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1、作物高产高效的地上地下互作机制与调控途径,2019,08,06,提 纲,一、研究目标与方案二、主要研究进展三、研究成果,总体目标明确高产高效作物群体理想的根系构型与根际过程，揭示高产作物地上群体与地下根系、根际及根层养分水分的互作机制及其调控途径，协同实现作物高产与养分水分资源高效。五年预期目标1）阐明高产群体的理想根系/根际动态过程及其调控机制；2）揭示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）明确根层养分水分对高产群体结构和功能的支撑作用，建立高产高效的根层养分水分调控途径；4）评价根层养分水分调控的资源环境效应和可持续性；5）发表论文40篇，其中SCI 20-25篇，培养
2、博士研究生8-10人，硕士研究生10-12人。,课题预期目标,关键科学问题：高密度高产群体下的地上地下互作机制与调控途径,前期群体根系构型的快速建成和根层养分水分调控,中期群体根系构型与功能（养分高效的根际过程）的协调和根层养分水分调控,后期群体根系的延衰和根层养分水分调控, 地上群体与地下根系/根际过程及根层养分水分的相互作用：地上群体对根系和根际过程的影响；根层养分水分对根系及地上群体的调控。 不同生育阶段地上地下互作的动态调控。,研究思路,高密度高产群体下,分蘖成穗作物（小麦）单株成穗作物（玉米）,课题共性试验,8个根层养分调控的定位试验,氮试验,磷试验,锌试验,河北曲周小麦-玉米轮作体
3、系：氮试验、磷试验、锌试验吉林梨树春玉米体系：3个氮试验（黑土、风沙土、冲积土）陕西长武覆膜旱作春玉米：氮试验陕西长武旱作冬小麦：氮试验,项目共性试验(4+X),4个“4+X”定位试验,河北曲周小麦-玉米轮作体系陕西长武覆膜旱作春玉米陕西长武旱作冬小麦吉林梨树春玉米体系,其他辅助试验,吉林梨树：增密（根系）、水肥一体化、基因型调控等试验河北曲周：品种、控释肥料、土壤条件调控等试验陕西（宁夏、甘肃）：控释肥调控试验、盆栽模拟试验等,米国华：增密种植下玉米根系构型的反应特征及根际调控邹春琴、陈秀秀：作物磷、锌营养调控机制与途径李世清、岳善超：覆膜旱作春玉米高产高效的地上地下互作机制与调控途径邓西平
4、、王仕稳：旱地小麦根层养分水分对高产群体的支撑作用与调控途径,专题报告,提 纲,一、研究目标与方案二、主要研究进展三、科研产出,一、明确了小麦、玉米密植高产条件下长期根层氮素调控的农学、资源与环境效应,曲周定位试验根层氮素调控处理冬小麦10年结果,高产群体设计,本课题组在河北曲周定位试验中，通过根层氮素调控研究，2012-2017六年冬小麦平均产量9.0t/ha，平均施氮量161 kg/ha，相对于农民传统处理在不降低产量的前提下节氮46%，氮素表观平衡-6.5 kg/ha，协同实现了长期的高产高效。,(一)冬小麦-夏玉米轮作体系十年长期定位氮试验农学效应,（Zhang et al., In
5、preparation）,曲周定位试验根层氮素调控处理夏玉米10年结果,通过根层氮素调控技术，2012-2017六年夏玉米平均产量11.5t/ha，平均施氮量171 kg/ha，相对于农民传统处理在不降低产量的前提下节氮32%，氮素表观平衡27kg/ha，远低于传统农民处理的110kg/ha，协同实现了长期的高产高效。,高产群体设计,（Zhang et al., In preparation）,当季氮肥回收利用率,长期迭加表观氮肥回收利用率,基于根层氮素实时监控的优化氮管理，无论在当季还是长期迭加都具有很高的表观氮肥回收利用率。,48%,91%,(二) 长期根层氮素调控的资源利用效应,（Zha
6、ng et al., In preparation）,70%,10年优化施氮后，0-30cm土壤的SOC库增加23%，SON库增加了8%不施氮处理10年后，0-90cm土壤的SOC and SON库分别降低8%和 9%过量施氮不能继续增加土壤有机碳、氮库,（Zhang et al., In preparation）,(三)根层氮素调控的土壤可持续性,Opt. N处理中，环境氮与氮损失基本持平，氮盈余来源于肥料与籽粒氮的差异。Opt. N处理中，70%的氮盈余转化为土壤有机氮库。过量施氮不能继续增加土壤有机氮库，反而大大增加了硝酸盐淋洗风险。,(四)根层氮素调控的环境效应-氮平衡与土壤氮库变化,
