水氮及群体调控对秸秆覆盖冬小麦产量及水分利用效率的影响与机制
水氮及群体调控对秸秆覆盖冬小麦产量及水分利用效率的影响与机制
【摘要】： 黄土高原是我国旱地农业的重要区域,冬小麦作为该区的主要粮食作物,水分与养分是影响其产量和品质的两个因素。秸秆覆盖是一种经济、有效的旱地蓄水保墒措施,但是秸秆覆盖下作物产量及水分利用效应及机制并不十分清楚。本研究以黄土高原旱地秸秆覆盖冬小麦为研究对象,通过3个田间定位试验研究:1)氮素调控对冬小麦群体、水分利用以及产量的影响及其生理机制;2)群体管理对冬小麦产量、水分利用及其作用机制;3)群体管理、氮素运筹和播前底墒耦合作用下冬小麦产量、水分利用效应及机制。三个田间试验分别为:1)氮素调控田间试验(2012.9-2016.6),设置两个施氮水平(150和200 kg ha~(-1)),每个施氮水平下设置三个施氮次数(1、2和3次),试验共计6个处理;2)群体调控田间试验(2012.9-2016.6),设置了两个土壤管理措施,分别为常规不覆盖与秸秆覆盖,每种土壤管理措施下设置高、中、低三个播种密度,同时在秸秆覆盖下的中、高播种密度下设置越冬期根修剪和越冬期冠割,返青期根修剪和返青期冠割,试验共计14个处理;3)底墒、氮素和群体调控耦合田间试验(2013.9-2016.6),该试验通过播前灌溉模拟三个底墒水平(自然雨养,雨养+播前灌66.7 mm,雨养+播前灌133 mm),每个底墒水平下设置2个施氮水平(150和200 kg ha~(-1)),每个施氮水平下设置3个群体调控措施(对照不处理、返青期根修剪和返青期冠割),共计18个处理。研究得到以下主要结果及结论:1. 氮素调控对小麦群体、水分利用以及产量的影响及其生理机制四年田间定位试验结果表明,冬小麦籽粒产量表现为:2015-2016(7023 kg ha~(-1))>2013-2014(5430 kg ha~(-1))>2014-2015(3843 kg ha~(-1))>2012-2013(3464 kg ha~(-1))。氮水平以及分次施用均没有显著影响秸秆覆盖冬小麦生育期群体动态、籽粒产量、成熟期地上部生物量、收获指数、生育期耗水量及水分利用效率。这与氮水平以及分次施用没有显著影响冬小麦花后旗叶衰老特性(丙二醛和可溶性蛋白)有关。但高氮处理相比低氮处理显著降低了冬小麦粒重。施氮量与施氮次数的交互作用对冬小麦产量、产量构成因素、耗水量及水分利用效率也均没有显著影响。综合以上结果,黄土高原旱地秸秆覆盖条件下,施氮150 kg ha~(-1)已经满足小麦生长的需求,而且氮肥播前一次施用是可行的。2. 秸秆覆盖和播种密度对冬小麦产量及水分利用效率的影响四年田间定位试验结果表明,冬小麦籽粒产量变化范围为2851-6981 kg ha~(-1),水分利用效率变化范围为5.3-16.2 kg ha~(-1) mm~(-1)。气候年型与秸秆覆盖的交互作用显著影响冬小麦籽粒产量。在丰水年,常规不覆盖条件下冬小麦籽粒产量、收获指数及水分利用效率均显著高于秸秆覆盖;但在干旱年,秸秆覆盖条件下冬小麦籽粒产量显著高于常规不覆盖。秸秆覆盖与常规不覆盖相比显著提高了土壤储水量,但同时也降低了春季(返青期到拔节期)耕层土壤温度,特别是丰水年。秸秆覆盖条件下冬小麦生育期耗水量显著高于常规不覆盖,导致秸秆覆盖冬小麦水分利用效率显著低于常规不覆盖。另外,播种密度没有显著影响冬小麦籽粒产量,但与高播种密度相比,低播种密度显著提高了冬小麦收获指数。因此,秸秆覆盖下低播种密度(75%常规推荐量)更合适。3. 根修剪及其与密度、底墒、施氮量交互作用下秸秆覆盖冬小麦产量及水分利用效率在旱地秸秆覆盖条件下,根修剪处理(试验2和3)较对照冬小麦籽粒产量提高了7%,收获指数提高了6%,水分利用效率提高了11%,这种效应在低产条件优于高产条件。另外,返青期根修剪冬小麦籽粒产量显著高于越冬期根修剪。返青期根修剪在常规和高播种密度下均提高了冬小麦籽粒产量,但在高播种密度下的增产效果明显优于常规播种密度。在高、低施氮量下返青期根修剪均提高了冬小麦籽粒产量,但两个施氮量下根修剪处理冬小麦籽粒产量相似。气候年型、播前底墒水平与返青期根修剪的交互作用也显著影响冬小麦籽粒产量。在低产且低、中播前底墒水平下返青期根修剪显著提高了冬小麦籽粒产量,但在高播前底墒水平下没有提高。另外,返青期根修剪提高了冬小麦茎秆可溶性糖表观转运量(16%)和表观转运率(9%),这是根修剪小麦籽粒产量提高的重要原因之一。因此,在旱地秸秆覆盖条件下,冬小麦返青期根修剪是提高冬小麦籽粒产量及水分利用效率的重要措施。4. 冠割及其与密度、底墒、施氮量交互作用下秸秆覆盖冬小麦产量及水分利用效率在旱地秸秆覆盖条件下,冠割处理(试验2和3)较对照没有显著影响冬小麦籽粒产量及水分利用效率,但冠割处理冬小麦收获指数提高了7%,茎秆可溶性糖表观转运率提高了8%,经济效益提高了15%。在低产条件下,越冬期冠割与返青期冠割冬小麦籽粒产量相似,但在高产条件下,越冬期冠割与对照相比显著降低了冬小麦籽粒产量,而返青期冠割处理的经济效益始终高于越冬期冠割处理。播种密度对冠割处理冬小麦籽粒产量影响不显著,但在常规播种密度下返青期冠割能获得更高的经济效益。另外,在常规推荐施氮量以及高播前底墒水平下返青期冠割冬小麦能获得更高的籽粒产量和经济效益。气候年型与冠割处理的交互作用也显著影响冬小麦籽粒产量和水分利用效率。综合来看,在旱地秸秆覆盖条件下,冬小麦返青期冠割是提高农民收益的有效途径。综上所述,在黄土高原旱地秸秆覆盖条件下,冬小麦高产或高收益以及水分高效利用有以下三种措施:(1)在推荐施氮量下,氮肥播前一次施用,同时降低25%播种量;(2)推荐施氮量以及常规播种密度下结合返青期根修剪;(3)推荐施氮量以及常规播种密度下结合返青期冠割。上述三种措施提高冬小麦产量或经济效益及水分利用效率主要与构建了良好的群体结构、优化水分利用以及增加花前可溶性糖的转运有关。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2020
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