磷与水分互作的根土界面效应及其高效利用机制研究进展

【目的】磷与水分利用率低是制约作物生产的重要因子。磷必须在水分的作用下通过根土界面才能被作物吸收利用,磷和水分在根土界面的互作效应是影响其高效利用的关键环节。本文以根际为核心,重点综述了磷与水分在根土界面的互作机制,并剖析了通过强化根土界面磷与水分的协同,提高农田水肥资源利用效率的根际调控途径。[主要进展]根系的形态和生理变化深刻影响磷和水分的有效性,而根系生长和根际过程依赖于植物的营养和水分供应状况,作物根层适宜的水分和养分供应水平能最大化根系和根际过程的效率,从而促进作物对磷与水资源的高效利用。作物根系除了能对根层土壤中磷和水分的系统供应做出响应外,也对局部磷和水分的变化产生形态和生理上的反应。根系响应磷和水分的表型可塑性与植物激素的调控作用密切相关。ABA、乙烯、NO均参与磷和水分互作的调控过程,质外体pH在调控植物抵抗水分胁迫过程中具有重要作用,并与植物的营养状况密切相关。[展望]深入理解根土界面水与磷互作的协同过程及其调控机制是提高集约化作物体系水分和磷利用效率的关键。未来的研究方向与重点包括:进一步揭示磷和水分互作与激素信号途径之间的关系,探明农田生态系统中磷与水分互作的根土界面效应及其高效利用的协同机制,建立不同种植条件下水肥资源高效利用的根际调控途径,为通过根系、根际的定向调控,发挥其生物学潜力,提高集约化农田水肥资源的利用效率提供科学依据。     

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

【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。     

不同磷水平下玉米-大豆间作对红壤无机磷组分及有效磷的影响

通过2年盆栽试验，探讨不同磷水平下玉米–大豆间作根际土壤无机磷组分、土壤有效磷含量及作物磷吸收的差异，明确土壤无机磷组分、土壤有效磷与作物磷吸收之间的相互关系。试验设置玉米单作、大豆单作、玉米–大豆间作3种种植方式以及3个P2O5施用水平(0、50、100 mg/kg，分别记作P0、P50、P100)，共9个处理。结果表明：与单作相比，2018年和2019年在P0、P50和P100水平下，间作显著提高玉米和大豆的籽粒产量，并显著提高玉米和大豆植株的磷素吸收量。与常规施磷水平(P100)下的单作处理相比，玉米–大豆间作在磷肥减少50%(P50)的条件下，并未降低玉米和大豆的磷吸收量与籽粒产量。3个磷水平下，间作提高了玉米和大豆根际土壤有效磷含量，而降低了根际土壤总无机磷以及Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P的含量；同时适当增施磷肥显著提高了玉米和大豆根际土壤总无机磷及各无机磷组分的含量。本试验条件下，间作促进土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P和O-P的活化(尤其是Fe-P)，是低磷胁迫下间作土壤有效磷含量与作物磷吸收量增加的重要原因。玉米–大豆间作具有节约磷肥、维持作物产量及根际土壤有...     

不同磷效率油菜根际土壤磷活化机理研究

筛选和培育耐低磷植物是缓解磷矿资源缺乏和提高磷肥利用效率的有效途径之一。本研究在前期材料筛选的基础上,通过根箱试验研究不同磷效率油菜根际土壤磷活化机理,其结果如下:在施磷和不施磷处理条件下,磷高效油菜品种B56（HG）的吸磷量和生物量均高于磷低效品种B10（LG）;两油菜品种根际土壤中的NaHCO3-Pi, NaHCO3-Po和 NaOH-Pi,NaOH-Po四种磷素形态均有显著的亏缺现象;磷高效品种（HG）根际土壤上述四种磷素形态亏缺程度大于磷低效品种（LG）,但Resin-P则出现富集,并且HG的富集程度大于LG,这可能与HG具有较高吸磷能力有关。两油菜品种根际土壤HCl-Pi 和 残渣态磷（Residual-P）没有发生明显的亏缺现象。相比较而言,HG能分泌更多的酸性磷酸酶,该酶活性与NaHCO3-Po含量呈显著的负相关,说明酸性磷酸酶对有机磷矿化起着非常重要的作用。     

