中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题3:氮磷高效利用的地上-地下生物功能调控与技术原理

课题3:氮磷高效利用的地上-地下生物功能调控与技术原理

核心科学技术问题:

  1. 外源引入根际微生物调控氮磷利用率的增效机制是什么?
  2. 环境因子如何影响外源菌剂等调控措施调控效果的发挥?
  3. 田间条件下菌剂、碳源、水分等不同的调控措施如何在大时空尺度进行集成?菌剂的剂种效应和和时空效应如何配合?

 

解决问题的思路与方法:

在我国海伦(黑土,玉米)、沈阳(潮棕壤,玉米)、封丘(潮土,玉米)、宜兴(黄泥田,水稻)、鹰潭(红泥田,水稻)、广州(赤红泥田,水稻)等地布置田间原位试验,分别开展信号物质、功能微生物菌剂和碳水耦合等生态因子调控试验。具体包括,(1)分别通过15N同位素标记实验、32P放射性同位素标记实验和分子标记实验(DNA-SIP)示踪在信号物质的作用下,土壤NP的转化及植物NP的吸收特征;通过田间实验,综合分析信号物质对植物NP吸收的时间效应、剂量效应和空间效应;利用原位监测系统监测信号物质添加前后氮磷损失量的排放规律。(2)研究在氮磷充足和缺乏的条件下,共生体系(菌根菌)和非共生体系(联合固氮菌、解磷菌和促生菌)菌剂的田间效应。借助养分监测、显微原位观察和高通量测序等手段,研究菌剂对作物产量、氮磷利用率和根际微生物群落的影响;探明菌剂在作物根际的定殖及活力情况;明确调控技术与产品(菌剂、增效剂等)的剂量、协同与时空效应;为有效地利用菌剂产品提高作物氮磷利用效率提供理论依据和技术支持。(3)通过田间原位试验和室内培养试验,借助同位素示踪、代谢组学分析和高通量测序等新兴技术手段,探明根际激发效应与土壤微生物区系组成、植物地上净生产力、根系周转过程、根际代谢物组分以及温度和水分间的函数关系,为有效地整合土壤-植物-微生物相互作用机理于地球系统模型之中做出显著贡献。

 

技术路线:

微生物调控

NP高效利用的地上-地下生物功能调控原理

微生物+信号调控

生态综合调控

DGGE,稳定同位素标记

示踪,高通量测序,基因

芯片,稳定同位素分子探针

RT-PCR、HPLC、LC-MS,同位素标记,组学技术

不同气候区、不同土壤

类型,常规土壤、植物理化性质分析

室内模拟实验为主

与环境条件相关性分析

作物高效吸收

土壤高效供应

土壤-植物高效利用

主要气候-土壤-作物类型

野外试验为主+室内模拟

室内模拟实验+野外试验

 

主要研究内容:

1. 针对典型气候区的土壤-作物-施肥状况,研究

  • 外源微生物对根圈土壤氮磷释放过程的作用和影响因素
  • 土壤-作物系统高效利用氮磷的综合管理调控原理及时空变化规律
  • 外源微生物对根圈土壤氮磷供应的调控与技术原理

研究菌剂对作物产量、氮磷利用率和根际微生物群落的影响;探明菌剂在作物根际的定殖及活力情况;明确控技术与产品(菌剂、增效剂等)的剂量、协同与时空效应;

2. 土壤-作物系统高效利用氮磷的综合调控原理与技术集成

在田间条件下开展根际激发效应对作物NP利用效率的系统研究,在不同水热梯度的典型玉米田和水稻田,采用自行设计的根箱装置来原位监测野外条件下植物根际激发效应的变异规律,分析根际激发效应的变化幅度及其与主控因子的函数关系,探讨根际激发效应对水稻和玉米NP利用效率的影响与调控机理;分析不同碳源、耕作方式、水分管理等措施对激发效应的影响及其与作物NP高效利用的相关关系,明确高低NP条件下不同碳源的最优配比,构建不同气候区最佳碳源、水分和土壤调节剂的组合技术。在已筛选出最佳碳源、水分和土壤调节剂组合基础上,整合信号物质和外源微生物菌剂,在北方潮土建成玉米氮磷高效利用集成范式,在南方红壤建成水稻高效氮磷利用集成范式,提高氮磷利用率5-8个百分点。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置2个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:外源微生物对根圈土壤氮磷供应的调控与技术原理,负责人为中国科学院南京土壤研究所董元华研究员;

子课题2:土壤-作物系统高效利用氮磷的综合调控原理与技术集成,负责人为中国科学院南京土壤研究所沈仁芳研究员。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 完善具体方案设计、完成课题野外采样和小区设计;在室内预实验基础上,选择1-2个地点布设信号物质和根际微生物控效试验以及根际激发效应控制试验。完成代表区域的田间小区布设及背景数据分析;初步获得信号物质和功能菌剂田间控效数据,布设根际激发效应的田间试验系统。
2015 开展养分与功能菌剂配施的田间协同效应试验;继续探明信号物质的调控效果;开展13C标记底物添加的室内模拟培养试验,采用高通量测序等研究土壤微生物对于信号物质和激发效应发生、强度和进程的影响;重点研究不同碳源、耕作方式以及土壤改性策略下,玉米NP利用效率。获得田间的优化菌剂组合施用方式;建立微生物群落等主控因子与根际激发效应的函数关系;明确玉米高效利用NP的碳水耦合模式。
2016 利用原位显微技术研究菌剂在作物根际的定殖及活力情况,利用高通量测序探究不同浓度信号物质和菌剂施用对作物土壤微生物群落的影响;量化碳水耦合影响下的根际激发效应与作物NP利用率、土壤NP库容的关系;重点研究不同碳源、耕作方式以及土壤改性策略下,水稻NP利用效率。阐明功能菌剂在作物根际的定殖能力、活性及信号物质对土著群落的影响;明确水稻高效利用NP的碳水耦合模式。
2017 开展6个试验点信号物质和功能菌剂的空间效应及菌剂有效期限的时间效应试验;监测信号物质添加前后氮磷的损失量;分析根际激发效应与根际代谢物组分等相关关系,明确土壤微生物对根际激发效应的影响及其对NP利用效率的调控。明确不同试验点信号物质和功能菌剂的空间及时间效应;探明不同水热梯度下田间根际激发效应的变异幅度;初步筛选出田间小区尺度下NP高效利用的信号-功能菌剂-生态因子调控策略。布设2个百亩试验示范区,开展综合调控技术集成研究。
2018 研究信号物质和功能菌剂田间配施增效施用策略;开展区域尺度下信号-功能菌剂-生态因子对作物NP高效利用的整合集成研究。开发增效生物产品包括信号物质、生物肥、增效剂各2个;构建基于根际激发效应的不同气候区最佳碳源、水分和土壤调节剂的组合技术体系。
五年成果
具体体现
揭示信号物质调控和根际微生物组成与活性调控的氮磷增效机制;明确调控技术与产品的剂量、协同与时空效应;提出利用生物产品(生物肥、增效剂等)提高氮磷利用率的微生物策略;阐明土壤微生物对根际激发效应的影响及对氮磷高效利用的调控机理;建成适宜不同气候区的最佳碳-水管理和土壤活性功能调节的组合调控技术;在北方潮土区和南方红壤区建成氮磷高效利用的地上-地下生物功能调控模式集成示范区共200亩,提高氮磷利用率5-8个百分点;博士后2人,博士生10人,硕士生20人。发表SCI论文40篇以上。申请专利20-30项;培养研究生20-30名,优秀青年人才1-2名。