有机物沟埋还田与花后补灌对夏玉米光合特性和水分利用效率的影响

摘要

本试验在山东农业大学水肥耦合研究试验站进行。设置2个灌水处理：正常灌溉450 mm(W1)和节水灌溉325 mm(W2)；3个有机物还田处理：无秸秆还田(M0)、小麦秸秆全量还田(M1)和牛粪秸秆混合还田(M2)，在2017年增加节水灌溉400 mm(W3)。通过将不同有机物沟埋还田和花后灌溉量结合，深入分析花后土壤的水分和养分变化、水分利用效率及干物质量积累分配的动态变化，揭示夏玉米花后光合及叶绿素荧光的变化规律，探讨了有机物沟埋还田与花后灌溉的最优水肥管理措施，以期为合理灌水施肥、保水保肥充分发挥玉米花后水分利用效率、光合潜能和提高作物产量提供科学依据。主要研究结果如下： 1.有机物沟埋还田与花后补灌对土壤碳水环境的影响 灌水后土壤含水量变化主要体现在0-60 cm土层，同一处理土壤含水量的最大差值在0-10 cm土层，差值随土层的加深逐渐减小。不同处理的土壤含水量随土层加深差异逐渐增大，在有机物填埋层差异达到最大。在2016年，30-40 cm土层，W1M1、W1M2处理体积含水量的均值比W1M0处理分别高1.2%和2.6%。在2017年，20-30 cm土层， W1M2处理的土壤含水量比W2M0和W3M0在开花至完熟期平均分别增加8.4%和4.6%。正常灌溉与牛粪秸秆混合还田结合可以有效保持土壤含水量，增强耕层土壤蓄水能力，促进玉米的生长发育。 有机物还田处理土壤有机碳值均呈整体上升的趋势，W1M2的有机碳增加量和增长速率大于W1M1。与W2M2相比较，W1M2各土层土壤有机碳在生育前期增长速率大，在生育后期下降速率大。土壤微生物量碳在开花期达到最大值。同一有机物还田条件下，土壤微生物量碳表现为W1>W3>W2，同一水分条件下，M2处理的微生物量碳含量显著高于M1和M0处理。各处理土壤呼吸速率均随玉米花后生育时期的推进呈整体下降的变化趋势，在2017年，W1M2比W2M2在花后各生育时期土壤呼吸速率分别增加21.4%、23.8%、24.4%、32.0%和32.6%。正常灌溉和牛粪秸秆混合还田结合有效改善了土壤环境。 2.有机物沟埋还田与花后补灌对光合和荧光特性的影响 不同处理的夏玉米穗位叶的Pn、Gs和Tr随着花后时间的延长呈单峰趋势，在灌浆期达到峰值，Ci与Pn变化趋势相反。同一水分条件下，与W1M1相比，W1M2的Pn 在花后各生育时期两年平均增加7.4%，Gs平均增加13.0%，Tr平均增加15.5%，Ci平均下降8.6%。同一有机物还田条件下，W1较W2花后各生育时期可显著提高玉米Pn，随花后时间的延长差异逐渐显著，W1和W3玉米花后各生育时期Pn无显著差异。与W2M2相比，W1M2的Pn两年平均增加15.7%，W1M2和W3M2的Gs平均增加18.9%和9.6%， Tr平均增加20.0%和24.4%，Ci平均下降12.8%和6.2%。正常灌溉与牛粪秸秆混合还田结合提高了花后叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，降低了胞间CO2浓度，使花后叶片光合性能维持在较高水平。 随着玉米花后生育时期的推进，不同处理花后玉米叶片的SPAD值呈不断下降趋势，随生育时期的进行差异逐渐减小。与W2M2相比，W1M2和W3M2的SPAD值在花后各生育时期平均增加2.9%和1.7%。W1M1和W1M2处理的SPAD值比W1M0平均增加2.1%和3.4%。同一有机物还田条件下，花后Vj和Wk表现为W2>W3>W1，与W2M2相比，W1M2和W3M2的Vj和Wk平均下降4.0%、3.8%和4.1%、1.4%。同一水分条件下，花后Vj和Wk表现为M0>M1>M2。不同处理花后玉米叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的φpo、Ψo、φEo和PIABS均随着花后时间的延长呈单峰趋势，在灌浆期达到峰值。W1M2处理的φpo、Ψo和φEo优于其他处理，但与各处理间无显著差异。