考虑补偿效应的盐渍农田作物水氮吸收规律研究与模拟

Soil water and salt are two major limiting factors affecting crop growth in North China. The heterogeneous distributions of soil water and salt over this region usually lead to partial moist or low salt areas which further result in compensatory effects on root water and nitrogen uptake. However, very few systematic studies, neither experiments nor modeling, were conducted on this topic. This proposed project is to be carried out in Hetao Irrigation District where soil is greatly influenced by salt, and sunflower is selected as the study plant. Pot culture experiments are designed to precisely control the experimental conditions including the degree, duration, and start time of water and salt stress. Meanwhile, field experiments are designed for additional evaluation and supplement. The objectives of this study are to (1) find out the physio-ecological characteristics of sunflower under different water and salt stress conditions; (2) analyze the rule for root water and nitrogen uptake in saline soils by considering compensatory effects; (3) explore the methods to quantify water and salt stress and nitrogen uptake factor taking account of compensatory effects; (4) establish crop water and nitrogen uptake model considering compensatory effects for saline soils. The expected achievements of this study will provide both the theoretical basis and strong practical tool for effective use of soil water and fertilizer, food security and environmental protection.

水盐胁迫是我国北方盐渍农田作物生长的主要限制因素，然而该地区还普遍存在土壤水盐空间分布不均的现象，这往往会导致根区的部分湿润或低盐，对作物的水氮吸收具有一定的补偿作用，但鲜有针对这一问题的系统性实验和模型研究。本项目以内蒙古河套灌区盐渍化农田为背景，以向日葵为研究对象，通过盆栽实验精确控制作物根区的水盐胁迫程度、胁迫历时和进入胁迫的时刻，并以大田实验进一步补充和验证，监测不同水盐胁迫条件下作物生理生态特征；系统分析盐渍农田作物水氮吸收规律以及由于根区水盐分布不均造成的补偿效应；探索存在补偿效应时水分胁迫、盐分胁迫和根系吸氮因子的表达方式；建立考虑补偿效应的盐渍农田水氮吸收模型。本课题的研究成果可为我国北方盐渍农田水肥高效利用、粮食增产和环境保护提供理论依据和实用工具。

土壤水盐纵向异质性是盐渍土壤的普遍属性，对该情形下的作物生长和水分运输机制进行准确描述是了解作物抗逆生存机理和保证粮食增产的重要前提。然而，一方面由于实验手段的局限性，目前关于土壤水盐纵向异质性的研究较为匮乏，且由于作物品种和实验条件的差异得到的结论并不一致；另一方面，在根区水盐胁迫和补偿效应并存的条件下，如何定量表征和模拟土壤水盐异质条件下的作物水分运输过程，目前理论仍不完善。基于此，项目组基于微区和大田等多年多尺度向日葵生长实验，得到了向日葵全生育期土壤水盐动态变化、生育期划分、作物形态学指标（包括株高、茎粗、叶面积和花盘直径等）、瞬时光合特性指标（净光合速率、胞间二氧化碳浓度、蒸腾速率、气孔导度）、辐射利用率、各器官生物量累积与分配、籽粒产量形成、累积蒸腾变化、根系指标（根长、根重、根径等）等关键实验实验数据。通过对实验数据的深入分析，项目组实现了对土壤水盐异质分布特征按照位置、平均和极端的分类信息提取，通过相关性分析等统计手段，构建了基于土壤水盐异质指标的作物LAI和株高生长函数；明确了不同土壤水盐胁迫程度与异质分布交互耦合作用条件下，向日葵补偿性生长和吸水的触发条件；在此基础上，项目组针对现有农业水文领域应用最为广泛的Feddes Jarvis根系吸水经验模型做出改进，提出可以考虑土壤水盐异质胁迫的土壤环境胁迫因子的概念，对模型关键参数临界补偿因子进行了定量表征。此外，从作物水分运输本构关系出发，初步建立了基于土壤水分异质胁迫状态下土壤-作物系统水力特性变异响应函数，在此基础上，采用盐分胁迫参数率定的经验方法，对土壤盐分异质胁迫做了初步考虑，从数值模拟角度对土壤水盐异质条件下的根系吸水衰减和补偿效应进行量化和解释。综上所述，申请人及其团队较好地完成了项目研究目标，相关成果满足任务书要求。