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2017年  23卷  第6期

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中国农业科学院植物营养与肥料研究60年
白由路
2017, 23(6): 1409-1415. doi: 10.11674/zwyf.17474
摘要:
中国农业科学院植物营养与肥料研究经历了60年的发展历程。按照研究的重点,可大致可分为四个阶段,第一阶段为1980年之前的单一肥料肥效研究阶段,该阶段主要研究单一养分的肥料效应,为我国化学肥料工业发展提供了依据;第二个阶段是1980年至1990年,该阶段主要研究了氮磷钾营养元素的配合肥效与主要配合方式,为我国复合肥料的引进和发展提供了理论基础;第三阶段是1990年至2000年,该阶段主要进行平衡施肥技术研究,同时研究了中微量元素的肥料效应;2000年以后是第四阶段,该阶段可称为养分综合管理阶段,该阶段重点研究了精准施肥技术、测土配方施肥支撑技术、施肥与环境、新型肥料及节肥增效关键技术等,这些研究为保证我国粮食安全作出了重大贡献。
当前我国农业生产中的养分需求分析
李书田, 刘晓永, 何萍
2017, 23(6): 1416-1432. doi: 10.11674/zwyf.17393
摘要:
目的估算当前我国不同区域农业生产中的养分需求和化肥需求,对如何实现2020年化肥零增长以及零增长下如何进行养分资源的合理分配、科学管理和施用具有重要的指导意义和参考价值。方法本研究依据国家统计最新数据、研究结果和文献资料,以省级为单元,系统估算了农作物、林地、草地、水产养殖全面实现平衡施肥条件下对氮磷钾养分的需求量。在考虑有机肥养分有效还田基础上,分析当前化肥消费量与化肥需求量的差异。结果当前我国农业生产需要氮磷钾养分共8410万t,其中N 3746万t、P2O5 2024万t、K2O 2640万t,粮食作物、蔬菜/瓜果、果树和茶叶、油料作物、纤维作物、糖料作物、饲草/草地、水产养殖的养分需求分别占总需求的41.8%、20.8%、13.1%、5.1%、2.3%、2.1%、10.6%和2.2%。华北、长江中下游、西北、西南、东南、东北地区的养分需求分别占20.3%、23.2%、18.8%、16.8%、11.1%和9.8%,其中山东、河南和四川对养分的需求高于其他省份。当前全国化肥消费量为6023万t,其中N、P2O5、K2O分别为3001万t、1943万t和1079万t,东北、华北、长江中下游、东南、西南、西北地区的化肥消费量分别占全国化肥消费量的10.6%、27.7%、24.4%、11.5%、11.4%、14.2%。我国当前有机肥养分资源潜力为N 3200万t、P2O5 1440万t和K2O 3400万t,但还田的有效养分约为N 484万t、P2O5 411万t和K2O 1273万t。有机肥还田主要在河北、河南、山东、四川和湖南省,其次是广东、广西、云南,而西北、东北及东南沿海地区各省有机肥还田的有效养分量相对较少。化肥消费与需求差表明,全国氮肥和钾肥供应不足,分别亏缺约N 261万t和K2O 288万t,而磷肥投入过量约P2O5 330万t。但不同省份和区域间化肥供需具有较大差异,东北、华北、长江中下游或东南地区的一些省份如吉林、河北、河南、山东、安徽、江苏、湖北、广东省氮磷钾肥均过量,而西北和西南地区多数省份的化肥投入不足。结论粮食作物是养分需求的主体,其次是蔬菜和果树。在全面实现平衡施肥的情况下,氮、钾肥投入不足,磷肥投入过量。养分需求地区间差异明显,东北、华北、长江中下游和东南沿海地区需适当减少肥料消费,而西北和西南地区需要依据需求适量增加肥料的投入。
氮肥高效施用在低碳农业中的关键作用
熊正琴, 张晓旭
2017, 23(6): 1433-1440. doi: 10.11674/zwyf.17282
摘要:
低碳农业是我国集约化农业发展的必然趋势。深入理解氮肥高效施用是实现低碳农业的关键,可以更加明确如何集成优化农业管理措施增加产量、减少农田生态系统碳排放、提高土壤固碳效应,综合实现固碳、减排、增产的低碳农业发展目标。本文概述了低碳农业评价指标的三个阶段性研究特点,从田间温室气体排放的综合温室效应拓展为涵盖固碳效应的净温室效应,再拓展为涵盖生命周期评价碳排放的综合净温室效应以及兼顾作物产量的温室气体强度。提出了如何利用当季作物试验来估算农田生态系统净碳收支、结合生命周期评价当季作物综合净温室效应和单位产品温室气体强度的方法。按照现阶段低碳农业的评价指标,以我国稻–麦轮作生态系统集约化生产的低碳农业模式为案例,解析氮肥施用在低碳农业各组成包括作物产量、固碳效应、CH4和N2O排放、农业措施碳排放中的重要作用,明确氮肥高效施用在农田生态系统综合净温室效应和温室气体强度中的关键作用,从而实现低碳农业可持续发展。
农田土壤固碳与增产协同效应研究进展
徐明岗, 张旭博, 孙楠, 张文菊
2017, 23(6): 1441-1449. doi: 10.11674/zwyf.17340
摘要:
