本文關(guān)鍵詞：提高養(yǎng)分、水分吸收的根系形態(tài)和生理調(diào)控，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《西北農(nóng)林科技大學》 2015年

提高養(yǎng)分、水分吸收的根系形態(tài)和生理調(diào)控

占愛  

【摘要】：氮、磷是作物生長不可缺少的養(yǎng)分,是決定糧食作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要因素。近年來,為提高產(chǎn)量,緩解氮、磷不足,農(nóng)民往往過量施肥,導致養(yǎng)分吸收利用率降低,損失量增加,引起一系列環(huán)境問題。在干旱半干旱地區(qū),除了養(yǎng)分不足,水分也是限制產(chǎn)量的主要因素。水分不僅直接影響作物生長發(fā)育,還間接影響土壤中養(yǎng)分有效性,降低作物對養(yǎng)分的吸收利用。根系是植物從土壤中吸收養(yǎng)分和水分的主要器官。根系形態(tài)構(gòu)型具有很強的可塑性,易受土壤水分、養(yǎng)分的影響。同時根系形態(tài)構(gòu)型和生理功能的變化也改變根系對養(yǎng)分和水分的吸收。因此,本研究首先分析了當前高產(chǎn)條件下作物養(yǎng)分需求規(guī)律,并通過長期定位試驗探究了不同施肥對土壤養(yǎng)分和根系生長的影響。其次通過水、肥調(diào)控研究根系形態(tài)構(gòu)型變化對植株養(yǎng)分和水分的吸收利用的影響,以及選用特定根系構(gòu)型的基因型,研究根系構(gòu)型變化對養(yǎng)分和水分吸收利用以及地上部生長的影響。主要研究結(jié)果如下:(1)冬小麥磷素吸收量隨施磷量的增加而升高。過量施磷不能進一步增加產(chǎn)量或者籽粒中磷濃度,反而使磷累積在秸稈中。隨產(chǎn)量水平的升高,生產(chǎn)1 Mg冬小麥籽粒的磷素需求呈下降趨勢,這可能是由收獲指數(shù)增加及籽粒磷濃度稀釋效應所導致。適宜磷供應條件下,生物量和磷素累積在不同產(chǎn)量水平之間的最大差異發(fā)生在GS30到GS60這一階段,說明改善小麥生育前期管理措施也是保證高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。(2)受長期定位施肥的影響,與CK(不施肥)和NK(施氮、鉀肥)處理相比,土壤Olsen-P、全磷和Ca Cl2-P在處理NPK(施氮、磷和鉀肥)和MNPK(施氮、磷、鉀肥并配施有機肥)的土壤表層大量累積,并隨土壤剖面深度的增加逐漸降低。受土壤磷含量的影響,根系在土壤剖面中的分布也表現(xiàn)出在土壤表層大量分布,隨土壤深度逐漸降低。此外施磷以及配施有機肥處理均顯著促進土壤各層的根系生長,但是抑制AM菌根侵染率。植株吸磷量和地上部生長隨施磷量增加而顯著升高,但是植株地上部生物量在NPK和MNPK處理間差異不顯著,表明過量施磷并不能持續(xù)促進作物生長。(3)磷、水同時供應顯著促進根系生長,提高單位根長吸磷量、磷和水分利用效率,促進地上部生長。與上、下土層或左、右兩室同時供磷和供水相比,磷、水僅在深層或同在一室時對地上部生長沒有影響或影響很小,但顯著提高單位根長吸磷量、磷和水分利用效率。這些結(jié)果表明,在干旱條件下,與全層供磷、水相比,給2/3(土柱試驗)或者1/2根系(分根試驗)提供磷肥和水分,即能夠滿足植株磷素需求,保證植株正常生長,同時還能節(jié)省33%(土柱試驗)或50%(分根試驗)的磷肥和水分。(4)在兩個土壤水分條件下,當施磷量從0 mg kg-1增加到75 mg kg-1(水分充足)和100 mg kg-1(干旱脅迫)時,根長和根干重增加迅速,而根冠比、單位根重的根長以及Zm Pht1;1~Zm Pht1;4表達量則迅速降低。當施磷量高于75 mg kg-1(水分充足)和100 mg kg-1(干旱脅迫)時,根干重和根長維持在一個穩(wěn)定的高水平,根冠比、單位根重的根長以及Zm Pht1;1~Zm Pht1;4表達量則維持在一個穩(wěn)定的低水平。AM菌根對磷肥供應表現(xiàn)出先隨施磷量增加迅速升高,在施磷量為25 mg kg-1(水分充足)和50 mg kg-1(干旱脅迫)時達到最大,之后隨施磷量升高而降低,Zm Pht1;6對磷肥的響應趨勢與AM菌根相似。從根系形態(tài)到基因水平的研究結(jié)果表明,根系形態(tài)、AM菌根侵染和Pht1家族5個磷轉(zhuǎn)運子基因的表達在水分脅迫條件下對低磷脅迫更為敏感。因此,在相同施磷水平下,植株在水分脅迫條件下受到更強的低磷脅迫,從而需要投入更多的磷肥來滿足植株生長。(5)側(cè)根密度低但側(cè)根長(FL)的自交系比側(cè)根密度高但側(cè)根短(MS)的自交系更能適應低氮脅迫,主要表現(xiàn)為:根系呼吸降低、深層土壤分布更多的根系、較高的氮素吸收、光合速率和SPAD值、以及高的生物量和產(chǎn)量。溫室培養(yǎng)試驗(GH)結(jié)果表明,低氮條件下FL自交系的側(cè)根呼吸速率比MS自交系低67%。在賓夕法尼亞(RS)以及南非(SA)進行的田間試驗結(jié)果表明,與MS自交系相比,低氮條件下FL自交系在深層土壤有更多的根系,表現(xiàn)為FL自交系在RS和SA的D95值分別為57.9 cm和36.9 cm,而MS自交系的D95值分別是49.6 cm(RS)和30.8 cm(SA)。此外,低氮條件下,與MS自交系相比,FL自交系地上部相對生物量顯著增加75%(GH)、46%(RS)和41%(SA),同時產(chǎn)量增加31.5%(RS)。(6)水分脅迫(WS)條件下,側(cè)根密度低但側(cè)根長(FL)的自交系較側(cè)根密度高但側(cè)根短(MS)的自交系降低了單位根長呼吸速率,但在深層土壤有更多的根系,因而促進對深層土壤水分吸收,改善植株水分狀態(tài)、CO2交換速率和氣孔導度,最終提高生物量和產(chǎn)量。溫室試驗(GH)結(jié)果表明,與MS自交系相比,WS條件下FL自交系的單位根長呼吸速率和單位軸根長的側(cè)根呼吸速率分別降低46%和141%,增加根系在深層土壤中的分布(表現(xiàn)為D95在FL自交系中為118 cm,在MS自交系中為88 cm),葉片相對含水量升高(約8%),最終導致地上部生物量增加50%。在美國賓夕法尼亞(PA)和亞利桑那(AZ)進行的田間試驗結(jié)果表明,與MS自交系相比,WS條件下,FL自交系在深層土壤分布更多的根系,表現(xiàn)為D95在PA和AZ的FL自交系中分別為54 cm和55 cm,在MS自交系中分別為43 cm和45 cm,莖稈水δ18O值分別降低46%和44%,最終使地上部生物量增加51~67%。

【關(guān)鍵詞】：
【學位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q945
【目錄】：

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