养分优化管理提高水稻产量及其生理生态机制的研究

摘要

为减轻人口增长和经济发展对粮食需求的压力，特别是在耕地面积持续减少和粮食种植面积扩大潜力非常有限的形势下，大面积持续提高作物单产已经成为保障我国粮食安全的重要途径。农民为了达到高产目的而过量施用化肥，致使我国走上了一条高投入、高产出和高资源环境代价的农业发展道路。因此，改变农民习惯施肥，构建土壤-作物-环境三位一体的养分优化管理模式，是兼顾实现作物高产优质与资源高效利用的农业现代化生产的迫切需求。
　　本研究采用田间试验的方法，于2009-2013年在江苏省如皋市农业科学研究所长期定位试验田水稻进行3种不同氮肥管理模式的试验:不施氮(PK)、农民习惯施肥(FFP)和氮肥优化管理(OPT)，其中OPT包括4个不同的处理，分别为OF（优化施肥）、OFR（优化施肥的基础上减氮）、OFRD/OFRS（OFR处理基础上增密或以有机肥替氮）和OFRDR/OFRRS（OFRD处理的基础上减氮或OFR的基础上减氮再有机肥替氮）。研究了不同氮肥管理模式对水稻生物量累积与分配、产量与氮效率、冠层生理生态、产量形成过程中养分流和非结构性碳水化合物(NSC)的动态变化及其相关性、锌生物强化和不同养分管理模式区域大面积应用的影响，以期为养分优化管理实现水稻高产高效生产提供理论和实践依据。主要研究结果如下:
　　1、氮肥优化管理模式有利于水稻形成一个随生育时期的变化而持续高产高效的生物学群体。
　　(1)孕穗前FFP处理水稻生物量累积和分配显著高于PK和OPT处理，开花后FFP处理则显著低于OPT处理;
　　(2)水稻叶和鞘生物量累积呈先增加后降低的变化，而花后水稻茎相对稳定;分蘖期FFP处理叶和鞘生物量累积均显著高于OPT处理;
　　(3)水稻叶和茎生物量分配逐渐降低，鞘则先增加后降低，各时期生物量分配大小叶为FFP＞OPT＞PK，鞘和茎为PK＞OPT＞FFP;
　　(4)开花后水稻生物量累积大小各叶位为倒2＞倒3＞倒1，鞘位为倒1＞倒3＞倒2，茎位为倒3＞倒2＞倒1。
　　2、氮肥优化管理可以合理配置水稻群体不同生育时期氮累积和分配，协同实现最高的籽粒产量和构成、最大的肥料利用率和最低的环境次生风险。
　　(1) OPT处理在较FFP显著降低氮肥用量22.9％(OF)-56.0％(OFRRS)时显著提高水稻产量，且OF处理产量较FFP提高4.6％;
　　(2)水稻氮累积和分配在分蘖期均是FFP处理显著高于PK和OPT，而后氮累积OPT与FFP间的差异不显著，但OPT处理氮分配在孕穗后显著地高于FFP，并获得较高的氮收获指数;
　　(3)水稻OPT处理PFPN、AEN和REN的平均值分别高于FFP处理62.7％、62.8％和70.2％。
　　3、氮肥优化管理模式之所以可以实现水稻高产和养分资源高效，在于其能形成一个随生育时期的变化而持续理想的作物群体生理生态功能。
　　(1)水稻叶面积指数（LAI）呈先增加后降低的变化，FFP处理LAI在孕穗前显著高于PK和OPT，而后则均以OF处理最大，开花期水稻各叶位LAI大小为倒2＞倒3＞倒1叶;
　　(2)水稻叶片修剪越多对籽粒参数影响越大，且对弱势粒的影响高于强势粒;对单穗重、强势粒千粒重和弱势粒千粒重的贡献百分率以茎鞘和余下叶最高，倒数2或3片叶次之，倒数1片叶最低;
　　(3)水稻叶片SPAD值在开花后逐渐降低，FFP处理SPAD值在孕穗前高于PK和OPT，开花期和收获期水稻各叶位SPAD值分别为倒2＞倒3＞倒1和倒1＞倒2＞倒3;
　　(4)水稻光合参数逐渐降低，孕穗前水稻FFP处理的光合参数高于OPT，且开花后水稻不同空间叶位光合参数为倒1＞倒2＞倒3叶;
