和WUE_(GY) 21.6-42.4%,且随施肥水平提高增幅呈先升高后降低趋势。随施肥水平提高,玉米籽粒产量呈增加趋势,拟合发现RFF模式下于N 226.8+P_2O_5 113.4 kg ha~(-1)达到最高值8741.3 kg ha~(-1),RFH模式下于N 295.7+P_2O_5 147.9 kg ha~(-1)达到最高值6931.9 kg ha~(-1)。因此,RFF较RFH呈现“减肥(幅度:N 68.9+P_2O_5 34.5 kg ha~(-1))、增产(幅度1782.4 kg ha~(-1),25.7%)”效应,表明了种植方式的高效性。WUE_(GY)与产量表现类似的趋势,并表现明显“减肥、高效”效应。RFF较RFH氮的利用效率(NUE)、吸收效率(NUPE)、生产效率(NPE)和肥料利用率(FUR)分别提高24.8%、13.4%、33.4%和8.0%,磷的分别提高5.2%、27.8%、33.7%和32.2%。随施肥水平提高RFF和RFH对养分的利用效率呈下降趋势,至H和SH水平大幅降至低水平;肥料利用率和肥料产量贡献率呈先升高后降低水平,在M和H水平达最高,表明了M至H施肥水平养分策略的可推荐性。ET与施肥量、籽粒产量、WUE_(GY)和播前底墒(SWSS)均显著正相关,但是施肥量与SWSS显著负相关,表明协调施肥量与SWSS获得合理的ET有利于水分的可持续利用和作物的可持续生产力。虽然在较高的施肥水平(H或SH)能够获得最高的产量和水肥利用效率,由区域降水决定的土壤水分平衡能力要求施肥必须与之匹配。随施肥量提高年土壤水分平衡由盈余逐渐转为亏缺,RFF和RFH分别在N 180.9+P_2O_590.5 kg ha~(-1)和N 121.0+P_2O_5 60.5 kg ha~(-1)获得水分平衡临界点,并可分别实现各自模式产量潜力值的97.7%和78.3%。此外,为保证水分可持续利用和玉米可持续生产,还需要在关键时期保证有效水分供应,RFF播前底墒、播前底墒+播后30天降水、播前底墒+播后60天降水、播前底墒+播后90天降水的亏缺阈值分别为441.1 mm、488.3mm、558.8.3 mm、624.3 mm;RFH以上四个时期的水分亏缺阈值分别为367.3mm、426.1 mm、505.3 mm、564.1 mm,有效水分低于预警阈值需要进行一定程度的补灌措施,以避免玉米生长受限、甚至生产失败。虽然RFF(较RFH)和施肥(较不施肥)增加了生产投入,但会更大幅度提高产出价值,因此表现更高的净收入。但是,在覆膜种植下,农田水肥应得到谨慎管理,水肥不匹配会降低经济效益,甚至导致严重经济亏损。在RFF种植条件下,与区域降水相匹配的水分平衡施肥量N 180.9+P_2O_5 90.5 kg ha~(-1)与经济效益达最高的施肥量N 206.3+P_2O_5 103.2 kg ha~(-1)较接近,也从经济效益的角度证明了平衡施肥具有可观的经济效益特征,可作为推荐施肥。综合考虑,RFF较RFH可以在更高施肥量下维持基于当地降雨的土壤水分平衡,并表现可持续的水肥耦合增产、增效、增收效果,因此推荐RFF+N 180.9+P_2O_5 90.5 kg ha~(-1)作为黄土高原半干旱区高效种植管理方案,并关注播种0-90天内有效水分量。更长期(4年)的高效管理方案或覆膜种植与其它农艺措施结合的水、热、养管理需建立在土壤质量研究证据和农田生产设施改善的基础上。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513
【图文】：

本研究采用大田试验，对黄土高原半干旱区不同覆膜种植方式和施肥量下的水、热、光、养生产资源协同利用和玉米生产持续性进行研究，具体思路和技术路线如下：图1-1 研究技术路线图Fig. 1-1 Technology roadmap for this study

时数2518 h，无霜期150-170天。该地区常采用种植制度为春玉米或冬小麦一季种植。试验期间2014，2015，2016和2017年玉米生育期日平均气温分别为17.0℃，17.5℃，17.1℃和16.6℃；降雨量分别为381.4 mm，356.9 mm，382.0 mm和498.7 mm（图2-1）。此外，2015和2016年玉米生长季光合有效辐射总量分别为3471.9 MJ m-2和3442.7 MJm-2（图2-2）。试验地土壤为黄绵土，0-40 cm土壤全氮、有机碳、速效磷和速效钾含量分别为0.74 g kg-1，7.39 g kg-1、4.3 mg kg-1和100.0 mg kg-1。图 2-1 试验点 2014-2017 年玉米生育期逐日气温和降雨量Fig. 2-1 Precipitation and air temperature at the experimental station during the 2014 2017 maizegrowing seasons

本文编号：2714188