咸水滴灌对棉田土壤微生物及水氮利用效率的影响

摘要

目的：淡水资源不足是干旱区农业可持续发展所面临的严峻问题；同时，干旱区灌溉水质盐化现象也日益突出。因此，咸水、微咸水已成为了该地区重要的替代灌溉水资源之一。咸水、微咸水灌溉在补充水分的同时也会带来盐分，加剧土壤次生盐渍化风险。通过多年田间定位试验，研究咸水滴灌条件下土壤水盐运移和分布积累动态，阐明咸水滴灌农田根区土壤氮素转化及分布淋洗规律；阐明土壤微生物群落组成、结构与功能多样性的变化特征，探讨不同灌溉水盐度和施氮量对棉花生长、产量和水氮利用的影响，揭示咸水滴灌棉田氮素迁移转化与作物吸收利用机制，为干旱区水分养分资源高效利用和农业可持续发展提供科学依据。
　　方法：本研究包括室内培养试验和田间定位试验两部分。室内培养试验于2011年进行，设置土壤盐度和施氮量两个因素，土壤盐度（土水比1:5浸出液电导率，EC1:5）设五个水平：0.44、0.84、1.40、1.90、3.46 ds m-1；氮肥施用量（N）分别为0、1和2 g·kg-1。室内培养试验主要探讨土壤盐度和施氮量对灰漠土尿素N转化及土壤酶活性的影响。田间定位试验于2011-2013年进行，采用灌溉水盐度和施氮量两因子3×4设计，其中灌溉水盐度（电导率，EC）设置3个水平0.35 dS·m-1（淡水）、4.61 dS·m-1（微咸水）和8.04 dS·m-1（咸水），分别用FW、BW和SW表示；4个施氮量为0、240、360和480kg N·hm-2，分别代表不施氮肥（N0）、低氮（N240）、中氮（N360）和高氮（N480）。田间定位试验主要研究咸水滴灌棉田根区土壤水、盐和无机氮的动态分布及淋洗，土壤微生物数量、活性及群落结构和功能多样性，棉花生长、产量以及水氮利用效率等。
　　结果：⑴微咸水和咸水灌溉都会造成根区土壤盐分增加，盐分主要积累在60-80 cm土层，咸水灌溉土壤盐分的积累尤为强烈。同时，过量施用氮肥(≥360 kg Nhm-2)也会加剧根区土壤盐分的积累。灌溉水盐度和施氮量的增加可明显增加土壤盐分总残留量和盐分净积累量。微咸水和咸水灌溉土壤盐分总残留量平均分别较淡水灌溉高4倍和7倍，土壤盐分净积累量平均分别较淡水灌溉高11倍和18倍；低氮（N240）、中氮（N360）和高氮（N480）处理土壤盐分总残留量较不施氮肥（N0）处理平均分别高出3％，7%和9%，土壤盐分净积累量较N0处理平均分别高出4%，8%和11%。土壤盐分总淋洗量在棉花生育期和非生育期均随灌溉水盐度的增加而显著增大，微咸水和咸水灌溉土壤盐分总淋洗量在棉花生育期内分别较淡水灌溉高16和33倍；棉花生育期内土壤盐分总淋洗量随施氮量的增加而显著降低。微咸水和咸水灌溉显著增加根区土壤含水量，增加施氮量可显著降低土壤含水量，土壤水分主要积累在60-80 cm土层。土壤净贮水量和水分渗漏量随灌溉水盐度增加而增加，但随施氮量增加而降低。增加施氮量可显著增加棉花蒸散量，而灌溉水盐度的增加则显著降低棉花蒸散量。⑵土壤盐分和施氮量（尿素）显著影响尿素N转化。随土壤盐分和氮肥施用量的增加，土壤NH4-N含量明显增加。施用氮肥可显著提高土壤pH值，促进脲酶活性，加速尿素水解。不施氮肥土壤脲酶活性随土壤盐度增加而显著降低，施氮肥土壤，低盐度对脲酶活性无影响，高盐度反而促进了脲酶活性。土壤盐分和氮肥用量二者的交互作用对硝化作用影响显著，即尿素加入量越大，土壤盐分对硝化作用的抑制就越强烈。土壤盐分显著抑制亚硝酸还原酶活性，但对硝酸还原酶活性的影响较小。因此，土壤盐分含量过高以及施用氮肥导致的土壤pH值的增加可能会导致盐渍土壤氮肥氨挥发损失增大。⑶灌溉水盐度对土壤NO3-N含量影响显著。微咸水和咸水灌溉显著抑制氮素的硝化作用，导致根区土壤NO3-N含量的降低，淡水处理土壤NO3-N含量平均较微咸水和咸水处理分别高17%和29%。但微咸水和咸水灌溉显著增加土壤NH4-N含量。氮肥的施用也显著影响土壤NO3-N含量，其中不施氮肥和低氮（N240）处理土壤NO3-N含量呈逐年下降趋势，但中氮（N360）和高氮（N480）处理土壤NO3-N含量年际间变化不大。微咸水和咸水灌溉显著增加土壤 NO3-N淋洗量，增加施氮量也导致土壤 NO3-N淋洗量的增加，低氮、中氮和高氮处理土壤NO3-N淋洗量较不施氮处理分别高281%，340%和570%。微咸水和咸水灌溉对土壤脲酶活性有明显的促进作用，但显著抑制土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性。