斜发沸石对水稻节水增产及控氮机理研究

发布时间：2018-11-20 20:48

【摘要】：随着我国农田水—氮管理技术的快速发展,稻田由单一的增产目标开始向节水、高产和高效多目标转变。但是严重的水分胁迫下限与过高氮肥施用量,由于水分过度亏缺和不能有效地匹配水稻的需氮规律导致了"优势流"和氮素损失等问题,而达不到对水—氮资源高效利用的目标。因此,引入高效的控氮和节水材料对缓解稻田氮素损失和提高土壤持水能力以降低"优势流"发生风险进而提高水—氮利用率具有重要的意义。本研究选取斜发沸石(沸石的一种,Z)作为控氮和节水材料,根据其高NH4+吸附量、高持水量和无害的特性,通过大田试验和室内材料控释试验,研究了在不同水—氮条件下,施用沸石对土壤水—氮调控、根系发育、水—氮利用和稻谷产量形成过程的影响机制。根据递进的脉络行文,分别确定了稻田沸石施用方法、基于沸石的氮肥管理模式和水分管理与基于沸石的氮肥管理模式的高效水—氮耦合模式。主要研究结果和结论如下:(1)斜发沸石对水稻生长特性及耗水量具有显著影响。常规施氮时,沸石粒径Z80(0.178mm)且施入10t·hm-2能够综合提高水稻叶面积指数、有效分蘖数和水稻株高等指标,但是施入过量沸石(15t·hm-2)不能进一步提高水稻的生长特性。施用沸石对水稻生长特性的影响具体表现为:低氮时,沸石抑制水稻生长,而施用高氮可以解除沸石引起的抑制效应进而促进水稻生长。常规施氮时,施入沸石处理平均增产10.1-15.3%,水分生产率(WP)7.3-12.5%,且这种效应在干湿交替灌溉条件下(AWD)更明显。适宜干湿交替灌溉(IM)和重度干湿交替灌溉(IH)分别较淹灌(IF)节水14.5%和26.5%;IM和IH条件下,沸石在分蘖期和乳熟期平均节水5.8%和12.0%,但是在需水关键期(拔节孕穗期、抽穗开花期)反而增加了耗水量;(2)斜发沸石对土壤水分和氮素的调控过程具有一定的影响。稻田集中施用氮肥后1-6天,沸石由于加快了尿素水解过程进而在数值上提高了土壤中NH4+含量;7-12天,沸石因对离子的吸附而显著降低了土壤NH4+含量,产生较强的氮素胁迫效应;13-25天,沸石随时间缓慢地解吸NH4+并显著提高了 N03-含量;26-45天,沸石处理土壤NH4+和N03-含量显著高于对照处理。但是三次追肥加沸石处理(CRF3)控释有效氮素的时间能够持续到乳熟期。沸石施入耕层土壤(0-30cm)7.5和15t·hm-2,相比对照分别提高田间持水量(FC)0.81和1.56%。土水势在-10kPa到-37kPa时,沸石由于对水分的缓释作用能够显著提高耕层土壤水分含量,因此在非需水关键期,沸石明显延长了土壤湿润周期进而降低灌溉频率,产生一定的节水效应。但是在需水关键期,水稻长势好且需水量较高,此时沸石的节水作用不能补偿水稻较高的耗水量,导致其节水效果较差。但是从土壤水分变化动态看,沸石自身的节水潜力还有较大的开发空间;(3)斜发沸石对土壤养分含量和水稻根系具有显著的影响。沸石处理不仅明显提高了土壤中K、微量元素Na和Ca等养分的含量,还明显地强化了水稻根系主根长、根体积、根干重和根系活力。发达的根系增强了水稻对土壤有效水分和养分的吸收与运输过程,最终显著提高了水稻对灌溉水和氮素的利用;(4)斜发沸石对水稻地上部分植株氮含量和产量形成过程具有显著的影响。不同灌溉模式下,稻田施用沸石分别显著提高地上部分干物质量和吸氮量13.5%、15.2%。施用沸石虽然提高了根系和穗部的吸氮能力(氮含量),但是降低了茎和叶部的吸氮能力;沸石和集中施氮肥组合(CRF1)具有最大的灌浆终止量(2.12 g·100grain-1)、活跃灌浆周期(29.02 d)和最低的最大灌浆速率(0.11 g·(100grain·day)-1)、平均灌浆速率(0.073 g·(100grain·day)-1),因而其产量形成过程最为稳定;(5)斜发沸石对NH4+吸附和解吸特性具有显著的影响。单位用量沸石对NH4+的吸附总量随自身用量的增加呈现幂函数降低的趋势。溶液中添加外部离子如Na+由于竞争机制会降低沸石对NH4+的吸附量。但是通过减少溶液量提高离子浓度,反而增加了沸石对NH4+的吸附量。综上,稻田应用适宜干湿交替灌溉(IM)并采用传统施氮量(N157.5)加沸石Z80(直径0.178mm,5-10t·hm-2),在保证高效生产(因集中施氮肥而降低劳动成本)的条件下,还能够获得较高的产量和水分生产率,同时该管理模式还能通过强化"土壤-根系-地上植株-灌浆"进程而获得较高的氮肥吸收量、氮肥利用率和氮素收获指数,是节水、高产和高效综合最佳的管理模式。
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【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S511

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