密植提高玉米间作豌豆氮肥利用率的碳氮协同机理

发布时间：2017-10-03 12:03

  本文关键词：密植提高玉米间作豌豆氮肥利用率的碳氮协同机理

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【摘要】：禾豆间作具有特殊的氮素利用特征,能够提高单位面积产量和资源利用效率,对农业可持续生产具有重要意义。然而,氮肥利用率低是以施用氮肥追求高产的现代农业中出现的普遍问题,也是禾豆间作规模化应用的主要瓶颈,如何提高氮肥利用率是禾豆间作生产实践中亟待解决的重要问题。农田植株和土壤中的碳氮协同变化很大程度上决定着作物生长和氮素利用状况,而碳氮比作为衡量碳氮协同的重要指标,常常用来判断植物生长过程中对养分的利用情况和土壤养分水平的高低。在间作模式中,以种植密度为调控手段对植株和土壤中碳氮协同变化及其对复合群体产量和氮肥利用的耦合效应尚不明晰,探明这一机理对通过优化禾豆间作农田管理措施提高氮肥利用率具有重要指导意义。本试验在地方习惯施氮水平下,以玉米种植密度为调控手段,对玉米间作豌豆体系中植株和土壤碳氮协同变化规律,及其对复合群体产量及氮肥利用的耦合效应进行了研究,以期为通过密度调控提高禾豆间作提高氮素利用效率提供理论和实践依据。得出的主要结论如下:1、间作玉米、豌豆较相应单作具有碳、氮累积优势,玉米密植可以提高间作群体的碳氮累积总量、影响作物茎叶中的碳、氮运转及碳氮比。玉米间作豌豆碳当量比达到1.09-1.22;间作群体在高密度处理中,玉米种植密度为60,000株/hm2时,获得最大碳累积量,达到8244.8-8895.9 kg/hm2;间作玉米和间作豌豆叶片碳运转量和运转率均随玉米种植密度的增大而提高。玉米间作豌豆氮素累积总量分别较单作玉米和单作豌豆高4.7-28.5%和11.1-59.5%,其氮素当量比为1.08-1.35;玉米间作豌豆在中、高密度处理(玉米种植密度为52,500株/hm2和60,000株/hm2)中获得最高氮素累积量,分别为290.7-312.0kg/hm2和313.5-317.2 kg/hm2,较低密度处理分别高1.1-11.9%和1.7-20.1%;间作较单作促进了玉米茎鞘、叶片营养器官中累积的氮素向外部的转移,同时玉米种植密度的增大提高了间作玉米茎鞘、叶片的氮素运转量和运转率。间作作物群体碳氮比较单作玉米低了19.0-29.1%,较单作豌豆高了25.7-65.2%,间作群体的碳氮比随玉米种植密度的增大而提高;就间作组成作物而言,整个生育期玉米和豌豆植株总体碳氮比在各处理中差异不显著,但是间作相对于单作提高了玉米和豌豆茎、叶中的碳氮比,而玉米种植密度的增大降低了成熟期间作玉米和间作豌豆茎、叶中的碳氮比。2、间作和不同玉米密度对土壤有机碳和全氮含量影响不显著,但玉米间作豌豆较单作玉米提高了土壤硝、氨形态氮素水平,降低了土壤硝氨比和有机碳与硝氨形态氮素的比值;增大玉米种植密度促进了复合群体对土壤硝、氨形态氮素的吸收,提高了土壤有机碳与硝、氨形态氮素的比值。