毛白杨苗期水肥耦合效应研究

论文摘要

以毛白杨（Populus tomentosa Carr.）S86号为材料分别于北京林业大学和河北威县进行盆栽和大田试验,对水分和肥料进行控制,研究不同土壤水分、不同肥料与施肥水平耦合对毛白杨生长发育、光合特性、植株酶活性、养分含量等生理指标的影响,实现节水、省肥、提高水肥利用率、提高产量的目的。研究结果表明：（1）对毛白杨生长影响最大的是土壤水分,其中土壤水分对苗高、整株叶面积和生物量的影响居于首位,且有显著的正效应；其次是氮肥和磷肥,影响小于土壤水分。不同水氮磷耦合下,生物量与各生长指标呈正相关,其中和整株叶面积相关性最大,其次为苗高,最低的是地径,但各生长指标相关性均达到显著水平。据此可以通过各个生长指标来预测盆栽毛白杨苗期生物量的生长情况。在本试验条件下,土壤水分和氮肥对毛白杨生物量影响有明显的交互作用,而土壤水分和磷肥、氮肥和磷肥交互关系未达到显著。对水氮进行田间耦合试验表明,水氮耦合处理下毛白杨苗木各部位干重大小为茎>根>叶,茎干重约占总生物量的59.48%,根干重占总生物量的22.13%,叶干重约占总生物量的18.38%。低水条件下,低氮能促进毛白杨生物量的累积,中氮和高氮均使生物量下降；中水条件下,中氮处理较利于毛白杨生长,生物量达到最大；高水条件下,中氮处理能获得较大的生物量。不施氮和低氮条件下,水分增加不利于生物量积累,此时水分胁迫对生物量积累有一定促进作用；但在中氮和高氮条件下,水分增加促进生长,水分供应越充足,获得的生物量越大。（2）毛白杨苗木叶片净光合速率（Pn）对环境条件中的水肥变化较敏感,7月到9月,毛白杨苗木Pn逐渐升高,其峰值出现9月。不同月份蒸腾速率（Tr）的变化规律与Pn有所不同,叶片Tr在苗木生长的过程中呈先升高后降低的趋势,8月达到峰值。毛白杨苗木Pn与气孔导度（Gs）、Tr和胞间CO2浓度（Ci）呈极显著正相关,与叶片水分利用效率（WUE）和气孔限制值（Ls）呈极显著负相关。WUE与Pn、Gs、Ci、Tr均呈极显著负相关,而与Ls呈极显著正相关。不同水肥处理下,导致毛白杨苗木光合速率变化的主导因素是气孔限制因素,同时也存在由于叶片营养和水分失衡导致的叶片自身光合能力下降等非气孔限制因素。低水条件下,增施氮肥不利于Pn的升高,高氮条件下,Pn值最低；中水条件下,施用氮肥对Pn的增加有一定促进作用,氮肥施用过多,Pn值同样下降,低氮下Pn最高;高水条件下,高氮水平下Pn值高于中低氮水平,不施氮肥处理Pn值最低。无论将氮固定在何种水平下Pn随土壤水分的变化趋势一致,随着土壤水分的增加而增加,分别在高水下达到最大值。当氮肥固定在一定水平时,光补偿点（LCP）随着土壤水分水平的升高而成下降趋势,表明苗木在弱光下光合能力越来越弱,不能很好的利用弱光。当土壤水分固定在一定水平时,LCP在低氮和中氮下较高,表明这些处理光合能力较强,低氮和中氮处理较利于毛白杨苗木弱光下的光合作用。（3）水肥互作效应对水分利用效率和养分吸收有显著的影响,水肥耦合存在一定的阈值。各时期毛白杨苗木的瞬时水分利用效率呈先降低后增高的趋势,9月>7月>8月。6-10月,毛白杨叶片全N量呈现降-升-降的总体趋势,叶片含P、K量呈升-降-升的趋势。低水条件下,增施氮肥能提供植株的养分吸收能力；中高水条件下,氮肥的施入对植株养分吸收也有促进作用,但是氮肥施入量过大,会抑制养分的吸收。土壤水分与植株吸收养分密切相关,充足的土壤供水能显著提高植株养分吸收能力。