稻麦肥际-根际养分过程与养分高效的根区施肥模式研究

Low fertilizer use efficiency (NUE) is a problem of worldwide concern, which is also a big challenge in developing China. So far, among many strategies to improve fertilizer NUE, applying fertilizers to a proper level are the targets of the most researches. While the importance of applying fertilizers to a proper location in the field soil is not so much well known and recognized. The recent results of our research group showed that the movements of nutrients from fertisphere (the site where fertilizer was applied) to the bulk soil are all limited. The crops can never and also not necessarily absorb nutrients throughout the field soil. The key step to improve NUE to a high level is inevitably fertilization to the root-zone. The current project aims to: i) study the movements of nutrients from fertisphere to the rhizosphere of rice or wheat and the factors involved. ii) elucidate the effect of NPK fertilization location and pattern on root growth and morphology of rice and wheat, and the main soil range where NPK nutrients can be absorbed by roots. iii) establish root-zone fertilization patterns to achieve the high NUE of NPK fertilizers all above 60%. Eventually, we will build up the principles of root-zone fertilization, offer the proofs and basic parameters for the future high-precision root-zone fertilization techniques, and promote the development of machine-fertilization.

提高肥料利用率是国际性难题，也是当前我国需要迫切解决的问题。长期以来人们主要关注合理的肥料施用量，对施肥位置和方式的认识还不够深入和重视。我们前期的研究表明，肥料养分在土体中的扩散能力有限，作物根系无法也不必吸收全部土体中的养分，通过优化施肥位点和施肥方式是大幅度提高肥料利用率的必要措施。本项目以此为突破口，深入研究我国最重要的粮食作物水稻和小麦肥料由肥际向普通土体和根际的迁移扩散规律及其受多种因素影响的机制，阐明水稻和小麦根系生长、根构型受氮磷钾肥料施用位点、模式的影响效应，弄清稻麦根系吸收氮磷钾肥料养分的主要土体范围。明确根区施肥需要考虑的主要因子及施肥原理，提出肥料利用率大幅度提高（氮磷钾肥料当季利用率均达到60%以上）的根区施肥模式。为根区施肥的精细操作、高精度施肥机械的发展和应用提供理论支撑和技术贮备。

目前，粮食安全与肥料高效利用依旧是我国农业亟需解决的重大问题。传统施肥方式下，高的养分损失是肥料养分低效与作物产量徘徊不前的主要原因。当前优化的养分管理理念与策略主要通过优化施肥量以达到提高肥料利用率的目的，尽管如此，仅依靠优化施肥量与施肥次数，肥料养分损失难以得到有效控制，作物产量难以大幅度提高，且生育期内需要多次施肥，增加成本与劳动力投入。因此，本研究拟在理解肥际-根际养分过程与根肥互作的基础上，设计作物高产施肥高效的根区施肥模型，通过调控施肥位置实现肥际养分扩散与根际养分吸收范围的最佳匹配，最大体现养分的浓度刺激效应，并有效减少养分损失。研究发现当肥料集中施用时，施肥位点出现一个养分浓度极高的肥际微域，该微域内有效养分浓度可达到常规撒施的5-10倍。养分浓度随着扩散距离的增加，有效养分浓度显著下降，其中氮的有效扩散距离可达到6cm，远高于磷（2-4cm），且施肥品种之间在土壤中的养分迁移能力存在显著差异。通过盆栽模拟试验发现，磷肥异质性施肥比常规肥料混施，显著提高了小麦产量与磷肥利用效率，且显著受到施肥体检的影响。当磷肥的混土体积为10%时，小麦的产量达到最大，这进一步证明了根区施肥理念的重要性。通过调控施肥位置，我们发现氮肥的施肥位置对产量的影响效应显著小于磷肥，当磷肥远距离施用时，产量显著下降，尽管如此，当氮肥与磷肥远位点同时施用时，可减少产量的损失，表明了氮磷的协同增产效应，且合理位点时此效应对根系的诱导最强，根冠比同时显著降低，实现增产。通过田间试验多年多点验证，证明了根区一次施肥相比常规分次施肥增加水稻产量43%，大幅度提高肥料表观利用效率达到60%以上，通过15N同位素示踪发现，根区施肥同时降低肥料的损失低于20%，尽管如此，在长生育期小麦上，根区一次施肥模式仍有进一步优化的空间。