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有机生产系统中甜瓜氮素营养生理研究

作　者: 宋世威
导　师: 黄丹枫
学　校: 上海交通大学
专　业: 蔬菜学
关键词: 甜瓜(Cucumis melo L.) 有机生产系统氮素矿化可溶性有机氮无机氮氮素吸收品质
分类号: S652
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

近十几年来国内外有机农业生产和有机食品消费迅猛发展。氮素的供应状况对有机农业的生产性能和产品品质具有重要影响。本研究从分析土壤氮素转化入手,深入分析甜瓜氮素营养生理,并进一步研究有机和常规处理对甜瓜的生长发育、产量品质形成和氮素吸收利用的影响。研究结果有助于揭示土壤有机氮的矿化规律,阐明甜瓜对可溶性有机氮和无机氮的吸收利用能力,进一步丰富植物氮素营养理论,并为甜瓜合理施肥及有机农业生产提供技术支撑和科学依据。本研究利用室内通气培养技术研究了有机和常规生产系统中土壤氮素矿化动态;运用盆栽和水培试验体系,研究了甜瓜对有机氮和无机氮的吸收利用能力;在有机和常规两种田间生产系统中,研究了不同施肥水平对甜瓜生长发育、产量和品质形成及氮素吸收的影响。主要研究结果如下:1有机和常规生产系统中土壤氮素分析分析了上海两个有机农场的土壤氮素性状,结果表明有机生产管理改变了土壤的氮素营养性状,在总氮含量相同或略高的条件下,其无机氮含量比常规生产系统中土壤低22.4%³6.8%。利用室内通气培养和¹⁴C标记技术研究了有机、转换期和常规生产系统中土壤的氮素矿化动态及三种土壤对添加氨基酸和多肽矿化的影响。土壤矿化培养过程中不同生产系统土壤的无机氮（SIN）含量均明显增加,游离氨基酸含量呈先升高后下降的趋势,可溶性有机氮（SON）持续增加,不同生产系统中土壤间表现为有机土壤（OS） >常规土壤（CS） >转换期土壤（TS）,但SON与SIN的比值大幅下降。三种土壤氮素的矿化势、矿化速率和铵化速率均表现为OS > CS > TS,而其硝化速率没有显著差异。土壤对外源添加的¹⁴C-氨基酸、多肽的矿化速率的响应表现为OS > TS > CS,培养24 h后¹⁴C-氨基酸、多肽被微生物利用量均超过50%。低分子量的SON在土壤中的周转迅速,培养24h后土壤中¹⁴C-氨基酸的分解率达到起始值的56.3%⁹5.4%,残留在不同土壤中的¹⁴C-氨基酸的含量均表现为CS > TS > OS。在矿化过程中,影响SON含量的瓶颈不是微生物利用低分子量SON的速率,而是SON从生物体释放进入土壤的速率。在盆栽模拟试验条件下,以空白施肥为对照（CK）,研究了有机氮（ON）和无机氮（IN）处理中土壤氮素的矿化及其对甜瓜生长和氮素吸收的影响。结果表明无植株的空白土壤SIN和SON含量都呈单峰曲线增长模式。无机氮（IN）处理土壤的SIN含量显著高于有机氮（ON）和对照（CK）处理。CK和ON处理土壤SON与SIN的比值在0.34⁰.59之间,大于IN处理的0.25⁰.35。种植甜瓜种苗的土壤中SON和SIN含量持续下降,两者的比值呈上升趋势。施肥显著促进了甜瓜植株的生长、氮素含量和氮素吸收量,IN处理效果尤其显著。虽然单位时间内甜瓜伤流液中可溶性氮总量表现为IN > ON > CK,但CK和ON处理从土壤中吸收了较高比例的SON。土壤中矿化出的SON含量较高,甜瓜能直接吸收,其贡献不容忽视。尽管甜瓜仍以吸收SIN为主,但在SIN含量低的情况下也能吸收SON作为补充。2甜瓜对不同形态氮素的吸收——甜瓜氮素营养生理分析开放水培条件下研究了相同氮浓度(3.0 mmol·L^-1)的氨基酸态氮（Gly-N）和无机氮（NO₃^--N、NH₄⁺-N）对甜瓜幼苗生长和氮素吸收的影响。