主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素行為與氮肥高效利用的基礎研究

前言

　　氮肥既是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)必不可少的農(nóng)業(yè)化學品，又是環(huán)境污染物的主要來源之一。因此，提高氮肥利用率、降低氮肥損失、充分發(fā)揮其增產(chǎn)效果、降低環(huán)境風險，既是保障糧食安全的迫切需求，也是保護環(huán)境的必然選擇。如何實現(xiàn)農(nóng)學效應與環(huán)境效應相協(xié)調(diào)，是一個涉及眾多學科的全球性的重大科學命題，同時也是世界各國作物高產(chǎn)與資源高效所面臨的技術難題?！　∵@一命題對我國來說更具特殊性和挑戰(zhàn)性。為了保證糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品的充分供應，必須通過包括增施氮肥在內(nèi)的各種技術途徑，以盡可能提高單位面積作物的產(chǎn)量。自20世紀70年代以來，我國化肥氮（包括氮肥和復合肥中的氮）的年使用量快速增加，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了不可替代的作用。但是，由于單位面積氮肥施用量遠高于世界平均水平，加之施用技術和方法不合理，氮肥的當季利用率偏低而損失率偏高，環(huán)境污染問題日益嚴重，東部一些高產(chǎn)地區(qū)高量施氮肥尤為突出。不僅如此，問題的嚴重性還在于，今后隨著人口的持續(xù)增長和耕地的不斷減少，為了保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品的供應，必須在有限的耕地上增加投入，以提高單位面積作物產(chǎn)量，而這又必將對環(huán)境產(chǎn)生更大的壓力。因此，在這種高度集約化條件下，如何充分發(fā)揮氮肥的增產(chǎn)效果并保護好環(huán)境，協(xié)調(diào)好作物高產(chǎn)與環(huán)境保護的關系，是我們面臨的不同于一些人少地多的發(fā)達國家的嚴峻挑戰(zhàn)。　　在圍繞這一命題進行的多學科研究中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)及其農(nóng)學效應和環(huán)境效應的評價是一項基礎性的研究工作。因此，國家自然科學基金委員會于2003年春啟動了題為“主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素行為與氮肥高效利用的基礎研究”的重大項目，擬定的科學目標是，“進一步闡明我國主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素轉(zhuǎn)化和遷移規(guī)律、損失途徑及生態(tài)、環(huán)境效應，基本明確作物高效利用氮肥的生理機制和遺傳學基礎，并提出調(diào)控作物氮肥高效利用的原理和方法”。該項目由朱兆良院士和張福鎖教授共同主持，組織中國科學院南京土壤研究所、中國農(nóng)業(yè)大學、南京農(nóng)業(yè)大學、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所、中國科學院生態(tài)環(huán)境中心等的研究人員組成項目組，選擇太湖地區(qū)水稻一小麥輪作系統(tǒng)和華北平原冬小麥一玉米輪作系統(tǒng)，從土壤學、植物營養(yǎng)學和遺傳學等多個領域開展綜合性基礎研究。通過5年的共同努力，取得了可喜的進展。本書就是在這些研究成果的基礎上，由課題組主要成員撰寫而成的。

內(nèi)容概要

