作物磷、锌营养的调控机制与途径课件.pptx
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- 作物 营养 调控 机制 途径 课件
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1、提提 纲纲一、研究一、研究目标与方案目标与方案二、二、主要研究进展主要研究进展三、阶段性产出三、阶段性产出总体总体目标目标分别揭示分别揭示磷、锌元素对高产作物地上群体与地下根系、根际及根层养分的互作机制,建立协磷、锌元素对高产作物地上群体与地下根系、根际及根层养分的互作机制,建立协同实现作同实现作物高产、高效、优质、可持续的物高产、高效、优质、可持续的根层养分调控理论与途径。根层养分调控理论与途径。五年五年预期目标预期目标1 1)阐明磷、锌营养对高产群体根系)阐明磷、锌营养对高产群体根系/根际动态过程的调控机制;根际动态过程的调控机制;2 2)揭示磷、锌元素支撑高产群体结构与功能的植株和器官水
2、平的养分需求特征;)揭示磷、锌元素支撑高产群体结构与功能的植株和器官水平的养分需求特征;3 3)建立协同实现作物高产高效优质的根层养分调控理论与途径;)建立协同实现作物高产高效优质的根层养分调控理论与途径;4 4)学术成果与人才培养:发表学术论文)学术成果与人才培养:发表学术论文5-85-8篇,其中篇,其中SCISCI收录论文收录论文4-64-6篇;培养博士生篇;培养博士生2-32-3名,名,硕士生硕士生1-21-2名。名。子课题子课题预期目标预期目标关键科学关键科学问题:问题:高密度高产群体下的地上地下互作机制与调控高密度高产群体下的地上地下互作机制与调控途径途径群体发育群体发育茎蘖发育茎蘖
3、发育土壤有效磷土壤有效磷光合速率光合速率叶面积叶面积光合速率光合速率叶面积指数叶面积指数根际过程根际过程磷、锌在调控地上磷、锌在调控地上群体与地下群体与地下根系根系/根际过程根际过程/根根层层养分的作养分的作用及长期效应?用及长期效应?长期过量施用磷肥对作物锌营长期过量施用磷肥对作物锌营养的影响机制?养的影响机制?集约化生产条件下如何合理施集约化生产条件下如何合理施用锌肥提高作物产量、品质?用锌肥提高作物产量、品质?籽粒品质籽粒品质肥料效率肥料效率研究思路研究思路再转移再转移(茎叶(茎叶-籽粒)籽粒)吸附吸附(土壤)(土壤)l磷对锌的固定l锌形态的转化吸收吸收(根系)(根系)l磷对根系形态影响
4、l磷对菌根真菌作用l有机酸分泌活化根际锌转移转移(根(根-地上)地上)l磷对锌转移效率的影响l磷对锌再转移数量影响l锌的再转移效率锌的有效性锌的有效性(籽粒)(籽粒)l籽粒和面粉锌浓度l籽粒和面粉植酸浓度调控群体调控群体(结构、功能)(结构、功能)根根层磷素层磷素(土壤)(土壤)吸收吸收(根系)(根系)l磷对根系形态影响l磷对根际过程影响l磷对根系基因表达影响植株磷营养植株磷营养(植株)(植株)l磷对植株磷营养调控l磷对群体数量动态调控l磷对个体发育的调控产量产量(三要素)(三要素)l调控生物量l土壤有效磷 磷素协同调控磷素协同调控实现高产高效实现高产高效外源施锌外源施锌提质增效提质增效根系与
5、锌的匹配根系与锌的匹配(土壤)(土壤)l土壤DTPA-Znl土壤锌形态吸收吸收(根系)(根系)l锌对根系形态影响l根际锌吸收产量与品质的产量与品质的协同协同(籽粒籽粒)l产量、生物量l籽粒和面粉锌浓度籽粒籽粒锌营养锌营养(目标值目标值)l植株锌营养调控磷锌拮抗磷锌拮抗作用机制作用机制加剧磷矿资源耗竭加剧磷矿资源耗竭(Cordell et al.,2009)(Conley et al.,Science,2009)水体富营养化水体富营养化研究背景研究背景磷肥的不合理施用导致诸多问题磷肥的不合理施用导致诸多问题人体缺锌分布人体缺锌分布图图加剧锌营养缺乏加剧锌营养缺乏Efficient product
6、ionEnvironmentSustainabilityFood QualityAppropriate Phosphorus Management?降低肥料利用率降低肥料利用率华北地区华北地区农田农田土壤有效磷平均达土壤有效磷平均达约约34 mg kg-1。(许世杰,2018)36.88 N 115.02 EEvery plot has 75 m2.CropGenotypesP supply treatments(kg P/ha)2008-20092009-Winter wheatLX99P0:0 P1:12.5P2:25 P3:50P4:75 P5:100P0:0 P1:25P2:50 P3
7、:100 P4:200 P5:400Summer maizeZD958P0:0 P1:6.25P2:12.5 P3:25P4:37.5 P5:50P0:0 P1:12.5P2:25 P3:50P4:100 P5:200 磷水平定位试验(磷水平定位试验(2009-20182009-2018)试验时间:试验时间:2008小麦季小麦季作物作物体系:冬小麦体系:冬小麦-夏玉米夏玉米轮作轮作试验设计:试验设计:036912152009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Grain yield of wheat(Mg ha-1)YearP0P1P2P
