农牧交错带地膜春玉米生态特征及其氮肥效应的研究

摘要

在黄土高原北部年均降水量437.4mm左右的农牧交错带，在神木中国科学院水土保持研究所生态试验站，以绵沙土为供试土壤进行大田试验，研究地膜覆盖(设不覆膜和全生育期覆膜)、不同施氮水平(设不施氮和每公顷施氮90kg等2个水平)、不同补充灌水量(全生育期补充灌溉80mm和160mm等2个水平)对春玉米冠层特征、根冠根系、同化产物分配以及产量、养分和水分利用率的影响。通过研究，所取得的主要研究进展和新见解有： 1.春玉米冠层特征动态变化随地膜覆盖、施氮和补充灌水量而变化 (1)田间观察表明，地膜覆盖栽培较常规栽培出苗提前10d，因此从出苗至收获，生育期缩短17d，覆膜处理玉米提前进入灌浆期，灌浆期延长，并且使作物提前进入穗分化，利于产量形成。 (2)春玉米株高随生育期的变化可分为缓慢增长期、快速增高期和稳定期等3个阶段，10叶期之前春玉米株高增加较缓，由于覆膜栽培株高增长速率比常规栽培高，导致覆膜栽培株高缓慢增长期与快速增高期无明显分界。地膜覆盖在促进春玉米前期株高上效果极其显著，这种影响主要表现在株高稳定期以前。当达到最大株高后，覆膜和不覆膜处理相差不大。施氮能够显著增加株高，与栽培方式不同，施氮对株高的影响在苗期不明显，在中、后期显著，施氮和不施氮株高的差异一直维持到收获。在地膜覆盖和高量灌溉下，氮肥对株高的影响更加显著：从全生育期平均看，地膜覆盖施氮高量灌溉处理的株高最高，为164.2cm，显著高于绝对对照136.2cm。地膜覆盖和施氮对株高影响的交互作用主要表现在生育中期，高量灌溉可使株高稳定期提前到达。 (3)研究发现，玉米绿叶面积(以下均指绿叶面积)变化可分为迅速上升、高值持续和缓慢下降3个阶段，在生育期内呈单峰曲线变化：从5月22(对常规栽培为4叶期，对地膜覆盖栽培为6叶期)到6月6日(常规栽培为8叶期，地膜覆盖栽培为10叶期)，叶面积增加，但增加趋势相对缓慢；从7月6日到7月21日，常规栽培(常规栽培为抽雄吐丝期)，增加迅速，而对地膜覆盖栽培，从6月6日到7月6日(地膜覆盖栽培为抽雄期)增加迅速；常规栽培大体上在7月12日叶面积达到最大，地膜覆盖栽培大体上在7月6日左右达到最大。无论常规栽培，还是地膜覆盖栽培，叶面积在达到最大值后开始下降，但常规栽培在最大值附近变化相对平缓，而地膜覆盖栽培变化快速；两种栽培模式进入灌浆期后，下降均最为快速。 (4)能够反映叶绿素相对含量的SPAD值的变化在玉米生长的中后期呈现低-高-低的变化规律，7月20日(常规栽培处于抽雄吐丝期，覆膜栽培处于灌浆初期)至8月21日(灌浆期)常规栽培叶片的SPAD值逐渐增加并且达到最大值，之后逐渐减小。 地膜覆盖影响叶片SPAD值的变化，其影响程度与施氮与否有关。在不施氮时，7月20到8月21日地膜覆盖显著降低了叶片SPAD值，而在施氮时地膜覆盖与常规栽培叶片SPAD值无显著差异；施氮能够显著增加叶片的SPAD值，从平均看，施氮的SPAD值比不施氮的高10.58(29.2﹪)；灌水对SPAD值的影响在不同的栽培模式和施肥条件下表现不同。 2.春玉米不同器官干物质累积是冠层特征变化的综合体系，随地膜覆盖、施氮和补充灌水量不同而异 (1)根系生物量的累积规律基本上遵循Logistic方程—S型曲线，即苗期缓慢增长，中期直线上升，后期稳定增长。随生育期推进，根系生物量增加，在抽雄—灌溉初期达到最大值，之后下降。覆膜在各个生育期均极显著影响根系生物量，但影响方向不同，生育前期覆膜处理生物量大于常规栽培，而在生育后期，覆膜处理生物量小于常规栽培，总体上覆膜处理根系生物量略高于常规栽培：覆膜后增加5.28g/m2(6.4﹪)。覆膜对根系生物量的影响由因施氮与否和灌水量不同而异：在不施氮条件下，覆膜栽培根系最大生长量明显低于常规栽培。施氮对根系生物量的影响也在各个生育期表现显著或者极显著。与地膜覆盖不同，施氮对根系生物量在各个生育期的影响为单一方向：即施氮条件下根系生物量始终大于不施氮处理，从全生育期平均看，不施氮时根系生物量为78.2g/m2，施氮时为90.8g/m2，施氮增加12.6g/m2(16.1﹪)。灌水处理对根系生物量的影响主要在生育中、后期，从全生育期平均看，高量灌溉比低量灌溉根系生物量增加8.6g/m2(10.7﹪)。 (2)玉米地上部分生物量累积规律基本上遵循Logistic方程—S型曲线，即苗期缓慢增长，中期直线上升，后期稳定增长。地上部分生物量累积在整个生育期均极显著的受施氮，覆膜及灌水三因素的影响。覆膜处理地上部分生物量始终大于常规栽培：覆膜栽培为930.5g/m2，常规栽培为762.1g/m2，覆膜后增加168.4g/m2(22.1﹪)。