西北旱区春玉米滴灌施肥水肥耦合效应研究

摘要

西北旱区光热资源丰富，利于作物实现高产。然而该地区由于水资源短缺和水肥利用效率较低等问题，发展水肥高效利用的现代农业一直受到制约。近年来，随着农业集约化的推进，西北地区玉米生产发展迅速，采用滴灌施肥技术逐渐增多，在水资源短缺的西北地区，如何利用滴灌施肥技术提高玉米产量和水肥利用效率，对于高效、绿色的现代农业发展具有重要意义。本研究以春玉米为研究对象，于2015年和2016年在中国农业大学石羊河试验站开展了不同滴灌施肥水肥耦合田间试验，以期探索提高水肥利用效率的滴灌施肥模式。 利用两年的大田试验，以春玉米“强盛51号”为试验材料，设置4个灌水水平，2015年和2016年分别为I60、I75、I90、I105和I60、I80、I100、I120；4个施肥水平：F60、F120、F180和F240，共16个处理。对不同滴灌施肥水平春玉米生长、产量及构成要素、根系指标、水分利用效率、氮磷钾利用效率、氮磷钾累积量、土壤水分和土壤温度进行了分析，研究了该地区不同滴灌施肥处理春玉米生长特性、干物质累积规律、根系分布规律、土壤水热分布规律及水肥消耗机制，在此基础上，建立了春玉米相对根长密度分布模型，利用HYDRUS-2D模拟和验证了不同滴灌施肥春玉米土壤水热运移规律。具体结果如下： （1）探究了滴灌施肥条件下不同水肥供应对春玉米生长发育和干物质累积的影响机制，并运用主成分分析法对各指标进行了综合评价。 2015和2016年不同水肥处理春玉米株高、茎粗均随灌水量和施肥量增加而增加，分别在I105F240和I120F240处理取得最大值。两年LAI均表现出“递增-平台-降低”的规律。两年根干物质量均随施肥量增加而降低，在F180施肥水平达到最大值，施肥量过大不利于根系生长。从根冠比来看，两年根冠比均随灌水量增加而降低，随施肥量增加先增加后降低，均在I60F120处理取得最大值。作为直接反映作物群体“源-库”关系的收获指数，2015年和2016年灌水和施肥对春玉米收获指数的影响均达极显著水平（P＜0.01）。两年各处理春玉米净同化率（NAR）在整个生育期均呈现出“M”形双峰曲线变化，地上部干物质量符合Logistic生长模型，且拟合结果较优（R2=0.996，P＜0.01）。植株生长状况与作物产量的形成紧密相关，运用主成分分析法综合评价春玉米产量与生长指标、水分利用效率、收获指数、净同化率的相关关系，发现地上部干物质、净同化率与产量关系最为密切，灌水和施肥分别在100%~105%ETc灌水量与F180施肥量得分最高。 （2）优化水肥管理实现了春玉米产量和水肥利用效率的协同提高，并显著降低了肥料损失。 春玉米对不同养分的利用效率因施肥量和肥料性质不同而不同，规律表现为磷素>钾素>氮素。就氮肥而言，用量为120kg N ha-1时，春玉米氮素利用效率最高，当氮肥用量增加到240kg N ha-1时，氮素利用效率降低了13.1%。磷肥施用范围为30~60kg P2O5ha-1时，更有利于磷素利用效率的提高。