华中农业大学作物硼营养研究之历程与展望——纪念王运华先生逝世1周年

硼是植物必需的微量营养元素,硼肥是国内施用最多的微量元素肥料。1975年王运华先生在湖北省新洲县发现农田大面积棉花“蕾而不花”症状为缺硼导致的结果,开启了华中农业大学作物硼营养的研究,至今已近50载。在近50 a的研究历程中,经历了既有明显特色又有相互交叉融合的4个阶段:(1)作物硼营养诊断与硼肥施用技术(1975-1985),该阶段主要建立了我国棉花硼营养诊断与硼肥施用技术;(2)作物硼的吸收利用与营养机制(1985-1995),该阶段以棉花和油菜为主要对象,研究揭示了作物对硼的吸收、转运、分配及其生理功能;(3)作物硼营养遗传与分子机制(1995-2015),该阶段研究以甘蓝型油菜为主要对象,筛选油菜硼高效品种,克隆硼高效基因,研究揭示植物响应缺硼胁迫的分子调控机制;(4)作物硼高效调控途径与利用(2015-),该阶段在深入研究油菜硼高效分子调控途径的同时,筛选培育硼高效育种材料和品种,开展高效品种与专用肥和先进栽培技术相结合的集成推广利用。不同阶段的研究成果为我国农业生产中微量元素肥料硼肥的推广应用和农作物增产增效做出了重要的贡献,并在国际上作物硼营养的应用基础和基础研究方面占有一席之地。在纪念王运华先生逝世1周年之际,针对这4个阶段的主要研究作回顾简述,缅怀先生对作物硼营养研究做出的巨大贡献,聊表笔者对先生的敬重之情。

我国微量元素肥料研究及应用的历程与展望

我国土壤中微量元素普遍缺乏,加之持续大量的氮、磷等化肥投入,加剧了土壤中微量元素的不足。微量元素缺乏已成为影响农作物生产的主要障碍之一,一些地方甚至成为人类微量元素缺乏的重要原因。施用微量元素肥料(以下简称微肥)是缓解植物微量元素缺乏的有效措施之一。我国较大规模、系统的微肥研究与应用始于20世纪70年代,微肥剂型经历了由传统无机盐类到螯合类、缓控释、纳米类等各种新型微肥的发展,微肥施用方式伴随微肥产品的创新而不断优化,微肥施用范围逐渐扩大到几乎所有作物类型。截至2024年4月中旬,大陆地区31个省级行政区除西藏外均有微量元素水溶肥料备案,山东和河南两省的备案数量最多,分别占全国的29.7%和26.2%。每年申请的微肥及制备方法相关专利数量在2011年后快速增加,到2016年达到年最高数量67项。然而,在农业农村部登记和备案的(含)微量元素肥料大多为复合型的水剂和粉剂,其他剂型产品很少。在实际生产中,基层科技人员和农民对微肥的认知依然不够,施用微肥后不能马上观察到显而易见的效果就怀疑微肥的功效,市场上微量元素肥料剂型单一,针对性不强,影响着微肥的研究应用与推广。从我国农业实际出发,今后需要加强以下几方面的工作:首先要协调微量元素与大量元素之间的均衡配比,建立适应“区域−土壤−作物”体系的微量元素养分综合管理体系;要持续研发环境友好且高效的微肥产品及配套技术,研究与轻减化施肥技术相适应的微肥剂型及其施用技术体系;此外,做好微肥质量监管,在基层中普及微肥的相关知识,提高对微肥重要性的认识,做到“产−学−研−管−用”一体化推进,促进我国微肥产业健康发展。

增效载体在新型微量元素肥料中的应用现状及前景展望

微量元素是植物生长发育必需的营养元素,微量元素肥料在作物增产提质、逆境抗性和农田健康等方面有重要作用。相对于传统的微量元素肥料,通过增效载体与微量元素有机结合制成的新型微量元素增效载体肥料具有水溶性好、移动性快、稳定性强、难以被土壤固定且易于被植物吸收利用等特点。筛选或创制增效载体是新型微量元素肥料研发的核心环节,本文概述了新型微量元素肥料增效载体及其类型、主要作用机制,综述了新型微量元素肥料增效载体的研发现状及其在农业生产中的应用效果,指明了新型微量元素增效载体肥料在实际应用中存在的问题,提出了针对性建议,并对其下一步发展趋势进行了展望。