石灰性土壤难溶态磷的微生物转化和利用

目前农业生产中大多通过施用可溶性磷肥为植物提供有效磷。磷酸根化学性质活泼,施入土壤后能很快与土壤中的其它成分发生反应,使植物对其利用的有效度随时间延长而降低,最终以难溶性磷酸盐或吸附态形式滞留于土壤中,难以被植物直接吸收。据估计,在石灰性土壤中约有80% 的磷肥以难溶性磷酸盐存在。为此人们采用了许多方法提高磷肥的利用率,其中利用植物根际与磷循环相关的生物学系统来调节植物根际磷的有效性是重要的途径之一。这个生物学系统包括植物本身对土壤难溶态磷的吸收与利用以及土壤中某些微生物参与的难溶态磷的释放与利用。本文论述了微生物( 细菌和真菌) 转化和利用石灰性土壤中难溶态磷的研究进展。     

钙镁磷型复混肥对湖南晚稻产量及磷肥效率的影响

通过在浏阳和湘阴两个县市进行田间肥效试验,研究了3种中低品位磷矿生产的钙镁磷型复混肥对湖南晚稻产量及磷肥效率的影响.结果表明:在当前生产条件下,晚稻施用中低品位磷矿生产的钙镁磷型复混肥处理较农民习惯施肥处理具有显著的增产效果,平均增产量为0.77 t/hm2,增产率为9.1％.钙镁磷型复混肥处理较农民习惯施肥处理可以提高晚稻的每穴穗数、每穴有效穗数和每公顷有效穗数等产量构成因素.钙镁磷型复混肥处理的磷肥利用率、磷肥农艺效率和磷肥产投比分别较农民习惯施肥处理平均提高78.8％、44.4％和17.3％,并能降低磷肥物质生产率.3种类型中低品位磷矿生产的钙镁磷型复混肥与高品位磷矿生产的磷肥对晚稻产量、产量构成因素及磷肥效率的影响差异不显著.     

不同磷水平下小麦蚕豆间作对根际有效磷及磷吸收的影响

【目的】探明不同磷水平下小麦–蚕豆间作对根际有效磷含量及作物磷吸收量的影响,提高磷肥利用率。【方法】2015—2016和2016—2017两季田间试验在云南农业大学试验基地耕作红壤上进行,供试小麦品种为云麦-52,蚕豆品种为玉溪大粒豆。设施P2O5 0 (P0)、45 (P45)和90 kg/hm^2 (P90)三个水平,和单作(M,包括小麦单作MW和蚕豆单作MF)和间作(I)两种种植模式。每季在小麦分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期,蚕豆分枝期、开花期、结荚期、籽粒膨大期、收获期采取根际土样测定有效磷含量。在小麦蚕豆收获期测定单、间作小麦、蚕豆产量,并测定作物地上部磷含量。计算土地当量比(LER)来衡量间作优势,并用磷肥农学利用率来反映磷肥的吸收效率。【结果】与单作相比,在P0、P45、P90水平下,2016年间作种植显著提高了小麦籽粒产量12.5%、21.7%和17.3%,2017年间作蚕豆产量较单作分别降低了16.8%、11.7%和8.2%。三个磷水平下,小麦–蚕豆间作具有产量优势,土地当量比(LER)为0.95~1.18。与常规施磷水平(P90)下的单作相比,小麦–蚕豆间作条件下,磷肥减施1/2 (P45)并未降低小麦和蚕豆产量。间作种植对小麦根际有效磷含量无显著影响(除2016年成熟期外),但2017年,在蚕豆分枝期、开花期、结荚期,间作则分别降低蚕豆根际有效磷含量20.8%、44.5%和18%。与P90单作相比,间作P45处理几乎不会降低小麦、蚕豆根际有效磷含量。小麦、蚕豆磷吸收量主要受磷水平的调控,种植模式对小麦和蚕豆磷的吸收量及磷肥农学利用率均没有影响。【结论】在本试验条件下,小麦–蚕豆间作提高了小麦籽粒产量,降低了蚕豆产量;间作种植主要是改变了蚕豆生育前期根际有效磷含量,但对作物的磷吸收量没有影响。小麦–蚕豆间作具有减施磷肥、维持作物产量和根际土壤有效磷的潜力。     