7、不施氮,优化施氮,过量施氮,（Zhang et al., In preparation）,根层氮素调控冬小麦-夏玉米轮作体系，单位面积与单位籽粒的GHG排放为5887 kg CO2 eq ha-1和317kg CO2 eq Mg-1, 相对农民传统处理均降低34%根层氮素调控的土壤碳固持在提升了土壤基础生产力的同时减缓了16%的GHG排放。,根层氮素调控的环境效应-全球增温潜势,（Zhang et al., In preparation）,小结：长期优化氮管理实现高产高效、减排增效、环境友好,对比农民传统处理、优化氮管理小麦、玉米生产在稳产的同时，10年来平均每年：,负面影响,减氮：40%减少
8、氮损失：31%减少温室气体排放：34%,正面影响,提高NUE：81%提高收益：20%增加SOC库：14%,（Zhang et al., In preparation）,我国四大玉米主产区8-10年定位试验中的氮肥优化用量及其产量反应,二、揭示了密植高产条件下地上群体与地下根层氮素供应的定量化匹配机制，实现高产高效,基于田间实测数据定量七大亚区的小麦产量潜力,我国小麦产量潜力为9.0 t ha-1，其中华北灌溉区最高，平均为10.2 t ha-1，华北雨养区为9.5 t ha-1。,小麦的产量潜力与产量差,Liu et al., 2016, Agronomy Journal,基于GYGA-ED定
9、量华北平原灌溉小麦的产量潜力和产量差,yield potential,yield gap,华北灌溉区的小麦产量潜力平均值为11.5 t ha-1，产量差为5.5 t ha-1，农户产量实现了产量潜力的52%；,Liu et al., In preparation,相对于西欧，黄淮海平原冬小麦中后期温度高、灌浆时间短，千粒重难以提高。要想实现同等高产水平（9 t/ha以上），需要构建更大的群体，因此调控的难度更大。,黄淮海与西欧9 t/ha冬小麦的比较分析,根层氮素调控冬小麦分蘖发育与退化的理论模型,调控目标：主茎成穗第一分蘖成穗其它分蘖退化,群体数量受植株氮浓度的正向调控，拔节期与扬花期当植株
10、氮浓度达到2.81%和1.95%时，群体数量达到最优，同时Nmin要满足93 kg ha-1和120 kg ha-1 。,（Zhang et al., Crop Science, under review）,揭示了根层氮素调控高产冬小麦群体发育的机制-群体水平,返青,揭示了氮素调控高产冬小麦个体发育的机制-分蘖水平;,拔节和扬花期，当个体茎蘖的氮浓度维持在2.72%和1.53%时，既能保证主茎和第一分蘖的最大生物量，又能抑制无效分蘖的发育。,（Zhang et al., Crop Science, under review）,拔节,扬花,亩穗数 50-55万, 产量9.0 t/ha,播期 10
11、.7播量 27-30斤/亩冬前群体 80万,根层营养,群体营养,群体结构与功能,群体结构：拔节期：主茎0.70 g，第一分蘖0.47 g；LAI 5.4扬花期：主茎1.90 g，第一分蘖1.07 g；LAI 5.3群体功能-光合速率 （Pn）：拔节期：26.0 molCO2m-2s-1扬花期：30.0 molCO2m-2s-1,群体结构临界氮浓度（拔节期）：拔节期：主茎 2.42 %，第一分蘖 2.72%，LAI 2.55%扬花期：主茎 1.62 %，第一分蘖 1.53%，LAI 2.00%群体功能（Pn）临界氮浓度：拔节期： 2.40% 扬花期: 1.83%,根层氮素调控：拔节期根层(0-6
12、0cm)土壤无机氮：93 kg/ha扬花期根层(0-90cm)土壤无机氮： 120kg/ha,施氮160 kg/ha,小结：揭示了群体水平上地上-地下互作的定量机制,根层氮素-群体结构与功能,群体结构：拔节期：主茎0.56 g，第一分蘖0.40 g；扬花期：主茎1.60 g，第一分蘖1.20 g；LAI 3.0群体功能-光合速率 （Pn）：扬花期：25.6 molCO2m-2s-1,群体结构临界磷浓度：拔节期：主茎 2.4 g/kg, 第一分蘖 3.7 g/kg ；扬花期：主茎 2.0 g/kg, 第一分蘖 3.4 g/kg; LAI 1.8 g/kg群体功能（Pn）临界磷浓度：扬花期: 1.
