題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項目名稱：
- 用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)建立小麥氮磷鉀營養(yǎng)需求的量化體系
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡介：
- 氮磷鉀是肥料三要素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上需要大量施用氮磷鉀肥以避免作物營養(yǎng)虧缺。但是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上施肥過于粗放和集中，不僅造成大量肥料浪費(fèi)，破壞農(nóng)田，污染環(huán)境，遠(yuǎn)未達(dá)到科學(xué)施肥的理想目標(biāo)，急需建立判斷化肥適宜施用量和施用時間的指導(dǎo)體系。本文以重要農(nóng)作物小麥為實(shí)驗材料，利用先進(jìn)的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)建立了一種可以快速、靈敏、準(zhǔn)確地預(yù)警、診斷和量化作物氮磷鉀營養(yǎng)需求的新方法，為科學(xué)施肥提供參考。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、項目的研究意義 肥料是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，作物需要不斷地從土壤中吸收各種營養(yǎng)元素以維持正常生命活動。植物所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素共14種，任何一種植物必需元素的缺乏都會導(dǎo)致作物生長發(fā)育受阻、生長緩慢，嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。其中作物對氮磷鉀需求量最大，它們不僅是植物體的重要組分，還參與細(xì)胞的各種代謝及各種生命活動，被稱為“肥料三要素”。而農(nóng)田土壤中普遍缺乏氮、磷、鉀，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上普遍施用氮磷鉀肥以避免營養(yǎng)缺乏。 但是，目前我國氮磷鉀肥的施用中存在兩個問題：一是農(nóng)業(yè)上主要采取傳統(tǒng)的觀葉法判斷缺素癥，這一方法雖然簡單，但往往在元素缺乏非常嚴(yán)重時才能被發(fā)現(xiàn)，這時已經(jīng)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了不可彌補(bǔ)的損失，不能及時發(fā)現(xiàn)氮磷鉀的缺乏。二是化肥施用過多，尤其氮肥施用過多的問題在我國極為普遍，不僅會造成農(nóng)作物減產(chǎn)，還會破壞農(nóng)田，污染環(huán)境。要解決這兩個問題均需建立一種可以快速、靈敏、準(zhǔn)確地預(yù)警、診斷和量化作物營養(yǎng)需求的新方法。本文用我國重要的農(nóng)作物小麥為實(shí)驗材料，利用先進(jìn)的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，建立了小麥氮磷鉀營養(yǎng)需求的量化新體系，為科學(xué)施肥提供參考。 二、項目的科學(xué)性和先進(jìn)性 關(guān)于化肥適宜施用量的判斷已進(jìn)行了長期的研究，從方法或技術(shù)路線的角度看，可分為兩類：（1）測試類，包括通過土壤肥力測試或植株活力測試以確定適宜施肥量的各種方法，如測土配方法、加入診斷法、病癥診斷法和光譜測定法等；(2)以田間化肥施用量試驗為基礎(chǔ)的推薦方法，如區(qū)域平均適宜施用量法。我國農(nóng)業(yè)還是以農(nóng)民分散生產(chǎn)為主，推廣范圍有限。另外，它以土壤為測試對象，配方數(shù)據(jù)不能全面覆蓋所有營養(yǎng)元素，1年甚至數(shù)年才更新一次，土壤取樣誤差也較大，不能及時反映作物實(shí)際需肥的動態(tài)變化，所提供肥料養(yǎng)分配方與作物需求存在一定差距，難做達(dá)到科學(xué)施肥的理想目標(biāo)。傳統(tǒng)的目測法雖易推廣，但弊端更顯而易見，因為只有作物嚴(yán)重缺乏氮元素或其他元素時，才能表現(xiàn)出顯著的缺乏癥狀，這時已經(jīng)給作物生產(chǎn)帶來不可彌補(bǔ)的損失。 光合作用是植物葉片最為重要的功能，這一過程需要各種礦質(zhì)元素的參與，任何一種礦質(zhì)元素的缺乏都會對光合作用產(chǎn)生直接或間接的影響。觀葉診斷法早就發(fā)現(xiàn)必需礦質(zhì)元素的缺乏在葉片的結(jié)構(gòu)和功能上都會有明顯表現(xiàn)。如缺氮植物葉片發(fā)黃，尤其老葉更黃；缺磷植物葉片暗紫或紫紅；缺鉀植物葉片萎蔫，葉片有壞死斑點(diǎn)。