集约化条件下供磷强度与根系空间对玉米生长的影响及磷高效利用策略

发布时间：2018-12-27 12:17

【摘要】：农业生产中磷利用效率低是当前国家实施“化肥零增长计划”所面临的重大挑战,也是制约农业可持续发展的重要因子之一。大量研究表明,在缺磷条件下,植物可通过其根系形态(扩展生长空间影响根际范围)和生理的活化作用(强化根际养分的化学活化能力)从土壤中高效获取磷资源。但在当前磷过量投入的集约化生产条件下,土壤供磷强度和根系生长空间如何影响作物对土壤磷的利用,其关键过程和调控途径并不清楚。在过量施磷的条件下,理解根系对土壤供磷强度和生长空间的响应,对优化磷肥投入,提高磷资源利用效率具有重要的科学价值和实践意义。本文以6年玉米磷肥田间定位试验为基础,结合已发表的文献数据,探讨了长期磷投入条件下,土壤供磷强度对玉米生长的影响、土壤累积态磷(残效磷)高效利用的根际过程和农田系统减磷增效的潜力；揭示了土壤供磷强度和根系空间的协同效应及对玉米根系生长和磷吸收的影响；综合分析了土壤水分对磷有效性的影响以及有机无机配合施用对化学磷肥替代的效应和潜力。主要结果和结论如下：1.定量了我国典型农田磷累积量及作物对累积磷的响应。过量施磷导致土壤磷的累积,同时驱动了土壤供磷强度的变化。土壤供磷强度显著影响不同轮作体系(小麦-玉米、小麦-水稻和水稻-水稻)磷肥增产效应的历史变化。自1980年以来,在小麦-玉米和小麦-水稻轮作体系中,磷肥增产效应随着土壤供磷强度的提高呈现先增加后下降的趋势,而在水稻-水稻轮作体系中,磷肥增产效应始终维持在10%左右。近10年来,施磷的增产效应不显著。表明在当前磷过量投入的条件下,三种轮作体系都有较大的减磷增效潜力。2.明确了长期磷投入条件下,玉米根系对供磷强度的响应及对土壤磷的利用效率,揭示了过量施磷条件下作物利用土壤磷的机制。2010-2012年,不施磷处理的玉米产量没有显著降低,表明土壤中的残效磷在3年内可以满足玉米磷需求；自2010到2015年,在P2(75kg P2O5ha-1)的供磷强度下,根系扩展空间(根系大小)和根系效率(单位根干重的磷吸收量)显著提高,玉米产量达到最大。在6年试验期间,玉米从土壤中挖掘的磷量逐年提高。表明通过维持合适的土壤供磷强度(12.5 mg kg-1),可显著增加玉米根系生长的空间范围,从而提高玉米对土壤磷的利用。3.系统比较了玉米对不同土壤供磷强度和根系生长空间的响应。土壤供磷强度和根系生长空间对玉米的磷吸收存在协调关系：在一定空间条件下,提高土壤供磷强度可以调控根系生长,进而促进玉米对磷的吸收；反之,在一定的土壤供磷强度下,扩大根系生长空间,可促进玉米对磷的吸收。表明玉米根系从土壤中高效获取磷,需要一定的生长空间和适宜的供磷强度相匹配,二者存在明显的协调关系。4.揭示了土壤水分和磷有效性协同调控玉米生长和磷吸收的过程。在适度干旱的条件下,提高土壤供磷强度,可以促进玉米对磷的吸收,其原因是提高了土体磷向根表的扩散梯度；在缺磷的条件下,水分调控促进根系空间的扩展,提高土壤磷对玉米的空间有效性。表明适宜的土壤水分在很大程度上提高了根系的生长空间以及土壤磷的有效性,二者的协同效应是促进玉米对土壤磷获取的主要机制。5.证明了有机肥对化学磷肥的替代效应和潜力。有机无机配合施用可降低50%化学磷肥的投入,有机肥可部分替代化学磷肥,调控根系生长,进而提高玉米对磷的吸收和籽粒产量。基于氮投入量计算的有机肥施用导致磷的输入量显著增加；基于磷投入量计算的有机肥施用维持了农田磷的相对平衡(但需补充一定量的氮肥),是本研究推荐的磷管理策略。结果表明,“基于磷量”施用有机肥部分替代化学磷肥,是提高磷可持续利用的有效途径。总之,我国主要农田持续磷肥的投入导致土壤磷肥力提高,三大种植体系的磷肥增产效应显著下降,表明集约化体系具有明显的“节磷增效”潜力。连续6年的“磷肥效应”长期定位试验进一步证明,集约化玉米种植体系土壤累积了较高的磷,在不施磷的情况下仍可维持3年的玉米产量没有下降,土壤供磷强度和根系空间对玉米生长的影响存在协调关系,土壤水分显著影响土壤磷的扩散和空间有效性,从而影响玉米对磷的高效利用,有机无机配合施用在保证玉米生长和稳产的同时,能替代50%化学磷肥的投入。提出控制适宜的根层土壤供磷强度、优化土壤水分状况、协调土壤供磷水平和根系生长空间,结合磷肥减施和有机肥部分替代化肥投入,是提高集约化玉米体系磷利用效率的重要途径。
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【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S513
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本文编号：2393048