西北开垦沙地棉花生长和产量对氮肥的响应
文献类型：学位论文
| 作者 | Alzhan Kurmangozhinov |
| 答辩日期 | 2020-05-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 曾凡江 ; 李向义 |
| 关键词 | 开垦沙地 土壤质量 作物生产力 棉花产量 氮处理 Reclaimed sandy land Soil quality Crop productivity Cotton yield Nitrogen treatment |
| 学位专业 | 理学博士 |
| 其他题名 | COTTON GROWTH AND YIELD RESPONSE TO NITROGEN APPLIED IN RECLIMED SANDY LAND NORTH-WEST CHINA |
| 英文摘要 | 随着绿洲人口的持续增长，开垦荒地扩大农业面积，确保新增人口对土地、农产品的需求，满足社会经济发展对农业用地的需要，一直是新疆南疆地区，尤其是塔克拉玛干沙漠南缘绿洲沙化土地开垦扩张的主要驱动力。科学评估沙荒地开垦后农业种植结构和管理措施等对农田土壤状况、土壤肥力、土地生产力以及土地承载力的影响，是实现沙荒地高效利用和可持续经营的重要前提，同时也可以避免因新开垦土地管理不善效益低下导致的土地重复撂荒。在新开垦沙荒地中，沙地土壤质量的变化是影响作物栽培效益的重要因素，其中肥料的施用又是影响作物产量和土地肥力的关键因素之一。沙荒地复垦后，研究土壤质地和肥力的长期变化，有助于了解农田生态系统结构和功能的演变（趋势）以及复垦土地生产力的变化（特征）。棉花是新疆南疆地区大面积种植的经济作物，但在沙化复垦土地上，长期耕作管理对棉田土壤质地的影响，棉花的合理施肥用量、产量和土壤质量的相互关系以及施肥对棉花生态生理学机制的影响尚缺乏深入系统的研究。（本）论文依托（位于塔克拉玛干沙漠南缘的）策勒国家站（绿洲）农田（生态学试验场），（系统）研究了长期耕作和短期肥料（使用）对农田土壤质量、作物产量的影响，为科学评估耕作管理对农田土壤质量的影响提供了科学数据支撑，为新开沙荒地的高效管理与可持续利用提供了理论依据。复垦沙荒地长期试验依托策勒国家站的绿洲农田长期生态学试验场开展（2004-至今）。长期试验始于 2004 年，根据当地农民对开垦沙荒地的实际种植经验并调整后， 一共 3 种试验设置。 ①高肥料投入模式（HMF）：生长季节投入 360 kg ha-1 尿素、 120 kg ha-1 的磷酸二氨、 30 吨 ha-1 的有机肥（牛羊等的圈肥）； ②常规肥料投入模式（NMF）：生长季节投入 200 kg ha-1 尿素、 60 kg ha-1的磷酸二氨、 21 吨 ha-1 的有机肥（牛羊等的圈肥）； ③临时耕作模式（TTF）：生长季节不投入肥料，只保持应有的灌溉，是一种新垦沙荒地的短期利用模式。每个试验地块 1 ha 面积。通过复垦沙荒地的土壤性质和棉花生长的长期研究数据，重点分析管理措施、土壤质量和作物生产力之间的相互影响，主要开展以下研究： ①长期灌溉和施肥管理对沙化土地耕作层土壤质量和棉花产量的影响; ②沙化土地作物产量和生物有机碳输入对土壤质量改善和土壤结构参数的影响;③沙化土地土壤质量的改善和棉花产量的关系。短期施肥梯度试验在 2018 年和 2019 年实施，试验地块毗邻长期定位试验地块。参照长期定位试验，短期试验包括 4 种肥料处理， ①N0： 0 kg N ha-1； ②N1：240 kg N ha-1； ③N2 ： 300 kg N ha-1； ④ N3： 360 kg N ha-1。 试验小区由 1 m×1m×1 m 的试验小池组成，小池埋入土壤 1 m 深度和地面平齐。试验小区随机分布，每组处理 12 个重复。短期试验中，通过不同氮肥的梯度试验，研究施肥管理下作物对氮素的需要量和作物生理生态特性间的关系，主要开展以下研究内容： ①施肥量和棉花产量、经济效益的关系，建立肥料投入与产量、效益等参数的定量关系； ②施肥量对棉花形态和生理参数的影响以及与棉花产量间的关系；③施肥量、棉花关键生理生态指标和棉花产量的关系评估与氮肥优化使用。最后，将耕作管理， 尤其是肥料的施用对开垦荒漠化土地的土壤质量和生产力的影响与长期研究结果进行比较。参照长期定位研究，短期试验水分处理和长期研究保持一致，每种肥料试验梯度间的水分处理一致。试验测定的主要指标参数包括土壤和棉花大两部分。（1）土壤部分： ①土壤理化指标：土壤的氮、磷、钾、有机碳（SOC）、 pH 和阳离子交换能力(CEC)等化学性质。