本書以我國糧食主產(chǎn)區(qū)太湖地區(qū)水稻一小麥輪作區(qū)、華北平原小麥一玉米輪作區(qū)的水稻、小麥和玉米為研究對象，重點闡述了農(nóng)田氮素來源、轉(zhuǎn)化及遷移規(guī)律，作物高效吸收利用氮素基因型差異及生理遺傳機制，農(nóng)田及區(qū)域水平上的作物高效施氮技術等。書中的數(shù)據(jù)是基于同一區(qū)域進行的土壤學、植物營養(yǎng)學、農(nóng)學和分子生物學的協(xié)同研究結(jié)果，具有綜合性、系統(tǒng)性和應用性。本書不僅有助于相關研究領域的讀者全面認識農(nóng)田氮素高效利用的原理，也可為農(nóng)業(yè)技術推廣相關人員提供提高氮肥利用率的具體解決途徑。    本書可供農(nóng)學、土壤科學、植物營養(yǎng)學、生態(tài)與環(huán)境科學相關的研究人員使用，也可供氮肥生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)技術推廣人員，農(nóng)業(yè)及環(huán)境部門的決策、管理人員閱讀和參考。

書籍目錄

前言第1章  總論  1.1  主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)及環(huán)境效應    1.1.1  三種典型作物氮肥去向與用量的關系    1.1.2  不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)化學氮肥的農(nóng)學和環(huán)境效應    1.1.3  環(huán)境來源氮已成為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和水體氮輸入的重要組成部分    1.1.4  華北地區(qū)旱作農(nóng)田系統(tǒng)土壤累積NOF的成因、生物有效性及潛在的環(huán)境風險  1.2  作物高效利用氮肥的根系生物學及生理機制    1.2.1  氮高效基因型的田間篩選    1.2.2  氮高效作物的根系生物學特性    1.2.3  氮高效作物的生理特征    1.2.4  水稻增硝營養(yǎng)的響應機制    1.2.5  氮高效品種的農(nóng)學評價  1.3  作物高效利用氮肥的遺傳學機制    1.3.1  不同水稻和小麥品種間氮效率存在顯著差異    1.3.2  高效吸收氮素是氮高效水稻和小麥品種的重要基礎    1.3.3  小麥高效吸收氮素的根系生物學特征及遺傳基礎    1.3.4  水稻高效吸收氮素的根系生物學特征及遺傳基礎    1.3.5  水稻“增硝促銨”吸收的分子基礎  1.4  作物高產(chǎn)與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的氮肥總量控制    1.4.1  協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)與環(huán)境保護的氮肥總量控制    1.4.2  高產(chǎn)與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的氮肥推薦點的測試技術    1.4.3  總量控制與點的測試相結(jié)合的氮肥推薦的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益評價    1.4.4  基于GIS技術的區(qū)域氮肥優(yōu)化管理    1.4.5  氮高效品種的農(nóng)學與環(huán)境效應評價    1.4.6  結(jié)論與創(chuàng)新    1.4.7  展望  1.5  土壤-作物體系中氮素遷移的模型  1.6  結(jié)論  參考文獻第2章  水稻-小麥輪作體系中土壤氮素循環(huán)、氮素的化學行為和生態(tài)環(huán)境效應  2.1  引言  2.2  太湖地區(qū)水稻-小麥農(nóng)田化肥氮去向的定量評價及農(nóng)學和環(huán)境效應    2.2.1  水稻-小麥兩季化肥氮去向的定量評價    2.2.2  水稻-小麥農(nóng)田化肥氮的農(nóng)學和環(huán)境效應  2.3  太湖地區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)對環(huán)境影響的某些評論    