營養(yǎng)元素缺乏導(dǎo)致的葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化必然會影響其光合能力，在光合作用各個化學(xué)過程中有所反映。 葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)（fluorescence induction, FI）是目前植物生理學(xué)中研究光合作用的應(yīng)用最廣泛的方法之一，可以靈敏檢測激發(fā)能的傳遞、光系統(tǒng)原初光化學(xué)反應(yīng)、電子傳遞及光合碳同化效率等光合作用的各個過程以及光合結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和效率，是研究葉片功能的靈敏探針，在不同植物學(xué)分支科學(xué)和農(nóng)學(xué)研究中廣泛應(yīng)用。 熒光動力學(xué)通過高速連續(xù)激發(fā)光得到葉片的OJIP熒光誘導(dǎo)曲線，可以在幾秒鐘內(nèi)測定F0、Fm、Fv、Fv/Fm、FJ、FI、FP、Tm、Area、PI（綜合指數(shù)）、ψO、φEo、φDo、Vt、VJ、WK、PIABS、PICS、ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、RC/CSo、RC/CSm等五十多個葉綠素?zé)晒鈪?shù)。 由于葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)所用儀器攜帶方便、使用簡單、測定迅速、信息豐富、經(jīng)久耐用且易維護(hù)，測定無損傷且反應(yīng)靈敏，用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)描述營養(yǎng)元素缺乏癥的文獻(xiàn)多達(dá)上千篇。但是這些文獻(xiàn)主要是為了分析某種元素缺乏時對光合作用的影響，他們所用植物材料、研究的元素種類、設(shè)定的缺素程度、測定的熒光動力學(xué)參數(shù)各不相同，不能進(jìn)行系統(tǒng)地比對和量化某種作物的全部缺素特征，研究成果主要停留在理論研究階段，不能用于指導(dǎo)施肥。本項研究將對熒光參數(shù)與礦質(zhì)元素缺乏癥及元素需求程度的關(guān)系進(jìn)行全面分析，結(jié)合作物的光合特征、生理特征、生化活性等各方面的數(shù)據(jù)論證并找出各類元素的可靠靈敏的特征性葉綠素?zé)晒鈪?shù)，并將各特征熒光參數(shù)與環(huán)境元素濃度、作物體內(nèi)元素濃度等數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，從而得到了小麥氮磷鉀需求的葉綠素?zé)晒饬炕w系，科學(xué)指導(dǎo)施肥。該項研究成果是葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)從理論研究走向應(yīng)用研究的嘗試，研究成果將具有非常廣泛的應(yīng)用前景。 三、項目的研究內(nèi)容、研究方法和解決的關(guān)鍵問題 1、研究內(nèi)容 本項研究選擇在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上推廣較好的優(yōu)質(zhì)小麥品種（Triticum aestivum L. 山農(nóng)D040）為實(shí)驗材料，缺素程度設(shè)計為：以完全Hoagland營養(yǎng)液中的元素濃度為對照，缺素營養(yǎng)液中的元素濃度分別為對照的50%、20%、10%、0%等5個梯度，采用液體培養(yǎng)法精確控制營養(yǎng)元素濃度。針對不同元素濃度梯度處理，每隔一定時間，檢測不同缺素程度的小麥材料的生長參數(shù)、生理生化參數(shù)和光合葉綠素?zé)晒鈪?shù)。具體研究內(nèi)容如下： ①不同程度缺乏某一元素條件下，小麥的生長情況與生理特征分析。測定植株鮮重、高度、色素含量等指標(biāo)隨缺素濃度和處理時間的變化，闡明某種營養(yǎng)元素缺乏影響小麥生長的規(guī)律。 ②不同程度缺乏某一元素條件下，小麥光合能力分析。包括測定光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度（Gs）和細(xì)胞間隙CO2濃度（Ci）。 ③缺素小麥的生化特征。分析缺素小麥的蛋白質(zhì)代謝、糖代謝、水分代謝，分析某一元素缺乏對小麥相應(yīng)代謝的影響。 ④建立缺素診斷的特異性熒光指標(biāo)體系。測定隨缺素濃度和處理時間的變化，小麥葉片葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線和熒光參數(shù)的規(guī)律性變化，通過不同元素及不同濃度的比較，篩選出每種元素特異敏感的葉綠素動力學(xué)指標(biāo)。結(jié)合生長參數(shù)建立元素缺乏的臨界域值，并通過生理生化參數(shù)論證特異性熒光指標(biāo)的可靠性。 ⑤研究某種缺素癥對作物光合結(jié)構(gòu)和功能的影響機(jī)制。利用分析軟件解析單位葉片激發(fā)態(tài)面積和單個反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)變化和功能變化。 ⑥建立營養(yǎng)元素需求的量化體系。建立環(huán)境元素含量與特異葉綠素?zé)晒鈪?shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，科學(xué)預(yù)測小麥的最適生長環(huán)境和需肥量。 2、研究方法 ①小麥材料采用本小組發(fā)明的液體非通氣培養(yǎng)法培養(yǎng)。 ②一般生長參數(shù)如植物鮮重、苗高、根長、色素含量、滲透勢、各類有機(jī)組分含量等均用植物生理學(xué)常規(guī)方法進(jìn)行測定。 ③光合參數(shù)、CO2的同化速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率等用Ciras-2光合測定系統(tǒng)（PP system, Hitchin UK）進(jìn)行測定。 ④熒光多相上升動力學(xué)參數(shù)用植物效率分析儀（Handy-PEA，Plant Efficiency Analyzer, UK）測定。 3、解決的關(guān)鍵問題 ①根據(jù)不同程度的元素缺乏條件下，小麥的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)的變化規(guī)律，首先找出了相關(guān)的可以分級定量的葉綠素?zé)晒鈪?shù)，在此基礎(chǔ)上篩選出了合適的參數(shù)作為診斷和量化氮磷鉀缺乏程度的指標(biāo)。 ②通過生長、生理、生化、光合、熒光參數(shù)確定了小麥正常生長所需的氮磷鉀三要素的臨界濃度閾值。 四、本項目的特色和創(chuàng)新之處 1、通過營養(yǎng)元素濃度的精確控制和水培法，得到了小麥正常生長所需最低氮磷鉀素濃度。 2、首次將葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)應(yīng)用到作物礦質(zhì)元素缺乏癥的診斷方面，研究氮磷鉀素缺乏時在葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)上的特征性變化，建立診斷營養(yǎng)元素缺乏癥的指標(biāo)，可及時診斷和預(yù)防小麥氮磷鉀缺乏。 3、將每種元素的特征性葉綠素?zé)晒鈪?shù)與小麥的氮磷鉀素缺乏癥程度進(jìn)行定量分析，可定量預(yù)測小麥的缺肥程度和施肥量，科學(xué)指導(dǎo)施肥。 4、通過各種生理指標(biāo)和生化指標(biāo)系統(tǒng)地研究不同的營養(yǎng)元素缺乏時對植物光合功能及其他代謝的影響，全面論證了所選各元素相應(yīng)葉綠素?zé)晒馓卣鲄?shù)的合理性和可靠性。 5、研究成果開拓了光合作用研究成果和熒光儀在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用途徑，并創(chuàng)立一種全新的科學(xué)施肥方法。 總之，本項目利用日益成熟的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，創(chuàng)立一種可以快速、靈敏、準(zhǔn)確地預(yù)警、診斷和量化作物營養(yǎng)需求的新方法，對小麥的需肥種類、數(shù)量、方式和時期做出科學(xué)合理的確定，為科學(xué)施肥提供了一套基于作物實(shí)際生長狀態(tài)的、直接的、全面的、及時的、易于操作和推廣的指標(biāo)體系，在科學(xué)施肥方法上取得了新突破。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 氮磷鉀是作物必需的肥料“三要素”，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛施用氮磷鉀肥以保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。但是如何科學(xué)施肥仍然是困擾農(nóng)業(yè)的重大問題，主要是未建立切實(shí)可行的施肥指導(dǎo)技術(shù)。本文利用先進(jìn)的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，以小麥為實(shí)驗材料，創(chuàng)立一種可以快速、靈敏、準(zhǔn)確地預(yù)警、診斷和量化作物營養(yǎng)需求的新方法，提出基于小麥實(shí)際生長狀態(tài)的、直接的、全面的、及時的、易于操作和推廣的指標(biāo)體系，在科學(xué)施肥方法上取得新突破。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 氮磷鉀三要素均在植物光合代謝過程中具有重要作用，缺乏任何一種元素均會顯著影響光合作用的過程和效率。葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)是目前研究光合作用最常用的方法之一，可以靈敏檢測光合作用的過程、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及效率。本文首次利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)建立氮磷鉀缺乏時在葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)上的特征性指標(biāo)體系，用來診斷氮磷鉀缺乏癥。同時將特征性熒光參數(shù)與各元素缺乏癥程度進(jìn)行定量分析，預(yù)測小麥的缺肥程度，科學(xué)指導(dǎo)施肥。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義
- 本文研究成果開拓了光合作用研究成果和熒光儀在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用途徑，并創(chuàng)立一種全新的科學(xué)施肥方法。其結(jié)果不僅對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)價值，在礦質(zhì)營養(yǎng)與光合作用的交叉研究方面也具有重要的理論價值。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 為靈敏檢測和判斷小麥對氮磷鉀三要素的需求量，科學(xué)指導(dǎo)施肥，本文分析了不同程度缺素條件下的小麥葉片生長生理變化以及光合能力的變化。生長結(jié)果顯示，小麥幼苗正常生長所需的氮磷鉀濃度分別為Hoagland營養(yǎng)液中元素濃度的50%、50%和10%。低于這一濃度，小麥葉片的光合色素、光合速率、生化參數(shù)等就會發(fā)生變化，老葉變化幅度大于幼葉。測定小麥葉片的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線顯示，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以更靈敏地反映作物的元素需求量。不同元素缺乏時，發(fā)生變化的熒光參數(shù)并不相同，缺氮主要影響Fm、Fv/Fm、P.I.、ETo/CS、RC/CS、Sm和DIo/CS；缺磷主要影響Fv/Fm、P.I.、Sm；缺鉀主要影響Fm、Fv/Fm、P.I.、RC/CS、Sm。這為判斷作物氮磷鉀缺乏和量化需求提供了依據(jù)。
獲獎情況
- 本文部分研究成果已經(jīng)整理成學(xué)術(shù)論文《氮磷鉀缺乏時小麥葉片的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)特征比較》，于2011年3月投稿到農(nóng)業(yè)類權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》，受到專家的好評，目前已進(jìn)入編輯復(fù)審階段。
鑒定結(jié)果
- 本文在前人的工作基礎(chǔ)上，提出了新的研究角度，篩選出了氮磷鉀缺乏時的葉綠素?zé)晒獾奶卣餍灾笜?biāo)，既可以用來判斷缺素癥，也可以判斷缺素程度。對指導(dǎo)氮磷鉀施肥具有一定的應(yīng)用價值。同意發(fā)表。
參考文獻(xiàn)
- [1]Smith, Kevin T. Plants’ essential chemical elements. American Nurseryman, 2007, 206 (10): 10-11 [2]Hayashi H. Effects of NPK elements on growth and dry matter production of common buckwheat in andosol. The proceeding of the 8th ISB, 2001: 16-21 [3]徐愛東，邱念偉，婁苑穎.判斷玉米幼苗缺氮程度的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)指標(biāo). 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2010, 16(2): 498-503 [4]Wang LZ, Chen FJ, Zhang FS, Mi GH. Two strategies for achieving higher yield under phosphorus in winter wheat grown in field conditions. Field Crops Research, 2010, 118(1): 36-42 [5]Arnall DB, Tubana BS, Holtz SL, et al. Relationship between Nitrogen Use Efficiency and Response Index in Winter Wheat. Journal of Plant Nutrition, 2009, 32(3): 502 – 515 [6]Amanullah, Khattak RA, Khalil SK. Plant Density and Nitrogen Effects on Maize Phenology and Grain Yield. Journal of Plant Nutrition, 2009, 32(2): 246 – 260 [7]朱兆良. 