再论中国磷肥需求预测——基于农业绿色发展视角

磷肥产业发展关乎我国粮食安全、资源利用和环境保护。近40年来由于化学磷肥的持续施用，我国农田土壤有效磷快速提升，在这一背景下基于农业绿色发展的要求，调整未来我国磷肥的需求预测十分必要。本文综合分析了我国农田土壤有效磷的变化，明确了在粮食作物上我国农田土壤有效磷平均已经达到或超出了作物生产的农学阈值(15～25 mg·kg^-1)，在蔬菜和果树等经济作物上土壤有效磷已经全面超过农学阈值。农业绿色发展要求在保障作物高产的同时，要充分发挥作物的根系/根际生物学潜力以提高磷资源利用效率、同时改善农产品营养品质和降低环境风险，为此，应将磷肥施用策略从培肥地力保增长调整到以农学阈值为目标的维持施磷保增产、升效率、提品质。同时，农业绿色发展需要从工艺和农艺两方面最大限度提高农业废弃物中磷资源的再利用效率。据此，考虑我国粮食和其他农产品需求，继2007年基于土壤磷肥力变化预测我国磷肥需求的基础上，本文对我国未来农业磷肥需求进行了再预测。结果表明，到2030和2050年，我国化学磷肥的需求量分别为1084万吨和742万吨。因此，在各项措施持续优化基础上，我国化肥磷的需求在短期(203...     

土壤—植物根际磷的生物有效性研究进展

探讨土壤－植物根际磷素养分状况及利用机理，提高土壤磷的生物有效性，使土壤中潜在的难溶性磷库活化，提高磷肥利用率，对促进农业生产的持续发展和陆地生态系统的良性循环具有重大的现实意义。文章从这一角度出发，论述了根际土壤中根际微生物，根际pH值，根系分泌物，菌根，根际土壤磷酸酶等各种因素对提高土壤磷素利用率的机理。     

施磷量对玉米 -大豆间作根际红壤无机磷形态及磷吸收的影响

通过盆栽模拟试验,探讨不同施磷量对玉米 -大豆间作作物生长及磷吸收的影响,并分析根际红壤中各无机磷形态的变化。结果表明:与单作相比,玉米 -大豆间作显著提高了作物地上部生物量及磷素吸收量,并具有明显的产量优势。与常规施磷水平(P100)下的单作相比,玉米 -大豆间作条件下,磷肥减施 1/2(P50)并未降低作物籽粒产量与玉米的磷吸收量。间作种植显著降低了玉米、大豆根际红壤总无机磷含量,并且无机磷减少量主要以O-P、Fe-P和 Ca-P为主。玉米、大豆根际土壤Fe-P、Al-P、Ca-P与 O-P占土壤总无机磷含量的比例主要受磷水平的调控,而种植模式对玉米和大豆根际土壤中各无机磷形态的比例(除 Fe-P外)均没有影响。在本试验条件下,玉米 -大豆间作通过根系交互作用主要促进土壤中 Fe-P、Ca-P和 O-P的活化来增加玉米与大豆的磷吸收,并具有节约磷肥、维持作物产量和磷吸收的潜力。     

改性磷矿粉在石灰性土壤上的生物有效性及其机理研究

为缓解磷资源危机,充分利用不适于化学加工的磷矿资源,对磷矿采用活化技术开发利用,由此生产的改性磷肥已被证明在酸性土壤上有很高的生物有效性,但在石灰性土壤上的研究还比较少。本文选择4种不同产地(云南昆明、四川德阳、四川绵竹和贵州开阳)的磷矿粉,分别用有机活化剂和无机活化剂进行活化处理,制备改性磷矿粉,并就其在石灰性土壤对苗期春小麦的生物有效性进行了盆栽试验。结果表明,4种磷矿粉经活化处理后有效磷和水溶性磷含量均明显增加,无机活化剂提高了有效磷的含量,而有机活化剂对水溶性磷的提高幅度较大。改性磷矿粉处理均不同程度提高了石灰性土壤上春小麦的生物量干重、植株吸磷量和磷利用效率,有机活化剂处理制备的改性磷矿粉对春小麦生长的促进作用更为明显。运用红外光谱谱学技术对4种磷矿粉及相应的8种改性磷矿粉结构分析结果表明,磷矿粉经改性后其结构发生了明显变化,H2PO4和HPO42的特征谱带明显增加,增加的程度因磷矿粉的产地和活化剂种类不同而有差异。对磷矿粉化学成分分析结果表明,不同产地的磷矿粉其磷以及钙、铁、铝、镁等化学成分的含量差异较大,活化剂对磷矿粉的活化效果与磷矿粉本身的氧化物含量有关。在本试验条件下,磷矿粉Ⅲ(四川绵竹)的活化效果相对最好,与其氧化镁含量最高、总氧化物含量最低有关。不同类型活化剂对磷矿粉的活化效果不同,红外光谱分析结果表明,无机活化剂活化效果较好,而土培试验结果表明有机活化剂的活化效果较好,这一结果有待进一步的研究。     