硼对酸性环境中枳砧幼苗不同部位矿质元素含量及根H^+相关酶活力的影响

以柑橘枳壳砧木苗为试验材料,设置硼浓度为0(-B)和10μmol/L(+B)以及营养液pH值分别为4(酸性环境)、6(适宜pH)等4种处理,研究硼对酸性环境中枳壳砧木不同部位各元素含量及根系MDA、可溶性蛋白、胞内H^+相关酶活力等的影响。结果表明,不论缺硼或低pH均抑制枳砧的株高、根长和干物质积累。低pH(pH=4)条件下施硼仍可增加株高、根长及地下部干物质量;低pH(pH=4)条件下加硼能够提高根、茎、叶中的K、Ca、Mg、Fe、Mn和B等元素含量,缓解因过量H^+导致的阳离子失衡。pH=4时,缺硼处理根系MDA含量比加硼时升高4.5倍,可溶性蛋白增加38.8%。并且,低pH(pH=4)时,加硼使根系细胞NADP-ME与H^+-ATP酶活力分别提高114.7%和80.8%,而PEPCase酶活力降低了51.4%。因此,低pH条件下施硼,可提高枳砧幼苗根、茎、叶中多个元素含量,调节细胞内H^+相关酶活力,维持胞内pH稳定,避免高H^+活性引起的损伤。

甘蓝型油菜减氮增效潜力评价及种质资源筛选

为培育具有高潜力的减肥增效油菜品种,以不同甘蓝型油菜种质资源为材料,通过两年三点的田间肥效试验,研究了它们对氮肥的响应特征及节氮增产潜力。以产量平均值为分界线将供试材料划分为4种类型:低氮高效型、双高效型、双低效型和高氮高效型。在高氮条件下,双高效型和高氮高效型材料具有16.96%~36.50%的节氮潜力和21.57%~49.59%的增产潜力;在低氮胁迫下,低氮高效型具有12.23%和10.88%的节氮及增产潜力。同时筛选出低氮高效型材料中双9号、SV-pyriter,双高效型材料D4-15、中双11号、DH16、华双3号,双低效型材料D2-1、华双5号、加99H99-15HR、湘农油3号、DH17,以及高氮高效型材料84001。研究表明,甘蓝型油菜减氮增产增效的潜力较大,但存在较大的基因型差异。因此,选育双高效型和高氮高效型材料可能是今后油菜育种的重点。

茄衣中上部烟叶采收成熟度研究

立足湖北省丹江口市气候特征,以楚雪26号(CX-026)为研究材料,对不同生长时期(移栽后59~101 d)采收的中、上部烟叶的农艺性状、内在生理指标进行分析,探寻烟草成熟的变化规律,从而明晰最佳采收时间。农艺性状结果分析表明,随着采收时间的延后,中部和上部烟叶逐渐变长变宽、身份变厚至恒定水平;叶色由青渐深,后出现黄褐斑纹;茎叶夹角增大、拉力减小,说明烟叶成熟度逐步提高。生理指标分析表明,色素指标(SPAD、叶绿素a等)、光合特性(净光合速率、气孔导度等)随着生长而下降,从而使烟叶叶片色度值(LAB)提高。熵权分析揭示了光合指标和色素指标在烟叶成熟度评估中的重要作用,二者不仅权重高,而且相关性显著,为烟叶成熟度判别提供关键参考。根据光合指标以及色素指标分析结果,中部叶在移栽后66~73 d,上部叶在移栽后87~94 d变化趋于稳定,说明可能在此时间进入成熟期,可以选择作为适宜的采收时间。

水稻根系分泌物研究进展

在植物根际复杂网络互作中,根系分泌物是植物-土壤-微生物之间物质交换和信息传递的载体,在根际对话中扮演重要的“语言”角色,并能在活化土壤养分、抵御生物或非生物胁迫以及招募微生物,促进微生物在植物根际定殖以及互作中发挥不可忽视的作用。水稻(Oryza sativa L.)是我国主要粮食作物之一,其根系分泌物种类及数量被多因素调控,并且随着分泌物的释放,其在植物-土壤-微生物互作过程中具有重要的作用。因此,本文综合梳理了国内外关于水稻根系分泌物研究的最新进展,旨在系统阐述水稻根系分泌物的发展历程及种类、深入分析影响这些分泌物产生的关键因素及其在土壤养分活化、与植物-微生物互作等方面的关键作用,并探讨了水稻根系分泌物的环境效应。本文还展望了根系分泌物研究的未来方向与应用前景,以期为绿色农业可持续发展提供理论基础。