间作土壤硝态氮和氨态氮含量在0-20cm土层中分别较单作玉米高16.5-40.6%和13.8-86.2%,在20-40cm土层中分别高17.4-39.7%和33.5-86.5%;随玉米种植密度的增大,玉米收获时土壤硝态氮和氨态氮含量均有降低趋势。豌豆收获前间作玉米带土壤硝态氮含量高于豌豆带,豌豆收获时豌豆带与玉米带硝态氮比值为0.83-0.96,豌豆收获后豌豆带硝态氮含量逐渐高于玉米带,至玉米收获时豌豆带与玉米带硝态氮比值为1.10-1.31,并且随着玉米种植密度的增大豌豆带与玉米带硝态氮比值在增大,而整个生育期间作豌豆带土壤氨态氮含量均高于间作玉米带,豌豆带与玉米带不同时期土壤硝态氮和氨态氮含量差异提供了种间氮素互补利用的养分基础。豌豆的加入降低了间作土壤硝氨比,豌豆收获时间作土壤硝氨比较相对应单作玉米在0-20cm和20-40cm土层中分别低18.9-24.4%和23.4-27.0%,玉米收获时分别低14.1-23.0%和16.5-26.0%。3、玉米间作豌豆种植模式较组分作物单作具有显著的产量和氮素利用优势,玉米种植密度的增大提高和促进了间作复合群体产量和氮素利用。玉米间作豌豆基于籽粒产量的土地当量比(LER)均大于1,以高密度处理玉米间作豌豆最高,其LER趋于1.27-1.30之间;间作玉米产量占间作总产量的75.4-86.1%,是间作籽粒总产量的主要贡献者;玉米种植密度的增大提高了间作总产量和间作玉米籽粒产量,而降低了间作豌豆籽粒产量。玉米间作豌豆氮肥利用率较单作玉米提高了14.7-55.5%,增大玉米种植密度能进一步提高玉米间作豌豆氮肥利用率。4、玉米和豌豆茎、叶碳氮比可用于衡量碳氮协同变化及其对间作玉米和豌豆产量形成的耦合效应,同时玉米间作豌豆作物群体籽粒产量和氮肥利用率与0-20cm土壤有机碳与硝、氨形态氮素的比值关系紧密。开花期适宜的茎鞘、叶片碳氮比有利于获得较高的间作玉米籽粒产量,而成熟期较低的茎鞘、叶片碳氮比有利于间作玉米籽粒产量的形成和获得较高的氮素收获指数;开花期适宜的茎鞘、叶片碳氮比和成熟期较低的茎鞘、叶片碳氮比有利于间作玉米籽粒产量的形成和获得较高的氮素收获指数;开花期间作豌豆较低的茎、叶碳氮比、成熟期较高的茎部碳氮比和适宜的叶片碳氮比往往能获得较高的豌豆籽粒产量和氮素收获指数。豌豆开花期、玉米拔节期/豌豆鼓粒期较高的土壤有机碳与硝、氨形态氮素的比值是由作物群体对土壤氮素较大的吸收强度引起的,复合群体因此可获得较高的籽粒产量和氮肥利用率;豌豆收获时,间作玉米即将进入快速生长阶段和抽雄吐丝期,该时期适宜的土壤有机碳与硝、氨态氮的比值为间作对玉米的补偿效应和玉米后期产量的形成营造了良好的环境,最终获得较高的氮肥利用率;作物生长阶段对土壤硝、氨形态氮素的充分吸收提高了成熟期土壤有机碳与硝氨形态氮素的比值,所以成熟期较高的土壤碳氮比往往伴随着较高的间作产量和氮肥利用率。
【关键词】：禾豆间作 氮肥利用率 碳氮比 种植密度
【学位授予单位】：甘肃农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S513;S643.3
【目录】：