推薦氮肥適宜施用量的方法論芻議. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2006, 12(1): 1-4 [8]李鵬民, 高輝遠(yuǎn), Strasser RJ.快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)分析在光合作用研究中的應(yīng)用. 植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報, 2005, 31(6): 559-566
同類課題研究水平概述
- 氮、磷、鉀是植物必需礦質(zhì)元素中需要量最大的三種營養(yǎng)元素。三種元素的缺乏直接影響著植物的生長發(fā)育和生活狀態(tài)，嚴(yán)重的會導(dǎo)致植物死亡。而農(nóng)田土壤普遍缺乏氮磷鉀，所以，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍施用氮磷鉀肥以避免營養(yǎng)缺乏。但是，目前我國氮磷鉀肥的施用中存在兩個問題：一是營養(yǎng)元素供應(yīng)不足，二是化肥施用過多，二者都會對作物產(chǎn)生傷害，造成減產(chǎn)。過量施肥尤為普遍，這不僅會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還會破壞農(nóng)田，污染環(huán)境。因此建立一套科學(xué)有效的施肥指導(dǎo)方法對提高農(nóng)作物生產(chǎn)的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都至關(guān)重要。 關(guān)于化肥適宜施用量的判斷已進(jìn)行了長期的研究，從方法或技術(shù)路線的角度看，可分為兩類：(1)測試類，包括通過土壤肥力測試或植株活力測試以確定適宜施肥量的各種方法，如測土配方法、加入診斷法、病癥診斷法等；(2)以田間化肥施用量試驗為基礎(chǔ)的推薦方法。其中測土配方精準(zhǔn)施肥法在國際上最普遍使用，并取得顯著成效。但測土配方施肥主要適用于大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)，而我國農(nóng)業(yè)還是以農(nóng)民分散生產(chǎn)為主，推廣范圍有限。另外，它以土壤為測試對象，配方數(shù)據(jù)不能全面覆蓋所有營養(yǎng)元素，1年甚至數(shù)年才更新一次，土壤取樣誤差也較大，不能及時反映作物實(shí)際需肥的動態(tài)變化，所提供肥料養(yǎng)分配方與作物需求存在一定差距。上述方法均難實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥的理想目標(biāo)。 必需營養(yǎng)元素尤其是氮磷鉀的缺乏在葉片的結(jié)構(gòu)和功能上都會有明顯表現(xiàn)。葉片的主要功能是進(jìn)行光合作用，其形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化必然會在光合作用方面有所反映。葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)（fluorescence induction, FI）是目前植物生理學(xué)中研究光合作用的應(yīng)用最廣泛的方法之一，可以靈敏檢測激發(fā)能的傳遞、光系統(tǒng)原初光化學(xué)反應(yīng)、電子傳遞及光合碳同化效率等光合作用的各個過程、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和效率，是研究葉片功能的靈敏探針，氮磷鉀缺乏對光合作用的多個方面都具有顯著影響，在葉綠素?zé)晒鈪?shù)上也應(yīng)有顯著的特征性變化。小麥?zhǔn)俏覈匾Z食作物，生長迅速，對礦質(zhì)營養(yǎng)的需求量大，但其各種礦質(zhì)營養(yǎng)的缺乏癥不易觀察。本文利用日益成熟的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，創(chuàng)立一種可以快速、靈敏、準(zhǔn)確地預(yù)警、診斷和量化作物營養(yǎng)需求的新方法，對小麥的需肥種類、數(shù)量、方式和時期做出科學(xué)合理地確定，為科學(xué)施肥提供一套基于作物實(shí)際生長狀態(tài)的、直接的、全面的、及時的、易于操作和推廣的指標(biāo)體系，在科學(xué)施肥方法上取得新突破。