2.3.1  水稻田和小麥田地下飽和層土壤的反硝化    2.3.2  稻田土壤對污染河水中氮、磷的轉(zhuǎn)化和固持  2.4  環(huán)境來源氮在稻田氮平衡中的貢獻及對水環(huán)境的影響    2.4.1  大氣干濕沉降氮對水稻、小麥營養(yǎng)的貢獻    2.4.2  本區(qū)河水的氮素污染狀況以及用作灌溉時對水稻氮營養(yǎng)的貢獻    2.4.3  河湖水面接收到的大氣干濕沉降氮量    2.4.4  大氣干濕沉降氮中NH+4／NO-3值和δ15NH+4值的時間變化及指示意義  2.5  太湖地區(qū)地表水體氮負荷計算及污染源分析    2.5.1  常熟地區(qū)農(nóng)村人和畜禽排泄物的處理和利用狀況調(diào)查    2.5.2  常熟市規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場排泄物的處理和利用    2.5.3  蘇州地區(qū)畜禽排泄物的處理和利用    2.5.4  太湖地區(qū)河湖水體氮、磷污染源分析    2.5.5  減緩太湖地區(qū)水體氮、磷負荷的對策  2.6  需要進一步研究的科學問題    2.6.1  化學肥料氮進入農(nóng)田后的形態(tài)轉(zhuǎn)化及淋出液中可溶性有機氮的起源、形態(tài)區(qū)分和分配    2.6.2  氮肥-土壤-植物-大氣間NH+4／NH3交換的定量評價  參考文獻第3章  華北平原小麥-玉米輪作體系中的氮素循環(huán)及環(huán)境效應  3.1  引言    3.1.1  華北平原小麥-玉米輪作體系的氮素管理現(xiàn)狀及環(huán)境效應    3.1.2  華北平原小麥-玉米輪作體系氮素循環(huán)研究進展  3.2  小麥-玉米輪作不同施氮水平下氮肥的農(nóng)學效應和環(huán)境效應    3.2.1  化肥氮去向的定量評價    3.2.2  氮肥的農(nóng)學效應、環(huán)境效應及對土壤氮肥力的影響    3.2.3  氮肥的損失途徑    3.2.4  華北平原小麥-玉米輪作傳統(tǒng)水肥管理條件下的氮肥去向  3.3  現(xiàn)有土壤供氮水平條件下小麥-玉米輪作體系對氮肥環(huán)境承受力的分析    3.3.1  氮肥環(huán)境承受力    3.3.2  氮肥的后續(xù)農(nóng)學和環(huán)境效應  3.4  土壤剖面累積硝態(tài)氮的產(chǎn)生、移動及生物有效性    3.4.1  累積硝態(tài)氮的產(chǎn)生    3.4.2  土壤剖面累積硝態(tài)氮的移動與淋洗    3.4.3  土壤剖面不同部位累積硝態(tài)氮的作物有效性  3.5  華北平原大氣氮素沉降和灌溉水帶入的氮在農(nóng)田氮素平衡中的貢獻    3.5.1  華北平原大氣濕沉降帶入的氮索及其時空變異    3.5.2  華北平原大氣干沉降帶入的氮素及其時空變異    3.5.3  華北平原大氣沉降帶人的氮素總量及其植物有效性    3.5.4  華北平原灌溉水帶入的氮素    3.5.5  華北平原干濕沉降和灌溉水帶入的氮在農(nóng)田氮素平衡中的貢獻  3.6  協(xié)調(diào)生產(chǎn)與環(huán)境目標的氮素管理技術途徑  參考文獻第4章  水稻高效利用氮素的生理機制  4.1  引言    4.1.1  我國水稻生產(chǎn)狀況    4.1.2  我國水稻氮肥施用的問題  4.2  水稻氮素吸收累積特征與氮素利用    4.2.1  水稻氮高效基因型的篩選    4.2.2  水稻一生的氮素需求特征  4.3  水稻根系氮素高效吸收特征    4.3.1  水稻氮素高效吸收與水稻根系生物學特性    4.3.2  水稻對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的吸收特征  4.4  水稻氮素高效利用特征    4.4.1  水稻氮素同化酶與氮素高效利用的關系    