各处理间的PIABS显著差异，与W2M2和W3M2相比，W1M2处理的PIABS平均增加14.7%和18.1%。与W1M1相比，W1M2处理的PIABS在花后各时期两年平均增加10.2%。正常灌溉与牛粪秸秆混合还田提高了花后叶片的SPAD值，减缓了花后玉米叶片的衰老，提升了花后叶片PSⅡ对光能的吸收和传递，使叶片保持更高的光能利用率。 3.有机物沟埋还田与花后补灌对产量形成和水分利用效率的影响 正常灌溉和牛粪秸秆混合还田结合有助于玉米各器官干物质的增长、提高玉米花后干物质的积累和转运能力，促进籽粒干物质量的积累。同一有机物还田方式下，W1处理可显著提高玉米籽粒产量；W1M2比W2M2两年分别增产14.9%和15.3%。同一水分条件下，有机物还田可增加玉米籽粒产量，具体表现为M2＞M1＞M0。正常灌溉较节水灌溉水平，牛粪秸秆混合还田较秸秆单还田和不还田，均可显著提高玉米穗粒数、千粒重和单株籽粒重；但节水灌溉条件下，有机物还田处理尤其是牛粪秸秆混合还田处理的增产效果均明显高于正常灌溉条件下的增产效果。 同一水分条件下，水分利用效率、灌溉水利用效率与产量的变化趋势一致，表现为M2>M1>M0。W1M2比W1M1和W1M0的水分利用效率、灌溉水利用效率两年平均增加3.5%、3.5%和4.6%、5.4%。同一有机物还田条件下，水分利用效率和灌溉水利用效率表现为W2>W3>W1，与W1M2相比，W3M2的水分利用效率和灌溉水利用效率分别增加6.2%和6.7%。说明W1处理的产量显著高于W2处理，但随着灌溉水量的减少，水分利用效率逐渐增加，W2处理显著提高了水分利效率和灌溉水利用效率；牛粪秸秆混合还田的水分利用效率和灌溉水利用效率优于秸秆单还田优于不还田。 4.秸秆深埋还田条件下土壤、玉米植株和冠层气体 13C和 15N分布特征 通过同位素示踪技术发现，玉米营养器官的δ13C值和含碳量在80-120 cm处获得最高值；籽粒的含碳量大于营养器官。玉米茎秆的 15N丰度值和含氮量随高度的增加逐渐递减，叶片的 15N丰度值与之呈相反的变化趋势，叶片在80-120 cm高度获得最高含氮量，且营养器官含氮量表现为叶片＞茎秆＞鞘。在玉米果实部分，δ13C值表现为籽粒＞花须＞穗轴＞苞叶，穗轴的含碳量最大，其他部位无显著性差异。花须、苞叶和籽粒 15N丰度值无显著差异；籽粒的含氮量最高。在开花期，20-40 cm秸秆填埋层的土壤 15N丰度值显著高于0-20 cm土层，在完熟期，15N丰度值、Ndff值和Ndff(%)与开花期呈相反趋势。玉米冠层气体测定发现，成熟期和灌浆期的δ13C和CO2值整体变化趋势基本一致。不同处理的δ13C值随玉米冠层高度的增加呈先增加后下降的趋势，CO2浓度反之。不同处理成熟期冠层CO2浓度显著高于灌浆期，δ13C值反之。

目录

声明

符 号 说 明

1 引言

1.1 研究的目的意义

1.2 国内外研究进展

2 材料与方法

2.1 试验地概况

2.2 试验设计

2.3测定项目与方法

2.4数据处理

3.1 有机物沟埋还田与花后补灌对土壤水分的影响

3.2 有机物沟埋还田与花后补灌对土壤碳的影响

3.3 有机物沟埋还田与花后补灌对光合特性的影响

3.4有机物沟埋还田与花后补灌对SPAD值和叶绿素荧光特性的影响

3.5 有机物沟埋还田与花后补灌对干物质积累、分配的影响

3.6 产量及其构成因素

3.7 水分利用效率与灌溉水利用效率

3.8 秸秆还田条件下土壤-植株-冠层气体 13C和 15N的吸收分配

4 讨论

4.1 有机物沟埋还田与花后补灌对土壤碳水环境的影响

4.2 有机物沟埋还田与花后补灌对光合荧光特性的影响

4.3 有机物沟埋还田与花后补灌对水分利用效率的影响

4.4 有机物沟埋还田与花后补灌对干物质积累、分配和产量的影响

4.5 秸秆还田对土壤-植株-冠层气体 13C和 15N的吸收分配

5 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表文章情况