中国土壤和植物养分管理现状与改进策略

针对当前我国农业生产面临增肥不增产、土壤养分过量累积、化肥施用过量和养分利用效率下降等重大问题, 本文综述了中国土壤养分与植物营养状况的历史演变和研究进展, 提出中国植物营养科学研究应在跟踪国际科学前沿的同时, 紧密结合中国农业生产实际, 通过大幅度提高养分效率和作物产量为农业可持续发展做出应有的贡献。     

青藏高原不同气候区高寒沙地两种优势植物及其根际土壤的养分特征

为了探究青藏高原寒冷沙地上优势植物及其根际土壤的养分对不同气候的响应过程, 选取半干旱和半湿润沙地上的优势植物中国沙棘(Hippophae rhamnoides subsp. sinensis)和沙蒿(Artemisia desertorum)为对象, 调查自然条件下青藏高原半干旱和半湿润沙地上两种植物枝叶和根的碳、氮、磷含量, 及其根际0-10 cm和10-20 cm土壤的有机碳、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮、有效磷含量, 并探讨两种优势植物和根际土壤的养分含量的关系及其影响因子。结果表明, 半干旱和半湿润条件下中国沙棘和沙蒿及其根际土壤的养分差异明显。半干旱和半湿润气候条件下两种植物碳、氮、磷的积累差异显著。半湿润条件下, 沙蒿根际土壤中的有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、有效磷的含量高于半干旱条件, 而中国沙棘根际土壤养分的结果却相反。不同气候条件下, 沙蒿和沙棘的养分和根际土壤的养分显著相关, 两种植物的养分比差异显著, 沙蒿氮磷比与其根际土壤的氮磷比以及中国沙棘的碳氮比与其根际土壤的碳氮比显著负相关。     

Characteristics of nutrients in two dominant plant species and rhizospheric soils in alpine desert of the Qinghai-Xizang Plateau under contrasting climates

为了探究青藏高原寒冷沙地上优势植物及其根际土壤的养分对不同气候的响应过程, 选取半干旱和半湿润沙地上的优势植物中国沙棘(Hippophae rhamnoides subsp. sinensis)和沙蒿(Artemisia desertorum)为对象, 调查自然条件下青藏高原半干旱和半湿润沙地上两种植物枝叶和根的碳、氮、磷含量, 及其根际0-10 cm和10-20 cm土壤的有机碳、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮、有效磷含量, 并探讨两种优势植物和根际土壤的养分含量的关系及其影响因子。结果表明, 半干旱和半湿润条件下中国沙棘和沙蒿及其根际土壤的养分差异明显。半干旱和半湿润气候条件下两种植物碳、氮、磷的积累差异显著。半湿润条件下, 沙蒿根际土壤中的有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、有效磷的含量高于半干旱条件, 而中国沙棘根际土壤养分的结果却相反。不同气候条件下, 沙蒿和沙棘的养分和根际土壤的养分显著相关, 两种植物的养分比差异显著, 沙蒿氮磷比与其根际土壤的氮磷比以及中国沙棘的碳氮比与其根际土壤的碳氮比显著负相关。     

土壤微生物在植物获得养分中的作用

大量施用化肥是当今农业的一个重要特征。化肥为粮食增产做出了巨大贡献,同时也带来一系列问题,如土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放、资源耗竭等,直接威胁着农业可持续发展。土壤微生物是陆地生态系统植物多样性和生产力的重要驱动者,直接参与了植物获得养分和土壤养分循环两个过程。因此,通过调控土壤微生物的功能,有望降低农业对化肥的过分依赖。介绍了共生固氮菌、菌根真菌和根际促生菌对植物获得养分能力的影响及其机制,分析了土壤微生物对土壤氮、磷循环的影响及其与土壤养分生物有效性、养分损失的关系。依据这些知识,提出了改善植物营养、降低化肥施用的土壤微生物途径。虽然大量试验已证明了土壤微生物在改善植物营养中的重要作用,但是大面积应用土壤微生物技术来改善植物营养还存在不少问题。随着以后对这方面研究的加强以及上述问题的不断解决,土壤微生物有望在降低化肥施用量和维持农业可持续发展中做出重要贡献。     

植物化感物质及化感潜力与土壤养分的相互影响

植物化感作用与许多生态因子有关.土壤养分缺乏,影响着许多植物化感物质的产生,从而影响植物的化感潜力;反过来,植物化感物质也通过络合、吸附、酸溶解、竞争、抑制等方式影响土壤的养分形态和水平.本文总结了植物化感物质及化感潜力与土壤养分的相互影响,并提出了今后该领域值得进一步研究的问题.包括以下几方面：加强植物化感研究与土壤 植物营养学研究的结合,以更深入地阐明植物化感物质、化感作用与土壤养分变化的关系;加强植物化感研究与生态系统养分循环研究的结合,以类似自然（nature-like）的方式模拟自然界植物所受的养分干,使养分干扰的化感研究结果更加逼真、可靠;加强对养分过量及受污染时植物化感作用的研究,为揭示农业和林业生产中植物的相互作用机制和生物量变化机制提供新的思路,为生态保护提供科学依据.     

