主要粮食作物高产栽培与资源高效利用的基础研究

项目名称：主要粮食作物高产栽培与资源高效利用

的基础研究

首席科学家：张福锁中国农业大学

起止年限：2009.1至2013.8

依托部门：教育部农业部

一、研究内容

(一)拟解决的关键科学问题

针对作物产量与资源利用效率协同提高这一重大科学命题，本项目从挖掘作物生物学潜力和提高土壤生产力入手，重点解决以下两个关键科学问题：

(1)作物群体结构与花后物质生产、分配的动态协调及其栽培调控原理。作物产量的进一步提高主要依赖于群体的增大和花后物质生产的贡献，如何构建高效能生产系统、高强度支持转运系统、高质量受容系统，克服群体增大条件下个体与群体、源与库、根与冠等矛盾，关键在于阐明作物群体结构与花后物质生产、分配的动态协调及其栽培调控原理。

(2)稳定实现作物高产高效的土壤条件及其调控途径。良好的土体构型、耕层结构和水肥保持与供应能力既是作物高产的基础，也是水肥资源高效利用的关键。稳定实现作物高产高效，急需阐明高产高效的土壤条件和关键过程，揭示土壤对逆境条件的响应和缓冲机理，明确提高土壤生产力的定向调控途径。

(二)主要研究内容

围绕以上关键科学问题，以我国三大粮食作物小麦、玉米和水稻为研究对象，开展高产高效的作物栽培学、土壤学和植物营养学联合研究，拟分以下3个部分进行研究。

第一部分四大生产体系作物高产高效的关键限制因素与突破途径

重点围绕在现有生产基础上实现作物高产和资源高效的第一步目标，以我国三大粮食作物小麦、玉米和水稻为研究对象，集中阐明作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作)当前影响产量提高的制约因素及主控过程，通过栽培和土肥技术的集成创新，建立四大生产体系适应我国当前农业生产条件的、在现有基础上产量增长10-15%、水肥资源生产效率提高20%的技术调控途径。主要研究内容包括：

①春玉米密植高产与水热高效的协调机制与途径；

②小麦-玉米周年高产高效的栽培学机制与途径；

③高产水稻氮肥高效利用机制与途径；

④西北旱作高产栽培的水分高效利用原理及调控。

第二部分作物高产与资源高效的关键过程

研究重点是在更高的产量和资源效率目标下，揭示作物产量形成、水肥调控和土壤过程的规律，为调控途径的再创新提供理论依据。具体将针对作物高产群体结构与花后物质生产、分配的动态协调及其栽培调控原理这一关键科学问题，开展高产作物群体结构与功能的优化机理及定量控制，以及水肥高效利用的根-土互作机理研究；针对稳定实现作物高产高效的土壤条件及其调控途径这一关键科学问题，深入探索土壤条件和土壤关键过程对实现作物高产高效的影响与定向调控原理。主要研究内容包括：

①作物高产群体结构与功能的优化机理及定量控制；

②高产作物水肥高效利用的根-土互作机理；

③作物高产高效的土壤条件及定向调控。

第三部分粮食主产区作物高产高效潜力与实现途径

针对我国粮食安全目标和资源约束条件，重点探索粮食主产区作物高产高效潜力的区域特征，明确不同区域实现高产高效的关键资源与技术制约因素及其限制程度；揭示区域关键资源要素间的替代效应，明确技术因素对限制性资源因素的补偿作用以及关键技术优化和资源匹配机制；阐明各区域高产高效潜力挖掘的资源与经济代价，提出不同区域高产高效潜力的实现途径。

二、预期目标

(一)总体目标

本项目的总体目标是建立作物产量与资源利用效率协同提高的理论与技术体系。在基础理论方面，揭示高产高效作物群体和土壤条件的内在规律，明确作物高产高效的协同调控机制，使我国作物高产高效的理论研究在国际上占有重要的地位；在应用方面，阐明影响我国粮食作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作)高产高效的限制因素、主控过程、区域潜力和资源代价，为解决我国粮食安全和资源高效的国家重大需求提出切实可行的技术途径和决策建议。

