作物高产高效的地上地下互作机制与调控途径

100
90
Opt.*50-70% Opt.
80
Opt.*130-150%
70
Con.
60
50
40
30
20
10
0
70%
（Zhang et al., In preparation）
Soil SOC stocks (Mg ha-1) Soil SON stocks (Mg ha-1)
(三)根层氮素调控的土壤可持续性
Grain N: 96.5
338 Deposition N:
67.6
Increased Organic N :
45.9
Irrigation, seed N: 15.4
Increased inorganic
N: 16
Opt. N Total Nsur: 55
NH3: 56.1 N2O: 3.6 NO, N2: 28.8
➢ 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）
(四)根层氮素调控的环境效应-氮平衡与土壤氮库变化
不施氮
优化施氮
过量施氮
CK NH3: 10.7 Total Nsur: -28.5
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。
曲周定位试验根层氮素调控处理夏玉米10年结果
产量 (t ha-1) 施氮量 (kg ha-1) 氮平衡 (kg ha-1)
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
小麦的产量潜力与产量差
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。
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12。0
100 80
Opt.*50-70% Opt. Opt.*130-150% Con.
91%
REN (%)
当季
60
48%
氮肥回收利用率
40
20
0
长期迭加表观 氮肥回收利用率
Apparent N fertilizer recovery efficiency (%)
贵州 广西
群体
广东 根层
福建
当前群体 当前根层
台 优化群体
湾
当前根层
优化群体 根层调控
优化群体 根层调控
土壤
当前土壤
当前土壤
当前土壤
优化土壤
海南
当前体系
一般产量 水肥投入高 环境代价大
高产体系
产量提高30-50% 水肥投入更高 环境代价更大
高产高效体系
产量提高30-50% 水肥效率同步提高 环境代价较小
10
y = 0.03x + 4.67 x<182
5
y = 10.3
x<182
R²= 0.70***
2009-2016
0
0
100
200
300
400
500
施氮量（kg ha-1）
河北曲周 潮土
20 pH 8.3, SOM 16.1g kg-1, 13.6 0C,500mm
Yield: 10.7 t ha-1; EONR:165 kg ha-1;
15 NUE: 63.9 %; N surplus: 13.4 kg ha-1 yr-1
10
5
y = 0.04x + 6.51 x<119
y = 10.7
x<119
R²= 0.52***
0 0
100
200
2008-2017
300
400
500
施氮量（kg ha-1）
产量（t/ha）
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
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
(一)冬小麦-夏玉米轮作体系十年长期定位氮试验农学效应
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。
➢ 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。
（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
正面影响
负面影响
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：
➢提高NUE：81%
（Zhang et al., In preparation）
根层氮素调控的环境效应-全球增温潜势
减排34% 5887
减排34% 316
➢ 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%
宁夏
山西
北京 天津
河北
山东
辽宁
陕西
河南
江苏
湖北
安徽
重庆
浙江
湖南
江西
贵州 广西
广东
福建
台 湾
海南
专题报告
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、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
Fertilizer N: Soil N
Grain N:
550 Deposition N:
67.6
Increased Organic N :
35.3
278 Irrigation, seed N: 15.4
Increased inorganic
N: 59.1
Con. N Total Nsur: 180.5
Grain N: 286
NO3- leaching : 14.3
NO3- leaching : 43.7
NO3- leaching : 88.0
➢ 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。
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
① 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。
② 不同生育阶段地上地下互作的动态调控。
前期
群体根系构型的快 速建成和根层养分 水分调控
① ②