氮肥的施用提高了土壤脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性。⑷微咸水和咸水灌溉降低细菌数量，但是增加了真菌数量。随灌溉水盐度的增加，土壤微生物量碳、量氮、基础呼吸和微生物商显著降低，代谢商升高。不施氮肥条件下，土壤微生物PLFA总量也随灌溉水盐度的增加显著降低；施氮肥后，微咸水灌溉土壤微生物PLFA总量与淡水灌溉相比无明显差异，但是咸水灌溉显著降低土壤微生物PLFA总量。总体上，淡水灌溉土壤微生物PLFA总量分别较微咸水和咸水处理高9%和34%。土壤细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌PLFA含量以及真菌/细菌也随灌溉水盐度的增加而显著降低。不施氮肥条件下，微咸水灌溉对土壤微生物活性有促进作用，但是施肥后，淡水灌溉土壤微生物AWCD最高。氮肥的施用增加了AWCD值，低氮（N240）、中氮（N360）和高氮（N480）处理土壤微生物AWCD值平均较不施氮（N0）处理高22%、17%和21%；在淡水和微咸水处理下，利用最高的碳源类型为：碳水化合物、氨基酸、聚合物和胺类，利用率最低的为酚酸和羧酸类；在咸水处理下，利用最高的碳源类型为：碳水化合物，氨基酸和聚合物类，利用最低碳源类型为：羧酸、酚酸和胺类；香浓指数随灌溉水盐度的增加而降低，辛普森指数随灌溉水盐度的增加而增加，氮肥的施用降低了辛普森指数。⑸棉花根重主要分布在0-20 cm土层，淡水灌溉棉花根重显著高于咸水灌溉，但与微咸水灌溉差异不显著。棉花根长主要分布在0-60 cm土层。棉花根重和根长密度均随土壤深度的增加而降低。不施氮肥条件下，淡水灌溉棉花平均根长密度、根表面积和根体积最高；施肥后微咸水和咸水灌溉平均根长密度、根表面积和根体积显著高于淡水灌溉。氮肥的施用降低了棉花平均根长密度、根表面积、平均直径和根体积。根冠比随灌溉水盐度的增加而显著增加，微咸水灌溉根冠比较淡水灌溉高18%，咸水灌溉根冠比较淡水灌溉高38%。氮肥的施用对根冠比的影响不显著。短期的微咸水灌溉棉花地上部生物量、氮素吸收、产量和水氮利用率与淡水灌溉相比无显著差异，咸水灌溉会显著降低棉花地上部生物量、氮素吸收、产量和水氮利用率。施用氮肥均可提高棉花生物量、氮素吸收和产量；但咸水灌溉下氮肥的作用减弱。长期的微咸水和咸水灌溉均会对棉花生长和水、氮利用率产生负面影响；同时，合理施用氮肥（0~360 kgN?hm-2）有助于减轻盐分危害，促进棉花生长，提高产量和水分利用率。
　　结论：咸水灌溉显著抑制土壤微生物活性，改变了土壤微生物结构多样性，降低了土壤微生物功能多样性，显著抑制氮素的硝化。微咸水和咸水灌溉增加了根区土壤盐分和硝态氮的淋洗量，降低了氮肥利用率。短期的微咸水灌溉不会对棉花水氮利用率造成严重的负面影响，但咸水灌溉显著抑制棉花根系和地上部的生长，降低了水氮利用效率。

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缩略词表

第一章 前 言

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标、内容与技术路线

第二章 试验设计与研究方法

2.1 室内模拟试验

2.2 田间试验

第三章 咸水滴灌对土壤水盐分布和盐分平衡的影响

3.1 土壤盐分

3.2 土壤含水量

3.3盐分平衡分析

3.4 讨论

3.5 小结

第四章 咸水滴灌对土壤氮素转化的影响

4.1盐分对灰漠土尿素N转化的影响

4.2咸水滴灌对棉田土壤硝态氮动态影响

4.3讨论

4.4小结

第五章 咸水滴灌对棉田土壤微生物的影响

5.1咸水滴灌对土壤可培养微生物数量的影响

5.2咸水滴灌对土壤微生物量和活性的影响

5.3咸水滴灌对土壤微生物结构多样性的影响

5.4咸水滴灌对土壤微生物功能多样性的影响

5.5讨论

5.6小结

第六章 咸水滴灌对棉花生长和水氮利用的影响

6.1 根系生长和分布

6.2 地上部生长和产量

6.3咸水滴灌对棉花水、氮利用率的影响

6.4 讨论

6.5 小结

第七章 主要结论、创新点与研究展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

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