【摘要】：定量評(píng)估再生水氮素對(duì)作物生長(zhǎng)的有效性是制定科學(xué)的再生水灌溉施肥制度的前提。制定再生水施肥制度時(shí),將再生水中氮的有效性等同于氮肥或高估其有效性會(huì)導(dǎo)致土壤氮素供給不足,限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成;忽視或低估再生水中氮的有效性會(huì)降低氮素利用效率,也會(huì)造成土壤氮素累積,進(jìn)而增加硝態(tài)氮淋失和面源污染風(fēng)險(xiǎn)。滴灌能有效提高水氮利用效率并降低再生水灌溉帶來(lái)的環(huán)境污染和健康風(fēng)險(xiǎn)。研究再生水滴灌條件下再生水氮素對(duì)作物生長(zhǎng)的有效性,能為再生水養(yǎng)分安全高效利用提供科學(xué)依據(jù)。本文以華北平原玉米(Zea mays L.)為研究對(duì)象,開(kāi)展了再生水滴灌盆栽試驗(yàn)和滴灌大田試驗(yàn)。為了避免降雨和土壤養(yǎng)分空間變異等因素的影響,定量評(píng)估再生水氮素對(duì)玉米生長(zhǎng)的有效性,2014和2015年進(jìn)行了施氮量影響盆栽試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)施氮量和灌溉水質(zhì)2個(gè)因素,施氮量分別為0、0.88、1.76和2.64 g/盆(相當(dāng)于0、70、140和210 kg/hm~2),灌溉水質(zhì)設(shè)二級(jí)再生水(S)和地下水(G)。另外,2015年增設(shè)水質(zhì)影響盆栽試驗(yàn),設(shè)地下水、再生水與地下水體積比為4:2(S67%)和體積比為5:1(S83%)的混合水、再生水(S100%)4個(gè)水質(zhì)處理。應(yīng)用15N示蹤法測(cè)定了肥料氮、再生水氮和總氮(肥料氮+再生水氮)平衡;聯(lián)合肥料當(dāng)量法定量研究了再生水氮素對(duì)玉米生長(zhǎng)的有效性;測(cè)定了玉米株高、葉面積指數(shù)(LAI)、生物量、根重密度、根長(zhǎng)密度、吸氮量、產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素和品質(zhì)等。為了驗(yàn)證盆栽試驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)化再生水滴灌玉米施氮制度,2014和2015年開(kāi)展了大田試驗(yàn),考慮灌溉水質(zhì)和施氮量2個(gè)因素,灌溉水質(zhì)為二級(jí)再生水(S)和地下水(G),施氮量為0、60、120和180 kg/hm~2。大田試驗(yàn)測(cè)定了土壤氮素動(dòng)態(tài)分布及硝態(tài)氮淋失,玉米株高、LAI、生物量、吸氮量、產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素、氮素利用效率和氮素表觀平衡。為了更系統(tǒng)地評(píng)估華北平原再生水灌溉不同水氮管理措施對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響,構(gòu)建了再生水滴灌玉米DNDC模型,并應(yīng)用該模型進(jìn)行不同灌溉水質(zhì)、不同施氮量和不同灌水量對(duì)玉米生長(zhǎng)的模擬評(píng)估。主要結(jié)果與結(jié)論如下:(1)盆栽試驗(yàn)表明15N在砂壤土中沿徑向有減小的趨勢(shì),但再生水氮素呈先增后減的變化規(guī)律,在離圓心12 cm處出現(xiàn)峰值;15N和再生水氮素沿土壤深度方向均呈先增后減的變化規(guī)律,峰值出現(xiàn)在10～20 cm或20～35 cm 土層,而且主要分布在35 cm以上土壤,這與玉米根系分布基本一致。盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)均表明再生水灌溉提高了土壤氮素含量,特別是增加了氮素在深層土壤中的分布。(2)增加施氮量抑制了玉米對(duì)再生水氮的吸收,施氮量從0增加到2.64 g/盆時(shí),再生水氮利用率從45%降到33%。和地下水灌溉相比,再生水灌溉能促進(jìn)玉米對(duì)肥料氮的吸收,提高總氮吸收量,但降低了肥料氮對(duì)玉米吸氮量的貢獻(xiàn)率。再生水灌溉氮素利用率低于地下水灌溉,但提高施氮量,再生水灌溉總氮利用率呈先增后減的變化規(guī)律。