聚-γ-谷氨酸对小白菜生长和光合作用的影响

采用水培方法研究了聚-γ-谷氨酸对小白菜地上部生长、叶片叶绿素含量、光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)的影响。结果表明,随着养分含量的降低,聚-γ-谷氨酸处理小白菜较对照叶片Pn、Gs、Tr和Ci均有提高;在90%养分含量下施加聚-γ-谷氨酸显著提高了叶片中叶绿素a的含量;在70%～100%养分含量范围内,小白菜地上部产量较对照均有所提高,说明聚-γ-谷氨酸可通过降低气孔限制值、增加叶绿素含量和提高吸收光强的能力,从而促进小白菜对光能的捕获及其转化,提高其光能利用效率。

肥料和农药协同作用防治烟草根结线虫病研究

通过田间随机区组试验探讨农药和肥料协同对烟草根结线虫病的防效,研究发现0.5%阿维菌素颗粒剂和25%阿维·丁硫水剂的防效显著,防效分别是28.0%和24.1%,有机肥、无机复合肥与0.5%阿维菌素颗粒剂协同作用可以增强阿维菌素的防效,减轻根结线虫对烤烟生长的影响,提高烤烟产量和质量,增加烤烟收益。研究结果建议在烤烟生产上整合农业措施和化学防治具有积极的生产和生态意义。

钼污染对冬小麦光合作用特性及产量的影响

采用土壤培养试验研究了不同钼水平对冬小麦光合作用特性及产量的影响。结果表明:适量施钼(0.15 mg·kg^(-1))能够增加缺钼土壤上冬小麦的叶绿素含量、净光合速率(P_n)和产量;0.15~2000 mg·kg^(-1)条件下,随钼水平的提高,冬小麦叶绿素含量、净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)和产量呈下降趋势;随着P_n下降,胞间CO_2浓度(C_i)和Gs呈下降趋势,推测气孔限制是导致P_n下降的主要因素;叶绿素a/b值呈上升趋势,表明叶绿素a向叶绿素b的转化受阻,从而抑制光合作用。极端钼污染条件下(3000~4000 mg·kg^(-1))冬小麦不能完成其生命周期。

酸性黄棕壤中钼磷配施对甘蓝型油菜苗期碳氮代谢的影响

利用酸性黄棕壤进行盆栽试验,研究了钼磷配施对甘蓝型油菜苗期碳氮代谢的影响。结果表明,施钼和施磷均显著增加叶片叶绿素含量、光合速率、可溶性总糖含量以及地上部干物质重和可溶性蛋白质含量,显著降低油菜苗期叶片硝态氮含量;且钼肥和磷肥配施对促进油菜苗期碳氮代谢存在协同效应。钼肥和磷肥提高油菜光合速率的机制有所不同,钼肥主要提高叶肉细胞光合活性,而磷肥则增加气孔导度。

多元醇络合硼对油菜苗期生长及生理特性的影响

以油菜品种Cao221167为试验材料,采用水培方法,研究山梨醇(S)、山梨醇-硼(SB)、甘露醇(M)、甘露醇-硼(MB)、丙三醇(G)、丙三醇-硼(GB)、硼酸(BA)、缺硼(B0)等不同硼处理对油菜农艺性状、根系活力、色素含量以及各部位硼的吸收分布的影响。结果表明:仅添加有机多元醇处理(S、M和G)的油菜幼苗各项形态和生理特性(株高、地上部干鲜质量、色素含量和根系活力)与缺硼处理无差异,而有机多元醇和硼酸络合后各指标均提高,说明有机多元醇与硼酸形成的有机多元醇络合硼对油菜幼苗生长起促进作用。有机多元醇络合硼处理(SB、MB和GB)和硼酸处理比较表明,有机多元醇络合硼和硼酸均能促进植株生长,但有机多元醇络合硼对油菜幼苗生长以及生理特性的营养作用更显著;其中,甘露醇-硼处理促进油菜幼苗干鲜质量的提高,总干鲜质量较硼酸处理分别增加40.56%和17.29%;不同有机多元醇络合硼处理和硼酸处理的油菜各部位钾、钙、镁等元素含量均高于缺硼处理;丙三醇-硼处理比硼酸处理显著提高油菜叶片色素含量、根系活力以及地上部硼含量。