4.4.2  水稻中后期植株體內(nèi)氨揮發(fā)特征及其與水稻氮素同化酶活性的關系  4.5  水稻增硝營養(yǎng)機制    4.5.1  水稻硝態(tài)氮營養(yǎng)的生態(tài)意義    4.5.2  水稻根際硝化特征    4.5.3  利用數(shù)學模型研究水稻根際土壤硝化特征    4.5.4  水稻增硝營養(yǎng)的生理與分子機制    4.5.5  水稻增硝作用與水稻氮素高效利用的關系  參考文獻第5章  水稻氮高效的遺傳基礎  5.1  水稻氮高效品種的篩選    5.1.1  氮高效水稻品種的大田篩選    5.1.2  苗期不同氮效率品種實驗室水培篩選  5.2  水稻苗期高效吸氮的分子生理學基礎    5.2.1  不同氮效率品種苗期吸氮效率差異的生理基礎    5.2.2  水稻苗期編碼銨態(tài)氮吸收代謝基因家族表達特征的定量分析  5.3  增硝營養(yǎng)對水稻根系生長和銨吸收的影響及其分子基礎    5.3.1  增硝營養(yǎng)對水稻根系生長的影響    5.3.2  不同銨硝比營養(yǎng)對水稻氮相關基因表達的影響    5.3.3  水稻“硝促銨吸收”分子基礎初探  5.4  氮高效的分子生物學調(diào)控  參考文獻第6章  小麥高效利用氮素的生理與遺傳機制  6.1  小麥品種間氮素吸收和利用效率差異    6.1.1  氮效率的定義    6.1.2  小麥品種間氮素吸收、利用效率的差異  6.2  氮素吸收、利用效率與產(chǎn)量性狀的相關性  6.3  栽培不同氮效率小麥品種后土壤硝態(tài)氮殘留的差異  6.4  小麥高效吸收氮素的生理機制    6.4.1  小麥品種(系)間根系發(fā)育的差異    6.4.2  根系發(fā)育與吸氮量的相關分析    6.4.3  吸收動力學與氮素吸收的關系  6.5  影響利用效率的因素分析  6.6  調(diào)控小麥吸氮量及其相關性狀的QTL定位    6.6.1  “旱選10號×魯麥14”DH群體的QTL定位    6.6.2  “小偃54×京411”RIL群體的QTL定位  6.7  調(diào)控小麥氮素利用效率(Gute)及其相關性狀的QTL定位  參考文獻第7章  玉米高效利用氮素的生理與遺傳機制  7.1  玉米對氮素的吸收利用規(guī)律    7.1.1  生長后期吸氮對氮素吸收的影響    7.1.2  地上部庫容對氮素吸收的影響  7.2  玉米的氮效率及其基因型差異    7.2.1  玉米的氮效率    7.2.2  玉米氮效率的基因型差異  7.3  玉米高效利用氮素的生理機制    7.3.1  氮的吸收速率    7.3.2  氮素對玉米根生長發(fā)育的調(diào)節(jié)    7.3.3  氮素的利用效率    7.3.4  玉米體內(nèi)的氮素循環(huán)    7.3.5  氮高效品種的生物學特征  7.4  玉米高效利用氮素的遺傳機制    7.4.1  玉米氮效率和根系性狀的配合力及雜種優(yōu)勢分析    7.4.2  氮脅迫條件下玉米根系相關基因的QTL定位  7.5  問題與展望    7.5.1  高產(chǎn)品種、氮高效品種及氮高效品種的篩選指標    7.5.2  氮高效基因與氮高效分子育種  參考文獻第8章  水稻-小麥輪作系統(tǒng)中優(yōu)化施氮及提高氮肥利用率的原理與方法  8.1  水稻-小麥輪作系統(tǒng)中作物的需氮特征  8.2  水稻-小麥輪作系統(tǒng)中氮肥的損失與對策    8.2.1  水稻季氮肥的損失與控制對策    8.2.2  小麥季氮肥的損失與控制對策  8.3  水稻-小麥輪作系統(tǒng)中水稻季氮肥的農(nóng)學效應、經(jīng)濟效應與環(huán)境效應    8.3.1  水稻-小麥輪作下水稻季土壤供氮量和氮肥用量    8.3.2  水稻-小麥輪作下水稻的氮肥增產(chǎn)效果及氮肥表觀利用率    8.3.3  水稻季15N試驗中氮素的去向與平衡    8.3.4  水稻季氮肥用量與環(huán)境    