论文部分内容阅读
针对西北旱区降水分布与作物需水失衡、地膜残留污染日趋严重和过量施用氮肥普遍问题,探究提高作物产量和水氮利用效率以及减少环境污染的种植策略,对旱地农业实现稳粮增收和绿色发展具有重要意义。本文针对半湿润易旱区夏玉米-冬小麦轮作的覆膜种植模式和施氮策略进行了研究。夏玉米种植方式为平作不覆膜（FNM）、垄沟覆生物降解膜（RBM）、垄沟覆塑料地膜（RPM）和平作全覆塑料地膜（FFM）,施氮（基施）水平分别为0（N0）、90（N90）、180（N180）和270（N270）kg N/hm~2。冬小麦种植方式为FNM和RPM,施氮水平同夏玉米;FNM下,在前茬不同施氮区设基施氮肥和基追氮肥,施氮总量均为120 kg N/hm~2。研究了不同覆膜和施氮对土壤、环境、作物生长、产量形成、水氮利用和经济效益的影响,多目标优化了施氮量,综合各指标提出了夏玉米-冬小麦最佳轮作策略。主要研究结果如下:（1）覆膜种植和适量施氮提高了土壤水分、温度和养分,减少了气态氮排放覆膜提高了土壤储水量和温度,其增温保墒效果均为FFM＞RPM＞RBM。施氮促进作物冠层生长,降低了土壤储水量和温度,且随施氮量的增加而加剧,而基追氮肥有利于提高土壤储水量和温度。覆膜和施氮提高了土壤矿质氮积累量,其中FFM的土壤矿质氮积累量最高（271.6 kg/hm~2-472.2 kg/hm~2）且主要集中在浅层,N180和N270还导致土壤矿质氮在0-200 cm土层大量积聚并向深层运移,而基追氮肥减少了土壤矿质氮积累量（3.6%-10.4%）。施氮还降低了土壤有机质和p H,不利于土壤健康。此外,覆膜和基追氮肥降低了气态氮排放,有利于减少环境污染和氮素损失,施氮则相反,覆膜中RBM降低NH3排放的效果好于RPM,而降低N2O排放则相反。（2）覆膜种植和适量施氮促进了夏玉米-冬小麦生长覆膜和施氮提高了作物株高、叶面积指数、地上干物质量、叶绿素含量、净光合速率、植株氮素积累量及茎秆和收获期果穗的氮素占比,但降低了后期叶片的氮素占比,有利于提高产量,其中FFM和N180效果最好,而基追氮肥降低了生理生长指标和植株氮素积累量。对夏玉米根系分析,发现提高根长密度和根质量有利于增加干物质积累、水分利用效率和产量;与RPM相比,RBM降低了0-10 cm土层的根系生长（4.8%-35.1%）,但提高了根系活性,而覆膜下施氮提高了浅层根系生长、根冠比和RBM的根系活性。（3）揭示了覆膜种植和施氮对产量的影响机制模拟夏玉米籽粒灌浆动态发现,RBM促进灌浆的整体效果优于RPM,而RPM比RBM更早进入灌浆,导致两者间产量差异不显著;施氮主要提高了灌浆速率且延长了RPM的灌浆时长,N90时籽粒最早达到最大灌浆速率,而N180在灌浆渐增、快增和缓增期表现最佳。分析冬小麦源-库对产量的影响,发现土壤储水量和乳熟期土壤温度提高了初始库的建立,土壤矿质氮协调了源-库平衡,而开花期叶面积和干物质量、花后18天的叶绿素含量、穗粒数和穗数对提高产量具有决定作用。因此,覆膜结合施氮提高了夏玉米产量构成因素、产量（6.2-21.6%）和净收益（387-2273元/hm~2）,其中FFM效果最好,而RPM因减少种植面积,降低了冬小麦穗数（29.8%）、产量（13.3%）和净收益（1899元/hm~2-3365元/hm~2）;施氮均改善了夏玉米和冬小麦产量构成因素并提高了产量（28.6%-208.0%）和净收益（2133-14484元/hm~2）,其中N180最优,而冬小麦基追氮肥提高了穗粒数却降低了穗数,其中在N180区基追氮肥效果最好。（4）阐明了覆膜种植和施氮对水氮利用效率的影响规律蒸散耗水分配中,覆膜均降低了土壤蒸发量（12.1 mm-24.5 mm）,而提高植株蒸腾量与施氮和降水有关;施氮主要提高了FNM和RPM生殖生长阶段植株蒸腾量,对土壤蒸发量的影响与降水有关;降低耗水量,并提高植株蒸腾量或降低土壤蒸发量有利于提高WUE。全生育期0-200 cm土壤耗水中,覆膜降低了耗水量（4.7%-34.6%）,且RBM＞RPM＞FFM,施氮增加了耗水量（6.3%-19.1%）,其中N180和N270最大,而冬小麦基追氮肥有利于降低耗水量。水氮利用效率中,覆膜提高了夏玉米水氮利用效率,且不同覆膜方式各具优势,而RPM降低了冬小麦WUE（除N0外,11.5%）、NUE（16.5%）和氮肥偏生产力（13.3%）;施氮仅提高了WUE和NUE（除N270外）,而基追氮肥有利于提高了NUE和氮收获指数。根据产量和水氮利用效率,优化了各种植方式单季施氮量,而夏玉米采用RBM,冬小麦采用FNM和基追氮肥有利于提高轮作系统的生产力和氮素利用。综上所述,覆膜种植和适量施氮有利于改善土壤环境、促进作物生长、提高产量和水氮利用效率,并减少土壤氮素残留和气态氮排放。夏玉米季垄沟覆生物降解膜有利于减少残膜污染,而且效果与垄沟覆塑料膜相当,而平作不覆膜并基追氮肥有利于冬小麦增产增效并减少轮作土壤氮素残留。因此,夏玉米采用垄沟覆生物降解膜,施氮169 kg/hm~2,冬小麦采用平作不覆膜并基追氮肥120 kg/hm~2是旱区夏玉米-冬小麦轮作实现稳粮增收和绿色发展的最佳模式。