镁肥供给方式及水平对烤烟生长发育及产质量的影响

镁是烤烟正常生长发育需要的必需中量元素之一,对烤烟的生长发育及产量品质有很大的影响。为探索滇中南红壤条件下,最佳的镁肥供给方式与水平,对红河州典型植烟区进行了不同镁肥施用方式及水平的对比试验研究。结果表明,镁肥基施以移栽前镁肥60 kg/hm^2掺拌细土150 kg/hm^2塘施处理较好,镁肥叶面喷施以团棵期选择晴天傍晚叶面喷施225 m L/hm^2兑水225kg/hm^2镁肥溶液处理较好。2种施肥方式对比以镁肥叶面喷施效果较好,其经济性状表现优于基施。

不同形态硼对油菜幼苗铝毒的缓解效应及其FTIR特征分析

采用水培法,以油菜品种Cao 221167为试验材料,设置无机态硼酸(BA)和有机态山梨醇硼(SB)及不同Al^(3+)(0、100、200和500μmol L^(–1))处理,研究不同形态硼(B)对油菜幼苗铝(Al)毒的缓解作用及不同形态B之间的缓解效应差异,以及利用FTIR(傅里叶红外光谱)技术分析叶片各物质含量的变化。结果表明,Al毒胁迫下,不同形态B(BA和SB)处理,显著提高植株生物量和根系长度(0、100、200和500μmol L^(–1) Al毒胁迫下BA处理根长分别增加了52.15%、101.45%、366.70%和18.73%;SB处理分别增加了46.80%、133.98%、261.36%和10.77%),提高色素含量和SOD活性,而降低了Al含量、MDA含量和POD活性。不同形态B处理下,油菜幼苗在200μmol L^(–1) Al^(3+)处理下长势、生物量及色素含量最高。在500μmol L^(–1) Al^(3+)处理下,油菜幼苗株高、根长、总干鲜重及色素含量显著低于无Al处理;FTIR分析表明,Al毒胁迫下油菜叶片中蛋白质和低聚糖等含量明显上升,加硼明显降低了蛋白质和低聚糖的含量,且BA处理降低幅度明显高于SB处理。说明不同形态B(BA和SB)的添加均明显缓解Al毒,且BA对Al毒缓解效果优于SB,这为农业生产中施用何种硼肥来缓解Al毒起到一定的指导作用。

紫云英还田对单季稻田氨挥发的影响

为探究紫云英还田对单季稻田氨挥发损失的影响,以我国南方单季稻-紫云英种植模式为研究对象,采用盆栽试验,设置不施氮(CK)、尿素单施(N)、尿素与紫云英配施(NM)3个处理,研究紫云英还田对南方单季稻田NH_3挥发动态特征的影响。结果表明,N和NM的氨挥发通量在氮肥施用后第3天达到峰值(分别为10.8 kg·hm^(-2)·d-1和9.27 kg·hm^(-2)·d-1),之后迅速下降。在整个监测期间,氨挥发累积量分别为93.4 kg·hm^(-2)和79.8 kg·hm^(-2),分别占氮素施用量的25.7%和21.9%。田面水中铵态氮含量和pH值以及分蘖期土壤中羟胺还原酶活性与氨挥发速率或累积量呈显著线性正相关关系。与N相比,NM显著降低表面水中铵态氮含量以及水稻分蘖期土壤中羟胺还原酶活性(37.8%),最终显著降低外源氮素NH_3挥发累积量和挥发系数(14.6%和14.8%)。综上,NM可有效减少单季稻田外源氮素NH_3挥发损失,从而提高氮素养分利用率,降低氮素养分的环境风险。本研究结果为紫云英在缓解模式内氮肥气态损失,提高氮素当季利用率提供了理论依据。

我国冬油菜养分精准调控策略与高效施肥技术体系

冬油菜是我国重要的油料作物和南方主要的冬季轮作作物,发展油菜生产对保障我国粮油安全供给具有重要的战略意义。进入21世纪以来,由于油菜移栽种植转变为直播轻简种植,过去的施肥技术不再适合新的生产模式,油菜产业发展对施肥理论和技术提出了新要求。本文总结了近20年来我国油菜施肥技术领域的研究进展。经过协同攻关,我国农业科技工作者提出了冬油菜“氮磷钾硼镁全营养配合与前促后稳”的养分精准调控策略,建立了冬油菜前期“精准施肥壮苗保群体促丰产”和后期“依靠土壤养分稳供促高效保稳产”的养分调控方法,创新了“精准种类、精准配伍、精准用量、精准时期、精准位置”为核心的“五精准”油菜高效施肥技术,创制了油菜专用全营养配方肥、专用缓释肥和专用控释尿素等系列新肥料产品,优化建立了轻简高效施肥模式并实现规模化应用,支撑了油菜产业的绿色高质高效发展。最后针对我国冬油菜生产面临的新机遇和新挑战,从施肥技术角度提出了展望:加强南方短生育期油菜高效施肥技术、油菜多功能利用的配套施肥技术、应对气候多变的抗灾养分管理技术等研究,进一步加强与现代农业发展相匹配的新型高效专用肥料产品研发与施肥技术创新,重视养分高效油菜品种的选育与应用。

