水稻镁营养特性及镁钾营养互作效应研究

摘要

镁、钾营养都是植物正常生长发育所必须的营养元素，是植物的重要组成成分，同时以多种方式参与植物体内各种生理生化过程，对促进植物的生长发育和新陈代谢起着重要的作用。随着农作物单位面积产量的不断提高，施用N、P化肥用量持续增加，有机肥料投入和秸秆还田数量逐步减少，作物复种指数的提高，以及作物品种的改良，每年有大量的钾、镁营养从土壤中提取而得不到相应的补充，从而使土壤中的钾、镁营养消耗不断扩大，最终导致土壤原有的营养元素失去了平衡。镁离子具有较大的水合半径，对土壤胶体的吸附强度不如其他阳离子，所以镁离子在土壤中非常容易被淋洗，加上K<'+>、Ca<'2+>、H<'+>、NH<,4><'+>、AI<'3+>等离子与镁有拮抗作用，从而导致土壤镁营养植物有效性比较低。近年来我国南方许多地区特别是红壤地区的土壤缺镁、缺钾面积日益增加，作物缺钾、缺镁在各地陆续出现。镁、钾营养将成为限制我国农作物进一步增产和农业可持续发展的主要因素之一。 与其他营养元素研究比较，镁、钾营养的研究相对较少，尤其对镁营养及其与钾营养相互作用研究报道的甚少。以往有关研究大多局限于植物苗期阶段的干物质积累、养分吸收和转运上，而对大田作物生长发育、籽粒产量、品质和生理代谢方面的影响研究较少。水稻是世界上最重要的粮食作物作物之一，广泛种植在热带和亚热带地区。由于较大的雨量和较高的温度造成土壤高强度的侵蚀，使该地区的土壤中镁的有效性较低，特别是钾的缺乏更为严重。本研究以水稻(武运粳7号)为研究对象，在玻璃温室条件下，采用液体培养方法，设计不同镁、钾浓度处理，研究了镁营养以及镁、钾营养间的相互作用对水稻生长、养分吸收和转运以及有关生理特性的影响，为进一步探明它们之间的相互作用机制和机理以及合理施用镁、钾肥料提供科学依据。 研究结果表明： 在低镁浓度条件下，水稻植株在缺镁症状出现之前减少地上部干物质积累，分配较大比例的光合产物到根系中，改变根系生长参数，促进了根系生长，从而使根冠比率增加，同时通过改变根系形态参数，提高根系在低镁浓度条件下的吸收能力，以适应其在低镁浓度的胁迫反应。在水稻10叶期，当叶片镁浓度在1.22 mg G<'-1>，根系镁浓度0.21 mg g<'-1>时，低镁浓度处理根的平均直径、根体积、根表面积、根尖数、总根长和0.5-1.0 mm直径根的总长度分别比正常镁浓度处理增加10.9％，14.3％，7.2％，14.9％，17.1％和5.5％。适度的镁浓度有利于水稻植株生长和发育，促进养分吸收和转运，增加干物质的积累，提高根系活力和伤流液流速以及伤流液中游离总氨基酸的含量。低镁和高镁浓度可能在一定程度上抑制根系活力。本研究表明低镁浓度供应改变了水稻根系生长、镁的吸收以及镁的转运。当水稻植株地上部镁的浓度小于1.1 mg g<'-1>时，地上部干物质积累、叶片叶绿素含量、净光合速率、硝酸还原酶(NR，EC 1.6.6.1)和谷氨酰胺合成酶(GS，EC 6.3.1.2)活性显著下降。而且，镁缺乏的叶片中有可溶性糖和淀粉的积累，分配较多的生物量到根系，从而使根冠比增加。当水稻植株地上部镁的浓度超过3.0 mg g<'-1>时，叶片硝酸还原酶活性受到一定程度的抑制，叶片可溶性糖含量减少．镁和钾离子间存在较强的拮抗作用和适中的协同作用，但是，钾离子对镁、钾养分的吸收和转运、叶片硝酸还原酶活性和净光合速率的影响远大于镁的影响．在水稻分蘖期植株地上部和根系最适合的K/Mg比率在20-25之间。镁的缺乏不仅没有被中度钾的供应所弥补，而钾的过量供应加重了镁的缺乏。本研究表明镁营养对水稻干物质生产和碳水化合物的分配具有特殊的作用。 高钾低镁浓度处理20d的水稻叶片出现严重缺镁症状，干物质积累明显下降。缺镁叶片的叶绿素含量、净光合速率、可溶性蛋白质含量下降，但可溶性糖含量、丙二醛(MDA)含量以及超氧化物歧化酶(SOD，EC 1.15.1.1)、过氧化氢酶(CAT,EC 1.11.1.6)、过氧化物酶(POD，EC 1.11.1.7)的活性显著提高。相关分析表明，水稻第二最新展开叶片中的镁含量和地上部干物质重量与叶片中三个抗氧化酶活性和MDA含量呈负相关。试验结果也表明，镁、钾相互作用对水稻地上部生物产量、叶片叶绿素含量、净光合速率以及SOD、CAT、POD活性和MDA含量均有明显的影响。本研究表明，营养液高钾浓度加剧了水稻植株镁的缺乏程度以及活性氧氧化所造成的伤害。 本研究结果表明，镁、钾营养相互作用既存在拮抗作用也有协同作用。拮抗作用主要在低镁、高钾浓度条件下表现明显，而在低镁、低钾浓度条件下表现出适中的协同作用。表明镁、钾营养比例与平衡具有重要意义。相对而言，目前在我国农业生产中钾肥的施用比镁肥施用较为普遍，然而钾肥的施用增加了作物对镁营养的需求，大量施用钾肥会诱导作物发生缺镁症状。所以，在大田生产上应继续提倡合理施用钾肥的同时要重视镁营养的补给以避免发生镁的缺乏。