分别在 0 - 20cm、 20 - 40cm、 40 - 60cm、 60 - 80cm 和 80 - 100cm土壤层采集土壤样品，分析 SOC、总氮(TN)、总磷、总钾(TK)、有效氮(AN)、有效磷(AP)、有效钾(AK)、缓效钾(SAK)、 pH 和 CEC 等土壤理化指标。 ②土壤容重：采用割环法测定长期试验农田土壤垂直剖面 20cm 间距的容重(BD)。 ③土壤团粒结构：采用干法筛分法测定土壤的团粒结构的粒度分布，采用湿法筛分法测定大于 0.25 mm 的水稳性团粒结构(WSA)的百分率。 ④土壤粒径：耕作层土壤的粒径分布使用综合光散射法测定。（2）棉花部分： ①生物量：测定每年收获期 1 m 土层的地上生物量和根系生物量；包括：植株密度、株高（Hei）、果分枝数（NOFB）、铃数（NOB）、初果位置（FFP）等，测定面积（1.0 m×1.0 m）。②皮棉和种子：在室温下风干、称重、计算种子百分数(SP)和皮棉百分数(LP)，③经济效益估算：按照当年市场价格计算投入和产出，总产值由 SCY 与市场价格相乘得到，资本净利得(NCG)是通过从总产值中减去直接成本来计算。 ④叶片氮含量和氮素利用效率：干叶总氮含量(%)，用凯氏定氮法测定，叶片 N 含量（Na）计算总 N 与比叶面积之比。⑤叶片生理参数：包括净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)、气孔导度(gs)和胞间 CO2 浓度(Ci)等用便携式红外气体交换仪(Li-6400)测定。论文取得的主要研究结论如下：1. 2004-2018 年的长期试验表明，荒漠化土地进行灌溉和施肥，土壤质量指数（SQI）呈―增加-下降-恢复‖趋势；荒漠化土地仅灌溉不施肥，荒漠化土地的（SQI）始终维持在较低水平。经过连续 3-4 年的持续灌溉和施肥管理，荒漠化土地可以获得稳定的作物产量和农田年净收益。长期试验研究得出的广义生态学规律有助于维持或改善土壤质量和生产力，对指导绿洲农田管理和实践活动至关重要，同时也适用于新开垦的沙质荒漠化土地生产力评估。2. 作物产量与土壤质量指数（SQI）的相关关系呈饱和特征曲线，阈值为 0.5，对应土壤有机碳含量为 5.0 g kg-1。低于此值，作物产量呈线性下降。 SQI 中 60%的年际变化可以由作物凋落的叶数量的变化来解释，其造成的 SQI 的年际变化，大约是根系残留物的 3 倍。3. 在复垦的沙漠化土地中，土壤机械成分无明显变化，土壤微生物量碳、水稳性团聚体和重碳库中有机碳在复垦的土壤中含量显著提高，大约提高了 2-9倍。4. 增加生物质产量并伴随生物残渣量的充足保持，是改善复垦荒漠土地土壤质量、稳定高产和经济收益的关键。研究结果支持―高生物质种植系统‖的生态假说。5.棉花每公顷净资本收益（NCG）的年际变化与籽棉产量（SCY）密切相关。年度 SCY 呈现出增加-减少的变化模式，部分原因可以用地上生物量（AGB）的变化来解释。 SCY 的变化趋势与新品种引进的时间节点有更好地匹配，表明品种变化对籽棉产量有明显的影响。6. N3 处理的净光合速率(Pn)、气孔导度(gs)、胞间 CO2 浓度(Ci)、蒸腾速率(E)、叶片 N 含量均有显著提高，与 N2 处理差异显著。结铃期最高的叶面积指数（LAI）为 360 kg N ha-1，这可能是由于较高的氮素利用率，导致光合能力、叶片数和叶面积增大，最终形成了较高的 LAI。7. 各种试验梯度中， 360kg ha-1 N 的结铃数、铃重、籽棉产量最高，与 300kgN ha-1 比较，有显著的差异。目前管理下，更高的氮肥使用对产量的提高有显著地作用。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 英语 |
| 源URL | [http://ir.xjlas.org/handle/365004/15389]  |
| 专题 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 新疆生态与地理研究所_研究系统 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | Alzhan Kurmangozhinov. 西北开垦沙地棉花生长和产量对氮肥的响应[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆生态与地理研究所
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