覆膜对地上部分生物量的影响由因施氮与否和灌水量不同而异，在施氮的基础上覆膜，其效果更加显著。施氮条件下地上部生物量始终大于不施氮处理，从全生育期平均看，施氮增加216.0g/m2(29.3﹪)，施氮和灌溉处理在灌浆期对地上生物量有正的交互作用。灌水处理对地上部的影响主要在生育中、后期。春玉米总生物量(包括根系)累积规律同地上部生物量累积规律相似。 (3)在整个生育期根冠比是由大到小逐渐递，在生育前期下降快，中期缓慢，后期趋于稳定。常规栽培的春玉米根冠比变化幅度大，苗期是根冠比最大的时期，说明根系在前期生长较快，中后期地上部发育较快。在生育期覆膜极显著影响春玉米根冠比。从两种栽培模式生育期的平均值看，常规栽培根冠比为0.26，覆膜栽培的为0.15，覆膜根冠比减小0.11(42.3﹪)，。从全生育期根冠比变化规律看，覆膜处理的根冠比在生育期内变化平缓，而常规栽培的根冠比在生育前期变幅很大。施氮对根冠比的影响主要在灌浆期，施氮后根冠比显著下降，在生育前期和中期施氮对根冠比基本没有影响，不同生育期灌水量对根冠比的影响缺乏规律性。 (4)地膜覆盖、施氮和补充灌水对春玉米干物质在不同器官分配的影响比较复杂。叶片生物量在整个生育期均极显著的受施氮，覆膜及灌水三因素的影响。从苗期到抽雄期(叶片发育成熟)覆膜均极显著增加了叶片的生物量，后期对叶片生物量影响不显著；施氮条件下叶片生物量始终大于不施氮处理。灌水处理对叶片生物量的影响主要在生育中、后期。覆膜处理茎杆发育早，大约提前15d茎杆进入成熟稳定期。从全生育期看，覆膜茎杆生物量增加16.1g/m2(5.6﹪)。施氮在各时期均能够极显著增加茎杆生物量。施氮后茎秆增加57.7(21.6﹪)。高量灌水处理茎杆生物量始终大于低量灌水处理。雄花发育规律表现为在抽雄吐丝期达到最大生物量15d的稳定期后，生物量逐渐下降。施氮极能够显著增加吐丝杨花期雄花生物量，覆膜能够极显著增加抽雄期雄花生物量。施氮和覆膜能够显著降低灌浆期雄花生物量；在生育期内，灌水量对雄花的生物量无显著影响。常规和地膜覆盖栽培，春玉米穗部生物量几乎在同一时期达到最大。覆膜能够极显著增加果穗生物量。在施氮条件下，覆膜效果表现更加明显。覆膜和施氮对穗生物量有极显著的正交互作用。施氮也显著增加了果穗生物量。施氮平均生物量为716.6g/m2，不施为498.6g/m2，施氮增加218.0g/m2(43.7﹪)。灌水量对穗的效果没有覆膜和施氮显著。 3.地膜覆盖、施氮和补充灌溉对玉米收获指数、产量、氮素和水分利用效率具有显著的正交互作用 (1)由收获的籽粒产量来看，增加灌水量80mm，籽粒产量增加14.8﹪，覆膜可增产31.6﹪，每公顷施氮90kg可增产40.1﹪，覆膜并增加灌水量可增产43.3﹪，施氮并增加灌水量可增产81.3﹪，施氮并覆膜可增产81.5﹪，施氮、覆膜及增加灌水量等措施可使春玉米增产109.1﹪。从覆膜、施氮、灌水三因素平均增产效果来看，覆膜平均增产1564.4kg/hm2(24.1﹪)；施氮平均增产2688.1kg/hm2(45.4﹪)，高量灌水平均产量增加1151.7kg/hm2(17.2﹪)。不同试验因子对吸氮量和吸磷量的影响与对产量和收获时地上部生物量累积影响基本一致。 (2)覆膜栽培和增加灌水量均能够极显著增加氮肥利用率，并且二者存在正的交互作用。在春玉米的三个灌水阶段水分利用率由低到高再到缓慢下降。在春玉米的苗期，玉米生长速度较慢，因此这一时期日平均水分利用效率很低，在常规栽培的条件下，日平均水分利用效率平均为0.13kg/hm2.mm.d，覆膜栽培条件下为0.33kg/hm2.mm.d，覆膜栽培比常规栽培日平均水分利用效率高2.5倍。在营养快速生长期，常规栽培的日平均水分利用效率平均为1.38kg/hm2.mm.d，覆膜栽培为1.92kg/hm2.mm.d。在生殖生长期，日平均水分利用效率与快速生长期的基本相近，只有不施氮覆膜栽培水分利用效率下降很快，平均值由1.87kg/hm2.mm.d下降到了0.78kg/hm2.mm.d，日平均水分利用效率下降了2/3。 (3)从籽粒收获指数、产量、氮肥利用率和水分利用率综合平均，在本研究条件下，试验区以“覆膜+补160mm水分+施氮90kg/hm2”是最优栽培模式，在该模式下，干物质在籽粒中的分配比例(收获指数)最大，为0.471，籽粒产量达到10118.7kg/hm2，氮肥利用率达到82.3﹪，氮肥生产率为每千克氮生产58.7kg玉米水分利用效率达到44.0kg/mm.hm2(生物量)和19.8/mm.hm2(籽粒)，这些指标在各处理中均为最大。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