8.3.5  水稻高產(chǎn)與環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的區(qū)域氮肥總量控制    8.3.6  結(jié)論  8.4  GIS技術在區(qū)域性水稻-小麥輪作系統(tǒng)優(yōu)化施氮中的應用    8.4.1  試驗區(qū)概況    8.4.2  區(qū)域水稻-小麥輪作系統(tǒng)土壤氮素及相關特性空間預測    8.4.3  區(qū)域水稻-小麥輪作系統(tǒng)優(yōu)化施氮量的空間預測    8.4.4  區(qū)域水稻-小麥輪作系統(tǒng)優(yōu)化施氮量的效益評估    8.5  創(chuàng)新點  參考文獻第9章  小麥-玉米輪作系統(tǒng)中優(yōu)化施氮和提高氮肥利用率的原理和方法  9.1  小麥-玉米輪作系統(tǒng)氮肥管理的問題分析    9.1.1  華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)的施肥現(xiàn)狀    9.1.2  華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)氮肥利用率和環(huán)境效應    9.1.3  華北平原小麥-玉米輪作體系氮素循環(huán)與氮素平衡  9.2  農(nóng)田尺度上小麥-玉米輪作系統(tǒng)優(yōu)化施氮和提高氮肥利用率的原理和方法    9.2.1  “以根層養(yǎng)分調(diào)控為核心”的氮素實時監(jiān)控技術原理    9.2.2  “以根層養(yǎng)分調(diào)控為核心”的氮素實時監(jiān)控技術的建立    9.2.3  “以根層養(yǎng)分調(diào)控為核心”的氮素實時監(jiān)控技術的定位試驗驗證與應用    9.2.4  進一步提高氮肥效率的途徑  9.3  小麥-玉米輪作系統(tǒng)的區(qū)域氮肥管理    9.3.1  小麥-玉米輪作系統(tǒng)氮肥施用的區(qū)域總量控制    9.3.2  基于GIS技術的區(qū)域氮肥管理  9.4  進一步提高小麥-玉米輪作系統(tǒng)的生產(chǎn)力和氮效率    9.4.1  高產(chǎn)和氮高效基因型小麥和玉米品種的農(nóng)學與環(huán)境效應    9.4.2  同步提高作物產(chǎn)量與氮效率  參考文獻第10章  水稻-小麥輪作系統(tǒng)中的氮素循環(huán)模擬研究  10.1  理論基礎  10.2  模型開發(fā)    10.2.1  基本結(jié)構    10.2.2  模型的輸入輸出界面    10.2.3  模型參數(shù)  10.3  模型驗證    10.3.1  氨揮發(fā)    10.3.2   NO-3-N滲漏    10.3.3   N2O的排放    10.3.4  作物地上部分吸氮量    10.3.5  生物量與作物產(chǎn)量  10.4  模型應用與評價    10.4.1  土壤氮素平衡    lO.4.2  產(chǎn)量效益評價    10.4.3  經(jīng)濟效益評價    10.4.4  環(huán)境效益評價  參考文獻第11章  小麥-玉米輪作體系中的氮素循環(huán)模擬研究  11.1  土壤-作物系統(tǒng)中氮素模型研究現(xiàn)狀綜述  11.2  作物生長與土壤水氮運移聯(lián)合模型的建立    11.2.1  聯(lián)合模型總體框架    11.2.2  土壤水熱氮運移模塊    11.2.3  作物生長發(fā)育模塊    11.2.4  作物生長與土壤水熱氮運移的耦合  11.3  聯(lián)合模型在小麥-玉米輪作體系中的應用    11.3.1  田間試驗    11.3.2  模型參數(shù)    11.3.3  模型驗證    11.3.4  模型應用    11.3.5  結(jié)論  參考文獻彩圖

章節(jié)摘錄