8、3P4P50481216202009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Grain yield of maize(Mg ha-1)Year冬小麦冬小麦-夏玉米轮作体系十年长期定位磷试验夏玉米轮作体系十年长期定位磷试验在河北曲周定位试验中,P2(冬小麦50 kg/ha;夏玉米25 kg/ha)处理冬小麦2014-2018年产量稳定在8.0 t/ha,夏玉米自2012-2018年产量稳定在11.0 t/ha。1 1、优化磷管理条件下小麦、玉米产量随年限的稳定性变化、优化磷管理条件下小麦、玉米产量随年限的稳定性变化LSD0.0589 t/ha1
9、1 t/haCultivarAccumulated amountsP treatmentsP0P1P2P3P4P5WheatAccumulated grain biomass,Mg/ha30.547.553.456.258.260.3Total P applied,kg P/ha021242585016753300Total P output,kg P/ha87158194223235249P balance,kg/ha-875423162714403051PFPp,kg/kg 224126663518AEp,kg/kg80.253.930.216.59.0REp,(%)33.525.216.
10、08.84.9MaizeAccumulated grain biomass,Mg/ha62.369.372.673.371.674.2Total P applied,kg P/ha01072134258381650Total P output,kg P/ha162206245265264275P balance,kg/ha-162-99-321605741375PFPp,kg/kg6483411728545AEp,kg/kg 65.448.425.911.17.2REp,(%)40.938.824.312.16.8Wheat-MaizeAccumulated grain biomass,Mg/
11、ha92.8116.8126129.5129.76134.5Total P applied,kg P/ha0319638127525134950Total P output,kg P/ha249364439488499524P balance,kg/ha-249-4519978720144426P surplus rate,kg P ha-1 year-1-25-4.520 79201 443PFPp,kg/kg 3661971025227AEp,kg/kg 75.252.028.814.78.4REp,(%)36.029.718.89.95.5优化施磷条件下,冬小麦优化施磷条件下,冬小麦-夏
12、玉米轮作体系十年试验中磷肥累积回收利用率为夏玉米轮作体系十年试验中磷肥累积回收利用率为 30%;维持年际磷盈余20 kg ha-1。2 2、确定优化磷管理条件下小麦、确定优化磷管理条件下小麦-玉米体系节肥增效的长期效应玉米体系节肥增效的长期效应0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 Grain yield(t ha-1)Soil Olsen-P concentration (mg kg-1)0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 Grain yield(t ha-1)Soil Olsen-P concentration (mg kg-1)(12.8,
13、8.0)(9.6,10.3)十年定位试验证明,冬小麦收获期土壤建立13 mg/kg有效磷即可实现产量平台,夏玉米收获期土壤建立10 mg/kg有效磷可实现产量平台。3 3、明确长期根层磷素供应与小麦、玉米产量的关系、明确长期根层磷素供应与小麦、玉米产量的关系(Zhang et al.,2016,Field Crop Res.)(一一)根层磷素供应对的小麦、玉米根层磷素供应对的小麦、玉米根际根际过程过程的的调控调控cbaaaa051015202502550100 200 400Root length(km m-3)cbaaaa0510152002550100 200 400Root area(m
14、2 m3)cbaaaa0200400600800100002550100200400Root volume(cm3 m-3)cbabaaa0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 02550100 200 400Root biomass(t ha-1)b ab a aaa0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 012.5 2550100 200Root biomass(t ha-1)c bc ab ab a a 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 012.52550100 200Root length(km m-3)babaaaa0.0 1.0 2.0