13、6 g/kg,根层磷素调控：拔节期根层(0-20cm)土壤有效磷: 16 mg/kg扬花期根层(0-20cm)土壤有效磷: 17.5 mg/kg,施磷 50 kg/ha,根层磷素-群体结构与功能,三、阐明了水分限制条件下黄土高原旱地小麦与覆膜春玉米地上-地下定量化互作机制，建立了调控途径，实现高产和水分养分高效,气候因子限制,高产高效群体,如何实现对水分利用的时空调控？如何通过群体调控实现水分转化效率效率提高（提高蒸腾比例）？,产量 6000公斤/公顷，群体达到500万以上，PFPN 40kg/kg, 收获2米土壤残留有效水15kg/mm,高产群体目标,旱地小麦高产高效的关键科学问题,9%,8
14、%,24%,18%,22%,17%,通过改善土壤，高产高效群体增产24%、增加WUE23%生育期内总的耗水量没有增加，降低了前期耗水量，增加了后期耗水量,高产高效处理实现产量和水分利用效率协同提高,FP: 农民传统模式; HN: 高氮模式; HEM: 高产高效(有机肥); HEB：高产高效(生物炭),覆膜的增产机理？覆膜对春玉米根系及根冠关系的调控作用？覆膜体系农学、资源和环境效应评价？,1,通过覆盖等措施，减少E,Yield = ET x T/ET x 1/TR x HIET = E + T,Stewart and Peterson(2015,2018),基于模型优化群体，增加T，增加HI，
15、,2,研究思路,关注的问题,旱地春玉米高产高效的关键科学问题,9.0,45%,HY的PFP均值为69 kg kg-1; 美国高产玉米的PFP 最高纪录是73 kg kg-1 （Grassini and Cassman, 2012, PNAS）,以旱作春玉米为突破口，量化并成功构建了耦合光热资源-作物群体-土壤水肥资源的高产高效技术体系，大幅度提高了作物产量、氮肥利用效率和水分利用效率，实现了增产增效的技术突破。,覆膜处理WP提高 39%；如果在覆膜基础上进一步增加密度，WP进一步提高12%，而耗水量无显著增加。,四、阐明高产群体的理想根系/根际动态过程及其调控机制,提出了玉米高产与养分水分高效
16、利用的理想根构型,种子根根系分布较浅利于养分吸收（尤其是P）,(Mi et al., 2016. Advance in Agronomy),节根数量：适中，减少碳消耗浅层节根：5-7节平展延伸，侧根长而密吸收磷及难移动养分深层节根：1-4节根系下扎，侧根长。高效吸水及硝酸盐,明确了增密条件下玉米根系的适应性反应特征,a. 减少节根数，节根长度相对稳定b. 抑制侧根生长c. 调整根系构型，株间紧缩，行间延伸d. 根冠比降低,(Shao et al., 2018, Plant Soil),(Wang et al., 2018, JIA; Wang et al., 2019, JXB),探索了增密高
17、产的根际调控：铵硝混合供应促进玉米生长 促进氮素吸收，促进叶片生长素合成途径，促进叶片扩展， 优化三大关系(地上/地下关系，碳/氮关系，源/库关系),养分转运蛋白基因表达,15N吸收速率,五、探究了品种与根层养分互作在进一步实现高产优质高效的作用,玉米的产量潜力和产量差,NCP玉米的产量潜力和水限制条件下的产量潜力分别为13.3和11.1 t ha-1; 产量差分别为5.2和3.4 t ha-1; 农户产量分别实现了产量潜力的61%和69%。,注释：Yp-产量潜力，Yw-水限制条件下产量潜力,(Liu et al., 2017, Agricultural and Forest Meteorol
18、ogy),品种与氮管理互作进一步提高产量和籽粒蛋白质含量,提高10%,PY: 13.3 Mg/ha DH618=12.2Mg/ha =92% PY(Liu et al., 2017),GPC in new era hybrids: 7.5%DH618=8.7%(Ciampitti et al., 2012),（Zhang et al., Field Crops Research, major revision）,花后氮吸收与花前氮转移及其对籽粒氮的贡献率,DH618在保证较高花前氮再转移效率的基础上，具有较高的花后氮素吸收能力，高的籽粒氮浓度更高的依赖于花后氮素吸收的贡献。,优化氮肥管理下三个
19、品种花后叶片和茎杆氮浓度变化情况,DH618高的花后叶片氮浓度保证了花后生物量的累积和氮素吸收，同时低茎杆氮浓度表明氮素再转移更多来自于茎杆的再转移，促成了高的NHI,保证了更多的氮分配到籽粒中。,（Zhang et al., Field Crops Research, major revision）,DH618高产：12.2t/ha高籽粒蛋白质含量：8.7%,协同实现,小结：适宜品种DH618结合优化根层氮管理同步实现高产与高籽粒蛋白质含量,提 纲,一、研究目标与方案二、主要研究进展三、科研产出,经费使用情况,发表论文：SCI论文46篇，其中IF5的6篇人才培养：博士后1人，博士17人，硕士
20、16人国际国内学术会议报告：32次,研究产出,Mi, G., Chen, F., Yuan, L., & Zhang, F. (2016). Ideotype root system architecture for maize to achieve high yield and resource use efficiency in intensive cropping systems. Advances in Agronomy.Meng, Q., Cui, Z., Yang, H., Zhang, F., & Chen, X. (2017). Establishing high-yieldi
21、ng maize system for sustainable intensification in china. Advances in Agronomy.Zhang W., Xue Y., Chen, X., & Zou C. (2019). Zinc nutrition for high productivity and human health in intensive wheat production. Advances in Agronomy.,代表性文章,Zhang, W., Cao, G., Li, X., Zhang, H., Wang C., Liu Q., Chen X.,. & Zhang, F. (2016). Closing yield gaps in china by empowering smallholder farmers. Nature.Cui, Z., Zhang, H., Chen, X., Zhang, C., Ma, W., Huang, C., Zhang, W., .& Zhang, F. (2018). Pursuing sustainable productivity with millions of smallholder farmers. Nature.,参与发表文章,