中低水条件下,低氮处理毛白杨苗木叶片WUE较大,随着氮肥水平的增大,WUE降低,水分胁迫下,施入较多的氮肥会降低苗木叶片WUE；而土壤水分较充足时,不施氮处理叶片WUE最高。另一方面,水分对叶片WUE影响较大,其中,低氮条件下,中水WUE较高；中高氮条件下,水分越充足,WUE越高,高水时达到最大。（4）盆栽条件下,构建多目标决策模型,对目标函数应用计算机寻求最优解可得,当各因素水平编码值分别为：X]（土壤水分）=1.27,X2（氮肥）=1.33,X3（磷肥）=0.56时,即相当于水分为田间持水量的73.9%,施氮量为4.48 g·plant-1,施磷量为1.67 g·plant-1时各响应变量能达到最优。田间条件下,综合水氮处理对毛白杨生长、生理特征、经济效益、水分利用率和肥料吸收量的综合评价可看出,W3N2处理即土壤含水量控制在田间持水量的70-75%,施氮肥为300kg·hm-2处理在毛白杨苗期田间管理中综合评价最好,有利于毛白杨生长,同时能获得较高的经济利润,而W1N0处理在生产中应该被淘汰。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 引言
• 1.1 水肥耦合理论研究依据
• 1.1.1 水肥耦合概念
• 1.1.2 水肥耦合效应原理
• 1.1.3 水肥交互作用影响机制
• 1.2 水肥耦合研究进展
• 1.2.1 水肥耦合对植株生长的影响研究
• 1.2.2 水肥耦合对植株生理代谢的影响研究
• 1.2.3 水肥耦合对环境影响研究
• 1.3 毛白杨水肥管理研究进展
• 1.3.1 毛白杨生长发育规律研究
• 1.3.2 毛白杨水分管理研究
• 1.3.3 毛白杨施肥管理研究
• 1.4 水肥耦合研究当前存在问题及展望
• 1.5 本研究立题依据、目的及意义
• 2 试验区概况、试验材料及方法
• 2.1 试验区概况
• 2.1.1 北京林业大学校内生物中心苗圃试验区
• 2.1.2 河北威县苗圃试验区
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 盆栽苗木
• 2.2.2 田间苗木
• 2.2.3 土壤理化性质
• 2.2.4 试验肥料
• 2.3 研究技术路线
• 2.4 试验设计与方法
• 2.4.1 盆栽试验试验设计
• 2.4.2 田间试验试验设计
• 2.4.3 测定指标及其方法
• 2.5 数据处理
• 3 水、氮、磷耦合对毛白杨苗期生长性状的影响效应
• 3.1 盆栽毛白杨苗木苗高水氮磷耦合生长动态
• 3.1.1 苗高生长水肥模型建立
• 3.1.2 苗高主因素效应分析
• 3.1.3 苗高生长单因素效应分析
• 3.1.4 苗高生长耦合效应分析
• 3.2 盆栽毛白杨苗木地径水氮磷耦合生长动态
• 3.2.1 地径生长水肥模型建立
• 3.2.2 地径主因素效应分析
• 3.2.3 地径生长单因素效应分析
• 3.2.4 地径生长耦合效应分析
• 3.3 盆栽毛白杨苗木单叶展叶面积和比叶重水氮磷耦合变化规律
• 3.3.1 展叶面积
• 3.3.2 比叶重
• 3.4 盆栽毛白杨苗木整株叶面积水氮磷耦合差异比较
• 3.4.1 整株叶面积生长水肥模型建立
• 3.4.2 整株叶面积主因素效应分析
• 3.4.3 整株叶面积单因素效应分析
• 3.4.4 整株叶面积耦合效应分析
• 3.5 盆栽毛白杨苗木生物量水氮磷耦合差异比较
• 3.5.1 生物量水肥模型建立
• 3.5.2 生物量主因素效应分析