农田土壤固碳是提升土壤肥力、保障和实现农田持续稳定生产能力的关键所在。明确农田土壤固碳与作物增产的协同效应可为不同区域土壤培肥、维持和提升作物产量提供依据。农田土壤固碳明显受到气候、土壤属性、管理措施 (尤其是施肥和耕作)、轮作制度等因素的影响,且与农田作物产量密切相关,二者具有明显的协同效应。农田土壤有机碳与作物增产协同效应存在一定的阈值,且该阈值具有一定的区域差异。东北地区土壤有机碳阈值约为C 44~46 t/hm2,西北和华北地区约为C 22~28 t/hm2,南方地区约为C 33~37 t/hm2。经验方程和模型模拟结果表明,在不同区域,农田土壤每固定C 1.0 t/(hm2·a)有机碳,粮食作物产量可平均提升约0.7 t/hm2,但该响应值在各地区明显受到相应的环境及农田管理措施等因素的影响。深入理解农田固碳过程及其与作物生产力协同作用的机理,是指导不同区域合理培肥、提高土壤肥力、提高养分资源利用效率的关键举措。未来的研究方向和重点是明确不同区域农田土壤可实现的固碳潜力,进一步揭示集约化种植下农田土壤有机碳的固存机制,关注深层土壤有机碳固定对作物增产潜力的影响及贡献,并深入分析表征环境、人为因素等对农田土壤固碳增产协同效应的影响机制及调控原理。
中国绿肥科研60年回顾与未来展望
曹卫东, 包兴国, 徐昌旭, 聂军, 高亚军, 耿明建
2017, 23(6): 1450-1461. doi: 10.11674/zwyf.17291
摘要:
本文梳理了建国后我国绿肥生产与科研的发展历程,回顾了各时期的主要工作和成就,提出了绿肥行业未来发展建议。上世纪50年代中后期至今的60年里,我国绿肥生产和研究经历了繁荣、萧条、恢复三大时期。二十世纪50~80年代初的近30年是生产繁荣、科研经验累积时期。科学家对大量历史经验和科学成果进行了总结提升,提出了“以磷增氮”、“磷肥治标,绿肥治本”、“起爆效应”等经验、技术和理论;组建了全国绿肥试验网。绿肥生产于二十世纪70年代达到最高峰,面积最高年份约1300万公顷。二十世纪80年代至本世纪初的20多年里绿肥生产萧条,绿肥面积下降至约200万公顷。绿肥科研方面,全国绿肥试验网组织了全国性协作研究,推动了绿肥学科的系统进步;90年代,着眼提升综合经济效益开展工作,积极寻找绿肥发展途径,为我国的绿肥事业积累了许多经验和资源;研究制订了中国绿肥区划,整理鉴定了一批绿肥资源,选育出一批丰产性能好的绿肥新品种,评选出具有综合效益的绿肥种植利用模式,明确了绿肥提高土壤有机质的效果及其作用条件,出版了一批具有重要价值的绿肥文献。2007年以来,绿肥生产回升,科研快速恢复。国家和部分省份实施了绿肥补贴试点,绿肥科研专项“十一五”、“十二五”期间连续实施,国家绿肥产业技术体系获准建设。通过绿肥科研专项的实施,绿肥种质资源条件进一步完善,绿肥轻简化生产水平大大提升,一批生产新方式、新技术被研发运用,基于绿肥的高产稳产及清洁生产技术体系广泛推广。证明了绿肥在有效促进作物养分供给、保障作物稳产高产、全面改善土壤物理、化学、生物性状以及减少温室气体排放等方面的作用。60年的实践证明,绿肥是农作物生产的重要物质基础,是绿色农业的有效技术支撑。“绿水青山就是金山银山”的发展理念将主导今后农业生产。未来,绿肥科研要围绕种质资源利用与创新、轻简化高效生产、绿色生产模式构建、绿肥供肥与培肥技术及机制、绿肥产业增值增效路径、宏观战略及产业经济等绿肥产业的全链条,研发关键技术,解决生产难题,夯实理论基础,努力形成适应新形势的绿肥生产技术与理论体系。
我国有机肥料资源及利用
牛新胜, 巨晓棠
2017, 23(6): 1462-1479. doi: 10.11674/zwyf.17430
摘要:
本文对近30多年来我国有机肥料资源与利用资料进行了统计概算,分析了我国有机肥料基础资源量估算结果不一致的原因。统计结果表明,当前我国有机肥料基础资源每年约57亿t实物量,其中畜禽粪尿约38亿t (鲜),人粪尿约8亿t (鲜),秸秆约10亿t (风干),绿肥约1亿t (鲜),饼肥约0.2亿t (风干)。折合N约3000万t、P2O5约1300万t和K2O约3000万t,N+P2O5+K2O养分总量约7300万t。然而,我国有机肥料资源利用率较低,主要原因包括社会、经济、政策、技术及推广等多方面。有机肥料资源收集、贮存和加工过程中养分损失严重,不仅导致其利用率低,也成为农业源环境污染的根源。发展种养结合循环农业,加强有机肥料资源收集、加工和施用各个环节的技术开发和相关设施的标准化建设是目前解决其利用问题的关键。坚持政府补助的优惠鼓励政策,推行市场主体参与运行管理,建立有机肥料资源收集、加工和利用的完整产业与利益链条是有机肥料资源化高效利用的社会、经济和政策保障。
我国蔬菜化肥减施潜力与科学施用对策
黄绍文, 唐继伟, 李春花, 张怀志, 袁硕
2017, 23(6): 1480-1493. doi: 10.11674/zwyf.17366
摘要:
本文基于国家大宗蔬菜产业技术体系养分管理岗位团队“十一五”和“十二五”计划对全国蔬菜的试验和调查结果(共1227个农户地块,其中578个设施蔬菜地块,649个露地蔬菜地块),细致分析了我国蔬菜化肥和有机肥使用本底及施肥中存在的主要问题。分析结果表明,1) 我国蔬菜化肥养分 (N + P2O5 + K2O) 用量平均为1092.0 kg/hm2,是全国农作物化肥养分用量 (328.5 kg/hm2) 的3.3倍,其中设施和露地蔬菜化肥养分用量平均分别为1354.5和 859.5 kg/hm2,分别是全国农作物化肥养分用量的4.1和2.6倍。2) 我国蔬菜肥料 (化肥 + 有机肥) 中氮、磷和钾各自总用量普遍超量,主要设施蔬菜N、P2O5和K2O施用总量平均分别是各自推荐量的1.9、5.4和1.6倍,主要露地蔬菜N、P2O5和K2O施用总量平均分别是各自推荐量的2.7、5.9和1.5倍,区域间蔬菜肥料养分用量不均衡现象突出,蔬菜种类间肥料养分用量差异大。3) 有机肥和基施化肥中的N、P2O5、K2O比例不合理,P2O5占比明显过高。设施栽培蔬菜总养分投入、有机肥养分和基施化肥养分N∶P2O5∶K2O分别为1.00∶0.85∶0.94、1.00∶1.10∶0.88和1.00∶0.95∶1.09;露地蔬菜三者比例平均分别为1.00∶0.63∶0.56、1.00∶1.01∶0.84和1.00∶0.90∶0.67。4) 基肥化肥养分用量比例普遍过高,设施和露地蔬菜平均分别达到45.7%和51.0%,其中华北、华东、华中和西南地区设施蔬菜基肥化肥养分比例平均在45.5%~68.7%之间,华中地区露地蔬菜基肥化肥养分比例平均高达63.0%。5) 按合理施肥条件下设施蔬菜有机肥替代化肥45%、露地蔬菜有机肥替代化肥35%的比例估算,主要设施蔬菜化肥养分减施潜力平均在34.8%~67.1%之间,主要露地蔬菜化肥养分减施潜力在41.9%~76.8%之间。我国主要菜区今后在减少N、P2O5、K2O投入总量的同时,应高度重视协调N、P2O5、K2O比例以及化肥的基追肥比例,改进磷肥使用策略,并制订化肥精准减量、有机肥替代化肥、施用专用新型化肥、推广水肥一体化技术等技术对策。
中国冬油菜产业氮肥减施增效潜力分析
张智, 丛日环, 鲁剑巍
2017, 23(6): 1494-1504. doi: 10.11674/zwyf.17083
摘要:
目的在“化肥零增长”的背景下评估冬油菜氮肥减施潜力,为我国油菜产业高产高效的协同发展提供科学依据。方法本研究通过分析统计数据 (2005~2014年)、文献数据 (2000年至今) 以及油菜施肥 (2005~2015年) 和调查数据 (2009~2011年),定量研究了国内外油菜产量与氮肥偏生产力的差距,明确了我国冬油菜各主产省份氮肥推荐水平较农户水平的节氮空间,同时利用QUEFTS模型探讨了未来不同情景模式下我国冬油菜的节氮潜力。结果统计数据显示,近十年我国油菜产量接近于世界平均水平(1800 kg/hm2),冬油菜产量集中在1500~2100 kg/hm2,但远低于发达国家,且年均产量增幅较低。调查数据显示,国内农户水平施氮量普遍偏高,平均为188 kg/hm2,结合我国冬油菜种植面积 (6238×103 hm2) 和推荐水平施氮量 (平均162 kg/hm2),全国冬油菜氮素投入量可节省16.0×104 t,可节氮的主要省份为湖南、江苏、湖北、四川。其中,湖南、江苏节氮主要由于单位面积节氮空间较大,湖北和四川则因种植面积大而获得较大的节氮空间。分别以不施氮处理油菜吸氮 (N) 量 30、50、70 kg/hm2 (相当于油菜产量约为500、1000、1500 kg/hm2) 划分为低、中、高三个土壤供氮水平。在农户氮肥偏生产力水平 (PFPN,10.9 kg/kg) 的基础上,设置推荐水平为情景Ⅰ,PFPN依次增加5个单位分别为情景Ⅱ (国外一般水平)、情景Ⅲ (国外中等水平)、情景Ⅳ (国外较高水平),分析不同情景的冬油菜节氮潜力。结果显示,在低供氮条件下,当目标产量超过2500 kg/hm2时,至少达到情景Ⅱ (国外一般水平) 时才有节氮空间;而在中、高等供氮条件下,达到不同目标产量时均有一定的节氮空间。结论依据土壤基础供氮能力和油菜目标产量进行氮肥管理,并结合其他农艺管理措施,是实现油菜高产、氮肥减施增效的重要途径。
杂交稻高产高效施氮研究进展与展望
任万军
2017, 23(6): 1505-1513. doi: 10.11674/zwyf.17284
摘要:
目的在杂交稻育种工作不断取得突破的同时,杂交稻高产高效栽培技术也得到不断创新发展,确保了杂交稻品种高产潜力的发挥。本文总结了杂交稻氮素吸收利用特点和高产高效施氮技术的研究进展,以便在新形势下为杂交稻的生产提供技术支撑。主要进展杂交稻每生产100 kg籽粒约需氮1.4~2.0 kg,总体上低于常规稻,但因其生物量大、产量潜力高,单位种植面积的需氮量仍然高于常规稻。杂交稻的氮肥利用率高于常规稻,在精确定量施氮等栽培技术配合下高产品种的氮素当季利用率已达到40%~45%。与早期三系杂交稻品种相比,两系和超级杂交稻品种进一步提高了生物量和氮素吸收能力,稳定了氮素利用率,为高产奠定了营养基础。与常规稻相比,杂交稻叶片叶绿素含量高,颜色深绿,基于叶色与氮代谢的相关性,建立了叶绿素计法、光谱监测法和叶色差法等氮素营养诊断方法。为提高杂交稻产量和氮素利用效率,开发应用了缓控释肥、聚天门冬氨酸尿素等增效肥和添加硝化抑制剂等的新型高效肥料,建立了以“实时实地氮肥管理理论”和“氮肥后移”为核心的不同生育时期氮肥运筹比例和施肥方法,其中精确定量施氮、“三定”栽培施氮、规律性适期施氮等氮肥管理技术更能适应大面积生产需要,也开发了氮肥与其他肥料的配施技术。展望在强化以提高氮肥利用率为核心的减施增效管理技术研究和氮肥施用的机械化技术开发的同时,加强氮高效杂交稻品种的“因种施氮”和新型肥料的“因肥施技”研究,是杂交稻高产高效施氮技术的发展方向。
