西北旱区春玉米滴灌施肥水肥耦合效应研究

发布时间：2020-11-14 09:40

　　 西北旱区光热资源丰富,利于作物实现高产。然而该地区由于水资源短缺和水肥利用效率较低等问题,发展水肥高效利用的现代农业一直受到制约。近年来,随着农业集约化的推进,西北地区玉米生产发展迅速,采用滴灌施肥技术逐渐增多,在水资源短缺的西北地区,如何利用滴灌施肥技术提高玉米产量和水肥利用效率,对于高效、绿色的现代农业发展具有重要意义。本研究以春玉米为研究对象,于2015年和2016年在中国农业大学石羊河试验站开展了不同滴灌施肥水肥耦合田间试验,以期探索提高水肥利用效率的滴灌施肥模式。利用两年的大田试验,以春玉米“强盛51号”为试验材料,设置4个灌水水平,2015年和2016年分别为I_(60)、I_(75)、I_(90)、I_(105)和I_(60)、I_(80)、I_(100)、I_(120);4个施肥水平:F_(60)、F_(120)、F_(180)和F_(240),共16个处理。对不同滴灌施肥水平春玉米生长、产量及构成要素、根系指标、水分利用效率、氮磷钾利用效率、氮磷钾累积量、土壤水分和土壤温度进行了分析,研究了该地区不同滴灌施肥处理春玉米生长特性、干物质累积规律、根系分布规律、土壤水热分布规律及水肥消耗机制,在此基础上,建立了春玉米相对根长密度分布模型,利用HYDRUS-2D模拟和验证了不同滴灌施肥春玉米土壤水热运移规律。具体结果如下:(1)探究了滴灌施肥条件下不同水肥供应对春玉米生长发育和干物质累积的影响机制,并运用主成分分析法对各指标进行了综合评价。2015和2016年不同水肥处理春玉米株高、茎粗均随灌水量和施肥量增加而增加,分别在I_(105)F_(240)和I_(120)F_(240)处理取得最大值。两年LAI均表现出―递增-平台-降低‖的规律。两年根干物质量均随施肥量增加而降低,在F_(180)施肥水平达到最大值,施肥量过大不利于根系生长。从根冠比来看,两年根冠比均随灌水量增加而降低,随施肥量增加先增加后降低,均在I_(60)F_(120)处理取得最大值。作为直接反映作物群体―源-库‖关系的收获指数,2015年和2016年灌水和施肥对春玉米收获指数的影响均达极显著水平(P0.01)。两年各处理春玉米净同化率(NAR)在整个生育期均呈现出“M”形双峰曲线变化,地上部干物质量符合Logistic生长模型,且拟合结果较优(R~2=0.996,P0.01)。植株生长状况与作物产量的形成紧密相关,运用主成分分析法综合评价春玉米产量与生长指标、水分利用效率、收获指数、净同化率的相关关系,发现地上部干物质、净同化率与产量关系最为密切,灌水和施肥分别在100%~105%ET_c灌水量与F_(180)施肥量得分最高。(2)优化水肥管理实现了春玉米产量和水肥利用效率的协同提高,并显著降低了肥料损失。春玉米对不同养分的利用效率因施肥量和肥料性质不同而不同,规律表现为磷素钾素氮素。就氮肥而言,用量为120 kg N ha~(-1)时,春玉米氮素利用效率最高,当氮肥用量增加到240 kg N ha~(-1)时,氮素利用效率降低了13.1%。磷肥施用范围为30~60 kg P_2O_5 ha~(-1)时,更有利于磷素利用效率的提高。过量施用钾肥会造成植株对钾的奢侈吸收,降低产量,使钾素利用效率降低,当钾肥施用量从30 kg K_2O ha~(-1)增加到120 kg K_2O ha~(-1)时,钾素利用效率下降了25.2%。春玉米籽粒对不同养分摄取量反应出植株对于养分的需求比例,不同水肥处理春玉米籽粒的氮磷钾摄取量比值平均为1:0.21:0.39。(3)探究了滴灌施肥条件下不同水肥供应对春玉米各生育期根系分布规律,建立了考虑水肥耦合下春玉米相对根长密度分布模型。春玉米各生育期根系特征参数与产量和地上部总干物质量均呈显著相关关系,相关系数大小按生育期排序表现出灌浆期大喇叭口期成熟期小喇叭口期规律,保证大喇叭口至灌浆期合理的水肥供应最为重要,其次是小喇叭口至大喇叭口期,播种至小喇叭口期和灌浆至成熟期2个生育阶段有较大的节水节肥潜力。建立滴灌不同水肥供应春玉米相对根长密度(NRLD)分布模型,发现春玉米NRLD与土壤相对深度呈现显著的三阶多项式函数。运用NRLD分布模型估算相对深度根系分布比例,从估算结果可以看出,根系主要集中于表层土壤,地表至相对根系扎深1/3处根长占总根长比例平均达73.6%,地表至相对根系扎深1/2处根长占总根长比例达82.8%。(4)揭示了不同水肥供应春玉米根区土壤水分和土壤温度的时空分布规律,并基于HYDRUS-2D模型模拟和验证了滴灌施肥条件下玉米农田的水热运移规律。不同灌水量春玉米小喇叭口至成熟期土壤表层下5 cm日均温度差异显著。同一灌水处理不同土层在苗期取得最大温差,拔节期次之。T1点土壤温度离散程度要大于其他位置点,中位值随着土层深度的增大而降低;相同位置土壤温度中位值随着灌水量的增加而降低。采用HYDRUS-2D模型模拟滴灌春玉米土壤水热运移,发现土壤含水量和土壤温度模拟值与实测值吻合度较好。I_(60)、I_(75)、I_(90)和I_(105)灌水处理0-20 cm土层土壤含水量模拟值与实测值n-RMSE介于11.9~21.3%,其他土层模拟值与实测值n-RMSE均小于20%。表层土壤(5cm)土壤温度的RMSE随着灌水量增加而降低,其他土层RMSE随着灌水量增加先降低后增加,均在I_(90)处理取得最小值。土壤温度标准差化均方根误差(n-RMSE)除了I_(60)处理在表层土壤5cm处大于10%(为14.0),其他灌水处理各土层均小于10%,模拟效果均为极好水平。(5)研究分析了滴灌施肥条件下春玉米产量、干物质量、水分利用效率、肥料偏生产力及经济效益指标的水肥耦合效应。基于最小二乘法原理,建立和求解了单目标的二元二次方程,2015年和2016年灌水量和施肥量作为自变量的春玉米产量、地上部干物质量、WUE、PFP和净收益的二元二次回归方程均达极显著水平(P0.01),决定系数均在0.8以上。运用二元二次回归和归一化处理相结合的方法,2015年和2016年灌水量分别为452(110%ET_c)和449(98%ET_c)mm,施肥量分别为190-95-95和178-89-89(N-P_2O_5-K_2O)kg/ha,可以使春玉米产量、WUE和净收益的综合效益最大化。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S513
【部分图文】：

饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率（kPa/℃）。试验站内标准气象站（Hobo, OComputer., USA）记录作物全生育期内气温、降雨、太阳辐射、相对湿度、大气数据，2015 年和 2016 年生育期（播种至收获）的降雨量和 ET0情况如图 3-1。滴灌施肥试验采用滴灌施肥方式。每小区长为 6 m，宽为 5 m，小区面积为 30采用宽窄行和一条滴灌带控制 2 行植株种植方式，窄行间距为 40 cm，宽行间距为cm，滴灌带处于窄行中间，距两行植株距离分别为 20 cm。玉米株距为 20 cm，滴头对应两株玉米，一条滴灌带控制 46 株玉米，玉米种植密度为 5100 株/亩（出为 92%）。按玉米的生长特性，整个生育期共施肥 4 次，每次施肥量占总施肥量为 20%（苗期）、30%（小喇叭口期）、30%（抽雄期）和 20%（灌浆期），灌取根样之前各处理施肥量分别为总施肥量的 80%。各处理灌水日期相同，灌水间10 d，遇到降雨灌水日期顺延，每次计算灌水量采用的 ETc为灌水当日前 10 天 E和。实际灌水量为除去灌溉管网中的损失水量，计算实际灌水量时灌溉水利用系0.95（Wu et al. 2014）。2015 年试验地初始含水量较大，故没有灌出苗水及缓苗水水处理从植株 3 叶 1 心开始，收获前 15~20 天结束灌水，具体灌溉实施方案见表

取根样之前各处理施肥量分别为总施肥量的 80%。各处理灌水日期相同，灌水间隔为10 d，遇到降雨灌水日期顺延，每次计算灌水量采用的 ETc为灌水当日前 10 天 ETc之和。实际灌水量为除去灌溉管网中的损失水量，计算实际灌水量时灌溉水利用系数取0.95（Wu et al. 2014）。2015 年试验地初始含水量较大，故没有灌出苗水及缓苗水，灌水处理从植株 3 叶 1 心开始，收获前 15~20 天结束灌水，具体灌溉实施方案见表 2-1。图 2-3 滴灌系统Fig.2-3 Drip irrigation system

滴灌春玉米试验场景Fig.2-5Experimentscenarioofdrip-irrigatedspringmaize成熟期

本文编号：2883333