盐渍化间作农田氮素转化运移与土壤微生物互馈机理研究

盐渍化间作农田氮素转化运移与土壤微生物互馈机理研究

论文摘要

内蒙古河套灌区在农业生产过程中存在氮肥施用量逐年增加的现象,但肥料利用率较低,造成了巨大资源浪费和环境压力。氮肥的施用不仅影响土壤理化性质,还影响微生物环境。土壤微生物不仅参与土壤中物质和能量的循环转化,而且驱动着氮素的转化运移。寻求适宜的氮肥施用量可为制定合理的氮肥管理措施、减少氮素损失、保证农田微生物环境良好发展及减轻农业面源污染提供理论依据。因此,本研究针对如何优化氮肥施用量及微生物如何在氮素转化过程中发挥作用等问题,开展了不同施氮量下间作小麦玉米氮素转化运移及土壤微生物学特征参数的田间试验研究;以试验研究为基础揭示了产量及水肥利用率机理、土壤肥力响应机理、作物-土壤中氮素转化运移机理、土壤微生物数量、微生物生物量和土壤酶活性反馈机理及微生物驱动氮素转化机理;在机理揭示的基础上运用系统动力学Vensim模型模拟了不同施氮量下间作农田氮素的转化运移,建立了土壤微生物与氮素转化的互馈模型;最终提出了基于氮素转化运移及土壤微生物学特征参数的施氮量阈值。主要研究结论如下:(1)间作小麦玉米的产量和水分利用效率随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势,在施氮量分别为180 kg·hm-2和270 kg·hm-2时达到最高,且增加幅度最大分别为37.76%、27.08%和33.90%、28.55%。氮肥利用效率各指标均随着施氮量的增加而降低,在施氮量分别为90kg·hm-2和135kg·hm-2时达到最大,在施氮量分别为180 kg·hm-2和270 kg·hm-2时的下降幅度最小。(2)间作小麦玉米土壤含水率、电导率均随着施氮量的增加先减小后增大,土壤中有机质、碱解氮和速效磷含量均随着施氮量的增加先增加后减少,在施氮量分别为180kg·hm-2和270kg·hm-2时土壤水盐含量最低,养分含量最高。(3)随着施氮量的增加,间作小麦玉米收获后的吸氮量呈上升趋势;收获后土壤中残留硝态氮、铵态氮含量及硝态氮淋溶损失量呈增加趋势,氮素表观损失量及氮盈余量呈逐渐增加的趋势,均在施氮量分别为270 kg·hm-2和405 kg·hm-2时达到峰值。参数率定与检验后的Vensim模型预测结果显示小麦玉米施氮量阈值分别为175.00 kg·hm-2、231.00 kg·hm-2。(4)在一定的施氮量范围内(小麦0~180kg·hm-2、玉米0~270 kg·hm-2),土壤微生物数量、生物量和酶活性随着施氮量的增加而增加,当施氮量超过这一范围时,土壤微生物数量、生物量和酶活性随之降低。适宜的施氮量(小麦180 kg·hm-2、玉米270 kg·hm-2)为微生物的生长、繁殖和代谢提供了充足的营养和能源,有利于土壤微生物数量和生物量的增加,刺激了上壤酶活性的增强。(5)微生物数量和生物量越小、微生物酶活性越低对氮素转化的负效应越小,说明适宜的微生物数量、生物量和酶活性能显著加快氮素的转化。由小麦带、玉米带建立的微生物与氮素转化互馈预测经验公式确定施氮量阈值分别为185.87 kg·hm-2、261.67 kg·hm-2。(6)小麦玉米基于氮素转化运移和微生物学特征参数的施氮阈值分别为175.00~185.87 kg·hm-2和231.00~261.67 kg·hm-2。与当地习惯施氮量相比,分别减少 17.39~22.23%(小麦)和 29.28~37.57%(玉米)。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 引言
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 氮肥对作物产量及水肥利用效率的影响研究
  •     1.2.2 氮肥与土壤肥力的响应关系研究
  •     1.2.3 氮素的转化运移研究
  •     1.2.4 氮素转化运移的模型研究
  •     1.2.5 氮肥与土壤微生物的关系研究
  •     1.2.6 土壤微生物与氮素转化过程的关系研究
  •   1.3 研究目标及创新点
  •     1.3.1 研究目标
  •     1.3.2 创新点
  •   1.4 研究内容
  •     1.4.1 施氮量对作物产量及水肥利用效率的影响研究
  •     1.4.2 土壤肥力对施氮量的响应机理研究
  •     1.4.3 氮素在土壤-作物系统中的转化运移研究
  •     1.4.4 基于Vensim模型的氮素转化运移研究
  •     1.4.5 施氮量对土壤微生物的影响机理研究
  •     1.4.6 土壤微生物对氮素转化运移的驱动机理研究
  •   1.5 技术路线
  • 2 试验区概况与试验设计
  •   2.1 试验区概况
  •     2.1.1 基本情况
  •     2.1.2 气象资料
  •     2.1.3 土壤质地
  •     2.1.4 作物生育期划分
  •   2.2 试验设计
  •     2.2.1 试验材料
  •     2.2.2 试验方案
  •     2.2.3 测定指标与方法
  • 3 施氮对间作小麦玉米产量及水肥利用效率的影响研究
  •   3.1 间作小麦玉米产量效应分析
  •   3.2 水分利用效率研究
  •   3.3 肥料利用效率研究
  •     3.3.1 间作小麦玉米偏氮生产力分析
  •     3.3.2 间作小麦玉米农学效率分析
  •     3.3.3 间作小麦玉米肥料利用率分析
  •   3.4 施氮量与产量及水肥利用效率之间的响应关系研究
  •   3.5 讨论与结论
  •     3.5.1 施氮量对作物产量效应的影响