盆栽試驗(yàn)施氮量從0增加到1.76 g/盆時(shí),總氮利用率從45%增大到55%;但施氮量繼續(xù)增加到2.64 g/盆時(shí),總氮利用率又降到46%。類(lèi)似地,大田試驗(yàn)也在中氮水平有最高的氮素回收率(51%)。提高灌溉水中再生水比例能促進(jìn)玉米對(duì)再生水氮素的吸收利用。(3)應(yīng)用15N示蹤-肥料當(dāng)量法擬合的2014和2015年再生水灌溉玉米籽粒產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量之間的平均相對(duì)誤差僅為-0.2%和-2.6%,該方法可用于定量評(píng)估再生水氮對(duì)玉米生長(zhǎng)的有效性。再生水氮的肥料替代當(dāng)量與施氮量之間為二次曲線關(guān)系,增加施氮量會(huì)降低再生水氮的有效性。生育期再生水氮的尿素替代當(dāng)量為0.58～0.79 g/盆(相當(dāng)于46～63 kg/hm~2)。等氮素施入量下再生水中的氮對(duì)玉米生長(zhǎng)的有效性僅相當(dāng)于50%～69%尿素氮。再生水中的各氮素組分含量以及再生水氮與肥料氮之間的耦合利用關(guān)系是決定再生水氮素有效性的主要原因。當(dāng)獲得95%最高產(chǎn)量時(shí),盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)再生水灌溉可以分別少施58%和13%的尿素氮。另外,提高再生水氮施入量能替代更多的尿素氮,但會(huì)降低再生水氮對(duì)玉米生長(zhǎng)的有效性。(4)合理的滴灌水氮管理措施下NO_3~--N在砂壤土中發(fā)生淋失的風(fēng)險(xiǎn)較小,NO_3~--N淋失主要受降雨影響。對(duì)NO_3~--N淋失的影響程度依次為肥料氮深層滲漏量灌溉水氮土壤初始礦化氮,而且上述指標(biāo)與NO_3~--N淋失量都呈正相關(guān),因此,再生水灌溉適當(dāng)降低施氮量能有效避免發(fā)生NO_3~--N淋失風(fēng)險(xiǎn)。(5)盆栽和大田試驗(yàn)均表明再生水灌溉能促進(jìn)玉米生長(zhǎng)和提高玉米產(chǎn)量,但增加施氮量會(huì)削弱再生水灌溉對(duì)玉米生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。施氮量對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響多大于灌溉水質(zhì),盆栽試驗(yàn)下灌溉水質(zhì)對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響較大田試驗(yàn)明顯。大田試驗(yàn)中,對(duì)氮素表觀損失量的影響程度依次為肥料氮土壤初始礦化氮灌溉水氮。(6)引入不同再生水氮素有效性參數(shù),模擬確定再生水氮的尿素相對(duì)替代當(dāng)量為0.65時(shí),DNDC模型對(duì)玉米生長(zhǎng)的模擬效果最好,該模型可用于華北平原再生水滴灌玉米生長(zhǎng)模擬。應(yīng)用DNDC模型模擬的玉米生長(zhǎng)和氮素回收率對(duì)灌溉水質(zhì)和施氮量的響應(yīng)與盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)結(jié)果一致,但增大灌水量會(huì)造成玉米輕微減產(chǎn)。為獲得滿意的產(chǎn)量和較高的氮素回收率,華北平原砂壤土下再生水和地下水滴灌優(yōu)化灌溉量均為75%充分灌溉,優(yōu)化施氮量分別為140～160kg/hm~2和160～180kg/hm~2。綜上,再生水灌溉能促進(jìn)氮素吸收,進(jìn)而刺激玉米生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量,但增加施氮量降低了再生水氮對(duì)玉米生長(zhǎng)的有效性,兩者為二次曲線關(guān)系,再生水氮有效性僅為尿素的50%～69%;灌溉水質(zhì)、施氮量與NO_3~--N淋失、氮素表觀損失量呈正相關(guān)關(guān)系,再生水灌溉適當(dāng)降低施氮量能有效減少氮素?fù)p失,提高氮素利用率;華北平原再生水滴灌玉米優(yōu)化灌溉量為75%充分灌溉,施氮量為140～160 kg/hm~2,玉米生育期滴灌再生水可減施約20 kg/hm~2尿素氮量。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S513

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2315870