我国长江流域不同水稻种植区域氮肥和栽培管理策略研究

【目的】长江流域是我国水稻主要栽培区域,全面分析该区域氮肥管理水平下的水稻产量和氮肥利用率,以及水稻类型、栽培方式等因素对氮肥管理措施的影响,对我国长江流域水稻可持续发展具有重要意义。【方法】以施氮量、基蘖氮肥(基肥和分蘖肥氮之和)、种植区域、水稻品种、栽培模式、种植密度和土壤性质等关键词,在中国知网(CNKI)和Web of Science数据库中共检索到国内外有关稻田氮肥管理论文56篇,进一步对试验处理和数据进行筛查,共获取有效数据956组。采用整合分析(meta-analysis)方法,量化分析了不同条件下氮肥管理对水稻植株吸氮量、地上部干物质量和产量的影响。【结果】总氮量和基蘖肥用氮量分别不超过300和180 kg/hm^(2)范围内,水稻植株吸氮量和地上部干物质量随氮肥量的增加而增加,而分别超过250和120 kg/hm^(2)则产量没有显著增加。长江流域上游氮肥对产量提升幅度为24.9%,显著低于中游(42.4%)和下游(41.8%)水稻种植区域。水稻品种之间,杂交稻品种较粳稻和籼稻氮肥增加水稻植株吸氮量和产量更具有优势,分别增加12.6%~15.2%和3.5%~5.1%。氮肥对单季稻吸氮量、地上部干物质量、产量提升幅度均显著低于双季稻和水旱轮作,例如单季稻产量增幅29.1%,双季稻和水旱轮作产量增幅分别为46.3%和43.8%。长江流域水稻移栽密度均不宜超过106/hm^(2),在此范围内,适度增加移栽密度能有效提高植株吸氮量和地上部干物质量。在土壤高有机质(>25 g/kg)和速效磷(>20 mg/kg)及低速效氮(<90 mg/kg)和速效钾(<80 mg/kg)土壤中,水稻产量对氮肥响应程度最高,氮肥增产率可达43.3%~48.5%,且土壤有机质、速效磷、速效氮、速效钾对水稻产量和吸氮量总贡献率分别达到61.7%和40.2%。氮肥施用量(N)超过250 kg/hm^(2),氮素干物质生产效率、稻谷生产效率和收获指数下降,氮素吸收利用效率、农学利用效率和偏生产力甚至随施氮量增加而不断降低。【结论】长江流域水稻总施N量不宜超过250 kg/hm^(2),基肥和分蘖肥N投入量之和不宜超过120 kg/hm^(2),基糵肥与总氮肥之差应以穗肥补齐。长江流域不同种植区域水稻栽培管理策略不同,上游应优先选用杂交稻以利用其良好的品种优势,单季稻模式水稻生育周期长的品种可以降低对氮肥的依赖性,否则采用双季稻或水旱轮作制度利于改善土壤,达到减氮、增产增效的目的,中、下游通过双季稻或水旱轮作模式,合理提高移栽密度(不宜超过10^(6)/hm^(2)),能进一步提高水稻产量和氮利用率。

油菜对超高密度直播的响应与产量构成性状分析

油菜种植密度是影响群体产量最重要的因素之一,我国油菜品种区试和生产推荐的种植密度一般为30万~45万株/hm^(2),但因天气和土壤条件较差,会影响油菜出苗。长期以来,油菜种植农户形成了大幅度增加播种量的播种习惯,如湖北、湖南和江西等农户播种量达7.5 kg/hm^(2),出苗密度达到180万株/hm^(2)以上,现有品种是否适应这种超高密度种植尚不清楚。本研究参照农户种植习惯,对54个油菜品种(系)按随机区组设计,模拟生产超高密度群体,分析不同油菜品种在超高密度种植下的收获密度、主要农艺性状差异、产量及产量构成等重要性状。结果表明,超高密度直播下品种的无效单株密度、分枝角果数、有效单株密度和产量等性状遗传变异很大,其中株高、每角粒数、单株地上部重、有效单株密度与产量呈显著或极显著相关。高产品种与低产品种相比,高产品种的平均产量增产达67.6%,平均有效单株密度、单株地上部重、株高、茎粗、主花序角果数、角粒数和千粒重等性状显著或极显著提高。多元相关分析表明,有效单株密度、角粒数和单株地上部重与产量的关系达显著水平,其中有效单株密度对产量的直接作用最大,通径系数为0.6849,其次为单株地上部重、株高、角粒数和千粒重等。不同品种能形成不同的有效单株密度,当有效单株密度范围在70万~120万株/hm^(2)时单产最高,表现出较高的单产水平。为适应实际农民超高密度直播方式,建议生产上应针对性开展适应超高密度直播的品种筛选试验与示范,育种方面重点提高有效单株密度的形成能力、角粒数和角果数,加强对品种苗期生长速度、单株地上部重、角粒数、千粒重等性状选择。