  •     3.5.2 施氮量对作物水肥利用效率的影响
  •   3.6 小结
  • 4 土壤肥力对施氮量的响应机理研究
  •   4.1 土壤水分对施氮量的响应研究
  •   4.2 土壤盐分对施氮量的响应研究
  •   4.3 土壤养分对施氮量的响应研究
  •     4.3.1 土壤中有机质的响应研究
  •     4.3.2 土壤中碱解氮的响应研究
  •     4.3.3 土壤中速效磷的响应研究
  •   4.4 土壤肥力对施氮量的响应关系研究
  •     4.4.1 小麦拔节期土壤肥力与施氮量的响应关系研究
  •     4.4.2 小麦抽穗期土壤肥力与施氮量的响应关系研究
  •     4.4.3 小麦成熟期土壤肥力与施氮量的响应关系研究
  •     4.4.4 间作小麦玉米共生期土壤肥力与施氮量的响应关系研究
  •   4.5 讨论与结论
  •     4.5.1 施氮量对间作小麦玉米土壤水盐的影响研究
  •     4.5.2 施氮量对间作小麦玉米土壤养分的影响研究
  •   4.6 小结
  • 5 土壤-作物系统氮素的转化运移研究
  •   5.1 间作小麦玉米地上部植株氮素的转化运移研究
  •     5.1.1 地上部植株收获后植株吸氮总量研究
  •     5.1.2 地上部植株氮素转运研究
  •   5.2 间作小麦玉米土壤中氮素的转化运移研究
  •     5.2.1 作物收获后土壤中残留硝态氮研究
  •     5.2.2 作物收获后土壤中残留铵态氮研究
  •     5.2.3 不同施氮量下硝态氮的淋溶损失研究
  •   5.3 不同施氮量下间作小麦玉米氮素平衡研究
  •   5.4 施氮量与作物-土壤中含氮量之间的相关性分析
  •   5.5 讨论与结论
  •     5.5.1 施氮量对间作小麦玉米氮素吸收、平衡的影响研究
  •     5.5.2 施氮量对土壤中氮素的转化运移研究
  •   5.6 小结
  • 6 基于Vensim模型的氮素转化运移研究
  •   6.1 Vensim软件简介
  •   6.2 构建氮素转化运移模型
  •   6.3 模拟间作小麦玉米氮素的转化运移
  •     6.3.1 模型参数的率定
  •     6.3.2 模型参数的误差检验分析
  •     6.3.3 Vensim模型的验证结果分析
  •   6.4 基于氮素转化运移模型的的施氮量阈值研究
  •   6.5 讨论与结论
  •   6.6 小结
  • 7 施氮量对土壤微生物的影响机理研究
  •   7.1 施氮量对土壤微生物数量的影响研究
  •     7.1.1 细菌数量
  •     7.1.2 真菌数量
  •     7.1.3 放线菌数量
  •   7.2 施氮量对微生物生物量的影响研究
  •     7.2.1 微生物量碳
  •     7.2.2 微生物量氮
  •   7.3 施氮量对土壤酶活性的影响研究
  •     7.3.1 土壤脲酶活性
  •     7.3.2 土壤蔗糖酶活性
  •     7.3.3 土壤碱性磷酸酶活性
  •     7.3.4 土壤过氧化氢酶活性
  •   7.4 土壤微生物与施氮量的关系研究
  •     7.4.1 施氮量与土壤微生物之间的相关性研究
  •     7.4.2 土壤微生物之间的相关性研究
  •   7.5 讨论与结论
  •     7.5.1 施氮量对土壤微生物数量的影响研究
  •     7.5.2 施氮量对土壤微生物生物量的影响研究
  •     7.5.3 施氮最对上壤酶活性的影响研究
  •   7.6 小结
  • 8 土壤微生物对氮素转化的驱动机理研究
  •   8.1 土壤微生物数量对氮素转化的影响研究
  •     8.1.1 细菌数量
  •     8.1.2 真菌数量
  •     8.1.3 放线菌数量
  •   8.2 土壤微生物生物量对氮素转化的影响研究
  •     8.2.1 土壤微生物量碳
  •     8.2.2 土壤微生物量氮
  •   8.3 土壤酶活性对氮素转化的影响研究
  •     8.3.1 土壤脲酶活性
  •     8.3.2 土壤蔗糖酶活性
  •     8.3.3 土壤碱性磷酸酶活性
  •     8.3.4 土壤过氧化氢酶活性
  •   8.4 驱动氮素转化的影响因子研究
  •     8.4.1 小麦带驱动氮素转化的关键微生物因子研究
  •     8.4.2 玉米带驱动氮素转化的关键微生物因子研究
  •   8.5 基于氮素转化运移模型和土壤微生物学特征参数的施氮量阈值研究
  •   8.6 讨论与结论
  •   8.7 小结
  • 9 结论与不足
  •   9.1 主要结论
  •   9.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者简介
  • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 符鲜

    导师: 杨树青

    关键词: 施氮量,间作小麦玉米,产量,水肥利用效率,土壤肥力,氮素转化运移,土壤微生物

    来源: 内蒙古农业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,农业科技

    专业: 生物学,农业基础科学,农艺学

    单位: 内蒙古农业大学

    分类号: S154.3

    总页数: 147

    文件大小: 10874K

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