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
161
141
171
168
氮平衡 (kg ha-1)
61 77 31 38
-19
22
12
-51
10
-13
高产群体设计
（Zhang et al., In preparation）
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
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，培养博士研究生8-10人，硕士研究生10-12人。
➢减氮：40%
➢提高收益：20% ➢增加SOC库：14%
➢减少氮损失：31% ➢减少温室气体排放：34%
（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
产量（t ha-1）
陕西长武 黄土
pH 8.4, SOM 16.4g kg-1, 9.7 0C, 582mm 20 Yield: 14.5 t ha-1; EONR:204 kg ha-1;
河南
江苏
湖北
安徽
重庆
浙江
湖南
江西
贵州
福建
台
广西
广东
湾
海南
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
新疆
西藏
黑龙江
甘肃 青海
四川
云南
宁夏
内蒙古
吉林
山西
北京 天津
河北
山东
辽宁
陕西
河南
江苏
湖北
安徽
重庆
浙江
湖南
江西
项目总体实施方案：共性试验（4+X）
课题共性试验
8个根层养分调控的定位试验
河北曲周小麦-玉米轮作体系：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）
黑龙江
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
内蒙古
吉林
氮试验 磷试验 锌试验
新疆 西藏
甘肃 青海
四川
云南
宁夏
山西
北京 天津
河北
山东
辽宁
陕西
11.5 7.2 9.3 9.4 12.4
9.8
12.3
11.3
10.7
12.3
240 150 105 193 172
163
174
145
199
170
Байду номын сангаас
116 66 -6 66
56
20
31
6
47
15
高产群体设计
（Zhang et al., In preparation）
(二) 长期根层氮素调控的资源利用效应
80
60-90
70
30-60
0-30 60
50
40
30
20
10
0
B AB AB
a
a
a
a
a
a
c
bc
a
A AB
a
a
a
a
a ab
12
60-90
30-60
10
0-30
8
6
4
2
0
BAA
AA
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
c
bc
a
a
ab
2007
2017
2007
2017
➢ 10年优化施氮后，0-30cm土壤的SOC库增加23%，SON库增加了8%
后期
群体根系的延衰和 根层养分水分调控
研究思路
分蘖成穗作物（小麦） 单株成穗作物（玉米）
高密度高产群体下
植株和器官水平上不同生育期群 体发育、建成和延衰的养分需求 临界值和适宜范围
高密度群体的根系、根际过程 及调控
支撑群体并发挥根系潜力的根 层养分供应强度，及其在主要 生产体系下的调控途径；根层 养分调控的可持续性评价
曲周定位试验根层氮素调控处理冬小麦10年结果
产量 (t ha-1)
2008 2009 2010 2011 6.6 5.9 5.8 6.9
2012 8.9
2013 9.3
2014 9.0
2015 9.4
2016 8.5
2017 9.1
施氮量 (kg ha-1)
198 195 138 174 134
190
高产高效 可持续体系 产量稳定提高30-50% 水肥效率协同提高 环境代价较小 生态系统可持续性高
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
黑龙江
陕西（宁夏、甘肃）：控释肥调控试验、盆栽模拟试验等
内蒙古
吉林
新疆 西藏
甘肃 青海
四川
云南
NUE: 64.9%; N surplus: 14 kg ha-1 yr-1
15
10
5
0 0
y = 0.04x + 5.48 x<216
y = 14.3
x<216
R²= 0.84***
2009-2016
100
200
300
400
施氮量（kg ha-1）
500
20 四川雅安 紫色土
pH 6.3, SOM 29.8g kg-1, 16.5 0C, 1705mm Yield: 8.2 t ha-1; EONR:254 kg ha-1; 15 NUE: 46.4%; N surplus: 43 kg ha-1 yr-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
课题预期目标
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
10
5
0 0
（237， 7.6）
2011-2017
100
200
300
400
施氮量（kg/ha）
500
产量（t ha-1）
产量（t ha-1）
吉林梨树，黑土
20
pH 6.2, SOM 25.3g kg-1, 6.5 0C, 486mm Yield: 10.4 t ha-1; EONR:197 kg ha-1; 15 NUE: 55.5%; N surplus: 2.5 kg ha-1 yr-1
NH3: 39.1 N2O: 1.7 NO, N2: 13.6
Soil N
Deposition N: 67.6
Irrigation, seed N: 15.4
Increased Organic N :
-68.3
Increased inorganic
N: -1.1
Fertilizer N: Soil N