植物对土壤钼污染的响应及其耐钼机制研究进展

钼是植物、动物和微生物必需的微量元素之一,同时也是一种重金属元素。以往对钼的研究主要关注钼缺乏对农作物产量与品质的影响及危害,对钼污染导致的生态风险及应对策略研究较少。本文在分析我国土壤钼污染现状及其生态风险的基础上,综述了钼污染对植物生长发育的影响、钼对植物的毒害阈值及其影响因子,以及植物对钼污染的耐性机制,并展望了未来土壤-植物系统钼污染的研究方向,以期为土壤钼污染的风险管控及修复提供参考。

南丰蜜橘花矿质营养诊断

采用田间定点采样及室内分析相结合的方法,研究南丰蜜橘花与叶片矿质养分含量的关系。结果表明:2011年和2012年南丰蜜橘花中K、Ca、Mn与叶片中相应元素含量呈显著或极显著正相关,花与叶片中Mg、Cu、Fe含量仅在1a中呈极显著相关;2011年花中N、P、K、Mg、Fe、Cu、Zn含量平均值显著高于叶片,Ca、Mn、B含量显著低于叶片;2012年N、P、K、Zn含量平均值显著高于叶片,Ca、Mg、Mn、B含量显著低于叶片,花与叶片中Fe、Cu含量差异不显著;花中养分含量变异系数2011年除Fe、Mn以及2012年除N、Cu、B高于叶片外,其他养分含量变异系数均低于叶片;分别对2011年和2012年南丰蜜橘花与叶片K、Ca、Mn含量进行拟合,发现K含量均呈指数函数关系,Mn含量均呈三次函数关系,花中Ca含量在0~0.6%间递增曲线一致;说明花可以用于提前诊断南丰蜜橘K、Ca、Mn的含量状况。

冬小麦不同钼效率品种钼吸收差异及其与根系形态特征的关系

采用水培试验研究冬小麦钼高效品种97003和钼低效品种97014对钼的吸收累积能力差异及其与根系形态特征的关系,结果表明:冬小麦钼高效品种97003在缺钼条件下钼累积量高于钼低效品种97014。冬小麦钼高效品种97003向叶片中转移钼的能力高于钼低效品种97014,在施钼和不施钼时,97003叶片中钼的累积量分别占整株累积量的86.2%和96.3%,高于97014的78.9%和87.2%。同时,2个冬小麦品种在根系形态上还存在基因型差异。缺钼条件下,冬小麦钼高效品种97003具有较好的根系形态特征,根长、根表面积、根体积、平均直径分别是97014的1.16、1.41、1.21、1.73倍,在根表面积、根体积、平均直径上差异达显著水平。缺钼时,97003的总根长、根系总表面积、根系总体积、平均直径分别为施钼时的1.13、1.28、1.12、1.44倍,且除总根长外,各参数均达显著水平。无论是否施钼,97014的各参数差异不显著。

氮锌配施对水稻生长、产量和养分吸收分配的影响

为研究氮锌配施对水稻生长、产量和养分吸收分配的影响,采用大田小区试验,以籼型杂交稻品种广两优35和常规粳稻品种日本晴为研究材料,设置3个锌水平和4个氮水平的交互处理,分析了各生育期水稻的生物量,成熟期产量及构成因素,各部位氮和锌的含量、累积量和分配比例。结果表明,氮锌配施对水稻早期的生长和后期的产量形成均具有协同增效效应,这种效应在不同水稻品种中具有一定的差异性。氮锌配施对水稻每公顷穗数具有极显著的正向交互效应,每公顷穗数的显著增加是氮锌配施下水稻产量提高的主要原因。氮锌配施不仅提高了水稻植株中的氮和锌含量,同时还促进了氮和锌向生殖器官(小穗)中分配,这可能是水稻产量提高的主要生理机制之一。