土壤微生物在枸溶性和聚合态磷肥活化利用中的作用

[目的]如何实现磷肥高效利用是农业生产中亟待解决的重要问题.研究土壤微生物在磷肥形态转化与高效利用过程中的作用及机制,为理解作物-磷肥品种-土壤微生物匹配机制提供科学依据.[方法]盆栽试验选用褐土,速效磷为4.53 mg/kg,供试玉米品种为'郑单958'.试验土壤首先进行高温灭菌和不灭菌处理,然后分别施用磷酸一铵(M...     

水稻细胞间磷酸盐高效循环再利用的机制解析

磷是作物生长发育必需的大量矿质营养元素.由于磷酸盐易被土壤所固定的特性,往往需要大量施用磷肥来满足作物需求,这造成了田间磷肥利用效率低且带来环境污染风险.提高作物体内磷素利用效率,减少对外界磷素供应的依赖是磷素养分高效的重要途径.目前,大量研究解析了作物磷素信号调控网络及其调控磷素吸收的分子生理机制,但针对作物自身磷素...     

Influence of Ectomycorrhizal Hyphae on Phosphate Fractions and Dissolution of Phosphate Rock in Rhizosphere Soils of Pinus radiata

A study was conducted to determine the effect of ectomycorrhizal hyphae on phosphate rock dissolution and soil properties in the rhizosphere of one-year-old Pinus radiata D. Don seedlings established on an allophanic soil (Andosol) in the field. High and low ectomycorrhizal hyphal activities were produced in soils inside the lower compartments of rhizosphere study containers by using either 26 μm or < 10 μ m pore-size nylon mesh(es) at the interfaces between the lower and upper compartments. The meshes at the interfaces allowed (26 μm) or reduced (< 10 μ m) hyphae penetration into the lower compartment. Pairs of containers, one with 26 μ m mesh and the other with < 10 μ m mesh, were buried under Pinus radiata seedlings for 10 months in a forest plantation. The effect of ectomycorrhizal (ECM) hyphal activity on phosphate rock dissolution and soil properties was determined. The increased ECM hyphal activity induced increased soil acidification and promoted greater production of acid phosphatase enzyme, causing greater changes in phosphorus (P) fractions in the rhizosphere soils. The increased ECM hyphal activity also stimulated higher dissolution of phosphate rock and mobilization of soil organic P. The results suggest that ECM hyphal strand has a significant role in mobilizing low-solubility P forms and soil organic P for utilization by the tree.     

Utilization of Sparingly Soluble Phosphate by Red Clover in Association with Glomus mosseae and Bacillus megaterium

A pot experiment was conducted to investigate the mobilization of sparingly soluble inorganic and organic sources of phosphorus (P) by red clover (Trifolium pratense L.) whose roots were colonized by the arbuscular mycorrhizal (AM) fungus Glomus mosseae and in association with the phosphate-solubilizing (PS) bacterium Bacillus megaterium ACCC10010. Phosphate-solubilizing bacteria and rock phosphate had a synergistic effect on the colonization of plant roots by the AM fungus. There was a positive interaction between the PS bacterium and the AM fungus in mobilization of rock phosphate, leading to improved plant P nutrition. In dual inoculation with the AM fungus and the PS bacterium, the main contribution to plant P nutrition was made by the AM fungus. Application of P to the low P soil increased phosphatase activity in the rhizosphere. Alkaline phosphatase activity was significantly promoted by inoculation with either the PS bacterium or the AM fungus.     