　　(5)水稻各时期PK处理的冠层温度(CT)均高于FFP和OPT，孕穗前FFP处理低于OPT，而开花后差异不显著，且一天中不同时段各处理的变化一致;
　　(6)水稻群体叶含水量（LWC）随生育期逐渐降低，各时期PK处理均低于FFP和OPT处理，水稻开花前FFP处理均高于OPT处理，而后差异不显著;开花后水稻各叶位LWC大小为倒3＞倒2＞倒1叶;
　　(7)水稻群体叶氮浓度(LNC)与LWC和净光合速率(Pn)呈正相关，CT与LNC、LWC、Pn、蒸腾速率(Tr)和生物量或产量呈负相关。
　　4、氮肥优化管理模式显著地影响水稻产量形成过程中植株体内营养物质的动态变化和空间分布，且体内营养物质间存在显著相关性。
　　(1)开花期和收获期水稻各器官NSC含量均为茎＞鞘＞叶，收获期较开花期叶NSC含量增加66.1％，而鞘和茎则分别降低48.2％和94.4％，且各器官NSC含量从倒1至倒3显著增加;开花期各器官NSC含量为FFP＞OPT＞PK，而收获期则为FFP＞PK＞OPT;
　　(2)开花期和收获期水稻各器官氮含量分别为叶＞茎＞鞘和茎＞叶＞鞘，收获期较开花期叶、鞘和茎氮含量分别降低75.5％、5.1％和43.9％，且开花期各器官氮含量从倒1至倒3显著降低，而收获期各器官从倒2至余下显著增加;开花期和收获期各器官氮含量均为OPT＞FFP＞PK;
　　(3)开花期和收获期水稻各器官钾含量分别为鞘＞茎＞叶和茎＞鞘＞叶，收获期较开花期叶、鞘和茎钾含量分别增加-40.7％、-35.1％和75.6％，且开花期和收获期各器官钾含量从上到下显著降低，除开花期叶外;开花期和收获期叶钾含量为FFP＞OPT＞PK，而鞘和茎钾含量则为OPT＞FFP＞PK;
　　(4)开花期水稻茎氮和钾含量与NSC含量显著负相关;收获期水稻茎氮含量与NSC含量显著正相关，而茎钾含量与NSC含量显著负相关;
　　(5)强势粒的灌浆速率(814.07)显著高于弱势粒(498.07);籽粒氮含量维持稳定、钾含量逐渐显著降低;且弱势粒的氮、钾养分含量较强势粒分别增加4.1％和18.6％。
　　5、水稻生产上因地制宜的利用氮肥和锌肥进行养分优化管理可协同提高产量和籽粒锌浓度生物强化的双重目标。
　　(1)不同土壤锌含量显著地影响水稻产量和籽粒锌浓度，土壤锌含量越低施锌增产率越高;
　　(2)土壤施锌的增产效果高于叶面喷锌，而叶面喷锌对籽粒锌浓度和锌累积量的增加则显著地高于土壤施锌，各处理下籽粒锌浓度和锌累积量大小为土施+喷施＞喷施＞土施＞不施锌;
　　(3)高氮（300 kg hm-2）水稻产量和籽粒锌浓度均明显高于低氮（200 kg hm-2），且施锌可增加水稻氮浓度和氮累积;
　　(4)水稻籽粒锌浓度和籽粒氮浓度呈显著正相关。
　　6、江苏省区域大面积应用包括氮肥的总量控制和分期调控、有机肥替代氮肥、微量元素因缺补缺及合理栽培措施的高产高效养分优化管理技术，具有协同提高水稻作物高产、增加养分效率、提升养分贡献阶段和降低环境次生风险的现实意义。
　　(1)江苏省农户水稻施肥调研得出农户平均氮肥用量、产量和PFPN分别为336.7 kg hm-2、8131.8kg hm-2和24.2 kg kg-1，且仅有27.2％的农户达到了作物高产和氮肥高效;
　　(2)相较于FFP处理，OPT处理在平均减氮22.9％后还能显著提高水稻产量5.9％和PFPN37.6％，且OPT处理的产量和PFPN均分布在基于农户调研的水稻高产和氮肥高效象限;
　　(3)江苏省全省范围内的OPT处理较FFP处理水稻产量平均增加5.6％;
　　(4)构建养分贡献阶段模型，且养分优化管理水稻生产位于养分贡献阶段模型的高级阶段。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 我国和江苏省水稻生产发展现状

