玉米冠层-根系-土壤系统氮素吸收与转运的品种差异及生理机制

摘要

我国玉米生产的氮肥利用效率仅为30％-35%，过量的氮肥投入不但造成成本偏高和肥料浪费，还引发了一系列资源环境问题，发掘品种氮素高效利用潜力是提高氮肥利用效率的重要途径之一，而探讨玉米品种间氮素吸收和转运的差异及其生理机制对于氮高效品种选育和栽培调控都具有重要意义。本研究基于玉米冠层-根系-土壤系统，以不同氮效率玉米品种即氮高效品种郑单958（ZD958）、金山27(JS27)和氮低效品种蒙农2133（MN2133）、内单314（ND314）、四单19（SD19）为材料，在不同施氮量、施氮深度和15N同位素示踪试验条件下，系统研究了根系形态与氮素吸收的关系、根层硝态氮分布与根系形态的关系、冠层氮素分布及转移特性、叶片光合特性与氮素利用的关系，以及氮效率与氮素吸收效率和利用效率的协调关系。主要研究结果如下：
　　（1）四叶一心期适宜根系生长的最适硝态氮浓度为4mmol/l。在低氮胁迫条件下，玉米主要通过增加细根比例，增加根表面积吸收更多的氮素；在氮素供应充足条件下，通过增加根系平均直径，形成高密的分枝系统吸收氮素。根长、根体积对氮吸收效率的直接作用较大。
　　（2）不同氮效率玉米品种根系的时空分布影响氮素吸收，且对氮肥的响应度存在明显差异。不施氮条件下，氮高效品种各土层内根长显著高于氮低效品种，且花粒期0-20cm耕层和40cm以下土层内的根长降低比率显著低于氮低效品种；施氮条件下，40cm以下土层内氮高效品种根长降低比率显著低于氮低效品种。说明不同氮肥供应下，氮高效品种40cm以下土层根系衰老速率皆低于氮低效品种。
　　（3）根系对氮素的吸收与根长和单位根长氮吸收速率显著相关。吐丝前中、低氮条件下，单位根长氮吸收速率对氮素吸收量的直接作用较大，高氮条件下，根长对于氮素吸收的直接作用较大；吐丝后中低氮条件下，根长对氮素的吸收量直接作用较大，在高氮条件下，单位根长氮吸收速率对氮素吸收量的直接作用较大。
　　（4）种植氮高效品种可减少氮素淋溶损失。低氮条件下，土壤硝态氮含量最大土层下移20cm，外界环境对其影响较小；施氮条件下，土壤硝态氮含量最大土层下移40cm-60cm，年际间差异主要受降雨量的影响。氮高效品种0-100cm土层的硝态氮积累量显著低于氮低效品种，300N处理下，氮低效品种的表观损失是氮高效品种的1.52-2.89倍；450N处理下，氮低效品种是氮高效品种的1.45-1.56倍，氮素的吸收量与土壤硝态氮积累量呈显著的线性负相关。
　　（5）减氮深施可增加氮素的吸收。在低氮条件下，45cm深施处理（F45）各土层的根系形态指标显著高于15cm浅施处理（F15），F45氮素吸收量显著高于F15，表明低氮深施促进了下层根系的增长，进而促进根系对土壤中氮的吸收。在高氮条件下，F45显著增加了0-30cm土层和60-90cm土层根系，抑制了30-60cm土层根系增长，氮素吸收量显著低于F15。
　　（6）氮高效品种具有强大的根系和较高的氮吸收效率与植株中下部叶片的生理指标密切相关。15N同位素示踪结果表明，吐丝后籽粒中的氮素有30-50%来源于氮素的直接吸收，50-70%来源于吐丝后氮素的转运，品种间差异不显著。不同施氮量下，氮吸收效率和氮利用效率对氮效率的贡献不同，在低氮条件下，氮利用效率对氮效率的直接作用较大；中高氮条件下，氮吸收效率对氮效率的直接作用较大。中下部叶片光合和氮同化指标（叶片干物质积累、氮素积累，光合速率、SPAD值）与氮素的吸收效率显著相关。

目录

声明

缩 略 语 表

1 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

2 研究思路和研究内容

2.1 研究思路

2.2 研究内容

3 不同氮效率玉米品种根系形态对氮肥的响应及其与氮素吸收的关系

3.1 硝酸盐浓度对玉米苗期根系形态的影响

3.2 不同氮效率玉米根系时空分布与氮素吸收对氮肥的响应

3.3 小结

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 小结

5 施氮深度对不同氮效率玉米品种根系形态及氮素吸收的影响

5.1 试验目的

5.2 试验材料

5.3 试验设计

5.4 测定指标与方法

5.5 结果与分析

5.6 根系形态与氮素吸收的关系

5.7 小结

6 不同氮效率玉米品种冠层氮素积累量与转运特性

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.3 不同氮效率玉米品种籽粒氮素来源分析

6.4 花粒期叶片光合特性的差异

6.5 小结

7 讨论

7.1 不同氮效率品种对氮肥的响应

7.2 不同氮效率品种氮素吸收与利用的协同机制

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

作 者 简 介