水稻OsAMT1;1过表达提升氮肥减施情境下的氮素利用效率

水稻铵转运蛋白AMT1;1是根系获取土壤氮素(铵态氮)的重要组分,同时参与氮素向地上部的转运。针对稻田施氮过量导致的环境风险和氮素利用效率趋缓的现状,亟需探究既能减少氮肥投入又能维持现有生产水平的调控策略。本研究利用OsAMT1;1过表达水稻材料,设置氮缺乏(LN, 不施氮)、减氮投入(MN, 200 kg hm_^-2)和过量施氮(HN, 350 kg hm_^-2)三个处理水平的田间试验,用以评估OsAMT1;1过表达株系在关键生育期的氮素生产特性。结果表明：在LN条件下,OsAMT1;1过表达相比野生型能够明显改善植株和剑叶氮素营养状态,有利于植株生物量的积累和产量形成。在MN条件下,促进植株在齐穗期至完熟期的生长速率和生物量积累；灌浆期,过表达单株和剑叶含氮量相比野生型分别增加22.95%和29.53%,光合效率(Pn)和气孔导度(g_s)分别增加40.71%和19.39%,千粒重和产量平均增加10.26%和27.36%,氮肥吸收效率(RE_N)和氮素干物质生产效率(NUEb)显著提升,对氮素生理效率(PE_N)和氮肥农学效率(AE_N)有促进作用但并不显著。在HN条件下,该基因过表达在灌浆期的植株含氮量较野生型平均高出22.64%,提升了RE_N,灌浆阶段植株生物量的增加和Pn趋于饱和,PE_N和AE_N均显著降低。可见,与过量施氮(当前施氮习惯)相比,OsAMT1;1过表达在减少氮投入时更有利于协同植株高氮的内部环境实现相当的产量水平,提高水稻氮素利用效率。     

高CO2浓度对不同氮素供给形态下水稻叶片光合作用的影响

为探究水稻叶片光合作用对高CO_2浓度([CO_2])的响应是否与氮素供给形态有关,利用人工气候生长箱,以粳稻(武运粳23号和淮稻5号)、籼稻(扬稻6号)和杂交稻(Y-两优6号)为试验材料,设置主处理:大气[CO_2]和高[CO_2]处理(+200μmol/mol),副处理:硝态氮和铵态氮处理,测定水稻新展开完全叶片的光合作用。试验结果表明:高[CO_2]会增加硝态氮处理下粳稻和杂交稻叶片的净光合速率(P_n)、铵态氮处理下粳稻武运粳23号叶片P_n以及各氮素供给形态下水稻叶片胞间[CO_2](C_i)和水分利用效率(WUE),其中在硝态氮处理下P_n和WUE的响应要高于铵态氮处理;高[CO_2]会降低水稻叶片的气孔导度(g_s)和蒸腾速率(T_r),其中在硝态氮处理下粳稻g_s和T_r的响应要高于籼稻,而在铵态氮处理下高[CO_2]对杂交稻g_s和T_r的影响要高于粳稻和籼稻。可见,不同的氮素供给形态会影响水稻叶片的光合作用对高[CO_2]的响应,且这种影响在水稻品种间存在很大差异。     

水稻铵转运蛋白基因OsAMT1;2的启动子分析

AMT是介导植物铵态氮高亲和吸收的跨膜蛋白,已报道编码AMT蛋白的大部分基因的表达依赖外界氮水平和环境的调控,但调控的机制目前尚不清楚。水稻的Os AMT1;2基因在氮缺乏条件下强烈诱导表达,因此,本研究从水稻基因组DNA中PCR克隆Os AMT1;2基因上游1 940 bp的启动子序列,采用软件和试验分析Os AMT1;2启动子存在的顺式调控元件与外界氮调控的相关性。软件预测结果表明,启动子区域内除含有TATA-box和CAAT-box外,同时含有多种非生物胁迫、生物胁迫、激素响应和光响应相关的顺式作用元件,如Box-w1、MBS、Me JA、TATC和ERE应答元件。将Os AMT1;2启动子的5′端顺序删除获得5个不同缺失片段分别与GUS报告基因融合构成表达载体,通过农杆菌介导转入水稻成熟胚诱导的愈伤组织中获得转基因水稻,T1代植株水平上的GUS活性分析表明,最短启动子片段(–211 bp)能够启动GUS表达,但是GUS活性较低,对缺氮效应也不显著;中等长度启动子片段(–763 bp)的GUS活性提高,受缺氮诱导显著,且缺氮诱导不再随启动子长度增加而显著增强,说明应答氮响应的顺式作用元件位于–211 bp和–763 bp之间,非生物胁迫和激素相关的顺式作用元件多在这个区域内,是否与氮的调控存在相关性有待后续进一步证明。     