高投入蔬菜种植体系磷素高效利用的根际对话及效应研究进展

蔬菜种植体系是一种高投入体系,高量磷肥的投入会造成磷资源浪费和磷高积累带来的环境风险。通过根际调控增加磷有效性以及提高蔬菜对磷的吸收利用是菜地减磷增效行之有效的手段之一。基于该研究思路,综述了根际对话三大模块,植物-植物对话（蔬菜间套作根系互作）、植物-微生物对话（蔬菜根系与菌根真菌及根际促生菌互作）以及微生物-微生物对话（菜地解磷微生物与根际微生物互作）在促进蔬菜根系发育、活化土壤累积态磷从而增加蔬菜对磷的吸收利用方面的作用及其作用机制。同时阐述了人为调控不同模块,如利用解磷微生物菌肥提高蔬菜磷吸收利用,以及在缓解蔬菜连作障碍方面的应用效果及机理。最后探讨今后高投入体系根际对话的研究方向,旨在为推动高投入蔬菜种植体系磷肥管理的绿色和可持续发展提供理论依据。     

Simulation of the effect of citrate exudation from roots on the plant availability of phosphate adsorbed on goethite

Rhizosphere processes strongly influence the availability of phosphorus (P) to plants. Organic ligands that are exuded from the root surface mobilize phosphorus by dissolution of P minerals or by desorption of adsorbed phosphate. We developed a mechanistic model to study the mobilization of phosphate sorbed on goethite by the exudation of citrate and consequent uptake of phosphate by the root. The use of a model allows the effects of the organic anion and pH on P desorption to be separated. The model is also used to predict concentration profiles developing around the root for phosphate, citrate (with or without accounting for degradation) and pH, providing insight into the processes that occur in the rhizosphere. Results of model calculations show that with larger rates of citrate exudation, greater P availability is predicted. Exudation at a rate of 0.5 μmol citrate m^–1 root day^–1, which is in the range found for P-deficient plants, increased P availability almost 2-fold at fairly large phosphate loading of goethite (1.9 μmol m^–2) and almost 30-fold at small phosphate loading (1.3 μmol m^–2). Competitive adsorption causes a much greater relative increase in the phosphate concentration in solution at small than at large phosphate loading, which explains this result. Simultaneous acidification of the rhizosphere results in a smaller P mobilization than at a fixed pH of 5, as a result of the pH dependence of phosphate adsorption in the presence of citrate. Sorption of citrate increases its persistence against microbial decay, and hence has a positive effect on the mobilization of adsorbed phosphate.     

Effect of PGPR,Phosphate sources and vermicompost on growth and nutrients uptake by lettuce in a calcareous soil

In order to study the effect of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR), vermicompost and phosphate sources on the growth and nutrients uptake by lettuce, a greenhouse experiments was conducted. Treatments consisted of PGPR (Pseudomonas fluorescens) (with and without inoculation), vermicompost (0 and 1% w/w) and phosphate sources (control, rock phosphate (RP), tricalcium phosphate and triple super phosphate (TSP) at 25 mg P kg^?1 level). Biological fertilizers, RP and TSP significantly increased shoot dry matter (SDM) and some measured nutrients uptake. Co-application of PGPR and RP, in non-vermicompost treatments significantly increased SDM, shoot nitrogen, phosphorus (P), potassium, zinc and manganese uptake rates. Shoot P uptake had no significant difference between TSP and RP treatments. Co-application of PGPR, vermicompost and TSP significantly decreased SDM, which may be due to the P toxic levels in the plant aerial parts and/or the inhibition of the bacterial activities in the rhizosphere soil.     

增氧提高蔬菜磷素吸收利用的作用机制研究进展

磷素的吸收利用率低是制约蔬菜生产的重要障碍因子之一,蔬菜根系形态和生理特性的适应性变化是高效利用土壤磷的主要生物学机制。当前磷肥的过量施用导致蔬菜根际环境的恶化,而根际环境对蔬菜的根系形态结构、根系活力和植株生理反应也都会产生反馈影响。本文从氧营养的角度,以根系为核心,综述了国内外提高蔬菜磷素利用率的途径,根系与根际环境互作对蔬菜磷素利用率的响应,并剖析了增氧促进根系生长及改善根际环境提高蔬菜对磷的吸收及利用的生物学机制,从而为提高蔬菜磷肥利用效率、减少蔬菜地磷肥投入量提供理论依据。