1.1施氮在玉米生产中的作用

1.1.1氮肥概述

1.1.2 玉米的生育特性

1.1.3玉米对氮的吸收和利用

1.2地膜覆盖的生态效益

1.2.1地膜覆盖技术的研究、应用与推广

1.2.2地膜覆盖对土壤生态条件的影响

1.2.3地膜覆盖对作物生长发育和产量形成的影响

1.2.4地膜覆盖与有限灌溉

1.2.5地膜覆盖、底墒灌溉和施肥之间的集成效应

1.2.6地膜覆盖在玉米生产中的应用

1.3水分对作物生长的影响

1.3.1灌溉水及其有效性

1.3.2提高植物水分利用效率的措施

1.3.3 玉米的需水特点

1.4问题与展望

第二章材料和方法

2.1试验区基本自然状况

2.2 田间试验设计

2.3测定项目与方法

2.3.1测定项目

2.3.2测定方法

2.4实验数据处理

第三章结果与分析

3.1不同栽培方式对春玉米个体发育的影响

3.1.1对春玉米叶面积的影响

3.1.2对春玉米叶片SPAD值的影响

3.1.3对春玉米株高的影响

3.2不同栽培方式对春玉米生物量累积的影响

3.2.1对根系干物质累积的影响

3.2.2对地上部干物质累积量和总生物量的影响

3.2.3不同栽培方式对春玉米总生物量累积影响

3.2.4不同栽培方式对春玉米根冠比的影响

3.3不同栽培方式对春玉米干物质在不同器官分配的影响

3.3.1对叶部干物质分配的影响

3.3.2对茎部干物质分配的影响

3.3.3对雄花干物质累积的影响

3.3.4对穗部生物量的影响

3.4不同栽培方式对春玉米养分及水分利用效率的影响

3.4.1玉米各器官收获产量

3.4.2春玉米氮素累积量

3.4.3不同栽培方式对春玉米氮肥利用率和氮肥生产率的影响

3.4.4水分利用率

第四章讨论

4.1农牧交错带地膜覆盖对春玉米的作用与效果

4.2农牧交错带氮肥对地膜春玉米的作用与效果

4.3农牧交错带补充灌溉对地膜春玉米的作用与效果

4.4农牧交错带地膜覆盖、施氮和补充灌溉对春玉米生长的集成效应

第五章结论

5.1春玉米冠层特征动态变化随地膜覆盖、施氮和补充灌水量而变化

5.2春玉米不同器官干物质累积是冠层特征变化的综合体系，随地膜覆盖、施氮和补充灌水量不同而异

5.3地膜覆盖、施氮和补充灌溉对玉米产量、氮素和水分利用效率具有显著的正交互作用

参考文献

附表

致谢

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