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    科学基金重大项目对我国“主要农田生态系统氮素行为及氮肥高效利用的基础研究”取得突出进展

    日期 2007-11-30   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:氮肥在我国农业生产中发挥了重要作用。但是,目前氮肥的不合理施用和利用率低下,不仅造成了氮素的大量损失,而且对生态环境产生了严重的负面影响,成为重要的污染源之一,同时过量施用氮肥还严重影响了农产品品质及其安全。为此,国家自然科学基金委员会于2002年组织并设立了“主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的基础研究”重大项目,围绕农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用,对我国主要农田生态系统中氮素的行为,作物高效利用氮肥的机制和调控作物高效利用氮肥的理论与方法等前沿基础科学问题开展了跨学科的系统研究,提出的“氮肥区域总量控制和微观调节相结合”原则,对于提高氮素利用效率、减少农田氮素损失、减轻环境压力,保障农业可持续发展具有重要的科学意义和实践价值。

      在我国人口继续增加而耕地面积持续减少的情况下,如何在确保农产品产量并提高农产品质量的同时,降低投入、减少农业对环境的污染,实现农业由资源消耗型向资源高效型转变,增强我国农产品的国际竞争力,已成为我国农业可持续发展所面临的越来越严峻的重大现实问题。

      氮肥在我国农业生产中发挥了举足轻重的作用。但是,由于目前我国农业生产中氮肥的不合理施用,导致氮肥利用率低下,这不仅造成了巨大的能源损失,增加了农业生产成本,加重了农民的经济负担,而且氮素的损失还对生态环境产生了严重的负面影响,农田氮肥成为农业生态系统重要的污染源之一。同时,过量施用氮肥对粮食、蔬菜与水果的品质与安全的不良影响也日趋严重。针对氮肥施用过程中存在的问题,国内外已经开展了相关的基础研究。二十世纪九十年代以来,随着氮肥用量的大幅度增长及其对农业环境所造成的巨大压力,我国也加强了农田氮素循环和氮肥高效利用的理论基础与关键技术研究。近年来,农业结构调整和集约化生产的发展以及食品安全要求的提高,对高强度农业生产系统中氮肥环境友好、高效利用提出了迫切要求。针对氮肥施用存在的问题,国家自然科学基金委员会生命科学部与地球科学部于2002年组织并设立了重大项目“主要农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的基础研究”。该项目围绕农田生态系统氮素行为与氮肥高效利用的主要科学问题,对我国主要农田生态系统中氮素的行为、作物高效利用氮肥的机制和调控作物高效利用氮肥的理论与方法等前沿基础科学问题开展了跨学科的系统研究。该项目由中国科学院南京土壤研究所朱兆良院士和中国农业大学张福锁教授联合主持,于2003年4月1日正式启动,经过四年的努力,于2007年9月11日通过了由国家自然科学基金委员会组织的结题验证和评议。

      四年间,项目组围绕“主要农田生态系统氮素行为”、“优化施氮、提高氮肥利用率”和“作物高效利用氮肥的生理和遗传机制”等科学问题开展了系统、深入的研究工作,其重要进展和创新性成果包括:

      1.定量评价了我国华北平原与太湖地区作物(小麦、玉米、水稻)与土壤系统化肥氮的去向与施氮量的关系;揭示了施氮量增加,当季氮吸收率下降以及损失增加的规律;阐明了不同形态氮损失与栽培条件的关系。研究证明两个地区环境来源氮(干湿沉降氮以及灌溉水带入的氮)可达农田自然供氮一半左右;明确了环境来源氮是农田自然供氮和太湖水体氮污染的重要来源;确定了华北地区农田0-1米土层深度中硝态氮的残留量平均已近每公顷200公斤,最高可达每公顷1000公斤。

      2.围绕“产量效应与环境效应相协调”的要求,提出了“区域宏观控制与田块微调相结合”的施氮量推荐原则,并对该原则进行了评价,确定了当前生产条件下的适宜施氮量;建立了以根层氮素调控为理论基础,以土壤硝态氮测试为主要手段的氮素实时监控技术以及相应的控制指标。运用模型计算与地理信息系统(GIS)整合的方法,建立了基于GIS和经验模型的县域氮素管理系统。

      3.以籽粒产量为标准,筛选获得了氮高效、氮低效水稻、玉米、小麦种质材料共13份,育成氮效率与产量都明显高于当地推广良种的小麦新品种1个。在水稻、小麦、玉米三种作物中分别定位出控制氮效率及根系发育性状相关的主效数量性状位点(QTLs)。在小麦、玉米中发现一些与氮效率QTLs紧密连锁的根系QTLs,从而在遗传学水平上证明了根系性状在这两种作物氮效率中的重要作用。

      4.克隆了水稻、小麦、玉米硝、铵转运蛋白基因,并系统分析了其表达特征,明确了水稻铵转运蛋白基因(AMT1.1)、硝转运蛋白基因(NRT2.1)和根系谷氨酰胺合酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)的活性与氮效率的相关关系。

      5.揭示了在田间全生育期水平氮高效小麦、玉米根系生物学特性及相关生理机制。从生理和分子水平上阐明了水稻“硝促铵”的机制,明确了水稻根表和根际的硝化作用对水稻氮素高效利用起着重要作用。发现氮高效水稻根系硝化能力强是提高氮素吸收效率、促进氮代谢和地上部生长的重要机制。

      该项目组还与德国、英国、澳大利亚、荷兰、加拿大和瑞士等国学术机构开展了广泛的国际合作,举办了“第三届国际氮素大会”和“第十五届国际植物营养学大会”,显著提高了我国在该领域的国际影响力。该项目研究为建立高效集约化农业生产施肥技术体系提供了理论基础,使我国在农田氮素循环和氮肥高效利用机理研究方面在国际上占有一席之地,推动了植物营养学、肥料学和土壤学的发展,为改变我国目前氮肥利用率低的现状提供了重要理论依据。项目提出的“氮肥区域总量控制和微观调节相结合”的原则,对于提高氮素利用效率、减少农田氮素损失与环境压力,保障农业可持续发展具有重要科学意义和实践价值。




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