同时，促进作物栽培、土壤和植物营养等学科的人才队伍建设，打造一个以解决我国农业重大问题为宗旨的多学科紧密结合的研究平台，提升我国作物高产栽培与农业资源高效利用研究的理论水平和解决实际问题的能力，引领作物高产与资源高效的研究方向。

(二)五年预期目标（2009-2013年）

(1) 揭示我国粮食作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作)当前高产高效的限制因素和主控过程，建立四大生产体系适应我国农业生产条件的、在现有基础上产量增长10-15%、水肥资源生产效率提高20%的技术调控途径。

(2) 阐明作物高产的群体结构与花后物质生产、分配的动态协调机制，为进一步大幅度提高作物产量的高效群体定向控制提供理论依据。

(3) 揭示高产作物根系与根层水分养分的互作机制，建立大幅度提高作物产量条件下以根-土互作为核心的养分水分资源高效利用理论与途径。

(4)明确稳定实现作物高产高效的土壤条件，揭示高产高效土壤对逆境条件的响应和缓冲机理，阐明提高土壤生产力的原理与途径。

(5) 明确我国粮食主产区作物高产高效潜力的区域特征、制约因素和挖潜的资源与经济代价，提出不同区域高产高效潜力的实现途径，为国家粮食安全和资源高效利用的战略决策提供科学依据。

(6) 发表SCI收录论文120篇，出版专著3本。打造一个高水平的作物栽培学、土壤学和植物营养学综合研究平台，培养5－10名在国际农学界有竞争力的中青年科学家，培养博士研究生40名。

三、研究方案

(一)学术思路

本项目的学术思路是：通过挖掘作物的生物学潜力和提高土壤生产力，而非过分依赖水肥等大量投入，实现作物产量和资源利用效率的协同提高。挖掘作物生物学潜力和提高土壤生产力、实现大面积作物高产高效的关键在于：(1)构建理想群体、协调花后物质生产与分配，实现作物高产；(2)利用根-土互作原理，同步根层水肥供应与高产作物需求，实现资源高效；(3)提高土壤基础生产力，增强抗逆能力和缓冲性，稳定实现作物高产高效。

(二)技术途径

根据以上学术思路，以小麦、玉米和水稻三大粮食作物为研究对象，本研究通过多学科合作：(1)从揭示我国粮食作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作)当前影响产量和资源效率提高的限制因素和主控过程入手，建立四大生产体系适应我国农业生产条件的、在现有基础上产量增长10-15%、水肥资源生产效率提高20%的技术调控途径；(2)在更高的产量和效率目标下，围绕作物高产高效的栽培调控和资源配置的三个关键过程，即：作物高产群体结构与功能的调控过程、高产作物水肥高效利用的根-土互作过程、作物高产高效的土壤条件与关键过程，深入开展高产高效的基础理论研究，破解本项目的两个关键科学问题，为进一步大幅度提高产量和资源利用效率提供理论依据；(3)从挖掘作物增产潜力和提高资源利用效率两方面入手，揭示区域间大面积作物高产高效的潜力差异、资源技术限制，阐明区域关键资源技术要素间替代作用和补偿效应，明确不同区域实现大面积高产高效潜力的资源投入和经济代价，提出不同区域高产高效的实现途径。

主要研究内容及其研究思路、研究方法和预期结果如下：

(1) 四大生产体系作物高产高效的关键限制因素与突破途径

通过多点田间定位试验，阐明我国作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作)高产与资源高效利用的限制因素和主控过程；通过高产栽培技术与养分水分资源高效利用的调控技术的集成创新，建立适应我国农业生产条件的、在现有基础上产量增长10-15%、水肥资源生产效率提高20%的技术调控途径。

(2)作物高产群体结构与功能的优化机理及其定量控制

田间小区试验、室内试验和区域比较试验相结合，分析小麦、玉米、水稻三大粮食作物不同产量水平、不同基因型的群体结构与功能特征，明确作物高产条件下个体与群体、源与库的协调关系，揭示群体结构与花后物质生产、分配的动态协调机制，阐明作物高产群体结构与功能定量控制的栽培学原理。

(3)高产作物水肥高效利用的根-土互作机理

田间小区试验、室内模拟和区域多点试验相结合，阐明高产作物养分供需规律、作物抵抗胁迫的特殊养分需求及其生理机制，确定根层养分调控的目标；研