降雨对玉米冠层氮素淋洗的研究

论文摘要

植物冠层在养分循环及改变养分循环流量方面的重要作用,是生态学和植物营养学研究者共同关注的科学问题。植物冠层氮素损失与植物对氮素的吸收在决定氮素利用和生态系统氮素平衡方面同等重要,是土壤-植物系统氮素循环重要组成部分。因此,查明冠层氮素损失的可靠去向和流量,对深入理解植物氮素营养机理及氮素营养平衡,提高氮素利用效率,具有一定科学价值。本试验以当地主栽玉米（Zea mays L.）品种兴玉998（X）、豫玉22（Y）和中单5384（Z）为供试材料盆栽试验。施氮设不施氮（标记为N0）、每千克土施纯氮0.2 g（标记为N2）和0.4 g（标记为N4）等3水平,同时辅助15N示踪试验,采用人工模拟降雨,通过收集玉米冠层淋洗液,测定冠层淋洗液中15N,确证玉米冠层是否会发生氮素淋洗,查明农田作物冠层氮素除气态挥发损失以外的其它可能损失途径,回答作物冠层氮素淋洗是否为农田生态系统氮素流量及作物冠层氮素损失的另一重要途径,完善植物冠层养分淋洗的研究方法;并在确证冠层发生氮素淋洗的基础上,阐明玉米冠层淋洗氮素的形态及其比例;探讨土壤供氮和作物氮素营养对冠层氮素淋洗的影响;通过结合叶面积、气孔频度、叶片自由空间、气体交换参数等指标的测定,从作物冠层氮素淋洗可能机理初步揭示冠层氮素淋洗途径和过程,通过以上研究提供农田作物冠层氮素淋洗的有关证据和基础科学数据,深化对农田生态系统氮素平衡更加准确和可靠的认识。本论文完成的主要工作和取得的主要结论包括:1. 15N示踪试验表明,玉米冠层氮素可随降雨发生淋洗,抽穗期15N淋洗量占全氮原子百分超较拔节期高;玉米冠层并未发生有机氮淋洗,在本试验条件下冠层淋洗液中氮组分仅为铵态氮和硝态氮。在测定期间内随生育期推进,玉米冠层淋洗液中铵态氮、硝态氮浓度均先升高后降低。在50min15mm降雨量时,拔节期、开花吐丝期、灌浆期、成熟期铵态氮淋洗量分别为1895.3、4154.6、3861.1和1283.8μg/株;硝态氮淋洗量分别为320.7、1014.9、825.9、801.4μg/株;氮素总淋洗量（铵、硝态氮之和）分别为2227.3、5173.9、4687.1和2086.4μg/株。从4次测定总和看,经过60mm降雨,铵态氮总淋洗量为11194.8μg/株,硝态氮总淋洗量为2979.9μg/株,氮素总淋洗量为14174.7μg/株。每次降雨淋洗随时间延长,淋洗液中铵态氮、硝态氮浓度以及淋洗量均明显下降,与时间呈反比。不同品种氮素淋洗量差异显著（P<0.05）,从4次测定总和看,经过60mm降雨,铵态氮总淋洗量兴玉998平均为11873.3μg/株,豫玉22平均为10991.2μg/株,中单5384平均为10719.9μg/株;硝态氮总淋洗量分别为3803.9、2720.1和2415.6μg/株;氮素总淋洗量平均为15677.2、13711.4和13135.5μg/株。施氮水平显著影响玉米冠层淋洗液中铵态氮、硝态氮浓度以及淋洗量（P<0.05）,从4次测定（60mm降雨淋洗）总和看,N0水平氮素总淋洗量平均为15024.2μg/株,N2水平为15316.1μg/株,N4水平为12184.0μg/株。2.在测定期间内随生育期推进,玉米冠层单位叶面积、单位鲜重铵态氮和硝态氮淋洗量均呈先增加后减少的变化趋势。从4次测定（60mm降雨淋洗）总和看,单位叶面积铵态氮总淋洗量为3.408μg/cm2,硝态氮总淋洗量为0.656μg/cm2,氮素总淋洗量为4.063μg/cm2;单位鲜重铵态氮、硝态氮和氮素总淋洗量分别为42.063、12.203、55.775μg/g FW。从总体看,随每次降雨淋洗时间的延长,玉米冠层单位叶面积、单位鲜重铵态氮和硝态氮淋洗量逐渐减少,淋洗量变化与时间呈反比关系。不同品种间,从4次测定（60mm降雨淋洗）总和看,兴玉998单位叶面积氮素（硝态氮与铵态氮之和）总淋洗量为4.005μg/cm2,豫玉22为3.936μg/cm2,中单5384为4.249μg/cm2;单位鲜重氮素总淋洗量分别为54.472、55.316和57.538μg/g FW。不同施氮水平下,从4次测定（60mm降雨淋洗）总和看,N0、N2和N4水平单位叶面积氮素（硝态氮与铵态氮之和）总淋洗量分别为6.225、3.435和2.530μg/cm2;单位鲜重氮素总淋洗量分别为79.905、49.767和37.654μg/g FW;随施氮量增加,淋洗量呈降低趋势。