湖北省小麦潜在产量时空异质性特征及驱动因子分析

气候变化致使气象要素的时空分布格局发生了不同程度的变化,加剧了作物产量空间异质性的形成。因此,评估气候因子对潜在产量的贡献程度,有利于解析区域间潜在产量差异的形成机制,这对于区域内作物的合理规划和缩小区域间产量差具有重要意义。本研究基于1985—2021年湖北省小麦生长期间的气候数据,应用验证后的APSIM-Wheat模型模拟小麦的潜在产量,利用多元回归等方法评估各气候因子对潜在产量变化的贡献程度,解析潜在产量空间异质性的形成机制。结果表明:湖北省小麦潜在产量变化范围为5068.9~7895.3 kg∙hm^(−2),平均潜在产量为7187.6 kg∙hm^(−2)。近35年来,小麦生育期内的平均温度和总降水量分别以0.1℃∙(10a)−1和13.2 mm∙(10a)−1的速率增加,但总太阳辐射以123.3 MJ∙m^(−2)∙(10a)^(−1)的速率下降。这些气候因素变化加剧了生育期内易涝、弱光环境的形成,导致小麦生产潜力降低,潜在产量平均每10年下降422.0 kg∙hm^(−2),降水量的增加对潜在产量下降的贡献最大,相关系数高达−0.73。湖北省小麦潜在产量的空间分布特征为北高南低,南北小麦平均潜在产量和光热熵差距分别为218 kg∙hm^(−2)和0.06 MJ∙m^(−2)∙d^(−1)∙℃^(−1)。光热熵的高度空间异质性是造成潜在产量差异的主要因素,二者相关性高达0.82。受光热熵时空分布不均的影响,荆州小麦拔节至成熟期的平均每日生长速率较襄阳地区低28.5 kg∙hm^(−2)∙d^(−1),最终导致荆州小麦的潜在产量较襄阳地区低。综上,气候变化使得湖北省小麦潜在产量整体呈下降趋势,针对以江汉平原地区为代表的易涝、弱光的小麦生长环境,选育具有高光效和耐涝性的小麦品种对于缩小区域间的产量差距和实现区域粮食总产的全面提高具有重要意义。

14-羟基芸苔素甾醇生长调节剂对油菜生长和产量的影响

[目的]14-羟基芸苔素甾醇相比其他芸苔素甾醇类化合物,生物活性提高50%以上,探明14-羟基芸苔素甾醇对油菜种子和包衣药剂的影响,对建立高效新型油菜种子处理技术,促进油菜绿色高产高效生产具有十分重要的意义。[方法]以14-羟基芸苔素甾醇调节剂与包衣杀虫剂处理甘蓝型中熟冬油菜品种(阳光2009)和短生育期早熟品种(阳光131)种子,调查种子发芽、苗期生长量、产量和抗虫性等性状,分析不同环境、品种、植物生长调节剂之间的互作效应。[结果]14-羟基芸苔素甾醇调节剂处理种子后,在不同主产区,不同品种油菜受不同拌种处理的影响不一致,早熟油菜发芽受拌种处理影响不显著,而中熟油菜呈极显著差异。0.0075 mg·L^(-1)的14-羟基芸苔素甾醇比芸苔素内酯具有更强的生物活性,0.015 mg·L^(-1)的14-羟基芸苔素甾醇与芸苔素内酯差异不显著,0.0075和0.015 mg·L^(-1)的芸苔素内酯分别平均增产5.19%和8.15%,0.0075和0.015 mg·L^(-1)的14-羟基芸苔素甾醇分别平均增产11.98%和5.50%。14-羟基芸苔素甾醇调节剂与噻虫胺(种卫士)和噻虫嗪(苗得意)等包衣剂复配对油菜苗期生长均具有显著促进作用,独立使用种卫士和苗得意分别增产4.7%和4.6%,0.0075和0.015 mg·L^(-1)的14-羟基芸苔素甾醇与种卫士复配分别增产6.8%和3.3%,与苗得意复配分别增产3.5%和8.2%。抗虫性试验表明,添加植物生长调节剂不会影响噻虫嗪类种衣剂的防虫效果。[结论]14-羟基芸苔素甾醇调节剂拌种对早期油菜生长具有积极促进作用,能显著提高油菜生长速度和产量。为适应不同产区、品种的互作效应,需要针对性地利用调节剂优化种子处理技术,推动我国油菜产量显著提升。