过量施用钾肥会造成植株对钾的奢侈吸收，降低产量，使钾素利用效率降低，当钾肥施用量从30kg K2O ha-1增加到120kg K2O ha-1时，钾素利用效率下降了25.2%。春玉米籽粒对不同养分摄取量反应出植株对于养分的需求比例，不同水肥处理春玉米籽粒的氮磷钾摄取量比值平均为1∶0.21∶0.39。 （3）探究了滴灌施肥条件下不同水肥供应对春玉米各生育期根系分布规律，建立了考虑水肥耦合下春玉米相对根长密度分布模型。 春玉米各生育期根系特征参数与产量和地上部总干物质量均呈显著相关关系，相关系数大小按生育期排序表现出灌浆期＞大喇叭口期＞成熟期＞小喇叭口期规律，保证大喇叭口至灌浆期合理的水肥供应最为重要，其次是小喇叭口至大喇叭口期，播种至小喇叭口期和灌浆至成熟期2个生育阶段有较大的节水节肥潜力。建立滴灌不同水肥供应春玉米相对根长密度（NRLD）分布模型，发现春玉米NRLD与土壤相对深度呈现显著的三阶多项式函数。运用NRLD分布模型估算相对深度根系分布比例，从估算结果可以看出，根系主要集中于表层土壤，地表至相对根系扎深1/3处根长占总根长比例平均达73.6%，地表至相对根系扎深1/2处根长占总根长比例达82.8%。 （4）揭示了不同水肥供应春玉米根区土壤水分和土壤温度的时空分布规律，并基于HYDRUS-2D模型模拟和验证了滴灌施肥条件下玉米农田的水热运移规律。 不同灌水量春玉米小喇叭口至成熟期土壤表层下5cm日均温度差异显著。同一灌水处理不同土层在苗期取得最大温差，拔节期次之。T1点土壤温度离散程度要大于其他位置点，中位值随着土层深度的增大而降低；相同位置土壤温度中位值随着灌水量的增加而降低。采用HYDRUS-2D模型模拟滴灌春玉米土壤水热运移，发现土壤含水量和土壤温度模拟值与实测值吻合度较好。I60、I75、I90和I105灌水处理0-20cm土层土壤含水量模拟值与实测值n-RMSE介于11.9~21.3%，其他土层模拟值与实测值n-RMSE均小于20%。表层土壤（5cm）土壤温度的RMSE随着灌水量增加而降低，其他土层RMSE随着灌水量增加先降低后增加，均在I90处理取得最小值。土壤温度标准差化均方根误差（n-RMSE）除了I60处理在表层土壤5cm处大于10%（为14.0），其他灌水处理各土层均小于10%，模拟效果均为极好水平。 （5）研究分析了滴灌施肥条件下春玉米产量、干物质量、水分利用效率、肥料偏生产力及经济效益指标的水肥耦合效应。 基于最小二乘法原理，建立和求解了单目标的二元二次方程，2015年和2016年灌水量和施肥量作为自变量的春玉米产量、地上部干物质量、WUE、PFP和净收益的二元二次回归方程均达极显著水平（P＜0.01），决定系数均在0.8以上。运用二元二次回归和归一化处理相结合的方法，2015年和2016年灌水量分别为452（110%ETc）和449（98%ETc）mm，施肥量分别为190-95-95和178-89-89（N-P2O5-K2O）kg/ha，可以使春玉米产量、WUE和净收益的综合效益最大化。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 滴灌施肥