3.影响冠层氮素淋洗的叶片气孔特性、气体交换参数等不仅与品种和生育期有关,也因施氮水平不同而异。施氮后玉米叶片气孔频度逐渐降低,气孔长度、气孔宽度、气孔周长和气孔面积均高于不施氮处理。施氮后玉米叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、SPAD值均高于不施氮处理。在测定期间内,玉米叶片表观自由空间（AFS）以拔节期最大,成熟期最低,不同生育期间AFS存在显著差异（P<0.05）。与N0(平均为0.916 ml.g-1鲜叶)相比,N2水平叶片AFS有所降低,平均为0.858 ml.g-1鲜叶,N4时有所升高,平均为1.510 ml.g-1鲜叶。4.综合相关分析结果表明,50min 15mm降雨量时玉米冠层硝态氮淋洗量与茎叶硝态氮含量、茎秆含水量、单株叶面积、单株鲜重以及叶片气孔周长之间呈显著正相关（P<0.05）,玉米叶面积越大,茎叶硝态氮含量越高,硝态氮淋洗量也越多。硝态氮淋洗量与叶片AFS、胞间CO2浓度呈显著负相关,叶片AFS越大,硝态氮淋洗量较少。单位叶面积硝态氮淋洗量与植物氮素营养水平之间的相关性均未达到显著水平;单位鲜重硝态氮淋洗量与气孔面积呈显著正相关,与茎叶全氮含量、叶片含水量之间均呈显著负相关（P<0.05）,叶片气孔宽度越宽,气孔面积越大,单位鲜重硝态氮淋洗量较大。除施氮水平外,植物本身营养高低对硝态氮的淋洗的影响效果最为明显。在50min 15mm降雨量下,玉米冠层铵态氮淋洗量与叶片净光合速率、气孔频度之间呈显著正相关（P<0.05）;单位叶面积铵态氮淋洗量与玉米茎叶全氮、茎叶硝态氮、叶面积、单株鲜重、气孔周长之间呈显著负相关（P<0.05）。单位鲜重铵态氮淋洗量与气孔频度、胞间CO2浓度存在显著正相关（P<0.05）,玉米叶片单位面积气孔数目越多,净光合速率较高的叶片,铵态氮淋洗量较多。单位鲜重铵态氮淋洗量与茎叶全氮含量、叶片含水量之间呈显著负相关（P<0.05）,与气孔宽度、气孔面积、气孔周长、叶片水分利用效率呈极显著负相关（P<0.01）,茎叶全氮含量越高,铵态氮淋洗量较少。除施氮水平外,铵态氮的淋洗主要受植物本身营养高低和叶片气孔以及光合特性的影响。以上相关分析进一步说明,随着与叶面积、气孔频度及叶片与环境气体交换能力增加,冠层氮素淋洗量总体上呈增加趋势;随冠层氮素营养水平增加,冠层氮素淋洗量反而呈下降趋势,后者说明并非冠层氮素越丰富,淋洗氮素就越多,产生这种现象的原因还有待于进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、意义及依据
• 1.1.1 研究背景和意义
• 1.1.2 研究依据
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 植物冠层的氮素损失
• 1.2.2 植物冠层氮素损失的途径
• 1.2.3 植物冠层养分淋失的作用机理
• 1.3 植物冠层养分淋失的影响因素
• 1.4 降雨淋洗对植物生长的影响
• 1.5 氮素对植物光合、气孔特性的影响
• 1.6 植物叶片气孔特性与光合特性的关系
• 1.7 问题与展望
• 1.8 研究目标与内容
• 1.8.1 确证降雨能否淋洗玉米冠层氮素
• 1.8.2 研究不同降雨时段和玉米不同生育期冠层淋洗氮素形态以及变化规律
• 1.8.3 土壤供氮和植物氮素营养水平对玉米冠层氮素淋洗的影响
• 1.8.4 叶面积、气孔密度、气孔导度、叶片自由空间等对不同玉米品种冠层氮素淋洗的影响
• 第二章 降雨对玉米冠层氮素淋洗的证明研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验设计
• 2.1.2 模拟降雨淋洗装置及淋洗方法
• 2.1.3 测定项目与方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 降雨能否淋洗玉米冠层氮素的确证
• 2.2.2 淋洗液中铵态氮浓度及冠层铵态氮淋洗量
• 2.2.3 冠层淋洗液中硝态氮浓度及硝态氮淋洗量
• 2.3 讨论
• 第三章 植物氮素营养对冠层氮素淋洗的影响