15、 3.0 4.0 5.0 6.0 012.52550100200Root area(m2 m-3)dcbcaaab0 200 400 600 800 1,000 012.52550100 200Root volume(cm3 m-3)WheatMaize1.1.根系形态对磷肥供应的响应根系形态对磷肥供应的响应(Zhang et al.,2016,Field Crop Res.;Teng et al.,2013,J Exp Bot.;Deng,2014,Plos One)冬小麦冬小麦开花期开花期2.2.根际过程对磷肥供应的响应根际过程对磷肥供应的响应发掘小麦发掘小麦、玉米玉米根系根系生物学生物学
16、潜力的潜力的土壤有效磷为土壤有效磷为20、15mg/kg三叶期三叶期越冬期越冬期拔节期拔节期开花期开花期成熟期成熟期群体群体发育发育4550万穗万穗/亩亩 (9t)关键关键1 1:改善冬前有效茎蘖;:改善冬前有效茎蘖;控制拔节无效分蘖控制拔节无效分蘖关键关键2 2:保证成穗个体的质量:保证成穗个体的质量控制控制争取争取根层磷素调控根层磷素调控冬小麦分蘖发育冬小麦分蘖发育与退化的理论模型与退化的理论模型(二)(二)磷肥对冬小麦地上部群体发育的调控磷肥对冬小麦地上部群体发育的调控04008001200160020000 50 100 150 200 250 Stem number(m-2)Days
17、 after sowing(d)P0P25P50P100P200P4002015-20172015-2017p 适量供磷可以保证小麦充足的有效穗数,而过量供磷不能继续增加穗数且增加适量供磷可以保证小麦充足的有效穗数,而过量供磷不能继续增加穗数且增加无效分蘖数量。无效分蘖数量。明确了根层磷素供应对冬小麦群体动态发育的调控机制明确了根层磷素供应对冬小麦群体动态发育的调控机制P0P0:5 59 9万万/亩亩P50P50:8989万万/亩亩P400P400:102102万万/亩亩拔节群体拔节群体P0P0:3232万万/亩亩P50P50:5555万万/亩亩P400P400:5858万万/亩亩有效穗:有效
18、穗:0 200 400 600 800 1,000 1,200 0 1 2 3 4 Stem number(m-2)Shoot P concentration (g kg-1)Shoot:2.4 g/kg保证保证0 1 2 3 4 5 P concentration(g kg-1)第一分蘖第一分蘖Tiller1:3.4 g/kg0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 1 2 3 4 5 Dry weight(g tiller-1)P concentration(g kg-1)主茎主茎Main stem:2.0 g/kg地上部植株磷浓度调控群体数量和个体发育地上部植株磷浓度调控群体数
19、量和个体发育0 400 800 1,200 1,600 2,000 2,400 Stem number(m-2)Shoot:2.8 g/kg控制控制0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Dry weight(g tiller-1)P0P25P50主茎主茎Main stem:2.4 g/kg第一分蘖第一分蘖Tiller 1:3.7g/kg拔节期拔节期开花期开花期0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 80 100 Photosynthetic rate(mol CO2 m-2 s-1)Olsen-P concentration(mg kg-1)201520162017M
20、ax:(15.8,28.3)Opt.:(7.4,25.6)0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 0 20 40 60 80 100 Leaf area index(m2 m-2)Olsen-P concentration(mg kg-1)20152016Max:(16.2,4.4)Opt.:(9.4,3.0)土壤土壤Olsen-P:7.4 ppm植株磷:植株磷:1.6 g/kgPn:25.6 mol CO2 m-2 s-1土壤土壤Olsen-P:9.4 ppm植株磷:植株磷:1.8 g/kgLAI:3.0 m2 m-2生物量:生物量:8.7 Mg/ha产量:产量:8.3 Mg/ha根根层磷素
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