盐渍化土壤玉米水氮迁移规律及高效利用研究

摘要

我国盐渍化土壤分布广泛，水资源严重短缺，氮肥用量过大，限制了农业发展。提高水氮利用效率和改良盐渍化土壤是农业可持续性发展的必由之路。内蒙古河套灌区大部分耕地为盐渍化土壤，引黄水量逐年减少，大量施氮肥导致土壤大量积盐，水氮利用效率低下。由于不合理的水氮制度，造成水资源浪费和环境污染。目前已有许多关于水氮耦合的研究，但大部分开展在非盐渍化土壤上。作物在盐分胁迫和水氮互亏的共同作用下，水氮耦合的机理发生了变化。本文针对不同盐分水平，设置了不同的水氮处理，系统研究了不同盐分下水氮对玉米的生理生态指标，农田土壤环境的影响，水氮迁移规律、水氮利用效率的影响，并建立了玉米水-氮-盐最终产量、Jensen、BP神经网络等3种模型，最终提出了适合当地的水氮生产模式。对提高盐渍化地区水氮利用效率、节约水肥资源，减轻环境污染，防止次生盐渍化，提高盐渍化地区玉米产量有着重要意义。试验研究取得主要结论如下:
　　(1)盐分的增加明显抑制了玉米的生长。适当的增加灌水和施氮有助于提高玉米的株高、叶面积、干物质的积累，降低根冠比。当灌水量超过2250m3/hm2，施肥量超过225kg/hm2玉米的各项生理指标增加不明显或略有下降。水分在盐渍化土壤对作物生长的作用更明显。
　　(2)盐分的增加降低了玉米的光合能力，改变了玉米的光合特性。不同盐分土壤水氮处理的玉米光合“午休”原因不同，随着盐分的增加“午休”原因由气孔因素变为非气孔因素。通径分析表明，轻度和中度盐分土壤影响光合日变化的主要因素不同。在盐渍化土壤上，水分是决定光合速率高低的关键因素。只有灌水量适宜，氮肥才能发挥作用。在轻度和中度盐渍化土壤上，中水中氮处理（灌水量2250m3/hm2、施氮量225kg/hm2）即能保持较长时间高的光合速率，午休时间短，又能使叶片水分利用效率达到最高。通过主成分分析和聚类分析的综合评价，中水中氮处理能很好的提高玉米的光合能力。综合评价，灌水量2250m3/hm2、施氮量225 kg/hm2的水氮配比更有利于盐渍化土壤光合速率的提高。
　　(3)随着盐分的增加，水氮利用效率显著降低，氮肥损失明显增加。灌水超过2250m3/hm2、施氮超过225kg/hm2后，玉米的水氮利用效率和氮素表观损失随之增加。轻度和中度盐分土壤，灌水量为2250m3/hm2、施氮量为225kg/hm2的中水中氮处理的水氮利用效率也高于其它水氮处理，氮素损失较少。中水中氮处理在两种盐分土壤上产量高于其他处理分别为11581 kg/hm2和9015 kg/hm2。通过模型寻优，得到轻度和中度盐分土壤种植玉米的最佳水氮配比方案相同，全生育期灌水量为1900.95～2509.07m3/hm2，总施氮量为157.79～240.7 kg/hm2。优化方案的水氮用量分别比当地的每次灌水量(2925 m3/hm2)节水18.2％～35％,施氮量（325 kg/hm2）节肥26.0％～46.4％。为盐渍化地区种植玉米提供了节水节肥的依据。
　　(4)水-氮-盐Jensen模型能够满足模拟精度。并且可以显示不同生于阶段水分和盐分对产量的影响，实用性最强。适用于盐渍化地区水氮处理产量的预测。
　　(5)不同水氮用量对土壤水氮盐运移的影响。
　　两种盐分土壤，随着灌水量的增加，土壤含水率增加。增加氮肥含水率减低，但超过225kg/hm2时含水率增加。
　　随着灌水量的增大，各处理的土壤电导率峰值出现的土层加深。相同灌水条件下，同一土层施氮肥多的处理电导率较大。
　　轻度盐分土壤中的硝态氮含量大于中度盐分土壤的硝态氮含量。两种盐分土壤上，灌水量为2250 m3/hm2、施氮量为225kg/hm2硝态氮主要在40～60cm处积累，而且浓度适宜便于玉米根系吸收。
　　中度盐分土壤中铵态氮的含量高于轻度盐分土壤。铵态氮主要积累在0～20cm土层。铵态氮的含量随着施氮量的增加而增加，灌水对铵态氮的影响不大。
　　HYDRUS-1D模型经过率定和检验能够很好地模拟各生育阶段水分、盐分和氮素的运移。
　　综上，灌水量是影响盐渍化地区水氮盐迁移的主要因素。根据对玉米生育指标、光合作用、产量、水氮利用效率的综合分析，考虑盐分对水分和养分的影响，结合优化出的水氮用量范围，结合HYDRUS-1D模型确定的两种盐分土壤最佳的水氮模式为:轻度盐分土壤的优化的水氮用量为:灌水量2250 m3/hm2、施氮量225 kg/hm2。中度盐分土壤的优化的水氮用量为:灌水量2329.88m3/hm2、施氮量量207 kg/hm2。
　　研究结果可初步揭示不同盐分土壤水氮耦合的机理，为内蒙古河套灌区提高水氮利用效率、节约水肥资源，减轻环境污染，防止次生盐渍化，提高盐渍化地区玉米产量，提供了一定的科学理论依据。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究意义及背景