覆膜旱作稻N、P、K养分利用特征

在田间试验条件下对覆膜旱作稻体内N、P、K养分浓度、吸收动态及N肥利用率作了研究。结果表明,相同施肥处理条件下不同生育期覆膜旱作稻N、P、K养分浓度及吸收量均高于水作稻,尤以生育中后期较为明显;覆膜旱作稻全生育期N、P、K养分吸收量明显高于水作稻,分布在籽粒中的N、P、K养分含量也有所提高,而在整株中的占有率差异不大,N肥利用率提高12%左右。     

不同类型氮肥与施氮量下夏玉米水、氮利用及土壤氮素表观盈亏

以两个夏播玉米品种为材料，研究了不同类型氮肥与不同施氮量下华北平原夏玉米的水分与氮素利用及土壤氮素表观盈亏．结果表明：（1）随施氮量增大．产量、耗水量及水分生产效率（WPE）增大，氮肥利用率（NUE）降低；（2）夏玉米WPE与NUE具有较明显的基因型差异。WPE郑单958较大。NUE农大108较大；（3）wPE与NUE均受到氮肥类型的影响．WPE郑单958复合肥〉普通尿素〉包膜尿素．农大108处理间差异较小，以复合肥略大，普通尿素和包膜尿素相当。与普通尿素相比，包膜尿素与复合肥利用率较高，郑单958施N90kg／hm^2与农大108施N180kg／hm^2时，两者对NUE的提高尤为明显；（4）本试验条件下，经过夏玉米生长季，两品种各处理均出现土壤氮素表观亏缺，亏缺量随施氮量增大而降低，各条件下郑单958亏缺量较农大108大；氮肥类型间土壤氮素表观亏缺量表现为复合肥〉包膜尿素〉普通尿素。     

土壤供保氮能力决定稻田氮肥增产效果和利用率

黑龙江五常和江苏常熟分属我国东北和华东单季稻区优质粳米的代表性产地,但五常维持水稻高产所需氮肥投入量通常远低于常熟而其增产效果优于常熟。由于两地水热条件、作物品种、农田管理和土壤类型均不同,究竟是何原因导致这种区域差异尚不清楚。为探究土壤因素的影响,在两地稻田分别取黑土型水稻土(BS)和乌栅土(WS),设不施氮(CK)、低氮和高氮(N 150和300 kg·hm^-2标记尿素)处理,开展盆栽试验,比较水稻产量、氮肥利用及总损失的土壤差异,并结合室内淹水矿化培养试验,研究两种水稻土氮素矿化特征。结果发现：在相同气候和水稻品种及管理条件下进行的盆栽试验中,各处理水稻产量、氮肥增产效果及地上氮素吸收累积量BS均优于WS,差值法氮肥利用率BS较WS高出20.0～28.7个百分点,然而¹⁵N示踪法氮肥利用率BS却仅较WS高5.56～8.01个百分点。尽管施氮后水稻吸收土壤氮均增加,但BS土壤来源氮增量较WS高95.0%～215%。根据CK和相应施氮处理水稻地上部土壤来源氮差值可计算土壤氮素表观激发量在BS为173～354 mg·pot^-1     

