土壤资源异质对间作玉米根倒伏性的影响及机制

How plant integrates foraging resources and supporting shoot of root functions remains unknown. The answer may be especially important for crop in multi-cropping system, such as intercropping. In intercropping, the different neighbors and heterogeneous fertilizer drive the resource heterogeneity, which in turn guides the root foraging to an asymmetry root distribution at level. Theoretically, this process may lead to the mechanical disequilibrium for supporting shoot and the more sensitive root lodging for crop. Choosing the intercropped maize as study materials and constructing trials in field, pot and hydroponics, this project will determine whether the nutrient heterogeneity and intercropping lead to crop root lodging. Moreover, we will propose and verify the hypothesis “Equal Biomechanics Distribution of Foraging Root”. Namely, plants plastic growth for adapting the heterogeneous resources would generate mechanical stress, which in turn triggers the biomechanical reinforcement response of root in weak parts. On the other hand, the functions of single root can be special. The root in the high resource patch would increase the resource foraging function, while that in low resource patch would strengthen the mechanical supporting function, which makes the root system to integrate the functions between foraging resources and supporting shoot. This study could clarify that whether and how plant root system can integrate the functions of foraging resources and supporting shoot, deepen our understanding on the crop root lodging in multi-cropping system, and provide knowledge for crop rhizosphere management (e.g. fertilization placement).

植物根系如何协调资源获取和植株支撑两大功能，仍是有待探索的科学问题。这一问题对作物，尤其间作作物十分重要。因为不均匀的作物组成和农艺措施驱动土壤资源异质，而根系觅获异质资源的过程常导致其水平分布的不对称。这一过程理论上可能降低根系对植株的支撑能力，增加作物根倒伏。本项目拟以玉米为材料，构建大田、盆栽和水培试验体系，明确间作和施肥驱动的土壤资源异质是否增加玉米根倒伏性，提出并验证“根系支撑力均衡假说”，即植物适应异质资源的可塑生长产生机械应力，进而触发根系在生物力学性能薄弱的部位进行适应性的“加固”响应（应力诱导机制）；或单条根具备功能分异，在高资源部位增加觅获能力，低资源部位强化机械支撑作用，从而整合资源觅获和植株支撑功能（功能分异机制）。本项目以期阐明资源异质条件下玉米的根倒伏性特征，揭示根系对资源觅获与植株支撑的协调能力及机制，丰富间套作栽培理论，为作物根际管理（如施肥位置）提供参考。

植物根系如何协调资源获取和植株支撑两大功能，仍是有待探索的科学问题。这一问题对作物，尤其间作作物十分重要。本项目提出“根系支撑力均衡假说”，以玉米为材料，构建大田、盆栽和水培试验体系，探索不均匀施肥和间作驱动的土壤资源异质性下玉米根系的抗倒伏性及机制，验证科学假说，获得了以下主要研究结果：（1）施肥和间作导致的土壤资源异质并不降低玉米的抗拔力，对玉米局部根系的侧抗拉能力也没有显著影响。进一步的盆栽和大田下的单株种植养分异质性试验发现，不均匀施肥与均匀施肥相比，玉米根系的抗拔力差异均不显著。验证了项目申请中提出的“根系支撑力”均衡假说。此外，不均匀施肥下间作显著提高玉米根系抗拔力，具有重要的生产应用价值。（2）玉米根系支撑功能主要由主根承担，在响应不同区域土壤资源时不同局部主根的入土角度、直径、数量、生物量均未发现显著差异，但侧根形态特征存在明显变化，初步明确玉米根系主根不存在资源觅获和植株支撑功能的分异机制。（3）异质养分下对玉米全生育期内进行重力诱导没有显著地改变玉米的抗拔力，表明异质土壤资源下玉米根系维持支撑力平衡过程中不存在应力诱导机制，但根系吸收异质性分布的土壤资源与适应重力或风力机械作用的过程具有权衡关系。（4）玉米双株种植可以显著提高玉米根茬的抗倒伏性，其机制主要为两株玉米根系相互交错生长，形成较大的咬合力，增加单株玉米根系的空间着力范围，该结果具有重要的应用价值。项目研究结果明确玉米根系存在“支撑力均衡”特性，揭示了这一特性不是由主根功能分异和机械应力诱导形成；发现了应力作用可以提高玉米生长和产量，但在不均匀的土壤资源分布下，根系觅获资源与应力适应具有权衡关系；发现了双株种植通过根茬的咬合力显著提高玉米抗倒伏性，该发现具有重要的理论意义和生产价值。