滴灌施肥条件下温室甜椒水氮耦合效应研究

发布时间：2019-03-29 06:45

【摘要】：为使蔬菜生长迅速、产量最大化,投入过量氮肥的现象非常普遍,使得菜地土壤环境不断恶化,同时对设施蔬菜产业的可持续发展构成严重威胁。近年来,随着人民生活水平的提高,甜椒因其高营养价值而深受人们喜爱,在设施蔬菜中占重要地位。甜椒对水分和氮素营养成分的要求较为严格,但农民仍然凭经验灌水施氮,因此优化水氮管理,提高产量和水肥利用效率,是甜椒规模化生产中亟待解决的问题。在缺水的西北地区,优化水氮管理,充分发挥水氮激励机制和协同效应,对提高甜椒经济产量、水氮利用效率、果实品质,以及保护水土环境有十分重要的意义。本文以美国甜椒品种“马可力”(Capsicum annuum L.var.grossumMarcomi F1)为试验材料,于2014和2015年4-7月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室进行了甜椒栽培试验。在日光温室环境下,根据温室内的气象资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith修正公式确定灌水量,设置4个灌溉水平(105%ET0:W1、90%ET0:W2、75%ET0:W3、60%ET0:W4),其中ET0为参考作物蒸发蒸腾量;依据当地推荐施氮量300 kg/ha,设置4个施氮水平:100%(300 kg/ha:N1)、75%(225 kg/ha:N2)、50%(150 kg/ha:N3)和25%(75kg/ha:N4)。通过分析滴灌施肥条件下不同水氮供应对甜椒生长、生理、产量及构成要素、水分利用效率、氮肥偏生产力、植株氮累积量、土壤残留氮累积量和土壤水分的影响,研究西北地区温室环境下不同水氮供应下甜椒生长特性、干物质积累、水氮消耗机制,以及土壤水分和硝态氮运移规律。在此基础上,使用HYDRUS-3D软件模拟和验证了甜椒根系吸水和土壤水分运移,探讨了植株根区土壤水分运动特性;建立和验证了西北地区不同水分条件下温室甜椒的临界氮浓度稀释曲线模型,基于模型探讨了植株生物量对氮素营养的响应,并结合氮营养指数模型和氮素吸收模型对甜椒进行了氮素营养诊断。具体结果如下:(1)一定范围内提高施氮水平可促进温室甜椒植株生长发育,施氮过量易造成氮素营养供过于求,改变根区土壤微环境,不利于植株吸收利用。本试验条件下,W2、W3灌溉水平和N2、N3施氮水平组合,可供给植株一定的水分胁迫锻炼和适宜的养分条件,能较好维持甜椒的“源—库”关系,植株叶片叶绿素含量较高,能较好的维持叶片功能,促进叶面积指数和生物量增长,从而使单株果数、单果重和单株产量增加,经济产量得以提高。施肥处理对植株各器官干物质累积量的影响大于灌溉处理,收获期各器官干物质累积分配比例由大到小依次为:果实茎叶根。低水低肥条件下,作物根系的“觅食性”表现更为明显。2 a平均情况下,与W1灌溉水平相比较,W2和W3灌溉水平的经济产量分别提高了9.16%和2.06%,W4灌溉水平的经济产量则降低了28.04%;与N1氮素水平相比较,N2和N3氮素水平的经济产量提高了33.99%和30.39%,N4氮素水平下降低了2.21%。在西北地区设施栽培模式下,w2灌溉水平(90%et0)和n2施n水平(225kg/ha)下甜椒平均经济产量最高,为35.41t/ha;w3灌溉水平(75%et0)和n2施n水平(225kg/ha)下,平均经济产量第二,为33.11t/ha;w3灌溉水平(75%et0),n3施n水平(150kg/ha)下,平均经济产量第三,为31.79t/ha。(2)不同灌溉和施n水平对温室甜椒全生育期土壤剖面硝态氮累积量影响显著。全生育期土壤剖面硝态氮的累积量既受植株吸收利用的影响,又受灌水和施氮的影响。植株苗期根系较浅,吸收利用水分和养分能力较小,增加施氮量,尤其在灌水量充分条件下,易促使硝态氮向深层土壤渗漏,污染土壤环境。在本试验条件下,w2、w3灌溉水平和n2、n3施n水平组合下,甜椒植株消耗水分较多,耗水量较大,生长发育较快,生物量累积较快,为高产奠定了基础。2a平均情况下,w3n3处理的水分利用效率最高,为17.84kg/m3,w2n3处理次之,为17.26kg/m3,w3n2处理第三,为16.57kg/m3。