脂肪酸去饱和酶FAD3蛋白特征及其在大豆中的遗传演化分析

微体ω-3脂肪酸去饱和酶(Fatty Acid Desaturase 3,FAD3)是植物种子α-亚麻酸生物合成的关键酶。尽管很多FAD3基因被分离和鉴定,植物FAD3蛋白结构特征及遗传演化研究较少。为了探究脂肪酸去饱和酶FAD3蛋白特征及其在大豆中的遗传演化情况,本研究分析了37个物种(包括33种植物、2种蓝藻和2种真菌)的51个FAD3蛋白的序列特征和进化关系,并分析了大豆3个GmFAD3(GmFAD3A、GmFAD3B和GmFAD3C)基因在598份材料中的单倍型及其编码蛋白构象。结果发现,植物FAD3蛋白序列和结构较为保守,其进化关系与植物分化进程一致。GmFAD3A、GmFAD3B和GmFAD3C分别包含14,4和4种单倍型。GmFAD3A-1(Hap1/2)在各大豆种植区域均有分布,Hap3/4/5除华南和西北地区外,其他地区均有分布。虽然GmFAD3A-1(Hap1/2/4)和GmFAD3A-1(Hap3/5)编码蛋白构象差异较大,但可能与地理分布并无关联。而GmFAD3A-2(Hap1~5)编码蛋白构象基本相同,表明GmFAD3A-2可能并未受到选择。GmFAD3B(Hap1/2/4)中地方品种占比较高,其中Hap1/2在我国各大豆主要产区均有分布,而Hap3中改良品种占比较高(78.57%),仅分布在东北、华北和华东地区,表明GmFAD3B(Hap1/2/4)和GmFAD3B(Hap3)编码蛋白构象差异可能受地理因素影响的同时受到人工选择。GmFAD3C中Hap1占比极高(98.66%),在我国各大豆种植区域均有分布,说明该基因比较保守,可能在大豆脂肪酸去饱和过程中起到非常重要的作用。本研究为GmFAD3在大豆α-亚麻酸积累中的作用机制解析和高α-亚麻酸育种提供参考。

甘蓝型油菜GLK基因家族全基因组鉴定及耐盐抗旱功能分析

GLK(GOLDEN2-like)转录因子是GARP转录因子超家族的成员,可直接激活大量光合作用相关蛋白的靶基因,包括叶绿素生物合成、光捕获和电子传输相关的靶基因,在植物生理活动过程和非生物胁迫应激反应中发挥关键作用。为解析甘蓝型油菜GLK基因家族,探究其与油菜响应盐旱胁迫的相关功能,本研究在甘蓝型油菜全基因组水平上鉴定出159个BnaGLK基因,对其进行了基因结构特征、系统进化、启动子顺式作用元件、基因表达模式等分析。结果表明,159个BnaGLK基因不均匀地分布在19条染色体上。它们可被分为9个亚族,每个亚族中BnaGLK基因的外显子和内含子数量和结构都非常相似。启动子分析发现了多种激素和非生物胁迫响应相关的顺式调控元件,特别是干旱响应元件。选择在油菜叶片中高表达的8个BnaGLKs进行了盐旱胁迫下的表达模式分析。结果揭示BnaGLK基因在油菜非生物胁迫响应中发挥重要作用。本研究为进一步解析GLK基因家族在甘蓝型油菜中的生物学功能奠定了基础。

种植绿肥对我国水稻产量和土壤肥力影响的整合分析

为探究种植绿肥对水稻产量和土壤肥力的影响以及为水稻增产稳产和土壤改良提供科学依据。对已发表的相关文献数据进行了收集,建立了362组包含种植绿肥(GM)和冬闲田(FFP)处理下水稻产量和土壤肥力的数据库。采用整合分析的方法,定量绿肥在不同地区、水稻种植模式、土壤性质、氮肥用量、绿肥种类下对水稻产量及土壤肥力的提升幅度,采用随机森林模型探究影响绿肥效应的主控因素。研究结果发现,在不同地区下,GM处理对土壤有机质含量的提升在南方稻区最大(21.17%)。在不同水稻种植模式下,GM处理对水稻产量和土壤肥力的提升幅度均表现为双季稻>单季稻;土壤全氮含量≤1.5 g/kg、有机质含量≤20 g/kg时对产量的提升幅度较高;当GM处理的施氮量≤150 kg/hm^(2)时对产量和土壤有机质含量的提升幅度均较高,分别为12.47%和22.36%,但是随着施氮量的逐渐增加,GM处理的增产幅度下降。不同绿肥种类下,GM处理对产量和土壤有机质含量的提升幅度有所差异,在产量提升方面,豆科绿肥(12.47%)>非豆科绿肥(7.22%)>混合绿肥(6.32%);对土壤有机质含量提升方面混合绿肥(12.69%)>非豆科绿肥(10.93%)>豆科绿肥(9.37%)。随机森林分析结果表明,在主控因素方面GM处理对水稻增产主要受土壤有机质含量、施氮量和有效磷含量(贡献率分别为18%、16%和15%)的影响,而GM提高有机质的影响因素主要有地区、速效钾和速效氮含量(贡献率分别为14%、12%和11%)。因此,GM能显著提高水稻产量和土壤肥力,尤其是在低肥力的土壤状况下GM处理对产量的提升幅度较好,GM与化肥配合使用能促进水稻增产和稻田土壤有机质含量的提升,但GM的施氮量不宜超过150kg/hm^(2),水稻和绿肥轮作长江流域稻区推荐豆科绿肥,而在南方稻区进行混合绿肥。