秸秆覆盖保护性种植的土壤养分效应和作物生理生化响应机制研究

【摘要】：秸秆覆盖是一种高效节水的作物栽培技术,在改变农田下垫面性质和能量平衡、调节土壤温度及改善土壤水分状况等方面具有显著作用,具有达到提高经济产量、减少水分无效消耗、提高水分利用效率的目的。秸秆覆盖是保护性耕作的重要方面,对农业生产和农业可持续发展具有重要意义。秸秆覆盖可以蓄水保墒；改善土壤微环境；减少水土流失；调节土壤水、肥、气、热；促进作物生长发育和光合作用。本文研究了秸秆覆盖保护性种植油菜的农田土壤养分动态变化及干旱胁迫下大豆生理生化响应机制。主要结果如下 1.秸秆覆盖保护性种植油菜农田土壤养分效应和油菜生长发育和产量的研究 本文旨在研究秸秆覆盖保护性种植下油菜的生长发育、整个生育期内土壤养分动态变化以及产量效应。试验在西南大学试验农场进行,设置8个处理：①无秸秆覆盖,②水稻秸秆3750kg/hm2覆盖,③水稻秸秆7500kg/hm2覆盖,④玉米秸秆3750kg/hm2覆盖,⑤玉米秸秆7500kg/hm2覆盖,⑥水稻秸秆7500kg/hm2覆盖无农作物,⑦水稻秸秆7500kg/hm2覆盖+速腐剂无农作物,⑧水稻秸秆7500kg/hm2覆盖+速腐剂。于油菜生长的不同时期,分层取样。通过土壤养分动态变化分析和油菜生长和产量效应的研究得出以下结论： (1)不同类型秸秆覆盖处理下土壤有机质,0—10cm和10—20cm土层的土壤有机质含量变化相近,各个水平梯度间的差异不明显,有速腐剂处理的有机质含量要相对较高,变化差异也相对较大；秸秆覆盖处理下,土壤全氮0—10cm土层与10—20cm土层呈“增加——降低——增加”的趋势；不同类型秸秆覆盖处理下土壤碱解氮0—10cm和10—20cm士层变化相似,呈“下降——增长——下降”的变化趋势；秸秆覆盖不同处理土壤全磷在0—10cm和10—20cm土层变化相似,均出现波动增高的趋势;土壤有效磷0—10cm和10—20cm土层变化—致,前期微小增长,接着下降,结实成熟期增高；土壤全钾在0—10cm出现先增后降的趋势,10—20cm土层,先增长后下降然后增长；土壤速效钾的变化与全钾各土层变化一致；土壤的pH值在0—10cm和10—20cm土层变化一致,随着作物生长季节的推移,出现波动增长。 收获后期秸秆覆盖农田十壤养分的研究揭示出：在有作物生长的情况下,秸秆覆盖对耕层土壤有机质的积累没有明显作用；秸秆覆盖对耕层土壤氮素的供应有明显的影响,总体上全氮随着秸秆覆盖量的增加而增加：同水平玉米秸秆覆盖处理较水稻秸秆覆盖处理对碱解氮的积累作用较明显；秸秆覆盖处理大部分可以提高耕层土壤全钾；不同秸秆对耕层土壤钾素的影响不同,水稻秸秆覆盖处理对土壤有效磷、全钾和速效钾的效果优于玉米秸秆覆盖。无农作物的条件下,全量覆盖耕层士壤的有机质含量出现积累。速腐剂的使用对有机质积累没有影响;速腐剂的使用可以增加土壤全氮的累积,而碱解氮的积累与速腐剂的使用关系不大;速腐剂的使用对补充土壤全磷有重要作用；无农作物的情况下速腐剂可以增加耕层土壤全钾的积累。 (2)秸秆覆盖对油菜的营养生长和生殖生长有显著促进作用。秸秆覆盖可以显著提高油菜的株高,增加分枝数和花序数,速腐剂的加施对营养生长的效果明显,但对生殖生长的效果未显现出来。 (3)秸秆覆盖保护性种植可以提高油菜的产量,速腐剂对油菜产量的增加尤为明显。同种秸秆不同水平覆盖处理下,油菜的产量随覆盖量的增加有增长趋势。 2.秸秆覆盖大豆生理生化响应机制的研究 为了研究秸秆覆盖下大豆生长、光合作用、叶绿素、可溶性蛋白、游离脯氨酸、丙二醛(MDA)以及抗氧化物酶系统对干旱的响应机制,小麦秸秆不同量覆盖大豆的生理生化响应机制研究中,设置无覆盖,3750 kg/hm2,7500 kg/hm2,11000 kg/hm2和14750 kg/hm2五个处理。