• 摘要2-4
• SUMMARY4-10
• 前言10-12
• 第一章 禾豆间作高效氮素利用机理研究进展综述12-19
• 1.1 禾豆间作产量和氮素利用优势12-13
• 1.2 禾豆间作氮素高效利用的可能机理13-14
• 1.2.1 共生固氮和氮素转移是禾豆间作氮素利用优势的基础13
• 1.2.2 种间竞争互补作用促进了复合群体的氮素利用13-14
• 1.2.3 特殊的地上部时空结构有利于提高资源利用效率14
• 1.3 陆地生态系统中碳、氮与植物生长的关系14-17
• 1.3.1 碳与植物生长的关系14-15
• 1.3.2 氮素与植物生长的关系15-16
• 1.3.3 碳、氮耦合与植株氮素有效利用的相关关系16-17
• 1.4 禾豆间作高效氮素利用的调控措施17-19
• 1.4.1 种植密度对间作群体种间相互作用的影响17
• 1.4.2 养分管理制度对禾豆间作氮素利用的影响17
• 1.4.3 带型配置与禾豆间作氮素利用的关系17-18
• 1.4.4 禾豆间作氮素高效利用的水氮耦合机制18-19
• 第二章 研究内容和方法19-26
• 2.1 研究内容19
• 2.2 技术路线19-20
• 2.3 试区概况20-21
• 2.4 试验材料与方法21-26
• 2.4.1 试验材料21
• 2.4.2 试验设计21-22
• 2.4.3 田间结构22
• 2.4.4 测量指标及分析方法22-25
• 2.4.5 数据统计及分析25-26
• 第三章 间作和密度处理对玉米/豌豆植株碳氮累积和分配的影响26-47
• 3.1 间作及密度对玉米/豌豆植株碳累积分配和运转的影响26-34
• 3.1.1 间作和密度处理对复合群体碳累积量的影响26-29
• 3.1.2 作物碳累积的间作优势29-30
• 3.1.3 间作和密度处理对玉米/豌豆植株碳分配和运转的影响30-34
• 3.2 间作和密度处理对玉米/豌豆植株氮素累积、分配和运转的影响34-41
• 3.2.1 间作和密度处理对玉米/豌豆植株氮素累积量的影响34-37
• 3.2.2 玉米间作豌豆的氮素累积优势37
• 3.2.3 间作和密度处理对玉米/豌豆植株氮素分配和运转的影响37-41
• 3.3 间作和密度对玉米/豌豆植株碳氮比的影响41-45
• 3.3.1 不同处理作物群体碳氮比的表现41-42
• 3.3.2 玉米植株碳氮比对间作和密度的响应42-44
• 3.3.3 豌豆植株碳氮比对间作和密度的响应44-45
• 3.4 小结45-47
• 第四章 间作和密度处理对土壤有机碳和氮素含量的影响47-77
• 4.1 间作和密度处理对土壤有机碳含量的影响47-49
• 4.1.1 土壤有机碳含量在不同处理中的表现47-48
• 4.1.2 玉米带土壤有机碳对间作和密度响应的动态变化48
• 4.1.3 豌豆带土壤有机碳对间作和密度响应的动态变化48-49
• 4.2 土壤氮素含量在间作和不同密度处理中的表现49-63
• 4.2.1 土壤全氮含量在不同处理中的表现49-52
• 4.2.2 间作和密度处理对土壤硝态氮的影响52-56
• 4.2.3 间作和密度处理对土壤氨态氮的影响56-60
• 4.2.4 土壤硝氨比对间作和密度的响应60-63
• 4.3 间作和密度处理对土壤碳氮比的影响63-75
• 4.3.1 土壤有机碳和全氮比值对间作和密度的响应63-66
• 4.3.2 土壤有机碳和硝态氮比值对间作和密度的响应66-71
• 4.3.3 土壤有机碳和氨态氮比值对间作和密度的响应71-75
• 4.4 小结75-77
• 第五章 不同密度处理玉米间作豌豆的产量表现与氮素利用特性77-88
• 5.1 间作和密度对玉米和豌豆产量的影响77-82
• 5.1.1 玉米间作豌豆的土地利用优势77
• 5.1.2 间作和密度处理对作物籽粒产量的影响77-80
• 5.1.3 间作和密度处理对玉米间作豌豆生物产量的影响80-82
• 5.2 间作和密度处理对作物氮素利用特性的影响82-86
• 5.2.1 间作和密度处理对作物氮素收获指数的影响82-83
• 5.2.2 间作和密度处理对作物氮素利用效率的影响83-85
• 5.2.3 间作和密度处理对作物氮肥利用率的影响85-86
• 5.3 小结86-88
• 第六章 碳氮变化对玉米间作豌豆产量和氮素利用特性的耦合效应88-100
• 6.1 植株碳氮协同变化对玉米间作豌豆产量和氮素利用特性的耦合效应88-94
• 6.1.1 植株碳氮协同变化对玉米间作豌豆产量的耦合效应88-92
• 6.1.2 植株碳氮协同变化对玉米/豌豆间作群体氮素利用特性的耦合效应92-94
• 6.2 土壤碳氮协同变化对玉米间作豌豆产量和氮肥利用率的耦合效应94-99
• 6.2.1 土壤碳氮协同变化对玉米间作豌豆产量的耦合效应94-96
• 6.2.2 土壤碳、氮变化对玉米间作豌豆氮肥利用率的耦合效应96-99
• 6.3 小结99-100
• 第七章 讨论与结论100-110
• 7.1 讨论100-106
• 7.2 结论106-110
• 参考文献110-120
• 致谢120-121
• 个人简介121-122
• 导师简介122-123

【共引文献】

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