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不同施氮量下秸秆还田对棉花产量形成与氮肥利用效率的影响及其机制

来源：花匠小妙招时间：2024-10-10 10:04

不同施氮量下秸秆还田对棉花产量形成与氮肥利用效率的影响及其机制

【摘要】： 我国是世界上氮肥生产量和投入量最大的国家,氮肥利用率低,造成的经济损失和环境破坏问题严重。秸秆还田在培肥地力、提高土壤养分循环能力、增加作物产量和土壤固碳方面具有诸多生态效益,是我国农田秸秆资源利用的主要途径和保护性耕作的重要措施。关于不同施氮水平下秸秆还田对棉田土壤供氮能力、棉花生产和氮肥利用率效率影响如何,尚未明确。本研究在前期氮肥梯度试验(2012-2014)的基础上继续开展大田定位试验(2015-2018),试验地点在江苏省盐城市大丰区稻麦原种场(120°28'E,33°12'N),以常规早熟棉棉花品种中棉所50为试验材料,设置0 kg N hm-2、751kg N hm-2、150kg N hm-2和300kg N hm-2 4个施氮水平,同时在各个施氮量下设置大麦-棉花秸秆全量还田和不还田处理;并于2016年在江苏省南京市南京农业大学牌楼试验站(118°50'E,32°02'N)开展盆栽试验,盆栽试验施氮量与大田一致,以同位素标记的尿素代替普通氮肥,同时增加生物炭还田处理。大田试验主要研究不同施氮水平下连续秸秆还田对棉花群体光合性能、产量形成、氮肥利用效率和土壤供氮能力的影响;盆栽试验主要研究不同施氮水平下秸秆还田和生物炭还田对植株氮吸收和肥料氮去向的影响。主要结果如下:1.不同施氮量下秸秆还田对棉花群体光合性能与产量的影响研究表明,施氮量0 kgN hm-2、75kg Nhm-2和150kg Nhm-2水平下,秸秆还田通过提高花铃期棉花叶面积指数、比叶面积、叶片氮浓度和群体光合速率从而提高棉花群体光合性能,进而提高植株干物质累积和棉铃数,为棉花增产奠定基础。施氮量300 kg N hm-2水平下,秸秆还田处理的叶片氮浓度过高,营养生长过剩和铃重的显著降低是造成棉花未能增产的重要原因。秸秆还田籽棉产量较不还田在施氮量0 kg N hm-2、75 kg N hm-2、150kg N hm-2和 300kg N hm-2水平下在2016年分别提高2.6%、3.2%、5.0%和 1.5%;在 2017 年分别提高 4.0%、6.8%、7.2%和 2.9%;在 2018 年分别提高7.5%、9.6%、12.1%和4.1%。籽棉产量与叶面积指数、叶片氮浓度、比叶面积和群体光合速率呈极显著正相关关系(R2=0.822-0.948)。本研究进一步表明,秸秆还田2-4年,可基于最高籽棉产量施氮量的基础上减施氮肥33%-44%,达到常规施氮量的最高籽棉产量水平。2.不同施氮量下秸秆还田对棉花氮肥利用率的影响施氮量0 kg N hm-2、75 kg N hm-2和150 kg Nhm-2水平下,秸秆还田有利于提高土壤-作物系统的氮素平衡,而施氮量300 kg Nhm-2水平下,秸秆还田造成了土壤氮素盈余(53 kg N hm-2 yr-1-95 kg N hm-2 yr-1)。与秸秆不还田相比,秸秆还田有利于提高施氮量75 kg N hm-2和150kg N hm-2水平下的氮肥农学利用率和回收利用率。本研究在考虑土壤微生物固氮、大气氮沉积和秸秆氮投入等因素条件下,基于土壤-作物-大气系统的氮肥利用率的计算结果,表明秸秆还田能有效降低各施氮水平下土壤-作物-大气系统氮肥利用率,从而使系统氮肥利用率维持在合理区间范围(50%-90%)。综合籽棉产量、土壤-作物氮素平衡和土壤-作物-大气系统氮肥利用率,本研究确定了秸秆还田条件下的最佳施氮范围为216 kg N hm-2-236 kg N hm-2。3.不同施氮量下秸秆还田对土壤供氮能力的影响随施氮量的增加,0-20 cm和20-40 cm 土层土壤无机氮(NH4+和NO3-)、微生物生物量氮含量、土壤有机氮的矿化速率、氮库管理指数、土壤脲酶和蛋白酶活性均显著提高,施氮量超过150 kg Nhm-2时,土壤无机氮含量、脲酶与蛋白酶活性以及有机氮的矿化速率不再显著提高,微生物生物量氮含量和氮库管理指数显著降低。秸秆还田显著提高了各施氮水平下0-20 cm 土层土壤NH4+、NO3-和微生物生物量氮含量,显著提高了土壤有机氮的矿化速率和氮库管理指数,提高了土壤转化酶、脲酶和蛋白酶活性,其中,各指标在施氮量150kgN hm-2水平下的增幅最大。秸秆还田主要影响0-20 cm 土层土壤酸解氨基酸氮、其次是酸解氨态氮,对酸解氨基糖氮与酸解未知氮无显著影响。相关性分析表明,土壤酸解氨基酸氮和酸解氨态氮,无机氮、有机氮矿化速率、氮库管理指数、脲酶和蛋白酶活性分别是土壤有机氮和活性氮库的重要组成成分,是指示土壤供氮能力的关键指标。4.秸秆和生物炭还田对棉株氮吸收和氮肥利用率的影响秸秆还田和生物炭还田均有利于提高土壤养分,改善棉株根系生长,进而提高棉株干物质累积和氮素吸收,且生物炭还田增幅高于秸秆还田处理。通过15N同位素标记方法,表明不同施氮水平下,秸秆还田均有利于提高肥料氮吸收,提高肥料氮肥回收率;生物炭还田降低了施氮量75 kgN hm-2水平下的肥料氮吸收,提高了施氮量150 kg N hm-2和300 kg N hm-2水平下的肥料氮吸收。表明在施氮量75 kg N hm-2水平下,生物炭还田提高的植株氮吸收来自土壤的比例增加(提高19.1%),而来自肥料氮的比例降低(降低7.5%)。与秸秆不还田相比,秸秆还田和生物炭还田均显著提高了各个施氮量下肥料氮肥的残留,生物炭还田的增幅高于秸秆还田。本研究表明常规法计算的氮肥回收利用率(67%-79%)显著高于示踪法计算的15N回收率(31%-53%)。

【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2020

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