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验设计及模拟降雨
• 3.1.2 测定项目与方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 玉米单株总叶面积和生物量
• 3.2.2 玉米冠层茎叶全氮和硝态氮含量差异
• 3.2.3 玉米冠层单位叶面积铵态氮淋洗量
• 3.2.4 玉米冠层单位叶面积硝态氮淋洗量
• 3.2.5 玉米冠层单位叶面积氮素总淋洗量
• 3.2.6 玉米冠层单位鲜重铵态氮淋洗量
• 3.2.7 玉米冠层单位鲜重硝态氮淋洗量
• 3.2.8 玉米冠层单位鲜重氮素总淋洗量
• 3.2.9 冠层氮素淋洗与植物氮素营养的关系
• 3.3 讨论
• 第四章 植物叶片气孔特性与冠层氮素淋洗的关系
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验设计
• 4.1.2 冠层垂直分层及取样
• 4.1.3 气孔临时装片制备
• 4.1.4 玉米叶片气孔密度和形态特征的观测
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 玉米叶片气孔分布
• 4.2.2 玉米叶片气孔频度差异
• 4.2.3 玉米叶片气孔长度差异
• 4.2.4 玉米叶片气孔宽度的差异
• 4.2.5 玉米叶片气孔面积的差异
• 4.2.6 玉米叶片气孔周长的差异
• 4.2.7 玉米叶片气孔特性与冠层氮素淋洗量、植物氮素营养的关系
• 4.3 讨论
• 4.3.1 玉米叶片气孔特性随生育期的变化
• 4.3.2 施氮对玉米气孔特性的影响
• 4.3.3 不同玉米品种冠层不同叶位叶片气孔特性的变化
• 4.3.4 玉米气孔特性与冠层氮素淋洗以及气孔特性之间的相关关系
• 第五章 植物叶片光合等生理特性与冠层氮素淋洗的关系
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验设计
• 5.1.2 冠层垂直分层
• 5.1.3 叶绿素相对含量（SPAD 值）
• 5.1.4 净光合速率等生理特性的测定
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 玉米不同生育期叶片光合速率差异
• 5.2.2 玉米不同生育期叶片气孔导度差异
• 2 浓度的差异'>5.2.3 玉米不同生育期叶片胞间CO₂浓度的差异
• 5.2.4 玉米不同生育期叶片蒸腾速率的差异
• 5.2.5 玉米不同生育期叶片水分利用效率的差异
• 5.2.6 玉米不同生育期叶片SPAD 的差异
• 5.2.7 玉米叶片光合特性与冠层氮素淋洗量、植物氮素营养的关系
• 5.3 讨论
• 5.3.1 玉米叶片光合特性随生育期的变化
• 5.3.2 不同施氮水平以及不同叶层叶片光合特性的差异
• 5.3.3 玉米叶片光合特性与冠层氮素淋洗、叶片气孔特性的关系
• 第六章 植物叶片表观自由空间与冠层氮素淋洗的关系
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 试验设计
• 6.1.2 冠层垂直分层
• 6.1.3 表观自由空间的测定
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 玉米不同生育期叶片AFS 的差异
• 6.2.2 不同施氮水平下玉米叶片AFS 的差异
• 6.2.3 玉米冠层不同叶层叶片AFS 的差异
• 6.2.4 玉米叶片AFS 大小与冠层氮素淋洗以及叶片气孔特性的关系
• 6.3 讨论
• 第七章 结论
• 7.1 本论文取得的主要结论
• 7.1.1 降雨对玉米冠层氮素的淋洗以及不同生育期冠层淋洗氮素形态和变化规律
• 7.1.2 土壤供氮和植物氮素营养水平对玉米冠层氮素淋洗的影响
• 7.1.3 植物叶片气孔特性与冠层氮素淋洗的关系
• 7.1.4 植物叶片光合等生理特性与冠层氮素淋洗的关系
• 7.1.5 植物叶片表观自由空间差异与冠层氮素淋洗的关系
• 7.2 可能创新点
• 7.3 丞待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介