与NO₃^--N处理相比,NH₄⁺-N和Gly-N处理都显著抑制了甜瓜幼苗根系和地上部的生长。不同氮素形态处理的甜瓜植株根长、根体积和根表面积均表现为NO₃^--N > Gly-N > NH₄⁺-N （p < 0.05）,甜瓜的叶绿素含量、植株平均氮含量和氮吸收量也表现为相同的规律。NH₄⁺-N处理甜瓜出现明显的氨毒害症状。与NO₃^--N处理相比,NH₄⁺-N和Gly-N处理提高了甜瓜根系的氮素分配比例。NH₄⁺-N处理显著降低了营养液的pH值,而Gly-N处理提高了营养液的pH值。不同氮素形态处理营养液pH值的变化是影响甜瓜幼苗生长和氮素吸收的重要因素。虽然甜瓜是喜硝作物,氨基酸态氮也可以成为其良好的氮源。采用无菌水培方法研究了甜瓜对氨基酸态氮和无机氮的吸收动力学特性。结果表明,在氮素浓度为0.1²mmol·L^-1的范围内,甜瓜对氨基酸态氮和无机氮的吸收都符合米氏方程,最大吸收速率（Vmax）和亲和力（1/Km）均表现为NO₃^--N > NH₄⁺-N > Gly-N,高的最大吸收速率和高的亲和力相统一。NH₄⁺-N (1mmol·L^-1)的存在促进了甜瓜吸收NO₃^--N的能力,在提高吸收速率的同时提高了离子亲和力。3有机生产系统中甜瓜对氮素的吸收利用及其产量、品质形成在有机和常规两种生产系统中,研究了土壤中速效氮的变化和甜瓜对氮素的吸收。在甜瓜的生长发育过程中有机肥料向土壤中提供了与常规处理相同水平的速效氮。甜瓜植株的氮素含量在生育过程中逐渐降低,氮素吸收量逐渐增加,常规处理显著高于有机处理,而生产系统内部不同的施肥水平之间差异不显著。常规处理中甜瓜的氮素吸收速率显著高于有机处理,同时植株体内积累了较多的硝态氮,但氮素利用效率较低。在有机和常规生产系统中,甜瓜都是以吸收无机氮为主;吸收的有机氮中蛋白质态氮含量显著高于氨基酸态氮,在有机系统中吸收了高比例的有机氮。在有机和常规两种生产系统中,研究了不同施肥水平对春秋两季甜瓜生长发育、产量和品质形成的影响。有机和常规两种生产系统中甜瓜植株生物量和经济产量没有显著差异;在同一生产系统内,施肥量对植株生物量和产量均无显著影响,春秋两季规律一致。春季植株的总生物量和经济产量大于秋季,这是由春季生长期间高的积温所决定的。甜瓜的干物质分配在伸蔓期以叶片为主,中后期以果实为主,不同的生产系统和施肥水平都未影响干物质在各器官的分配比例。有机和常规生产系统以及施肥水平都未改变甜瓜果实发育和糖分积累规律。甜瓜果实在进入成熟期前,以葡萄糖和果糖积累为主,进入成熟期,蔗糖积累迅速,总糖含量持续上升。生产系统和施肥水平对果实TSS和糖分含量都没有影响。与常规生产处理相比,有机生产显著提高了甜瓜果实Vc含量,春季和秋季分别平均提高16%和21%;有机生产降低了甜瓜果实的硝酸盐含量,春季和秋季分别平均降低12%和16%,这与低的果实氮素含量显著相关。有机甜瓜在一定程度上提高了果实品质,但不受有机施肥水平的影响。综上所述,土壤培养过程中矿化出的SON含量较高,影响其含量的瓶颈是SON从微生物体释放进入土壤的速率。甜瓜对氨基酸态氮和无机氮的吸收均符合米氏方程,氨基酸态氮也可以成为甜瓜良好的氮源。虽然甜瓜仍以吸收SIN为主,但在SIN含量低的情况下也能吸收SON作为补充。常规生产系统中甜瓜的氮素积累量显著高于有机处理,但氮素利用效率较低。在有机生产系统中甜瓜获得了与常规生产系统相同的植株生物量和产量,并在一定程度上提高了果实品质。研究结果揭示了土壤有机氮的矿化规律和甜瓜氮素营养生理,阐明了甜瓜对SON的吸收潜力,丰富了植物氮素营养理论,为有机农业生产合理施肥提供了科学依据。