1．2 国内研究现状及分析

1．2．1 盐分对种子萌发和作物生长的影响

1．2．2 盐分对作物光合作用的影响

1．2．3 盐分对氮素营养的影响

1．2．4 水氮耦合对作物生长发育的影响

1．2．5 水氮耦合对作物光合特性的影响

1．2．6 水氮耦合对作物产量的影响

1．2．7 水氮耦合对氮素迁移影响

1．2．8 水氮耦合效应对养分、水分利用率的影响

1．2．9 基于HYDRUS-1D模型水-氮-盐运移模拟研究

1．2．10 水氮生产函数的研究

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

2 研究区域概况与试验设计

2．1 研究区域概况

2．2 研究区域气象条件

2．3 研究区域土壤条件

2．4 研究区域地下水位变化情况

2．5 试验材料

2．6 试验设计

2．7 试验观测内容与方法

2．7．1 作物数据包括生育指标和生理指标

2．7．2 土壤指标

2．7．3 地下水和气象数据

2．7．4 田间管理信息

2．8 生育阶段划分

3 试验区基本资料分析

3．1 试验区土壤水分特征曲线

3．1．1 测定方法

3．1．2 数据处理

3．2 试验区土壤水分扩散率

3．2．1 测定方法

3．2．2 数据处理分析

3．3 试验区地下水补给量

3．3．1 试验区土水势动态变化

3．3．2 试验区地下水补给量计算

3．4 玉米生育指标分析

3．4．1 水氮盐处理玉米生育期株高变化规律

3．4．3 水氮盐处理玉米生育期叶面积变化规律

3．4．4 水氮盐处理玉米千物质量变化规律

3．4．5 水氮盐对收获期玉米根冠比影响

3．5 小结

4 不同盐分土壤水氮对玉米光合特性的影响

4．1 不同盐分土壤水氮对玉米生育期光合特性的影响

4．1．1 不同盐分土壤水氮对玉米生育期光合速率的影响

4．1．2 不同盐分土壤水氮对玉米生育期蒸腾速率的影响

4．1．3 不同盐分土壤水氮对玉米生育期气孔导度的影响

4．1．4 不同盐分土壤水氮对玉米生育期胞间CO2浓度的影响

4．1．5 不同盐分土壤水氮对玉米生育期气孔限制值的影响

4．1．6 不同盐分土壤水氮对玉米生育期叶片水分利用效率的影响

4．1．7 不同盐分土壤水氮对玉米生育期叶绿素的影响

4．1．8 不同盐分土壤水氮处理生育期光合特性主成分分析

4．2 不同盐分土壤水氮对玉米光合日变化的影响

4．2．1 不同盐分土壤水氮对玉米光合速率日变化的影响

4．2．2 不同盐分土壤水氮对玉米蒸腾速率日变化的影响

4．2．3 不同盐分土壤水氮对玉米气孔导度日变化的影响

4．2．4 不同盐分土壤水氮对玉米胞间CO2浓度和气孔限制值日变化的影响

4．2．5 不同盐分土壤水氮对玉米叶片水分利用效率日变化的影响

4．2．6 不同盐分土壤水氮对玉米叶绿素日变化的影响

4．2．7 日变化水氮处理Pn与各影响因素之间的相关分析和通径分析

4．3 小结

5 不同水氮盐条件下玉米产量及水氮利用效率研究

5．1 水氮盐对玉米产量的影响

5．1．1 水氮盐对产量及其构成因子的影响

5．1．2 不同盐分土壤水氮产量模型的建立

5．1．3 单因素效应分析

5．1．4 水氮交互效应分析

5．1．5 模型寻优

5．1．6 不同水氮盐处理玉米经济效益分析

5．2 不同水氮盐条件下玉米水分利用效率研究

5．2．1 计算公式

5．2．2 土壤水氮用量对玉米水分利用效率的影响

5．2．3 不同盐分土壤产量与耗水量的关系

5．3 不同水氮盐条件下玉米氮肥利用效率研究

5．3．1 计算公式

5．3．2 不同盐分土壤水氨处理植株氮素积累动态变化

5．3．3 不同盐分土壤水氮配合对玉米氮素吸收利用的影响

5．3．4 不同盐分土壤水氮配合对玉米氮素平衡的影响

5．4 小结

6 玉米水-氮-盐模型研究

6．1 不同盐分土壤玉米水-氮-盐模型研究

6．1．1 自变量的选取

6．1．2 不同盐分条件下作物实际腾发量

6．1．3水-氮-盐最终产量模型

6．1．4 水-氮-盐耦合Jensen模型

6．1．5 水-氮-盐BP神经网络模型

6．2 模型比较

6．3 小结

7 土壤水氮盐与农田水土环境的响应关系研究

7．1 不同水氮盐处理对土壤含水率的影响

7．2 不同水氮盐处理对土壤电导率的影响

7．3 不同水氮盐处理土壤硝态氮和铵态氮的变化

7．3．1 不同水氮盐处理土壤硝态氮变化

7．3．2 不同水氮盐处理土壤铵态氮变化

7．3．3 不同水氮盐土壤的硝态氮和铵态氮累积量变化分析

7．4 土壤水-氮-盐数值模拟计算

7．4．1 HYDRUS-1D模型介绍

7．4．2 HYDRUS-1D模型边界、初始条件

7．4．3 土壤水-氮-盐模型的建立

7．4．4 土壤水-氮-盐模型检验

7．4．5 最优水氮模式的确定

7．5 小结

8 总结与展望

8．1 总结

8．1．1 不同盐分土壤不同水氮处理对玉米生长的影响

8．1．2 不同盐分土壤不同水氮处理对玉米光合特性的影响

8．1．3 不同盐分土壤不同水氮处理对玉米产量及水氮利用效率的影响

8．1．4 不同盐分土壤不同水氮处理对玉米水-氮-盐生产函数的研究

8．1．5 不同盐分土壤不同水氮处理对农田水土环境影响

8．2 展望

致谢

参考文献

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