1.2.2 滴灌施肥对作物生长、产量和水分利用效率的影响

1.2.3 滴灌施肥条件下水分和养分转化的研究

1.2.4 滴灌施肥条件下作物根长密度分布及根系生长模型的研究

1.2.5滴灌条件下土壤水热运移模拟

1.3 需要进一步研究的问题

第二章 研究内容与方法

2.1 研究内容与技术路线

2.2 试验区概况

2.3 试验设计

2.4.1 生长指标

2.4.2 土壤指标

2.4.3 根系指标

2.4.4 植株全氮、全磷、全钾含量

2.4.5 产量

2.4.6 收获指数

2.4.7 耗水量

2.4.8水分利用效率（water use efficiency，WUE）

2.4.9肥料偏生产力（partial factor productivity，PFP）

2.4.10养分利用效率（Nutrient use efficiency，NUE）

2.4.11养分吸收效率（Nutrient uptake efficiency，UPE）

2.4.12 经济效益（Economic benefits，Eb）

2.5 模型描述

2.5.1 滴灌土壤水热运移过程的数学模型构建

2.5.2 初始条件和边界条件

2.5.3 滴灌根系吸水模型

2.6 数据分析

第三章 滴灌施肥春玉米生长的水肥耦合效应

3.1 前言

3.2 滴灌施肥水肥耦合对春玉米株高和茎粗的影响

3.2.1 不同滴灌施肥处理对春玉米株高的影响

3.2.2 不同滴灌施肥处理对春玉米茎粗的影响

3.3 不同滴灌施肥处理对春玉米叶面积指数的影响

3.4 不同滴灌施肥处理对春玉米干物质累积的影响

3.4.1 地上部干物质累积

3.4.2 根干物质累积

3.5 不同滴灌施肥处理对春玉米根冠比的影响

3.6 不同滴灌施肥处理对春玉米收获指数的影响

3.7 不同滴灌施肥处理对春玉米净同化率的影响

3.8 春玉米各生长指标对滴灌施肥的响应分析

3.9 讨论与小结

第四章 滴灌施肥春玉米根系生长的水肥耦合效应

4.1 引言

4.2 不同水肥供应春玉米灌浆期根系特征参数

4.3 不同滴灌施肥处理对春玉米根长密度分布的影响

4.4 不同滴灌施肥处理对春玉米根系空间分布影响

4.5 滴灌施肥条件下春玉米根长、根表面积和根质量之间的相关关系

4.6 春玉米各生育期根系特征参数与产量和地上部总干物质量的相关关系

4.7 讨论与小结

第五章 滴灌施肥水肥供应对春玉米养分累积及转运的影响

5.1 引言

5.2 滴灌施肥水肥供应对春玉米各器官养分吸收量及分配率的影响

5.2.1 N吸收量及分配

5.2.2 P吸收量及分配

5.2.3 K吸收量及分配

5.3 滴灌施肥水肥供应对春玉米养分利用效率和养分吸收效率的影响

5.3.1 养分利用效率

5.3.2 养分吸收效率

5.3.3 单位重量籽粒养分摄取量

5.4 讨论与小结

第六章 滴灌施肥水肥供应对春玉米产量、水分利用效率及经济效益的影响

6.1 引言

6.2 春玉米田间气象条件

6.3 不同滴灌施肥处理对春玉米产量（t/ha）的影响

6.4 不同滴灌施肥处理对春玉米地上部生物量（t/ha）的影响

6.5 不同滴灌施肥处理对春玉米水分利用效率（kg/m3）的影响

6.6 不同滴灌施肥处理对春玉米肥料偏生产力（kg/kg）的影响

6.7 不同滴灌施肥处理对春玉米经济效益的影响

6.8 滴灌施肥水肥耦合效应分析

6.9 讨论与小结

第七章 考虑水肥供应的滴灌春玉米相对根长密度分布模型

7.1 引言

7.2 滴灌施肥水肥供应对春玉米RLD分布的影响

7.3 不同水肥供应对滴灌春玉米NRLD分布的影响

7.4 滴灌施肥条件下春玉米NRLD分布模型构建

7.5 春玉米NRLD分布模型优化

7.6 春玉米NRLD分布模型的验证

7.7.1 估算土壤剖面RLD分布

7.7.2估算根系分布比例

7.8 讨论与小结

第八章 滴灌施肥春玉米土壤水热运移模拟研究

8.1 引言

8.2 滴灌施肥条件下土壤含水率的动态分布

8.3 滴灌施肥条件下春玉米土壤温度的分布规律

8.4.1模型参数估计

8.4.2根系吸水模型

8.4.3模型验证

8.5.1 土壤水分

8.5.2 土壤温度

8.6 讨论与小结

第九章 结论与展望

9.1 主要研究结论

9.2 论文创新点

9.3 不足与展望

参考文献

致谢

个人简历