1．1．1 水稻种植现状

1．1．2 水稻产量现状

1．1．3 水稻施肥现状

1．2 国内外主要养分管理技术与实践

1．2．1 实时养分管理技术

1．2．2 实地养分管理技术

1．2．3 测土配方施肥管理技术

1．2．4 水稻三控施肥管理技术

1．2．5 高产高效养分管理技术

1．2．6 养分资源综合管理技术

1．3 高产高效养分管理对植物生理生态的影响

1．3．1 植物对氮素的吸收、同化和分配

1．3．2 氮素营养对植物生长发育的影响

1．3．3 氮素营养对植物微量元素生物强化的影响

1．4 研究思路

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究目标

1．4．3 研究内容

1．4．4 技术路线

参考文献

第二章 氮肥优化管理对水稻生物量累积与分配的影响

2．1 引言

2．2 材料方法

2．2．1 试验地点与品种

2．2．2 试验设计

2．2．3 测定项目与方法

2．2．4 数据处理与分析

2．3 结果与分析

2．3．1 氮肥优化管理对水稻总生物量累积动态变化的影响

2．3．2 氮肥优化管理对水稻群体总生物量累积分配动态变化的影响

2．3．3 氮肥优化管理对水稻不同器官生物量累积动态变化的影响

2．3．4 氮肥优化管理对水稻群体不同器官生物量分配动态变化的影响

2．3．5 水稻产量形成过程中不同器官空间生物量累积的动态变化

2．4 讨论

参考文献

第三章 氮肥优化管理对水稻产量及氮肥利用率的影响

3．1 引言

3．2 材料方法

3．2．1 试验地点与品种

3．2．2 试验设计

3．2．3 测定项目与方法

3．2．4 数据处理与分析

3．3 结果与分析

3．3．1 氮肥优化管理对水稻产量及产量构成的影响

3．3．2 氮肥优化管理对水稻氮吸收累积动态变化的影响

3．3．3 氮肥优化管理对水稻氮累积分配动态变化的影响

3．3．4 氮肥优化管理对水稻氮收获指数的影响

3．3．5 氮肥优化管理对水稻氮肥利用率的影响

3．4 讨论

参考文献

第四章 氮肥优化管理对水稻群体生理生态特征的影响

4．1 引言

4．2 材料方法

4．2．1 试验地点与品种

4．2．2 试验设计

4．2．3 测定项目与方法

4．2．4 数据处理与分析

4．3 结果与分析

4．3．1 氮肥优化管理对水稻群体叶面积指数动态变化的影响

4．3．2 不同叶位叶片对水稻产量贡献的影响

4．3．3 氮肥优化管理对水稻叶片SPAD值的影响

4．3．4 氮肥优化管理对水稻光合参数的影响

4．3．5 氮肥优化管理对不同生育时期水稻群体冠层温度的影响

4．3．6 氮肥优化管理对不同生育时期水稻叶水分含量的影响

4．3．7 水稻群体生理生态参数间的相关性

4．4 讨论

参考文献

第五章 氮肥优化管理对水稻体内营养物质转运的影响

5．1 引言

5．2 材料方法

5．2．1 试验地点与品种

5．2．2 试验设计

5．2．3 测定项目与方法

5．2．4 数据处理与分析

5．3 结果与分析

5．3．1 氮肥优化管理对水稻体内非结构性碳水化合物(NSC)的影响

5．3．2 氮肥优化管理对水稻体内氮素养分流的影响

5．3．3 氮肥优化管理对水稻体内钾素养分流的影响

5．3．4 开花期和收获期水稻茎氮和钾含量与NSC含量的相关性

5．3．5 水稻群体产量形成过程中单穗重量的动态变化

5．3．6 水稻群体产量形成过程中籽粒氮钾养分浓度的动态变化

5．3．7 水稻群体产量形成过程中强、弱势粒千粒重的动态变化

5．3．8 收获期水稻群体强、弱势粒中氮、钾养分含量的变化

5．4 讨论

参考文献

第六章 锌肥优化管理对水稻籽粒锌生物强化的影响

6．1 引言

6．2 材料方法

6．2．1 试验地点

6．2．2 试验设计

6．2．3 测定项目与方法

6．2．4 数据处理与分析

6．3 结果与分析

6．3．1 试验位点分析

6．3．2 施锌水平和施锌方法对水稻产量及组成的影响

6．3．3 施锌水平和施锌方法对水稻籽粒锌浓度和锌累积量的影响

6．3．4 氮肥与锌肥的交互作用对水稻锌生物强化的影响

6．4 讨论

参考文献

第七章 养分优化管理技术在江苏省水稻生产上的应用

7．1 引言

7．2 材料方法

7．2．1 数据收集

7．2．2 测定项目与方法

7．2．3 数据处理与分析

7．3 结果与分析

7．3．1 江苏省周年降雨量和温度变化

7．3．2 江苏省农田土壤基本理化性状与分布

7．3．3 江苏省农户水稻生产中的氮肥施用和产量及分布

7．3．4 江苏省不同养分管理模式对水稻产量和氮肥利用率的影响

7．3．5 不同养分管理模式对水稻根系形态参数的影响

7．3．6 不同养分管理模式对江苏省水稻生产的大面积应用

7．3．7 养分优化管理效果及养分贡献阶段分类

7．4 讨论

参考文献

全文结论

创新点与不足之处

致谢

在读博期间已(拟)发表文章