秸秆不同类型不同量覆盖大豆的生理生化响应机制研究中设置无覆盖,小麦秸秆11000kg/hm2覆盖,小麦秸秆14750 kg/hm2覆盖,玉米秸秆11000 kg/hm2和14750 kg/hm2覆盖五个处理。通过对大豆生长发育指标和生理生化响应机制的探讨得出： (1)秸秆覆盖可以促进细胞伸长,显著提高大豆的株高,且“晋豆21号”株高总体上高于“西豆7号“,但二者在秸秆覆盖不同处理下增长程度和增长量不同。小麦秸秆覆盖和玉米秸秆覆盖均可以促进大豆叶片数的增加,且随着秸秆覆盖量的增加而增加,但其增加量因秸秆类型的差异而不同,就大豆叶片数而言,小麦秸秆覆盖的效果优于玉米秸秆覆盖。小麦秸秆覆盖处理下大豆的叶面积在一定程度随秸秆覆盖量的增加呈增加趋势,但并不是无限增加。秸秆覆盖利于大豆茎的横向生长,秸秆覆盖提高了大豆的茎粗,且随着秸秆覆盖量的增加而增加。 (2)秸秆覆盖在水分匮乏的情况下能促进大豆的光合作用,且与秸秆覆盖量有很大关系。小麦秸秆覆盖保护性种植条件下,大豆的蒸腾速率在一定程度上随着秸秆覆盖量持续增加,但当秸秆覆盖量继续增加,则出现下滑,这与同条件下净光合速率的研究一致。秸秆覆盖可提高大豆叶片的气孔导度,且总体上气孔导度随着秸秆覆盖量的增加而加大。胞间CO2浓度减少到一定程度随着秸秆覆盖量的增长而增加,这与净光合速率和蒸腾速率的研究结果正好相反。空气和叶片的温差,随着秸秆覆盖量的增加而加大。 (3)秸秆覆盖处理下大豆叶片叶绿素含量的变化同时受干旱进程、秸秆覆盖量和覆盖物类型的影响；总体上玉米秸秆覆盖对叶绿素a的调节作用明显。秸秆覆盖对叶绿素的变化具有调节作用,其调节作用和限度与秸秆覆盖量、干旱时间的长短以及作物本身的耐受性相关。 (4)小麦秸秆不同量覆盖下,大豆可溶性蛋白含量随着干旱的加强持续下降,但秸秆覆盖可溶性蛋白含量的下降得到明显缓解。秸秆不同类型不同量覆盖大豆叶片可溶性蛋白含量随着干旱胁迫的增强而增加。在干旱胁迫下可溶性蛋白含量变化不一致,秸秆覆盖可溶性蛋白含量的变化因秸秆覆盖量、秸秆类型、作物品种和胁迫时间而存在差异。 (5)大豆在干旱胁迫过程中,叶片游离脯氨酸含量随着胁迫程度的增强持续增长。秸秆覆盖在大豆防御干旱方面起重要作用,可以降低脯氨酸含量的积累,降低量与秸秆覆盖类型和覆盖量有关。 (6)小麦秸秆不同量覆盖处理下,MDA含量随干旱程度的加强呈现增长趋势,随着秸秆覆盖量的增加,MDA含量在总体上降低。干旱胁迫丙二醛含量的变化与水分胁迫历时有关,小麦秸秆覆盖对大豆丙二醛具有补偿效应,可以在一定程度上缓解细胞膜脂氧化反应对细胞膜以及作物的伤害。 干旱胁迫下不同秸秆不同量覆盖处理,干旱初期大豆叶片丙二醛含量随玉米秸秆覆盖量的增大而增加,小麦秸秆覆盖处理大豆叶片丙二醛随秸秆覆盖量的增加而下降；中期丙二醛含量随着干旱时间的延长不断积累,即干旱时间越长植物受到的膜脂过氧化伤害越大,而秸秆覆盖可以在一定程度上降低丙二醛含量的积累,而且降低的程度与秸秆覆盖量和覆盖类型相关。 (7)秸秆覆盖在保护膜系统免受自由基伤害上具有重要调节作用,轻度干旱下调节作用明显。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)三种保护酶在大豆干旱胁迫下起协调作用,哪一种酶调节起主导作用因大豆品种、胁迫程度、胁迫时间和秸秆覆盖的差异而改变。 (8)通过模糊综合评价得出：小麦秸秆不同量覆盖处理小麦秸秆11000 kg/hm2覆盖处理“西豆7号”抗旱能力最强,对照无覆盖处理大豆抗旱能力最差；秸秆不同类型不同量覆盖中玉米秸秆14750 kg/hm2“晋豆21号”抗旱能力最强,玉米秸秆11000 kg/hm2覆盖处理次之。 【关键词】：秸秆覆盖 保护性种植 油菜 大豆 养分效应 生理生化 模糊综合法
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：S316
【目录】：

• 摘要7-10
