定量化研究玉米氮吸收机理的三维根系-土壤模型

我国为实现作物高产目标而大量使用化肥，导致了资源的巨大浪费与生态环境的严重破坏。玉米生产中的高氮投入问题十分明显。根系是土壤养分吸收和运输的主要器官，植物对土壤氮素的吸收与根的生长发育及空间结构动态、土壤氮素分布密切相关。模型对定量化研究植物的生长发育规律非常有价值，虚拟模型已经成为研究植物结构及其资源利用效率的有效工具。由于根系的空间结构具有不易观测的特点，因此，目前的一些模拟作物氮利用的模型在模拟根系吸收土壤氮时对于根系三维结构的影响明显考虑不足。本项目拟进行不同施氮水平条件下不同品种玉米生长的田间实验，通过测定根系空间结构与其生理特性，结合已开发的玉米地上部功能-结构模型与土壤氮模型，构建玉米根空间结构模型及其土壤氮素吸收模型，探索玉米利用土壤氮素的机理，评估玉米根系的氮吸收效率。从而为优化玉米养分管理方案提供定量化依据，也为玉米根系理想构型的设计提供支持。

氮是对作物生长发育影响最大的养分元素之一，但过量施氮已造成严重的环境污染问题。根系结构是决定作物氮素吸收效率的重要因子。深入了解根系结构，对明确根系-土壤氮吸收的相互关系、优化农田施肥方案具有重要意义。.本项目进行了不同品种、不同施氮处理的玉米田间实验。采用三维数字化技术测定了玉米主根伸展轨迹的空间坐标。同时，采用了下面介绍的一个新方法测定了这些节根上的侧根的拓扑结构和几何形态。.目前玉米根系结构研究大多针对的是室内环境下栽培的小苗。玉米生长中后期的根系由大量节根构成。根据苗期的根系研究结果难以估测后期根系的生长、结构和养分吸收特征。考虑到应用于室内环境的苗期根系测定方法难以应用到大田研究，本项目开发了一套用于取样、测定、分析大田玉米侧根结构的集成的方法。该方法包括一个自制的根取样系统用于采集玉米植株的完整根系，和一套由商业软件和自行开发的软件组成的分析系统以获取侧根结构信息。另外，还开发了一个用于将所测定节根空间结构信息和侧根结构信息集成以重建植株完整根系结构并可视化的软件。.结果表明，基于所建立的方法能够精确获取大田生长的玉米植株中后期根系的三维结构数据，所构建的根系三维结构模型能够非常真实地反映大田根系的空间结构特征。基于所构建的反映不同结构特征的根系的土壤氮吸收效率分析的模拟工作正在进行中。