全文目录

摘要  7-10
ABSTRACT  10-14
缩略词  14-18
第一章绪论  18-44
  1 有机农业和有机食品评述  18-27
    1.1 有机农业和有机食品概述  18-21
    1.2 有机农业的生产性能  21-25
    1.3 有机农业发展的可持续性——环境生态效应  25-26
    1.4 有机农业和有机食品的发展趋势及评价——辩证观点  26-27
  2 土壤中的氮行为及植物氮素营养综述  27-31
    2.1 土壤中的氮及氮循环  27-28
    2.2 植物对无机氮的吸收  28-29
    2.3 土壤中可溶性有机氮及植物吸收  29-31
  3 甜瓜生产概况及氮素营养生理  31-34
    3.1 甜瓜的生产概况  31-33
    3.2 甜瓜氮素营养生理  33
    3.3 我国甜瓜的生产方式及其有机生产的意义  33-34
  4 本研究的目的、内容和技术路线  34-37
    4.1 研究问题的提出  34-35
    4.2 研究目的  35
    4.3 研究内容  35-36
    4.4 研究的技术路线  36-37
  参考文献  37-44
第二章有机和常规生产系统中土壤性状差异及氮素矿化动态  44-56
  1 材料与方法  45-47
    1.1 研究地区概况及土壤样品的采集  45
    1.2 土壤通气培养试验  45
    1.3 土壤溶液的提取及测定  45-46
    1.4 氨基酸、多肽的矿化试验及指标测定  46-47
  2 结果与分析  47-53
    2.1 有机和常规土壤性状差异  47-48
    2.2 培养过程中土壤无机氮的动态  48-49
    2.3 培养过程中土壤游离氨基酸和可溶性蛋白质含量的动态  49-50
    2.4 培养过程中土壤SON的动态及其占SIN比例  50-51
    2.5 不同生产系统土壤氮素矿化参数分析  51
    2.6 外源氨基酸、多肽在土壤中的矿化  51-53
  3 讨论  53-54
  4 结论  54
  参考文献  54-56
第三章土壤中有机氮的矿化及甜瓜对氮素的吸收  56-67
  1 材料与方法  56-58
    1.1 试验材料及处理  56-57
    1.2 取样及指标测定  57-58
  2 结果与分析  58-64
    2.1 土壤中SIN、SON含量  58-61
    2.2 甜瓜干物质积累  61
    2.3 甜瓜对氮素的吸收  61-64
  3 讨论  64-65
    3.1 土壤中有机氮的矿化  64
    3.2 甜瓜对氮素的吸收  64-65
  4 结论  65
  参考文献  65-67
第四章氨基酸态氮和无机氮对甜瓜幼苗生长和氮素吸收的影响  67-75
  1 材料与方法  67-68
    1.1 材料及处理  67-68
    1.2 测定指标及方法  68
  2 结果与分析  68-71
    2.1 植株生长和干物质分配  68-69
    2.2 根系形态和营养液pH值  69-70
    2.3 氮素吸收和分配  70-71
  3 讨论  71-73
  4 结论  73
  参考文献  73-75
第五章甜瓜对氨基酸态氮和无机氮的吸收动力学研究  75-81
  1 材料与方法  75-76
    1.1 材料培养  75-76
    1.2 处理及取样  76
    1.3 测定方法及计算  76
  2 结果与分析  76-78
  3 讨论  78-79
  4 结论  79
  参考文献  79-81
第六章有机和常规生产系统中甜瓜氮素吸收差异分析  81-93
  1 材料与方法  82-84
    1.1 有机农场生态环境及生产状况  82
    1.2 两种系统甜瓜田间试验及处理  82-83
    1.3 取样及指标测试  83-84
  2 结果与分析  84-89
    2.1 土壤速效氮的动态变化  84-85
    2.2 甜瓜干物质积累  85-86
    2.3 甜瓜对氮素的吸收  86-87
    2.4 甜瓜对氮的利用  87-88
    2.5 甜瓜伤流液中氮素形态  88-89
  3 讨论  89-90
    3.1 土壤中有机氮的矿化及甜瓜吸收  89
    3.2 甜瓜对有机氮的吸收及其贡献  89-90
    3.3 有机农业生产对环境的影响  90
  4 结论  90-91
  参考文献  91-93
第七章有机和常规生产系统中甜瓜的生长发育和产量分析  93-100
  1 材料与方法  93-94
    1.1 有机农场生态环境及生产状况  93
    1.2 两种系统甜瓜田间试验及处理  93
    1.3 指标测试及统计分析方法  93-94
  2 结果与分析  94-97
    2.1 生产系统和施肥水平对甜瓜生长发育的影响  94-95
    2.2 不同生育时期甜瓜干物质的分配  95-97
    2.3 甜瓜产量分析  97
  3 讨论  97-98
  4 结论  98
  参考文献  98-100
第八章有机和常规甜瓜果实发育和品质形成比较分析  100-114
  1 材料与方法  100-102
    1.1 有机农场生态环境及生产状况  100
    1.2 两种系统甜瓜田间试验及处理  100-101
    1.3 果实取样及指标测定  101-102
  2 结果与分析  102-108
    2.1 果实发育  102-103
    2.2 TSS和糖分  103-106
    2.3 Vc、氨基酸和硝酸盐  106-107
    2.4 果肉氮素含量  107-108
  3 讨论  108-111
    3.1 果实的生长  108-109
    3.2 果实的TSS和糖分积累  109
    3.3 果实的Vc、氨基酸和硝酸盐  109-110
    3.4 施肥水平对果实发育和品质形成的影响  110-111
  4 结论  111
  参考文献  111-114
第九章主要结论、创新点及展望  114-117
  1 主要结论  114
  2 创新点  114-115
  3 展望  115-117
致谢  117-118
攻读博士学位期间发表论文及奖励  118-119

有机生产系统中甜瓜氮素营养生理研究

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