• 3.5.3 生物量单因素效应分析
• 3.5.4 边际生物量效应分析
• 3.5.5 生物量耦合效应分析
• 3.6 盆栽毛白杨苗木苗高、地径、整株叶面积和生物量相关性分析
• 3.7 小结
• 4 水、氮、磷耦合对毛白杨苗期生理性状的影响效应
• 4.1 水氮磷耦合处理毛白杨苗木叶片水分生理特征
• 4.1.1 叶片含水量
• 4.1.2 叶片持水力
• 4.2 水氮磷耦合处理毛白杨苗木叶片光合生理特征
• 4.2.1 叶片净光合速率月变化
• 4.2.2 净光合速率水肥模型建立
• 4.2.3 净光合速率主因素效应分析
• 4.2.4 净光合速率单因素效应分析
• 4.2.5 光合生理各指标相关性分析
• 4.2.6 叶片蒸腾速率月变化
• 4.2.7 气孔调节月变化
• 4.2.8 光响应特征曲线
• 4.2.9 瞬时水分利用效率与碳同位素组成
• 4.2.10 叶绿素含量
• 4.2.11 叶绿素荧光参数
• 4.3 水氮磷耦合处理毛白杨苗木叶片丙二醛含量和保护酶活性变化
• 4.3.1 叶片丙二醛含量
• 4.3.2 叶片保护酶酶活性
• 4.4 水氮磷耦合处理毛白杨苗木养分特征
• 4.4.1 毛白杨苗木N养分动态
• 4.4.2 毛白杨苗木P养分动态
• 4.4.3 毛白杨苗木K养分动态
• 4.5 构建多目标决策模型,求出水氮磷耦合最优解
• 4.6 小结
• 5 水氮耦合对毛白杨苗期生长性状的影响效应
• 5.1 毛白杨苗木苗高水氮耦合效应
• 5.1.1 苗高生长月动态
• 5.1.2 水氮耦合对苗高生长的影响
• 5.2 毛白杨苗木地径水氮耦合效应
• 5.2.1 地径生长月动态
• 5.2.2 水氮耦合对地径生长的影响
• 5.3 毛白杨苗木叶面积水氮耦合效应
• 5.3.1 比叶重月动态
• 5.3.2 功能叶叶面积月动态
• 5.3.3 水氮耦合对整株叶面积的影响
• 5.4 毛白杨苗木生物量水氮耦合效应
• 5.4.1 毛白杨苗木各部位干重
• 5.4.2 水氮耦合对生物量的影响
• 5.5 小结
• 6 水氮耦合毛白杨苗期生理性状的影响效应
• 6.1 毛白杨苗木叶片水分水氮耦合效应
• 6.1.1 叶片含水量月动态
• 6.1.2 水氮耦合对叶片含水量的影响
• 6.2 毛白杨苗木水氮耦合光合作用效应
• 6.2.1 毛白杨光合生理参数
• 6.2.2 水氮耦合对Pn影响
• 6.2.3 水氮耦合对Tr的影响
• 6.2.4 水氮耦合对WUE的影响
• 6.2.5 水氮耦合对Gs和Ci的影响
• 6.2.6 水氮耦合对光响应的影响
• 6.3 毛白杨苗木养分含量水氮耦合效应
• 6.3.1 毛白杨叶片全N量月变化
• 6.3.2 白杨叶片全P、K量月变化
• 6.3.3 毛白杨N素在各器官的分配
• 6.3.4 毛白杨P素在各器官的分配
• 6.3.5 毛白杨K素在各器官的分配
• 6.4 小结
• 7 水氮耦合经济效益分析与最佳水氮组合的建立
• 7.1 经济效益分析
• 7.2 水氮耦合最佳组合确立
• 7.2.1 灰色关联分析原理及方法
• 7.2.2 灰色关联分析结果
• 7.3 小结
• 8 结论与讨论
• 8.1 毛白杨水肥耦合的生物量效应
• 8.2 毛白杨水肥耦合的光合效应
• 8.3 毛白杨水肥耦合的水分利用和养分吸收效应
• 8.4 采用多目标决策模型和灰色关联度综合评价水肥效应
• 本研究创新点
• 参考文献
• 附录1
• 个人简介
• 导师简介
• 致谢