再生水氮素对滴灌玉米生长有效性的研究

发布时间：2018-11-07 09:08

【摘要】：定量评估再生水氮素对作物生长的有效性是制定科学的再生水灌溉施肥制度的前提。制定再生水施肥制度时,将再生水中氮的有效性等同于氮肥或高估其有效性会导致土壤氮素供给不足,限制作物生长和产量形成;忽视或低估再生水中氮的有效性会降低氮素利用效率,也会造成土壤氮素累积,进而增加硝态氮淋失和面源污染风险。滴灌能有效提高水氮利用效率并降低再生水灌溉带来的环境污染和健康风险。研究再生水滴灌条件下再生水氮素对作物生长的有效性,能为再生水养分安全高效利用提供科学依据。本文以华北平原玉米(Zea mays L.)为研究对象,开展了再生水滴灌盆栽试验和滴灌大田试验。为了避免降雨和土壤养分空间变异等因素的影响,定量评估再生水氮素对玉米生长的有效性,2014和2015年进行了施氮量影响盆栽试验。试验设施氮量和灌溉水质2个因素,施氮量分别为0、0.88、1.76和2.64 g/盆(相当于0、70、140和210 kg/hm~2),灌溉水质设二级再生水(S)和地下水(G)。另外,2015年增设水质影响盆栽试验,设地下水、再生水与地下水体积比为4:2(S67%)和体积比为5:1(S83%)的混合水、再生水(S100%)4个水质处理。应用15N示踪法测定了肥料氮、再生水氮和总氮(肥料氮+再生水氮)平衡;联合肥料当量法定量研究了再生水氮素对玉米生长的有效性;测定了玉米株高、叶面积指数(LAI)、生物量、根重密度、根长密度、吸氮量、产量、产量构成要素和品质等。为了验证盆栽试验结果,优化再生水滴灌玉米施氮制度,2014和2015年开展了大田试验,考虑灌溉水质和施氮量2个因素,灌溉水质为二级再生水(S)和地下水(G),施氮量为0、60、120和180 kg/hm~2。大田试验测定了土壤氮素动态分布及硝态氮淋失,玉米株高、LAI、生物量、吸氮量、产量、产量构成要素、氮素利用效率和氮素表观平衡。为了更系统地评估华北平原再生水灌溉不同水氮管理措施对玉米生长和产量的影响,构建了再生水滴灌玉米DNDC模型,并应用该模型进行不同灌溉水质、不同施氮量和不同灌水量对玉米生长的模拟评估。主要结果与结论如下:(1)盆栽试验表明15N在砂壤土中沿径向有减小的趋势,但再生水氮素呈先增后减的变化规律,在离圆心12 cm处出现峰值;15N和再生水氮素沿土壤深度方向均呈先增后减的变化规律,峰值出现在10～20 cm或20～35 cm 土层,而且主要分布在35 cm以上土壤,这与玉米根系分布基本一致。盆栽试验和大田试验均表明再生水灌溉提高了土壤氮素含量,特别是增加了氮素在深层土壤中的分布。(2)增加施氮量抑制了玉米对再生水氮的吸收,施氮量从0增加到2.64 g/盆时,再生水氮利用率从45%降到33%。和地下水灌溉相比,再生水灌溉能促进玉米对肥料氮的吸收,提高总氮吸收量,但降低了肥料氮对玉米吸氮量的贡献率。再生水灌溉氮素利用率低于地下水灌溉,但提高施氮量,再生水灌溉总氮利用率呈先增后减的变化规律。盆栽试验施氮量从0增加到1.76 g/盆时,总氮利用率从45%增大到55%;但施氮量继续增加到2.64 g/盆时,总氮利用率又降到46%。类似地,大田试验也在中氮水平有最高的氮素回收率(51%)。提高灌溉水中再生水比例能促进玉米对再生水氮素的吸收利用。(3)应用15N示踪-肥料当量法拟合的2014和2015年再生水灌溉玉米籽粒产量和实际产量之间的平均相对误差仅为-0.2%和-2.6%,该方法可用于定量评估再生水氮对玉米生长的有效性。再生水氮的肥料替代当量与施氮量之间为二次曲线关系,增加施氮量会降低再生水氮的有效性。生育期再生水氮的尿素替代当量为0.58～0.79 g/盆(相当于46～63 kg/hm~2)。等氮素施入量下再生水中的氮对玉米生长的有效性仅相当于50%～69%尿素氮。再生水中的各氮素组分含量以及再生水氮与肥料氮之间的耦合利用关系是决定再生水氮素有效性的主要原因。当获得95%最高产量时,盆栽试验和大田试验再生水灌溉可以分别少施58%和13%的尿素氮。另外,提高再生水氮施入量能替代更多的尿素氮,但会降低再生水氮对玉米生长的有效性。(4)合理的滴灌水氮管理措施下NO_3~--N在砂壤土中发生淋失的风险较小,NO_3~--N淋失主要受降雨影响。对NO_3~--N淋失的影响程度依次为肥料氮深层渗漏量灌溉水氮土壤初始矿化氮,而且上述指标与NO_3~--N淋失量都呈正相关,因此,再生水灌溉适当降低施氮量能有效避免发生NO_3~--N淋失风险。(5)盆栽和大田试验均表明再生水灌溉能促进玉米生长和提高玉米产量,但增加施氮量会削弱再生水灌溉对玉米生长的促进作用。施氮量对玉米生长和产量的影响多大于灌溉水质,盆栽试验下灌溉水质对玉米生长和产量的影响较大田试验明显。大田试验中,对氮素表观损失量的影响程度依次为肥料氮土壤初始矿化氮灌溉水氮。(6)引入不同再生水氮素有效性参数,模拟确定再生水氮的尿素相对替代当量为0.65时,DNDC模型对玉米生长的模拟效果最好,该模型可用于华北平原再生水滴灌玉米生长模拟。应用DNDC模型模拟的玉米生长和氮素回收率对灌溉水质和施氮量的响应与盆栽试验和大田试验结果一致,但增大灌水量会造成玉米轻微减产。为获得满意的产量和较高的氮素回收率,华北平原砂壤土下再生水和地下水滴灌优化灌溉量均为75%充分灌溉,优化施氮量分别为140～160kg/hm~2和160～180kg/hm~2。综上,再生水灌溉能促进氮素吸收,进而刺激玉米生长和提高产量,但增加施氮量降低了再生水氮对玉米生长的有效性,两者为二次曲线关系,再生水氮有效性仅为尿素的50%～69%;灌溉水质、施氮量与NO_3~--N淋失、氮素表观损失量呈正相关关系,再生水灌溉适当降低施氮量能有效减少氮素损失,提高氮素利用率;华北平原再生水滴灌玉米优化灌溉量为75%充分灌溉,施氮量为140～160 kg/hm~2,玉米生育期滴灌再生水可减施约20 kg/hm~2尿素氮量。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S513

【参考文献】