开放式增温与氮肥施用对冬小麦钙吸收利用的影响开题报告

（1）课题意义

随着全球气候的变化，全球变暖成为越来越严峻的问题。农业对气候变化极其敏感，增温将严重影响小麦的产暈和品质^[1]。氮素是作物生长发育必需的重要营养元素，施用氮肥是提高作物产量和品质的重要措施。过量使用氮肥，不仅降低小麦的氮素利用效率，也会对环境造成污染。而钙作为植物体内必需的营养元素，与植物生长发育的关系密切。禾谷类作物钙素缺乏会导致功能叶的叶尖及叶缘黄萎，植株未老先衰，结实少，秕粒多，从而使生物量和籽粒产量降低。

但就目前而言，我国土壤养分研究主要集中于氮、磷、钾等大量元素，而对钙等微量元素有失关注。关于钙素的研究又不够充分系统，此时开展该课题研究，是顺应形势之选，旨为评估未来气候变暖和氮肥施用对冬小麦吸收钙的影响提供理论依据。

（2）国内外研究概况

1.植物吸收钙的方式

钙是一个不易流动的元素，多存在于茎叶中，老叶多于幼叶，果实少于叶子，钙只能单向（向上）转移。矿物质元素在植物体内的运输一般是通过韧皮部和木质部，但是钙在植物体内几乎只能通过木质部运输，主要靠的是蒸腾作用，借助蒸腾拉力由下往上运输，而且钙容易在植物体内固定，钙在植物体内容易形成不溶性的钙盐而沉淀下来，是不能再利用的元素,钙一旦固定，将不再流动^[2]。

2.温度上升对土壤钙有效性的影响

目前的研究表明，温度的上升对土壤钙的有效性有双重影响，一方面，温度升高导致土壤湿度降低，钙被固定，使其无法被植物吸收利用；但另一方面，温度上升，又可能导致土壤pH降低，可交换性钙含量升高。有研究表明，在酸性条件下，pH的减小伴随着可溶性钙浓度的增长^[3]。土壤温度的升高，导致土壤湿度下降、土壤pH值降低、土壤营养环境发生的一系列变化，这些因素变化进而如何影响作物对土壤钙的吸收和利用仍有待深入研究。

3.温度上升对吸收钙的影响

温度的变化将导致小气候变化，而小生境的变化将影响植物对钙的吸收^[4]。前人的研究表明，温度升高对植物如何影响的证据尚不充分，许多模拟增温对植物的影响研究主要集中在植物的生长季，对于植物-环境，包括气候、土壤、养分等之间相互关联的重要参数关注得很少。

4.施氮对吸收钙的影响

施氮会影响植物对钙的吸收，从而造成体内营养元素的失衡^[5]。主要因为：一是植物通过根系和叶片对氮的过量吸收，导致氮在体内积累；二是造成土壤中多余的氮以NO^3-的形式淋失，导致Ca² 、作为NO^3-的电荷平衡离子也从土壤中淋失 (Linkensetal.1996， Matsonetai.1999)^[6]；再有氮沉降引起土壤中的NH⁴ 和Al³ 增加，然而NH⁴ 存在会抑制植物对Ca² 、的吸收 (Schulzeetal.1989)， Al³ 存在会抑制植物对其他阳离子及磷元素的吸收 (Zhangand Taylor.1992， Macklonand Sin.1992)^[7]。另有研究表明^[8]，氮沉降在一定程度上对植物的地上部分生长有促进作用，但不利于根系的生长，而植物对矿质营养元素的吸收主要通过根系，所以也间接影响了植物体内的矿质营养分配。

（3）应用前景

研究气候变暖和不同施肥措施对冬小麦吸收钙的影响，不仅可为未来气候模式下我国小麦生产力预测和品种选育以及适量施钙提供技术参数和理论依据，还可以根据影响评估分析可行的适应措施，如调整播期、选育新品种、适度施肥等，以便科学施用钙肥、提高钙肥利用效率、减少环境污染、实现粮食安全和环境健康的统一，其对我国小麦生产将起到十分重要的积极作用。

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[2] 杨洪强, 接玉玲. 植物钙素吸收和运转[J]. 植物生理与分子生物学学报, 2005, 31(3):227-234.

[3] Tipping E, Smith E J, Lawlor A J, Hughesand S. Predicting the release of metals from ombrotrophic peat due to drought - induced acidification [J]. Environmental Pollution, 2003,123(2): 239-253.

[4] Flowers T J, Lauchli A. Encycl Plant Physoil(new series) [M]. Berlin: springer-vertag, 1993. 651-660.

[5] 周珩, 郭世荣, 邵慧娟,等. 胁迫对黄瓜幼苗生长和生理特性的影响[J]. 生态学报, 2013.

[6] Li D-J(李德军). Impact of nitrogen deposition on forest plants. Acta Ecol Sin,2003,23(9): 1893-1900.

[7]唐波,杨欢,尹春英,等.夜间增温对亚高山针叶林主要树种无机氮吸收的影响[J].植物生态学报,2016, 40(6):543-553.

[8] 周晓兵,张元明,王莎莎,等.模拟氮沉降和干旱对准噶尔盆地两种一年生荒漠植物生长和光合生理的影响[J].植物生态学报, 2010, 34(12):1394-1403.

