模拟雨量下微集水种植农田土壤水温状况及玉米生理生态效应研究

论文摘要

农田微集水种植技术是一种通过改变农田地表微地形,达到雨水就地富集、利用及储存的田间集水农业技术,它适用于缺乏径流源或远离产流区的旱平地和缓坡旱地,基本原理是通过在田间修筑沟垄,垄面覆膜,实现降水由垄面（集水区）向沟中（种植区）的汇集,使降雨在农田内就地进行空间再分配,达到降雨集中利用之目的,以改善旱地作物水分供应状况,提高作物产量。试验于2006～2007年在西北农林科技大学（108°04ˊE ,34°20ˊ N）农作物标本区遮雨棚内进行,在夏播（2006）和春播（2007）玉米生育期内,通过人工模拟降雨装置,研究不同降雨量下微集水种植农田土壤水分动态、温度状况和玉米生理生态反应及增产效应,以进一步明确和完善农田微集水种植技术农田水温效应及影响作物生产力的机制。1、不同雨量下微集水种植农田土壤水温状况1)覆膜垄的集水效率与降雨强度有关,在雨强为30mm/h～40mm/h时,覆膜垄的集水效率较高,平均为95.1%。2)在玉米生育期,随着时间的推移和累积降雨量的增加,微集水种植垄下土壤水分逐渐增加,在230mm、340mm和440 mm雨量下,随着雨量递增,沟中种植区土壤水分含量提高幅度增大,垄下土壤水分含量增加速度也加大。3)微集水种植可以增加耕层的温度,尤其在晴天,其增温效果更加明显。随着作物生育期雨量的增加和土层的加深,地温增加量逐渐减小;在玉米播种后60天内,微集水种植沟中10cm处,在玉米生育期降雨量为230mm、340mm和440mm时,白天平均地温分别较对照增加了0.9～1℃、0.8～0.9℃和0.7～0.8℃。2、不同雨量下微集水种植对玉米光合生理生态特性的影响1)对于夏播玉米而言,在全生育期230mm和340mm降雨量下,微集水种植可使全生育期叶片瞬时水分利用效率较同降雨量下传统平作分别提高30.0%和22.1%。2)对于春播玉米而言,在全生育期230mm降雨量下,可使全生育期叶片瞬时水分利用效率较同降雨量下传统平作分别提高13.6%;当全生育期降雨量为340mm时,在拔节期和抽雄期,微集水种植叶片瞬时水分利用效率分别提高15.2%和30.1%,整个生育期,平均提高12.4%。3)不论春播还是夏播,当玉米生育期雨量较大时,微集水种植对提高玉米光合效率和叶片水分利用效率的优势减小,甚至当雨量增加到440mm或者更大时,玉米叶片瞬时水分利用效率与传统平作相比,反而降低。3、不同雨量下微集水种植对玉米生长发育的影响1)在玉米生育期降雨量为230mm～440mm时,微集水种植使玉米的生育进程都有所提前,其中可使夏玉米出苗普遍提前1d,拔节期、开花期以及完熟期在230mm降雨量下,分别提前8d、5d和11d;340mm降雨量下分别提前4d、4d和6d;440mm降雨量下分别提前2d、2d和3d;可使春玉米出苗普遍提前2d,拔节期、开花期以及成熟期在230mm降雨量下,分别提前14d、11d和13d;440mm降雨量下分别提前10d、9d和8d;440mm降雨量下分别提前2d、2d和5d。各降雨量下微集水种植对玉米各生育周期的影响:230mm>340mm>440mm,随着降雨量的增大,微集水种植对玉米生育进程的影响逐渐变小。2)在玉米生育期降雨量为230mm～440mm时,微集水种植使玉米单株生物累积量增加。230mm、340mm、440mm降雨量下,夏玉米收获时,微集水种植单株干重分别比传统平作高44.7%、28.5%和7.6%;春玉米收获时,微集水种植单株干重分别比传统平作高86.6%、59.7%和12.1%。