大数据时代精准施肥模式实现路径及其技术和方法研究展望
何山, 孙媛媛, 沈掌泉, 王珂
2017, 23(6): 1514-1524. doi: 10.11674/zwyf.17317
摘要:
自上世纪70年代起,我国开展了田间养分精准管理方法与技术的研究和推广,包括测土配方施肥、土壤养分测试和作物营养诊断,积累了大量土壤类型、肥力等基础数据以及农村地籍调查、农业普查、作物需肥规律等田间养分管理相关数据。但田间养分精准管理目前依旧存在重研究、轻应用,重理论、轻技术,专业分工太细,分割化、碎片化严重,传统与现代融合不够,可实际应用的产品、技术较少,农户体验差等问题。日渐成熟的信息互联、互通、互享技术与平台,功能日益强化的人工智能技术等,为实现田间养分管理走向精细化、信息化与系统化,进而为实现跨越式发展提供了契机。本文从我国农田经营分散的实际国情出发,根据精准施肥原理、认识与定位,提出了“基准+精准”模式的田间养分管理方案,以测土配方施肥为基础,结合数据挖掘技术对现有数据进行综合分析,更新制定当年田间养分管理“基准”施肥方案,包括基肥和追肥的施用数量及施用时间,同时利用云GIS可实现农田数据的空间信息化和施肥方案田块化管理的可视化,为移动端施肥方案的推送和实现田块尺度上的信息化精细管理奠定基础。以数字图像无损诊断作为技术支撑,通过机器学习作物数字图像特征参数来建立营养诊断模型,判断得出作物营养胁迫种类及程度,从而对当季田间作物长势及营养状况进行准实时监测与评价,进而实现对田间“基准”施肥方案特别是追肥施用的“精准”修正。最后通过构建“云+手持终端+数字图像”系统架构实现“基准方案推送—无损诊断—精准修订—成效反馈—方案优化”的动态实施和更新,对测土配方施肥技术体系进行完善,同时实现相关成果更新和持续利用,解决成果应用的“最后一公里”问题。
论作物养分效率及其遗传改良
米国华
2017, 23(6): 1525-1535. doi: 10.11674/zwyf.17283
摘要:
作物养分效率遗传改良已成为植物营养学重点研究领域之一,但对于养分效率的概念及其组成因素,以及养分高效性状依然存在很多认识误区,限制了养分高效育种成效。本文论述了养分效率及其相关指标的定义,从作物学、植物营养生理学、分子生物学和遗传学多个角度分析了养分高效吸收、养分高效利用的生理学决定因素及其对养分高效育种的启示。指出除了高通量养分高效表型分析技术的限制,还缺乏对田间水平上养分高效生理学机制的深入理解,不清楚养分高效的次级生理指标,已成为限制养分高效育种的因素之一。未来应该充分利用现代分子生物学研究手段,加强田间条件下的养分高效生理学机制研究,将养分吸收、分配、转运等生理过程与作物生长发育调控密切关联,关注群体种植条件下的最优植株性状,在田间实际生长条件下进行鉴定,才有可能获得实用的养分高效品种。
植物对不同形态磷响应特征研究进展
李廷轩, 叶代桦, 张锡洲, 郭静怡
2017, 23(6): 1536-1546. doi: 10.11674/zwyf.17305
摘要:
磷是植物生长发育所必需的大量营养元素之一,参与植物体内许多重要化合物的合成与代谢。土壤中磷素具有多种形态,且不同形态磷的植物有效性差异较大;植物在不同形态磷环境下,体内会形成相应的适应性机制。植物吸收积累磷通常与根形态、根系分泌物、体内磷转运等因素有关,受到特异基因表达的调控。了解植物对磷的吸收积累特性是筛选磷高效植物或磷富集植物的前提,也是充分利用土壤磷素资源、修复磷过剩环境的关键。根据国内外研究现状,本文从磷素吸收积累、根系形态特征、磷酸酶与植酸酶的变化以及磷营养高效的分子机制,综述了植物对不同形态磷的响应特征,并对未来该领域的研究进行了展望。
集约化互作体系植物根系高效获取土壤养分的策略与机制
张德闪, 李洪波, 申建波
2017, 23(6): 1547-1555. doi: 10.11674/zwyf.17238
摘要:
目的植物根系的形态与生理变化是植物从土壤中高效获取养分资源的重要机制,由相同物种或不同物种组成的互作体系中植物根系对养分的吸收利用受相邻植物竞争的强烈影响,阐明互作体系不同竞争条件下植物根系获取养分的策略并揭示其作用机制,这是基于根系觅食行为探讨养分高效利用的根际调控途径与技术措施的重要理论基础。主要进展根系属性的互补性有利于降低根系间对养分的竞争。根系构型的互补性,例如深根系与浅根系植物互作,促进个体植株对土壤剖面不同深度养分的吸收利用;由根系可塑性介导的水平方向上根系空间分布的互补性,提高了植物根系对同一土层不同空间位点土壤养分的挖掘;个体植株根系形态属性与相邻植物根际生理过程的互补性促进根系对不同形态养分的利用。互作体系根系获取养分的策略具有高度互补性,这有助于提高整个作物系统的养分利用效率,进而提高生产力。根系空间生态位的分离 (包括垂直与水平方向) 以及根际生物化学特征生态位的分离,是驱动互作体系根系高效获取养分资源的主要机制。合理的根层调控可以提高植物根系挖掘土壤养分的能力;优化互作体系物种的搭配能充分发挥根的互作效能,提高养分利用的生物潜力。问题与展望今后应进一步针对集约化高投入作物体系,通过管理根层养分供应和物种间的互作效应,强化根际养分信号的调控作用,调节根系形态与生理特性,降低种间竞争,增强种间互利,以最大化根系和根际的生物学潜力,提高养分利用效率和作物产量,为实现以节肥增效为核心的可持续集约化作物生产提供重要的调控策略与途径。