　　提高氮肥增產(chǎn)效果和利用率、減少農(nóng)田氮系損失及其對環(huán)境的壓力，既是一個全球性研究課題，又是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的嚴峻挑戰(zhàn)。施肥是增產(chǎn)和保障糧食安全必不可少的措施，而化肥生產(chǎn)造成的資源和環(huán)境壓力以及化肥損失造成的環(huán)境風險，使得糧食、資源和環(huán)境的矛盾極其尖銳。如何在保證作物高產(chǎn)的前提下保護環(huán)境成了國內(nèi)外的重大研究問題?！　@提高氮肥增產(chǎn)效果和利用率、減少農(nóng)田中氮肥的損失問題，國內(nèi)外已經(jīng)進行了長期的、多方面的研究。其中主要包括：①農(nóng)田化肥氮的去向的定量評價及影響因素，并在此基礎上發(fā)展出氮肥有效施用的原則和技術；②作物高效利用氮素的機制，為挖掘作物高效利用氮素的生物學潛力提供依據(jù)?！　《炕r(nóng)田化肥氮的去向是研究其農(nóng)學效應和環(huán)境效應的基礎。在這一方面，國內(nèi)外雖然已進行了長期、大量的研究，但是這些研究大多僅限于對作物回收、土壤中殘留氮和氮總損失的評價，有些研究雖然也涉及了不同損失途徑的原位定量研究，但多是針對個別損失途徑（如氨揮發(fā)或N2O排放等）；而且有關農(nóng)田化肥氮的去向以及通過不同損失途徑的遷移通量與施氮量關系的研究很少，因而難以較全面地同時定量評價化肥氮的農(nóng)學效應和環(huán)境效應，更難以擴展到區(qū)域尺度。因此需要進行點的完善和整合，并建立模型，擴展到區(qū)域?！　≡趹醚芯糠矫妫嘘P氮肥的合理施用原理和技術的研究已經(jīng)取得了不少進展。例如，盡量避免土壤中礦質(zhì)氮的過量存在、充分利用和提高作物根系的競爭性吸收能力，以及進行某些轉(zhuǎn)化遷移過程的控制等是主要的技術原則。相應的措施有：①適宜施氮量的推薦；②氮肥深施；③減少生長前期的施用量、重點施于旺盛生長期；④水肥綜合管理；⑤硝化抑制劑、脲酶抑制劑和水面分子膜等的應用；⑥農(nóng)田養(yǎng)分綜合管理等。其中，關鍵和難點是確定適宜施氮量?！　±米魑飳ν寥乐械V質(zhì)氮的競爭吸收，以降低其濃度，從而削弱與損失有關的氮素轉(zhuǎn)化和遷移各個過程的強度，是提高氮肥利用率、減輕其環(huán)境壓力的重要途徑之一。在這一方面，除了上述有關各點外，氮高效品種的利用問題是一個值得探索的新途徑。在過去二十多年中，國內(nèi)外對植物氮素吸收和利用的生理學、遺傳學和分子生物學基礎等已經(jīng)進行了較多的研究，明確了作物氮素營養(yǎng)效率存在明顯的基因型差異，克隆了很多與氮素吸收和利用有關的基因，但對它們與作物的氮高效吸收利用的內(nèi)在聯(lián)系尚缺乏深入研究；對于氮高效品種在協(xié)調(diào)高產(chǎn)與環(huán)保中的作用有多大？體現(xiàn)在哪些方面？也缺乏明確的認識。

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　　農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的氮素循環(huán)及其農(nóng)學效應和環(huán)境效應的評價是一項基礎性的研究工作。因此，國家自然科學基金委員會于2003年春啟動了題為“主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素行為與氮肥高效利用的基礎研究”的重大項目，本書即是該項目的研究成果，本書旨在進一步闡明我國主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素轉(zhuǎn)化和遷移規(guī)律、損失途徑及生態(tài)、環(huán)境效應，基本明確作物高效利用氮肥的生理機制和遺傳學基礎，并提出調(diào)控作物氮肥高效利用的原理和方法。

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