（1）研究方法

为研究作物对钙吸收利用情况，考虑土壤适量增加钙含量，因设置不同量的钙肥试验，来研究增温和不增温下土壤中不同形式的钙变化，钙的形态变化对作物吸收有较大影响，此外增温对N、P、K养分和土壤中碳氮比以及土壤湿度、pH的影响，也会间接影响钙的形态特征，进而影响作物对钙的吸收。而且增温对冬小麦生长也有影响，表现为冬小麦生长加速，合成更多有机物质，冬小麦根系活力增加，势必对钙的吸收量增加，其次光合作用增强，和钙有关的生理生化作用和酶系统也发生相应变化，进而影响冬小麦对钙的吸收利用。因此本方案采用开放式增温环境下施用不同的钙肥量来研究温度和土壤变化对作物吸收钙的影响机制。

（2）技术路线

针对冬小麦大田作物特点，在已有增温试验平台上，通过增加钙肥料处理，重点从肥料的投入和环境因素（增温）的交互作用角度，研究作物吸收钙的主要特征，分析冬小麦在增温条件下不同时期对钙吸收利用情况以及增温和肥料对土壤环境的影响机制，为在气候变暖这一趋势下，提高钙素的利用率，为指导冬小麦合理施用钙肥提供理论依据。具体技术路线如下：

图1 技术路线

Fig.1 The technical route

（3）实验方案

l 实验地点

南京市南京农业大学江浦农学试验站

l 实验设计

在多年增温试验基础上,进行麦季大田试验，供试品种为扬麦13，设置增温(W)与不增温(UW)处理,低量钙肥(Mg₁,60kghm^-2)、中量钙肥(Mg₂,120kghm^-2)和高量钙肥(Mg₃,180kghm^-2)和不施钙肥(Mg₀,0kghm^-2)，肥料选用硫酸钙（MgSO₄7H₂O）基施，其他水肥耕作等都依据正常大田栽培进行管理(肥料：N:225kghm^-2、P:75kghm^-2、K:90kghm^-2)。试验田设计如下图，8个试验小区，每个小区2.4m2.4m，8个处理，分别是UWMg₀，UWMg₁，UWMg₂，UWMg₃，WMg₀，WMg₁，WMg₂，WMg₃。3次重复。每个小区设置3个肥料处理，随机排列，每个肥料处理种植4行，每行20cm。不同肥料处理间地表到地下30cm深用地膜隔开。

Ca₀ Ca₁ Ca₂ CA₃

图2 田间试验小区布置

Fig.2 The field experiment plot

l 增温装置

本研究采用较为成熟的开放式主动增温方案，其装置由支架、红外增温装置、温度记录仪组成。加热源为远红外，无可见光，不影响作物光合作用。热辐射面积为2.5m2.5m。地上部可增温1-2℃，地下增温0.5-1.5℃（不断调整增温装置，始终保持作物冠层与增温装置1.5m）。对照区架设无加热设施的空支架以抵消可能的遮荫效应。温度记录仪用来记录作物冠层顶部、冠层中部、地表和地下10cm温度。数据每20分钟采集一次，每次记录20分钟时间。ZDR-41温度记录仪由杭州泽大仪器有限公司（原浙江大学电气设备厂）提供，每台仪器有4个温度传感器，传感器线长6m，可存储7382组数据。温度记录仪在农田温度监测前，按仪器说明书进行校正，保证温度变幅为0.1℃。数据每20天采集一次，每两次数据采集时校正一次温度记录仪。本试验采用全生育期全天增温方式。

（4）可行性分析

明确的科学问题和研究思路：项目考虑麦田系统的气候、土壤和施肥的多样性，针对我国冬小麦在气候变暖下，以及土壤养分变化存在长期性、复杂性、累积性和时间变异性等特征，以增温和土壤环境变化影响冬小麦对钙的吸收利用为关键科学问题，在增温和肥料试验基础上，针对影响冬小麦吸收钙的温度和土壤环境因子提出研究思路，在增温情况下，强化作物生长过程中生理生化和酶系统变化以及土壤环境变化对钙吸收利用的影响机制。

项目有试验基础积累：申请人在从事的研究工作，主要涉及到农田养分试验，已经积累了大量有关土壤营养学研究经验，其次参加973项目中，已经完成了增温对冬小麦生长发育影响的试验工作，目前正在开展增温和肥料交互试验研究，已取得了相关植物和土壤数据，这些工作能保证项目的顺利进行和数据积累。

项目采用了多学科交叉研究的方法和技术手段：项目综合采用了作物学、土壤学和信息科学等领域中关于作物系统研究的新方法和新技术。另外学校配备了研究丰富的分析测试仪器，能够全面分析土壤-作物系统中养分和生物指标，为项目的创新提供了保障。

本课题组已经或正在承担有关冬小麦栽培、耕作制度、农田生态和全球变化生态学的基础研究项目，为本项目积累了丰富的文献研究资料、理论知识和室内外工作经验，并具备较先进的技术装备。

项目组成员具有多学科知识与技能背景，在作物栽培学与耕作学、土壤学、全球环境变化、信息技术上各有侧重，其融合与交叉将十分有利于项目的高水平完成；另

外，项目组还配备了年轻的博士研究生、硕士研究生，既可提高项目的人才培养成绩，又大大增添了科研实力。