减氮条件下高产水稻品种的产量形成和氮素利用特征

为探索通过品种改良实现在减少施氮的条件下维持水稻高产的可行性,明确减氮高产品种特征,本研究于2015-2016年在较当地高产高效栽培减氮三分之一(施氮量120 kg·hm^-2)的条件下,以粤晶丝苗2号为对照,分析了晶两优华占、盛泰优722、丰田优553、五优308、粤晶丝苗2号、4HD005、川优丝苗、恒丰优7011、国优9113、云氮4号、9311A/R672、荃香优6号、华润2号、五山丝苗、天优华占、深优513、两优336、春两优油占、盛泰优018、聚两优751共20个水稻品种的产量及其构成、分蘖动态、物质生产、源库特性和氮素吸收利用。结果表明,参试水稻品种间产量差异显著(P<0.01),2015年和2016年分别为4.99~7.18 t·hm^-2和6.22~7.73 t·hm^-2;产量较对照高10%以上的品种为2015年的晶两优华占、盛泰优722、丰田优553、五优308、恒丰优7011、国优9113、9311A/R672和荃香优6号,以及2016年的晶两优华占、盛泰优722、丰田优553、天优华占、深优513和聚两优751,其中晶两优华占(两年)、国优9113、荃香优6号、深优513和聚两优751的产量均超过7.00 t·hm^-2,且较对照高20%以上,表明通过品种改良实现减氮高产是可行的。在减氮条件下,水稻产量与总生物量、库容量均呈显著正相关,而与产量构成因子、单位面积茎蘖数、不同阶段物质积累量及叶源大小均无显著相关性。减氮条件下,高产水稻品种的总吸氮量不高,但其氮素籽粒生产效率较高,表明生物量大、库容量大、氮素籽粒生产效率高是减氮高产水稻品种的重要特征。本研究结果为减氮高产水稻品种的选育提供了参考依据。     

基于15N同位素示踪盐渍化农田向日葵氮素利用规律

为探明盐渍化农田不同施氮水平下向日葵氮素吸收利用规律,采用¹⁵N同位素示踪技术进行田间微区试验,以不施氮处理(N0)为对照,设计3种施氮水平(N1=150 kg/hm²、N2=225 kg/hm²、N3=300 kg/hm²),于向日葵成熟期测定植株和0—100 cm土层土壤¹⁵N同位素丰度及总氮含量,研究各处理肥料氮素的去向及其利用机制。结果表明：向日葵氮素吸收量随施氮量的增加而增加,成熟期作物氮素吸收量在N2水平较不施氮显著增加38.7%;土壤氮和肥料氮对作物当季氮素吸收的贡献比例为84.9%和15.1%。N2水平下,肥料氮的贡献比例较N1增加35.7%,土壤氮的贡献比例较N1降低4.3%。肥料氮残留量随土层深度增加而减少,土壤中47.4%的残留肥料氮主要集中在0—20 cm土层。不同施氮水平下肥料氮去向均表现为氮肥损失率>氮肥残留率>氮肥利用率,N2施氮水平下氮肥利用率较N1、N3显著提高22.7%和14.6%,土壤残留率较N1、N3减少8.5%和8.6%。综...     

缓释氮比例对一次性施肥单季晚稻生长和氮素利用的影响

探明单季晚稻缓释氮肥一次性施用模式中缓释氮占总施氮量的适宜比例,为单季晚稻高效施肥提供理论指导。2019—2020年在浙江省长兴县和平镇开展田间试验。试验共设6个处理：（1）不施氮肥（N0）;（2）常规施肥（U1,基肥：分蘖肥：穗肥为4：3：3）;（3）常规施肥减氮12.5%（U2,比例同U1）;（4）57%缓释氮一次性施用（SRU1）;（5）45%缓释氮一次性施用（SRU2）;（6）34%缓释氮一次性施用（SRU3）。U1的施氮量为240 kg/hm²,U2和SRU的施氮量均为210 kg/hm²。测定水稻产量、养分吸收量、养分利用率、田面水铵态氮含量和氨挥发量等指标。结果表明：N0处理的单季晚稻产量为U处理的73.55%。与U相比,缓释氮肥一次性施用可以维持水稻产量。单季晚稻产量随着缓释氮施用比例升高而增加。SRU处理与U处理之间地上部氮含量及氮素吸收量均无显著差异。2019年SRU2处理和2020年SRU1处理氮肥利用率分别比U处理提高10.49%和8.84%,达到显著差异水平,其他处理与U1、U2处理间差异均不显著。与U相比,SRU处理显著降低了田面水铵态氮含量和稻田累积氨挥发量,但各缓释肥处理间无显著差异。综合相关产量及氮素损失的结果,34%缓释氮施用比例可满足单季晚稻一次性施肥要求,能保证水稻稳产,同时降低氮素径流和挥发损失。     

