【摘要】：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷利用效率低是當(dāng)前國家實施“化肥零增長計劃”所面臨的重大挑戰(zhàn),也是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因子之一。大量研究表明,在缺磷條件下,植物可通過其根系形態(tài)(擴展生長空間影響根際范圍)和生理的活化作用(強化根際養(yǎng)分的化學(xué)活化能力)從土壤中高效獲取磷資源。但在當(dāng)前磷過量投入的集約化生產(chǎn)條件下,土壤供磷強度和根系生長空間如何影響作物對土壤磷的利用,其關(guān)鍵過程和調(diào)控途徑并不清楚。在過量施磷的條件下,理解根系對土壤供磷強度和生長空間的響應(yīng),對優(yōu)化磷肥投入,提高磷資源利用效率具有重要的科學(xué)價值和實踐意義。本文以6年玉米磷肥田間定位試驗為基礎(chǔ),結(jié)合已發(fā)表的文獻數(shù)據(jù),探討了長期磷投入條件下,土壤供磷強度對玉米生長的影響、土壤累積態(tài)磷(殘效磷)高效利用的根際過程和農(nóng)田系統(tǒng)減磷增效的潛力；揭示了土壤供磷強度和根系空間的協(xié)同效應(yīng)及對玉米根系生長和磷吸收的影響；綜合分析了土壤水分對磷有效性的影響以及有機無機配合施用對化學(xué)磷肥替代的效應(yīng)和潛力。主要結(jié)果和結(jié)論如下：1.定量了我國典型農(nóng)田磷累積量及作物對累積磷的響應(yīng)。過量施磷導(dǎo)致土壤磷的累積,同時驅(qū)動了土壤供磷強度的變化。土壤供磷強度顯著影響不同輪作體系(小麥-玉米、小麥-水稻和水稻-水稻)磷肥增產(chǎn)效應(yīng)的歷史變化。自1980年以來,在小麥-玉米和小麥-水稻輪作體系中,磷肥增產(chǎn)效應(yīng)隨著土壤供磷強度的提高呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,而在水稻-水稻輪作體系中,磷肥增產(chǎn)效應(yīng)始終維持在10%左右。近10年來,施磷的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。表明在當(dāng)前磷過量投入的條件下,三種輪作體系都有較大的減磷增效潛力。2.明確了長期磷投入條件下,玉米根系對供磷強度的響應(yīng)及對土壤磷的利用效率,揭示了過量施磷條件下作物利用土壤磷的機制。2010-2012年,不施磷處理的玉米產(chǎn)量沒有顯著降低,表明土壤中的殘效磷在3年內(nèi)可以滿足玉米磷需求；自2010到2015年,在P2(75kg P2O5ha-1)的供磷強度下,根系擴展空間(根系大小)和根系效率(單位根干重的磷吸收量)顯著提高,玉米產(chǎn)量達到最大。在6年試驗期間,玉米從土壤中挖掘的磷量逐年提高。表明通過維持合適的土壤供磷強度(12.5 mg kg-1),可顯著增加玉米根系生長的空間范圍,從而提高玉米對土壤磷的利用。3.系統(tǒng)比較了玉米對不同土壤供磷強度和根系生長空間的響應(yīng)。土壤供磷強度和根系生長空間對玉米的磷吸收存在協(xié)調(diào)關(guān)系：在一定空間條件下,提高土壤供磷強度可以調(diào)控根系生長,進而促進玉米對磷的吸收；反之,在一定的土壤供磷強度下,擴大根系生長空間,可促進玉米對磷的吸收。表明玉米根系從土壤中高效獲取磷,需要一定的生長空間和適宜的供磷強度相匹配,二者存在明顯的協(xié)調(diào)關(guān)系。4.揭示了土壤水分和磷有效性協(xié)同調(diào)控玉米生長和磷吸收的過程。在適度干旱的條件下,提高土壤供磷強度,可以促進玉米對磷的吸收,其原因是提高了土體磷向根表的擴散梯度；在缺磷的條件下,水分調(diào)控促進根系空間的擴展,提高土壤磷對玉米的空間有效性。表明適宜的土壤水分在很大程度上提高了根系的生長空間以及土壤磷的有效性,二者的協(xié)同效應(yīng)是促進玉米對土壤磷獲取的主要機制。5.證明了有機肥對化學(xué)磷肥的替代效應(yīng)和潛力。有機無機配合施用可降低50%化學(xué)磷肥的投入,有機肥可部分替代化學(xué)磷肥,調(diào)控根系生長,進而提高玉米對磷的吸收和籽粒產(chǎn)量�；诘度肓坑嬎愕挠袡C肥施用導(dǎo)致磷的輸入量顯著增加；基于磷投入量計算的有機肥施用維持了農(nóng)田磷的相對平衡(但需補充一定量的氮肥),是本研究推薦的磷管理策略。結(jié)果表明,“基于磷量”施用有機肥部分替代化學(xué)磷肥,是提高磷可持續(xù)利用的有效途徑�？傊�,我國主要農(nóng)田持續(xù)磷肥的投入導(dǎo)致土壤磷肥力提高,三大種植體系的磷肥增產(chǎn)效應(yīng)顯著下降,表明集約化體系具有明顯的“節(jié)磷增效”潛力。連續(xù)6年的“磷肥效應(yīng)”長期定位試驗進一步證明,集約化玉米種植體系土壤累積了較高的磷,在不施磷的情況下仍可維持3年的玉米產(chǎn)量沒有下降,土壤供磷強度和根系空間對玉米生長的影響存在協(xié)調(diào)關(guān)系,土壤水分顯著影響土壤磷的擴散和空間有效性,從而影響玉米對磷的高效利用,有機無機配合施用在保證玉米生長和穩(wěn)產(chǎn)的同時,能替代50%化學(xué)磷肥的投入。提出控制適宜的根層土壤供磷強度、優(yōu)化土壤水分狀況、協(xié)調(diào)土壤供磷水平和根系生長空間,結(jié)合磷肥減施和有機肥部分替代化肥投入,是提高集約化玉米體系磷利用效率的重要途徑。
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【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S513
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本文編號：2393048