3)在全生育期230mm～340mm降雨量下,夏播玉米籽粒产量较同雨量下传统平作籽粒产量分别增加了1604kg·hm-2（75.4%）和1184 kg·hm-2（36.7%）;春播玉米在全生育期降雨量为230mm～440mm时,与同降雨量下传统平作相比,籽粒产量分别增加2632 kg·hm-2（82.8%）、2347 kg·hm-2（43.4%）和861 kg·hm-2（11.2%）。微集水种植的增产幅度随玉米生育期雨量的递增逐渐减小,尤其是当雨量为440mm时,对夏玉米来说增产效果已不明显。4)夏播玉米在全生育期230mm和340mm降雨量下,微集水种植可使农田籽粒产量水分利用效率较同雨量下传统平作分别提高7.4 kg·hm-2·mm-1（73.3%）和4.3 kg·hm-2·mm-1（40.2%）。春播玉米在全生育期230mm、340mm和440mm降雨量下,微集水种植可使农田籽粒产量水分利用效率较同雨量下传统平作分别提高11.3 kg·hm-2·mm-1（77.4%）、7.5 kg·hm-2·mm-1（43.1%）和1.7（9.5%）。4、不同雨量下微集水种植对土壤速效养分的影响1)在夏玉米全生育期230mm、340mm和440mm雨量下,由于微集水种植的集水集肥效果,可使种植区耕层土壤速效养分（N、P、K）含量明显增加,并且其增幅大小随雨量不同而异。2)随着夏玉米全生育期降雨量的不同,微集水种植下土壤速效养分含量增加的土层位置亦不相同。当生育期雨量较小时,农田土壤速效养分增加的土层主要为较上层（0～40cm）土壤,而当雨量进一步加大时,还可使更深层土壤速效养分含量增加。5、不同雨量下微集水种植对农田养分利用效率的影响1)在玉米全生育期230mm340mm降雨量下,微集水种植玉米可提高农田养分利用效率。对夏播玉米而言,微集水种植使农田氮、磷和钾素利用效率（NUEN、NUEP和NUEK）在230mm雨量下分别增加了56.0%、44.4%和106.8%; 340mm雨量下分别增加了22.8%、18.1%和35.5%;440mm雨量下与平作相比差异不明显;对于春播玉米而言, NUEN、NUEP和NUEK在230mm雨量下分别增加了64.0%、52.2%和123.9%;340mm雨量下分别增加了30.4%、21.8%和41.2%;440mm雨量下NUEN提高了10.1%,NUEP和NUEK与传统平作无显著差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 导言
• 1.1 选题的目的及意义
• 1.2 国内外雨水集流研究进展
• 1.2.1 雨水集流的概念
• 1.2.2 雨水集流的类型
• 1.2.3 雨水集流几个重要的发展阶段
• 1.2.4 集水农业理论
• 1.2.5 雨水集流国外研究进展
• 1.2.6 雨水集流国内研究进展
• 1.2.7 雨水集流系统
• 1.2.8 集水农业技术体系
• 1.2.9 集水农业的发展模式
• 1.2.10 微集水种植农田的水分调控
• 1.3 需进一步研究解决的科学问题
• 1.4 研究内容
• 1.4.1 不同降雨量下微集水种植农田土壤水温状况
• 1.4.2 不同降雨量下微集水种植对农田土壤速效养分的影响
• 1.4.3 不同降雨量下微集水种植对作物生长发育及主要生理生态指标的影响
• 1.4.4 不同降雨量下微集水种植对农田水肥利用效率的影响
• 1.5 本研究的创新点
• 1.6 技术路线
• 第二章 材料与方法
• 2.1 试验区概况
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 模拟降水装置
• 2.2.2 降雨量的确定
• 2.2.3 设计方案
• 2.3 测定项目与方法
• 2.3.1 土壤水分含量的测定
• 2.3.2 土壤温度的测定
• 2.3.3 光合测定
• 2.3.4 叶绿素荧光测定
• 2.3.5 相对叶绿素含量测定
• 2.3.6 玉米生育期的观察