15N示踪法研究生物炭施用对水稻—土壤系统氮肥去向的影响

为探究施用水稻秸秆生物炭对水稻产量、氮肥利用率、氮肥残留及损失的影响,采用盆栽试验结合¹⁵N示踪技术,分析了施用水稻秸秆生物炭对水稻生物量、氮素积累量、肥料氮去向以及氨氧化微生物的影响。研究共设置5个处理:不施氮肥(N0)、单施化肥(CF)、施化肥配施0.5%生物炭(BC1)、施化肥配施1%生物炭(BC2)和施化肥配施2%生物炭(BC3)。结果表明:与CF处理相比,BC2和BC3处理均显著提高水稻产量,增产率分别为19.3%和22.0%。施用生物炭显著增加水稻氮素积累量和表观利用率。施用生物炭的水稻籽粒肥料氮积累和总肥料氮积累量较CF处理分别提高18.6%~23.4%和18.5%~26.5%。然而,施用生物炭处理与CF处理之间的籽粒土壤氮吸收量没有显著差异。BC1、BC2和BC3处理的氮肥利用率分别为30.4%,28.5%和29.3%,均显著高于CF处理(24.1%)。施用生物炭有利于肥料氮在土壤中的 残留,从而减少损失。因此,施用生物炭的肥料氮损失率(25.7%~27.5%)显著低于单施化肥处理(38.4%)。与CF处理相比,高量施用生物炭(BC3)显著降低氨氧化细菌的amoA基因拷贝数,但施用生物炭对氨氧化古菌丰度没有显著影响。综上表明,施用水稻秸秆生物炭是提高水稻产量和氮肥利用率,同时还是有效减少氮素损失的一种有效措施。     

控释氮肥减量对糜子产量、氮素利用及土壤氮含量的影响

针对黄土高原旱作区糜子生产中氮肥种类单一、肥料利用效率低的问题,本试验以当地习惯施氮尿素N 120kg/hm²(TN)为对照,设置控释氮肥N 120kg/hm²(T1)、108kg/hm²(T2)、96kg/hm²(T3)、84kg/hm²(T4)、72kg/hm²(T5)和不施肥(T0)七个处理,探究不同控释氮肥处理下土壤全氮、微生物量氮、硝态氮和铵态氮含量的变化规律,分析糜子成熟期氮素积累分配、氮素利用效率及产量对控释氮肥的响应,以期为建立旱地糜子控释氮肥一次性基施轻简栽培技术提供支撑。结果表明：与施用尿素相比,等量控释氮肥可以提高糜子抽穗期和成熟期土壤全氮、微生物量氮、硝态氮和铵态氮含量分别达0.38%~5.51%、1.76%~7.63%、5.41%~11.80%和4.04%~14.77%,其中硝态氮和铵态氮含量两年均显著高于TN,随着控释氮肥减量糜子田各形态氮素均呈降低趋势,减氮量达20%以上时土壤硝态氮和铵态氮含量均显著低于TN处理。施用控释氮肥可以提高糜子成熟期氮素积累量1.97%~3.21%,增加糜子氮素向籽粒中的分配比例0.55%~1.18%,控释氮肥减量20%以上时糜子氮素积累量显著低于尿素全量基施处理。与普通尿素相比,控释氮肥提高了糜子氮肥表观利用率、氮肥偏生产力及氮肥农学利用率,增幅分别为3.29%~4.59%、3.88%~4.14%和5.01%~7.63%,其中氮肥偏生产力处理间差异达显著水平,随着控释氮肥减量糜子氮肥表观利用率、氮肥偏生产力及氮肥农学利用率均呈上升趋势。施用控释氮肥通过增加单位面积穗数和穗重显著提高了糜子产量两年分别达3.88%和4.47%,控释氮肥减量20%以下时糜子产量与尿素差异不显著。相关性分析结果表明,糜子氮素积累量与产量呈极显著正相关,氮素利用效率指标与土壤硝态氮含量相关性最强。综上所述,施用控释氮肥较尿素可显著提高糜子生育中后期土壤供氮能力,促进糜子对氮素的吸收利用进而增加产量,且在适量减氮20%时并未显著降低糜子产量,因此控释氮肥在糜子生产中有较大的应用前景及减氮潜力。