• ABSTRACT10-14
• 第一章 文献综述14-26
• 1.1 国内外秸秆覆盖保护性种植的研究进展14-16
• 1.1.1 秸秆覆盖的含义14
• 1.1.2 秸秆覆盖保护性耕作国内外研究现状14-16
• 1.1.3 保护性耕作的技术内容16
• 1.2 秸秆覆盖的生态效应16-19
• 1.2.1 秸秆覆盖增加入渗,蓄水保墒17
• 1.2.2 降低土壤蒸发,改善土壤水热气状况,微生物活性增强17-18
• 1.2.3 秸秆覆盖培肥土壤,调节土壤养分供给18
• 1.2.4 秸秆覆盖提高土壤酶和微生物活性18
• 1.2.5 促进作物生长,提高作物产量18-19
• 1.3 秸秆覆盖对作物生理生化效应的研究进展19
• 1.4 秸秆覆盖保护性种植存在问题及发展趋势19-20
• 1.5 干旱胁迫对植物生长和生理研究进展20-24
• 1.5.1 干旱胁迫对植株外部形态的影响21
• 1.5.2 干旱胁迫对植物叶绿素的影响21
• 1.5.3 干旱对植物光合作用的影响21-22
• 1.5.4 渗透调节的变化22
• 1.5.5 膜伤害与活性氧代谢的变化22-24
• 1.5.6 同工酶24
• 1.6 模糊综合法及在干旱评价方面的应用24-26
• 第二章 前言26-34
• 2.1 本研究的目的意义26-31
• 2.2 主要研究内容31
• 2.3 研究思路和技术路线31-34
• 第三章 秸秆覆盖保护性种植的土壤养分效应研究34-52
• 3.1 试验材料与方法34-36
• 3.1.1 试验地概况34
• 3.1.2 试验材料34
• 3.1.3 试验设计34
• 3.1.4 指标及测定方法34-36
• 3.2 结果与分析36-47
• 3.2.1 秸秆覆盖土壤养分动态研究36-44
• 3.2.2 秸秆覆盖对土壤养分的影响44-45
• 3.2.3 秸秆覆盖保护性种植油菜的生长发育和产量效应45-47
• 3.3 讨论47-49
• 3.4 小结49-52
• 第四章 秸秆覆盖保护性种植的生理生化响应机制研究52-92
• 4.1 试验材料与方法52-58
• 4.1.1 试验区域概况52
• 4.1.2 试验期间温度状况52
• 4.1.3 试验材料52-53
• 4.1.4 试验设计53-54
• 4.1.5 水肥管理和试验控制54
• 4.1.6 试验测定分析方法54-57
• 4.1.7 数据统计分析57-58
• 4.2 结果与分析58-81
• 4.2.1 秸秆覆盖对大豆形态生长的影响58-61
• 4.2.2 秸秆覆盖对大豆光合作用的影响61-62
• 4.2.3 秸秆覆盖对大豆生理生化指标的影响62-77
• 4.2.4 秸秆覆盖对大豆同工酶的影响77-78
• 4.2.5 不同覆盖处理大豆抗旱性模糊综合评判78-81
• 4.3 讨论81-89
• 4.3.1 秸秆覆盖对大豆形态生长的影响81-82
• 4.3.2 秸秆覆盖对大豆光合作用的影响82-83
• 4.3.3 秸秆覆盖对大豆光合色素的影响83-84
• 4.3.4 秸秆覆盖对大豆可溶性蛋白的影响84-85
• 4.3.5 秸秆覆盖对大豆脯氨酸的影响85-86
• 4.3.6 秸秆覆盖对大豆丙二醛含量的影响86
• 4.3.7 秸秆覆盖对大豆抗氧化系统的影响86-88
• 4.3.8 秸秆覆盖对大豆同工酶酶谱的影响88-89
• 4.4 小结89-92
• 第五章 结束语92-96
• 5.1 研究结论92-94
• 5.2 本研究主要特色和创新点94-95
• 5.3 今后研究重点95-96
• 参考文献96-112
• 缩略词表112-114
• 致谢114-116
• 攻博期间发表论文和参加的课题116-118

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