目录

文摘

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论文说明：缩略语

声明

第一章文献综述

1植物镁素营养研究进展

1.1镁在植物体内的形态和数量

1.2植物对镁的吸收及其影响因素

1.3镁素营养的植物生理代谢作用

1.4镁营养与作物产量和品质

1.5镁离子转运蛋白研究进展

2植物钾素营养研究进展

2.1钾的吸收和运输

2.2钾营养的植物生理作用

2.3植物缺钾与施肥效应

3植物镁、钾营养相互作用研究进展

第二章材料与方法

1试验材料与方法

1.1试验地点和供试材料

1.2试验方法

1.3植株样品采集

2分析方法

2.1植物样品分析

2.2根系形态参数分析

2.3根系活力测定

2.4植株伤流液的收集方法以及氨基酸总量的测定

2.5根系Mg平均流入量(influx)的计算

2.6镁离子吸收速率测定

2.7叶绿素含量测定

2.8净光合速率测定

2.9硝酸还原酶(NR)活性的测定

2.10谷氨酰胺合成酶(GS)活力的测定

2.11可溶性糖和淀粉的测定

2.12粗酶液提取和可溶性蛋白质的测定

2.13超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定

2.14过氧化氢酶(CAT)活性的测定

2.15过氧化物酶(POD)活性的测定

2.16丙二醛(MDA)含量测定

3试验数据统计分析

第三章镁、钾营养及其相互作用对水稻生长及养分吸收转运的影响

1结果与分析

1.1镁、钾营养缺乏症状

1.2镁、钾营养及其相互作用对水稻植株干物质积累的影响

1.3镁营养对水稻植株镁浓度、吸收和转运的影

1.4钾、镁相互作用对水稻植株养分吸收和转运的影响

2讨论

第四章镁营养对根系参数以及有关生理特性的影响

1结果与分析

1.1镁营养对水稻根系参数的影响

1.2镁营养对水稻根系活力的影响

1.3镁营养对伤流液流速的影响

1.4镁营养对伤流液中氨基酸和无机镁含量的影响

1.5镁营养对根系可溶性糖含量的影响

1.6镁营养对水稻根系镁流入速率的影响

1.7镁营养对镁离子吸收速率的影响

3讨论

第五章镁营养及其与钾营养互作对水稻地上部碳、氮生理代谢的影响

1结果与分析

1.1镁营养对水稻碳代谢的影响

1.2镁营养对氮代谢的影响

1.3镁、钾营养相互作用对碳代谢的影响

1.4镁、钾营养相互作用对氮代谢的影响

2讨论

第六章镁、钾营养互作对水稻叶片活性氧代谢的影响

1结果与分析

1.1镁、钾营养相互作用对水稻干物质和养分吸收的影响

1.2镁、钾相互作用对水稻叶片叶绿素含量和光合作用的影响

1.3镁、钾相互作用对水稻叶片可溶性糖和蛋白质的影响

1.4镁、钾相互作用对水稻叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

1.5镁、钾相互作用对水稻叶片过氧化氢酶(CAT)活性的影响

1.6镁、钾相互作用对水稻叶片过氧化物酶(POD)的影响

1.7镁、钾相互作用对水稻叶片丙二醛(MDA)含量的影响

1.8相关分析

2讨论

参考文献

全文结论

创新之处

攻读博士学位期间已发表和待发表论文情况

致谢