我国作物硼营养与硼肥施用的研究进展
徐芳森, 王运华
2017, 23(6): 1556-1564. doi: 10.11674/zwyf.17241
摘要:
硼是作物生长发育和产量形成所必需的微量营养元素。我国自上世纪六、七十年代发现棉花“蕾而不花”和油菜“花而不实”为缺硼症后,开启了作物硼营养与硼肥施用技术的研究,此后50年的研究取得了一系列瞩目的进展和成果。本文从作物硼营养诊断与硼肥施用、作物硼的吸收转运和分配、作物硼的营养生理、作物硼营养遗传与分子机理等四个方面综述我国科技工作者的研究工作。研究确定了我国不同作物生长发育对硼的营养需求及缺硼反应的差异,明确了棉花和油菜等作物的硼营养特征、植物体与土壤硼丰缺指标和诊断方法、硼肥施用技术与规范,揭示了油菜、棉花等作物硼高效利用的基因型差异与遗传规律,克隆解析了硼高效吸收转运基因。在未来发展中,一方面要进一步加强作物硼营养的精准诊断与早期诊断、硼与其他必需元素的协同增效研究,为现代农业产业服务;另一方面要进一步加强作物硼营养高效的生物学机制研究,以培育作物硼高效高产优质抗逆的品种为目标,为实现我国农业可持续发展作贡献。
干旱、高盐及低温胁迫下植物生理及转录因子的应答调控
王冰, 程宪国
2017, 23(6): 1565-1574. doi: 10.11674/zwyf.17312
摘要:
干旱、高盐及低温等非生物胁迫是限制植物生长发育的主要环境因子。这些环境胁迫因子通常导致植物体内生理代谢改变,并参与非生物胁迫调控转录因子的差异表达。植物抵御上述非生物逆境的能力与转录因子调控逆境相关功能基因的表达密不可分。近年来,发掘植物非生物胁迫相关转录因子的功能及揭示转录因子介导植物非生物胁迫响应的调控机制,已成为植物营养分子生物学关注的热点之一。因此,了解植物非生物胁迫下的生理应答及转录因子参与的调控机制,对建立植物适应性改良途径具有重要科学意义。本文从干旱、高盐和低温三方面阐述了非生物胁迫下植物生理生化的适应性变化,概述了MYB、bZIP、AP2/EREBP、WRKY和NAC五类与植物抗逆相关的转录因子的结构与功能特征,着重论述了转录因子介导植物抵御非生物胁迫的分子调控机制。植物遭遇非生物胁迫时,通常表现为生长速率、叶面积和叶片数量下降,蒸腾及光合速率降低。同时,植物体内活性氧逐渐累积,使细胞膜脂过氧化程度加剧,造成细胞损伤。为适应不利环境,在生理上植物表现为体内抗氧化酶活性增强,渗透调节物数量增多;在分子水平上,植物对非生物胁迫适应性的增强,通常与转录因子识别抗逆基因启动子特异性元件及调控逆境防御基因的转录有关。本文对于深入阐明干旱、高盐及低温胁迫下植物生理生化应答与转录因子的分子调控机制提供了全新的科学启示。
农田潮土养分耦合循环的微生物学机理研究进展
林先贵, 冯有智, 陈瑞蕊
2017, 23(6): 1575-1589. doi: 10.11674/zwyf.17264
摘要:
科学施肥是实现农业增产和土壤健康的重要手段。深入认知土壤微生物驱动的养分元素循环过程对于评价和指导科学施肥具有极为重要的意义。近年来不同施肥策略对土壤微生物影响的认知虽取得长足进步,但多限于单一养分元素的影响。土壤养分元素循环过程及与碳循环过程具有不可分割性,互作和协同也是土壤微生物的重要特性之一。因此,揭示土壤微生物介导的养分元素的耦合会更有助于我们全面了解农田土壤养分循环过程和指导科学施肥。笔者研究团队多年来以中国科学院封丘农业生态试验站养分平衡长期定位试验为平台,利用土壤微生物学、分子生态学、微量热和同位素测定等技术,系统研究了不同施肥策略下潮土微生物介导的碳、氮、磷元素循环及耦合过程。本文综述相关研究成果。对于缺磷潮土,磷肥施用能够提高微生物生物量碳氮、转化酶活性、脲酶活性、呼吸强度及微生物代谢活性等,使得微生物能够保障土壤养分转化与作物养分吸收,增加潮土综合碳氮汇效应,“高效低排”地为生态系统服务;与之相反,缺施磷肥条件下,即使长期施用其它养分如氮肥,潮土微生物代谢效率仍然低下,且代谢过程会损失更多碳氮素,不利于潮土碳氮累积,致使土壤质量无法提高,还加剧了生态环境的污染。在阐明了微生物对潮土养分的响应与反馈后,还进一步揭示了潮土碳磷耦合的微生物学机制,提出了“缺磷耗碳,增碳活磷”的理论框架。长期缺磷使得外源碳经由微生物转化进入潮土有机碳库的比例减少,却增加了外源碳的净矿化量,使得更多外源碳以CO2形式排放到大气,即缺磷潮土不利于外源碳向潮土有机碳的转化。但是,外源碳的添加能够长效刺激缺磷潮土中微生物的增殖,特别是解磷微生物。该过程可以使得土壤化学固持的磷素转移到微生物体内,增加了潮土中潜在有效磷含量,后续可以提供给植物利用,即外源碳的添加能够通过解磷微生物活化土壤中不可利用态磷素。最后,对今后农田土壤养分耦合循环的微生物学研究方向和内容进行了展望。这些结果会加深对科学施肥重要性的认知,有助于指导调控土壤微生物更好地服务农田生态系统。
我国60年来土壤养分循环微生物机制的研究历程—基于文献计量学和大数据可视化分析
孙波, 王晓玥, 吕新华
2017, 23(6): 1590-1601. doi: 10.11674/zwyf.17292
摘要:
目的土壤养分循环是土壤肥力和作物生长的基础,土壤微生物是驱动养分循环的关键因子。挖掘微生物调控土壤–植物系统养分循环功能的潜力,已成为提高农田养分资源利用效率的发展趋势。通过梳理我国土壤养分循环和土壤微生物学交互研究的发展历史和脉络,审视与国际前沿研究比较的不足之处,指出未来的研究热点,促进我国在相关领域研究水平的提高。方法本文利用文献计量学及大数据可视化方法定量分析了60年来土壤养分循环和土壤微生物学交互研究领域的国内外的科学文献,研究了相关领域不同时期的发展与演变过程,对比了国内外土壤养分循环和土壤微生物学交互研究发展的异同点。主要进展分析表明国内研究主要分为起步期 (1981~1990年),发展期 (1991~2005年) 和定型期 (2006~2016年)。起步期的研究热点分散,主要研究了红壤、水稻土和紫色土中特定微生物和酶活性的肥力功能。发展期研究热点关联度加强,主要研究了红壤、黑土、水稻土中微生物量和酶活性的肥力和环境功能。定型期研究热点间的连接度不断增强,主要研究了土壤养分循环与微生物群落结构耦合的微生物学机制。通过与国际相关研究比较,国内学者追赶国际研究可以分为起步追赶期 (1990~2005年) 和快速追赶期 (2006~2016年)。在起步追赶期,国内学者追随国际上对碳氮转化与微生物交互研究的热点,但研究热点的关键词交互网络成熟程度低,侧重对红壤的研究,缺少对根际的研究。加速追赶期,国内学者从水稻土和根际方面强化了对养分转化微生物机制研究,开展了土壤微生物网络结构和功能的研究,但需要加强土壤生物网络结构和功能的实证研究。总体上,与国外相比,国内研究相对滞后,但发展迅猛,从简单关注酶活性,发展到微生物网络结构与土壤功能的交互。同时国内研究热点的关键词交互网络日益成熟,且与国际相比表现出趋同趋势,但仍需深入研究微生物群落结构演替对养分循环的驱动机制。结论与展望在未来研究中,应在建立养分利用率提升的区域微生物调控技术体系的同时,不断发展和完善土壤微生物结构和功能协同演变的理论体系。
我国生物肥料研究与应用进展
范丙全
2017, 23(6): 1602-1613. doi: 10.11674/zwyf.17335
摘要:
我国生物肥料研究始于20世纪50年代,最初只有提供有效氮、磷、钾元素的细菌肥料。经过60年的发展,逐步成为拥有11类产品,年产1000万吨生物肥料的庞大产业体系。本文从四方面对近10年我国生物肥料研究、应用以及产业发展取得的成就进行了简要总结,以期为其今后研究和创新发展提供借鉴。1) 介绍了根瘤菌、联合固氮菌、溶磷菌、解钾菌和促生菌高效菌种资源筛选、应用效果、关键技术问题与重点突破方向;2) 总结了不同类型生物肥料包括微生物菌剂、生物有机肥料、有机无机生物复合肥的应用效果;3) 分析了生物肥料发展中存在的问题以及市场规模;4) 对我国生物肥料发展趋势进行了展望。
稳定性肥料发展与展望
武志杰, 石元亮, 李东坡, 卢宗云, 魏占波, 张丽莉, 宫平, 王玲莉, 房娜娜, 李杰, 李忠, 薛妍, 宋玉超
2017, 23(6): 1614-1621. doi: 10.11674/zwyf.17303
摘要:
稳定性肥料的核心是脲酶抑制剂和硝化抑制剂,是指在肥料的生产过程中添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂,或者同时添加两种抑制剂的肥料。其良好的农学效应和环境效益为实现农业节本增效提供重要途径。近年来稳定性肥料在基础科研和生产应用领域均发展较快,本文对国内外相关研究进行系统总结,并指出未来的发展方向。首先,回顾了抑制剂的研发、作用机理等方面的进展;其次,概述了稳定性肥料的品种、生产工艺、产能及推广应用情况;最后,对稳定性肥料应用后的作物产量和环境效应进行了阐述。为了促进稳定性肥料产业的健康持续发展,未来需要进一步加强环境友好型抑制剂品种的研发;重视抑制剂保护技术的研究,以解决抑制剂作用效果持久性和稳定性的问题;加强不同抑制剂配伍协同,抑制剂与增效剂复合作用机理与技术的研究;研究开发针对不同区域、不同作物的稳定性专用肥料。
生物质炭热解炭化条件及其性质的文献分析
邱良祝, 朱脩玥, 马彪, 李恋卿, 潘根兴
2017, 23(6): 1622-1630. doi: 10.11674/zwyf.17031
摘要:
目的因生物炭具有对土壤固碳减排和作物增产以及环境修复的作用,已受到国内外学者的广泛关注。本文回顾近年来生物质炭性质的相关研究,分析农业应用中生物质炭性质问题,阐述未来生物质炭性质研究发展趋势。方法收集了截至2015年12月文献出版物中402篇文献,对数据按生物质炭来源地区、生产 (制备) 条件和性质类别进行分类评价。结果1) 目前研究中应用的生物质炭68.2%为实验室制备,商业化生产比例只有22.9%;2) 生物质炭原料以林木为主,占44.3%,其次是农作物剩余物,占38.6%。作物秸秆制备的生物质炭以中国研究最多;3) 制备生物质炭的炭化温度范围在300~700℃ (91.4%),400~600℃的温度范围以商业化生产中较常用;4) 生物质炭性质测定除总 (有机) 碳外,常测指标还包括pH、电导率、总氮、灰分和比表面积等,潜在污染物指标测定较少,而污泥炭中的重金属及植物源炭的多环芳烃潜在风险仍需研究;5) 生物质炭的研究制备原料基本上取决于该区域内可收集的废弃物,欧美地区主要关注林木生物质炭,亚洲等的发展中国家则着重研究秸秆生物质炭。结论与欧美国家相比,发展中国家的生物质炭商品化生产仍较薄弱。不同原料和温度生产的生物质炭性质和功能差别很大,以秸秆为原料、中温炭化的生物质炭各方面性质较为平衡,具备生物质炭大规模产业化的条件。此外,生物质炭性质的测试注重理化性状,对潜在风险污染物的分析普遍不足,亟需开发一个标准来规范生物质炭最小测试指标集和合适的测试方法选择。