• 2.3.7 株高、叶面积的测定
• 2.3.8 根、茎、叶干重的测定
• 2.3.9 最终产量指标的测定
• 2.3.10 根系分布特征参数测量方法
• 2.3.11 土壤速效养分的测定
• 2.3.12 植物全N、全P、全K 的测定
• 2.3.13 土壤蒸发量的计算
• 2.3.14 农田水分、养分利用效率及养分收获指数
• 第三章 不同雨量下微集水种植农田水温状况
• 3.1 集水效率
• 3.1.1 集水效率观测
• 3.1.2 集水效率
• 3.2 玉米生育期农田水分动态变化
• 3.2.1 0～20cm 土层水分动态变化
• 3.2.2 20～60cm 土层水分动态变化
• 3.2.3 60～100cm 土层水分动态变化
• 3.2.4 100～200cm 土层水分动态变化
• 3.2.5 玉米生育期0～200cm 土层水分平均含量
• 3.2.6 玉米生育期0～200cm 土层水分分布
• 3.3 不同雨量下微集水种植玉米的土壤温度效应
• 3.3.1 玉米生育期耕层5cm、10cm、15cm 和20cm 处土壤温度及变化
• 3.3.2 玉米生育期耕层0～20cm 平均地温
• 3.3.3 玉米播种前期土壤表层10cm 处地温变化
• 3.4 讨论
• 3.5 结论
• 第四章 不同雨量下微集水种植对玉米光合生理生态特性的影响
• 4.1 结果与分析
• 4.1.1 不同雨量下集水种植对玉米功能叶片光合参数的影响
• 4.1.2 不同雨量下集水种植对玉米功能叶片荧光参数的影响
• 4.1.3 不同雨量集水种植下玉米功能叶SPAD 值的变化
• 4.2 讨论
• 4.3 结论
• 第五章 不同雨量下微集水种植对玉米生长发育的影响
• 5.1 结果与分析
• 5.1.1 生育进程
• 5.1.2 株高
• 5.1.3 功能叶面积
• 5.1.4 生物量累积
• 5.1.5 不同雨量下微集水种植与平作玉米单株株高、叶面积和生物量积累动态模型特征值分析
• 5.1.6 不同雨量下微集水种植与平作玉米单株地上、地下部生物量及根冠比
• 5.1.7 干物质分配
• 5.1.8 不同雨量下微集水种植对玉米根系生长的影响
• 5.1.9 籽粒产量及其构成因素
• 5.1.10 籽粒产量水分利用效率
• 5.2 讨论
• 5.2.1 生育时期
• 5.2.2 株高、叶面积、生物量累积及分配
• 5.2.3 根系性状
• 5.2.4 籽粒产量及构成因素
• 5.2.5 农田水分利用效率
• 5.2.6 综合分析
• 5.3 结论
• 第六章 微集水种植对土壤速效养分的影响
• 6.1 结果与分析
• 6.1.1 耕层（0～40cm）土壤速效N（碱解N）、速效P、速效K 和有机质含量
• 6.1.2 农田（0～100cm）土壤速效N、速效P、速效K 和有机质各层分布
• 6.2 讨论
• 6.3 结论
• 第七章 微集水种植对农田养分利用效率的影响
• 7.1 结果与分析
• 7.1.1 单株养分吸收量
• 7.1.2 养分效率比（NER）
• 7.1.3 养分利用效率（NUE）
• 7.1.4 养分收获指数（NHI）
• 7.2 讨论
• 7.3 结论
• 第八章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.1.1 不同雨量下微集水种植农田的水温状况
• 8.1.2 不同雨量下微集水种植对玉米光合生理生态特性的影响
• 8.1.3 不同降雨量下微集水种植对玉米生长发育的影响
• 8.1.4 不同雨量下微集水种植对土壤速效养分的影响
• 8.1.5 不同雨量下微集水种植对农田养分利用效率的影响
• 8.2 对今后研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录