开花坐果期是营养生长和生殖生长并进期,植株根系较发达,水分和养分吸收能力加大,水肥需求较大,不同深度的土壤硝态氮含量差异较苗期减小。在果实转色期,甜椒营养生长减弱,水分对果实着色的影响大于养分,果实进入生理成熟期。收获期植株对水分和养分的需求减弱,施氮量显著影响土壤硝态氮的总累积量,灌水则影响显著硝态氮的剖面分布。相同灌溉条件下,随着施n水平的提高,氮利用效率、氮吸收效率和氮肥偏生产力均呈增大趋势。(3)植株各器官氮累积量表现为果实叶茎根。适宜的水氮供应(w2、w3灌溉水平和n2、n3施n水平)促使植株各器官氮吸收累积量增加较快,从而促进作物生长发育和果实发育,在产量无明显下降时显著提高果实品质。基于主成分分析法综合评价甜椒果实品质,结果表明,n3水平下各处理的果实品质最优,w3n3处理排名第一,w4n4处理下植株因受严重的水分胁迫和养分胁迫而使果实品质较劣,排名在最后。(4)灌溉和施n水平显著影响甜椒根系的生长和分布,滴灌施肥条件下随着灌溉水平和施氮水平的降低,甜椒根尖数和分叉数明显增加,根表面积减少。随着灌水量的减少,浅层土壤(0 40cm土层)内根长所占比例减小,深层土壤(40 80cm土层)内根长所占比例增加,根尖数和分叉数明显增加。在逆境(水分和养分胁迫条件下)生长中,植株根系自我调节功能加速了根系向深层土壤的生长,根尖数和分叉数增加。(5)本研究通过温室小区试验,基于hydrus-3d软件模拟和验证了滴灌施肥条件下甜椒果实膨大期根系吸水和土壤水分运移数值模拟。结果表明,hydrus-3d模拟根系吸水和土壤水分运移效果较好,果实膨大期不同深度土壤含水率实测值均匀分布在模拟曲线两侧。t检验结果表明土壤含水率模拟值和实测值无显著差异,模型精度较好。(6)依据2a温室小区试验资料,构建和验证了西北地区不同水分条件下日光温室甜椒的临界氮浓度稀释曲线经验模型。分析结果表明,提高灌溉水平,植株的氮素吸收量、地上部生物量、经济产量和水分利用效率呈先增加后减小的趋势。基于氮营养指数模型与氮素吸收模型的氮素营养诊断结果一致:各灌溉水平下最佳施n量均介于150~225 kg/ha之间,且更接近225 kg/ha。氮素营养对经济产量和水分利用效率的效应分析结果表明,W3灌溉水平(75%ET0)和W2灌溉水平(90%ET0)较有利于甜椒的植株对氮素营养的吸收利用,地上部生物量、经济产量和WUE较高。基于经济产量考虑,75%ET0和90%ET0灌溉水平下适宜施氮量分别为192.69和194.00 kg/ha,对应经济产量分别为34.14和35.33 t/ha;基于WUE考虑,75%ET0和90%ET0灌溉水平下适宜施氮量分别为191.13和191.83 kg/ha,对应WUE分别为17.07和15.30 kg/m3。在适宜施氮量无显著差异的情况下,W3灌溉水平(75%ET0)时可获得仅低W2灌溉水平(90%ET0)约3%的经济产量,但可提高约11%的水分利用效率。考虑到研究区水资源比较短缺,灌水量为75%ET0施氮量为190 kg/ha左右为最佳滴灌策略。(7)基于理想点法综合评价水氮耦合效应,分析结果表明,N2施氮处理较有利于促进多目标综合水平,N4施氮处理则较不利于各目标达到综合最优,所有处理中W3N2处理最优,W2N2处理次之。基于最小二乘法原理,运用采用Mathematica 9.0分析综合效益,得出2014和2015年甜椒经济产量、WUE和Vc含量三个指标同时达到≥85%最大值的灌水区间分别为195.9~212.9(即为78.2~85.0%ET0)和190.5~167.8(即为71.3~80.8%)mm,施氮区间分别为160.7~185.1和164.5~189.5 kg/ha。综合不同年型,本试验条件下,甜椒经济产量、WUE和Vc含量三个指标同时达到≥85%最大值的灌水施氮区间为78.2~80.8%ET0和164.5~185.1 kg/ha。该区域范围的确定可为温室甜椒高产优质高效的水氮管理提供科学依据。
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【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】：2017
【分类号】：S626;S641.3

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