水肥调控技术及其功能性肥料研究进展
杜建军, 阚玉景, 黄帮裕, 李永胜, 王新爱
2017, 23(6): 1631-1641. doi: 10.11674/zwyf.17304
摘要:
综述水肥调控的有关技术,以及以高吸水性树脂 (super absorbent polymer,SAP) 为保水、缓/控释材料制备保水型缓/控释肥料的研究进展,为今后此类肥料的开发、应用提供依据。水分和养分是限制我国旱地农业可持续发展的主要因子,以肥调水,以水促肥,充分发挥水肥的协同效应是提高水肥利用率的关键。目前,水肥调控 (耦合) 技术的实施主要通过农艺措施和施肥灌溉技术来完成。近年来,随着SAP性能的不断改善和使用的普及,人们对SAP在吸水保水的同时,对土壤肥料养分的保持和缓释作用开始给予了重视,以SAP为保水、缓释材料的保水型缓/控释肥料的研究成为水肥调控研究的热点。SAP与一般聚合物不同之处是它具有高度亲水性,聚合物的骨架是一个适度交联的网状结构,进入树脂分子内的养分离子或分子可以以各种结合形式被暂时固定而延缓了养分的释放。土壤中可溶性盐对SAP吸水性能有重要影响,但尿素分子影响甚小。保水型缓/控释肥料可通过养分负载、复混或包膜等工艺制备。保水型缓/控释肥料是水肥调控 (耦合) 技术、化学制剂保水节水技术和肥料缓/控释技术的综合运用和物化的载体,兼具吸水、保水和养分缓/控释功能,实现水肥在同一时空条件下的一体化调控,同时提高水分和肥料的利用效率,在农业、林业、环境修复、生态工程等领域具有广阔的应用前景。未来工作是进一步寻求合适的SAP制造原料和工艺,降低成本;应用分子设计,改善SAP的结构,提高生物降解性,控制盐分的不利影响,提高肥料的吸水、保水和对养分的缓释性能;加强养分释放机理和不同于普通缓/控释肥料评价方法的研究。
我国水溶性肥料产业发展趋势与挑战
陈清, 张强, 常瑞雪, 陈宏坤, 陈丽, 梁斌, 李俊良
2017, 23(6): 1642-1650. doi: 10.11674/zwyf.17327
摘要:
水溶性肥料是随水肥一体化技术普及而发展的一类新型肥料,由于管道和微孔滴水器对肥料浓度、溶解速率和水不溶物含量等方面的特殊要求,水溶性肥料有其特定的产品标准。最近几年我国水溶性肥料行业发展迅速,但出现了技术研发滞后、产品种类繁杂、质量参差不齐等问题,给产业发展带来一定的影响。本文通过文献调研,并结合对行业发展的过程分析,综述了水溶性肥料的概念和产品特点,回顾了水溶性肥料在产品标准、配方、工艺、功能和施用等方面的发展变化,从作物营养理论角度分析根区施用水溶性肥料产品的养分高效利用理论基础,明确根区环境和水肥调控是实现作物健康及优质高产高效的关键,而保证合适的养分供应配比、施用量、施用时间、施肥位置和良好的土壤环境是综合调控的主要内容。根系健康与土壤养分供应强度、容量及溶液中的离子平衡和土壤缓冲性等存在相互影响。本文根据上述理论分析指出了肥料产品和灌溉设备结合及农化服务保障的必要性,而基于当前市场发展现状,提升水溶性肥料产业需要开展原料创新和功能挖掘,加快推动产品的农化服务,创新技术营销和服务模式,进一步完善相关产品标准。文章预测功能型液体水溶性肥料 (氨基酸类、腐植酸类和有机类) 是未来最具有竞争性的水溶性肥料产品,而规模化经营会引导大量元素水溶性肥料产品低成本化,并逐步实现套餐施肥产品组合与技术服务的结合, 这些都可能刺激功能性水溶性肥料产品市场的发展。
夏玉米水肥异区交替灌溉施肥的产量与环境效应研究进展
王林权, 周春菊
2017, 23(6): 1651-1658. doi: 10.11674/zwyf.17263
摘要:
水资源缺乏、污染严重、肥料利用率不高是我国农业和农村面临的重要且亟待解决的问题。发展节水施肥技术是解决这些问题的关键环节。交替灌溉施肥技术是在亏缺灌溉或部分根区干燥灌溉技术的基础上发展起来的一种节水施肥技术,可有效减少灌水量,提高灌水利用效率,防止灌溉过程中氮素淋失。在适宜的水氮配合条件下,还可以减少氨挥发和氧化亚氮等气态氮损失,增加作物产量。但是该技术的应用效果与环境条件、灌水定额、施肥量、种植密度等密切相关,在应用过程中应该根据环境条件进行微调。另外水肥异区交替灌溉施肥条件下,水分、养分在农田的时空分布规律,转化特征,以及植物对养分、水分吸收利用和调控机制等还有待于深入研究。
现代光谱技术在植物营养品质分析中的应用
杜昌文
2017, 23(6): 1659-1669. doi: 10.11674/zwyf.17281
摘要:
目前,我国的粮食安全由总量保障优先迈入到总量保障和营养品质安全并重的发展阶段,因此植物营养品质分析是迫切的社会需求。常规的植物营养品质分析主要是基于实验室的化学分析,成本高、耗时长和人力密集,与海量快速的植物营养品质信息需求不相适应,而现代光谱技术 (spectroscopic technology) 为海量植物营养品质信息的需求提供新的技术支撑。目前广泛应用的光谱技术主要是分子光谱 (molecular spectroscopy),包括紫外可见光谱、红外光谱、荧光光谱和拉曼光谱,这些光谱在粮食作物、蔬菜、水果以及中药材等经济作物的营养品质分析中开始发挥越来越大的作用,并能将传统的主观性较强的感观品质常数客观化。随着光谱技术的发展,以光声效应 (photoacoustic effect) 为理论基础的红外光声光谱,以及以激光诱导击穿 (laser induced breakdown) 为技术基础的现代原子光谱 (atomic spectroscopy) 开始应用于植物营养品质分析,并展现了广阔的应用潜力。以上光谱分析应用依赖于现代多元校正的化学计量学方法 (chemometrics) 和计算机技术,结合植物营养专业知识,利用现代的互联网和云技术平台以及智能终端,植物营养品质信息的适时快速常规化获取将成为现代农业的重要发展方向。
玉米秸秆“富集深还”与土壤亚表层培肥
窦森
2017, 23(6): 1670-1675. doi: 10.11674/zwyf.17316
摘要:
由于长期浅耕,土壤亚表层不仅缺乏有机质,还过于紧实,急需找到一种简单而有效的快速松土培肥方法。本文简要总结了已有3种秸秆还田模式的优缺点,重点介绍了秸秆“富集深还”技术及田间操作要领,以及采用该技术还田的秸秆的分解速率和亚土层培肥效果。富集深还,即将玉米联合收割机抛洒在地表的秸秆,按条带大比例富集,使用专用筒式犁具,以风力注入的方式埋入土壤亚表层 (20—40 cm)。这种模式的最大特点是不扰动土层顺序、不影响第二年种植。秸秆埋置模拟试验表明,秸秆还田330天时,其分解率就达到65%以上,剩余秸秆腐殖化,使土壤有机碳含量增加10%~15%,土壤耕层由原来的15—18 cm增加到30—35 cm。秸秆深还对腐殖物质结构特征没有产生不良影响,对H/C、亲水性等指标还有改善作用,促使黑土胡敏酸结构简单化和年轻化。秸秆深还没有引起第二年玉米产量降低。因此,采用该方法,秸秆能够连年全量还田,实现了种还分离 (种植条带与秸秆深埋条带分离) 与免耕播种的有效结合,可打破犁底层,并快速提升犁底层土壤有机质含量,为土壤亚表层快速培肥及肥沃耕层构建提供技术手段。
农田土壤重金属污染化学钝化修复研究进展
胡红青, 黄益宗, 黄巧云, 刘永红, 胡超
2017, 23(6): 1676-1685. doi: 10.11674/zwyf.17299
摘要:
土壤重金属化学钝化修复是指向污染土壤中添加钝化剂,使重金属由活性向稳定化形态转化,以降低重金属的迁移和生物可利用性,从而修复重金属污染土壤的方法。本文综述了近些年国内外各类钝化材料修复重金属污染土壤的作用效果和机理、实例等方面的研究进展,并讨论了原位修复土壤重金属中亟待解决的问题,旨在为农田土壤重金属污染的化学钝化剂筛选与应用提供参考依据。
作物营养从有机肥到化肥的变化与反思
周建斌
2017, 23(6): 1686-1693. doi: 10.11674/zwyf.17287
摘要:
二十世纪前,农业生产主要靠施用有机肥为作物提供营养,维持地力不衰,这一时期一般称为“有机营养”阶段。之后,化肥逐渐取代有机肥,成为作物养分的主要来源,农业生产进入以化肥养分供应为主的“无机营养”阶段。化肥的连续大量施用在作物增产方面发挥了巨大作用,也带来了不少问题,以致近年来出现了怀疑或否定农业生产中施用化肥的思潮。为此,本文回顾了植物营养学科的发展历程和我国化肥使用的历史,指出仅靠施用有机肥、种植豆科作物等传统的营养作物的方式难以满足农业生产对养分的需求,化肥与有机肥配合施用是我国农业发展的正确道路。目前生产中,化肥施用存在不合理和过量问题,有机肥施用方面,主要是集约化养殖业与种植业的不合理布局,存在种养分离,难以农业利用等养分管理问题。同时解决这两个问题,除采取已有的合理施肥技术及方法外,还应改变从植物营养角度只重视氮磷钾等无机养分的供应,拓宽为重视碳、氮、磷及钾等不同元素间的时空平衡关系;以农业生态系统养分资源高效循环利用为核心,采取不同方式实现有机–无机营养的结合,应避免陷入有机与无机营养的争论;从生物地球化学循环角度看待养分利用与管理问题,关注养分在田块、流域及区域尺度的流向及对土壤、水体及大气的影响;将科技与政策等有效结合,提高养分利用效率,减少养分损失,保障我国农业的健康持续发展。
重视有机营养研究与有机碳肥创新—关于植物营养经典理论的现代思考
廖宗文, 毛小云, 刘可星
2017, 23(6): 1694-1698. doi: 10.11674/zwyf.17315
摘要:
碳是17种必需营养元素之首,但长期以来对碳营养,尤其是有机碳营养的系统研究几乎为空白,由此导致了对作物碳饥饿的忽视。虽然作物可以通过光合作用从大气中获得碳,但仅能满足作物生长所需碳营养的1/5。实践已经证明,通过施肥补充碳营养供给是作物高产优质的有效技术途径,生产可有效提供碳素营养的肥料也为现代化肥工业提供了新的发展机遇。为适应这种需求,迫切需要拓展现有经典的矿质营养框架,在有机营养理论方面取得突破,构建有机矿质营养理论的新体系。本文提出了有机碳肥的概念,分析了有机碳肥的特点及施肥补碳的重要性,讨论了有机碳肥在平衡施肥中的应用,指出基于有机碳概念的新型肥料研发是重大技术前沿和现代植物营养理论中富有生机的学术生长点。