宁南山区典型植物根系分解特征及其对土壤养分的影响

根系分解是陆地生态系统碳和养分循环的重要地下生态过程,研究宁南山区典型植物根系分解特征及其对土壤养分的影响,能够丰富和完善陆地生态系统的物质和能量循环机制,为我国黄土高原植被恢复过程中植物与土壤之间的养分循环提供依据。连续2年研究了宁南山区3种典型植物(长芒草、铁杆蒿和百里香)根系的分解特征及其对土壤养分的影响。结果表明,长芒草、铁杆蒿和百里香根系年分解指数(K)分别0.00891、0.01128、0.01408,分解速率依次表现为百里香铁杆蒿长芒草。分解16个月后3种典型植物根系释放大量养分,其中碳的释放量在57.05—124.39 g/kg;氮的释放量在0.12—0.47 g/kg。3种典型植物根系对土壤养分的影响主要表现为:试验结束时,0—5 cm表层土壤有机碳含量提高了0.17—0.35 g/kg,5—20 cm土层土壤有机碳含量提高了0.26—0.35 g/kg。相关性分析可知,植物根系养分释放量与土壤养分含量之间存在一定的负相关关系,当土壤养分含量较低时,根系会增加养分释放量进行补充。由此可知,根系分解提高了土壤养分含量,有效的促进了养分在根系-土壤中的循环。     

植物与土壤微生物在调控生态系统养分循环中的作用

陆地生态系统的地上、地下是相互联系的。植物与土壤微生物作为陆地生态系统中的重要组成部分, 它们之间的相互作用是生态系统地上、地下结合的重要纽带。该文首先介绍了植物在养分循环中对营养元素的吸收、积累和归还等作用, 阐述了土壤微生物对养分有效性及土壤质量具有重要的作用。其次, 重点综述了植物与土壤微生物之间相互依存、相互竞争的关系。植物通过其凋落物与分泌物为土壤微生物提供营养, 土壤微生物作为分解者提供植物可吸收的营养元素, 比如共生体菌根真菌即可使植物根与土壤真菌达到互惠。然而, 植物的养分吸收与微生物的养分固持同时存在, 因而两者之间存在对养分的竞争。通过植物多样性对土壤微生物多样性的影响分析, 以及土壤微生物直接或间接作用于植物多样性和生产力的分析, 探讨了植物物种多样性与土壤微生物多样性之间的内在联系。针对当前植物与土壤微生物对养分循环的调控机制的争论, 提出植物凋落物是调节植物与土壤微生物养分循环的良好媒介, 植物与土壤微生物的共同作用对维持整个生态系统的稳定性具有重要意义。也指出了目前在陆地生态系统地上、地下研究中存在的不足和亟待解决的问题。     

芨芨草叶片养分特征对氮磷不同添加水平的响应

植物叶片氮(N)、磷(P)养分特征受土壤可利用性N、P含量和N、P相对比例(N:P)的共同影响, 研究其作用机制有助于解释和评估土壤养分变化对植物养分利用策略的影响。该研究通过盆栽实验, 探讨芨芨草(Achnatherum splendens)养分化学计量学特征和叶片养分回收特征对不同剂量的养分添加(低、中、高3个N添加水平: 1.5、4.5、13.5 g·m^-2·a^-1)及不同土壤N:P (5、15、25)的响应。结果表明: 养分添加水平的提高显著增加了成熟叶片P含量和衰老叶片N、P含量, 显著降低了叶片N、P养分回收效率(NRE, PRE)。土壤N:P的升高显著降低了衰老叶片P含量和叶片NRE, 但增加了成熟和衰老叶片N:P和叶片PRE。相同养分添加水平条件下, 土壤N:P与叶片PRE显著正相关, 但与叶片NRE无显著相关性; 相同N:P条件下, 养分添加水平与NRE负相关, 但与PRE无显著相关性。植物NRE:PRE可以有效地反映环境变化所导致的植物对N、P需求的改变。土壤养分添加水平和N:P共同影响着芨芨草的叶片养分生态化学计量学特征和养分回收。     

放牧强度对高寒嵩草草甸土壤养分特性的影响

植物-土壤系统是草地生态和生产服务价值实现的基础,放牧是草地植物群落演替的重要因素。植物、土壤亚系统对放牧的敏感性是评价草地稳定性和提高草地恢复力的重要依据。以不同放牧强度下的高寒嵩草(Kobresia)草甸为研究对象,探讨土壤养分特征对放牧强度的响应及作用位点,结果表明:改变放牧强度可以明显改变植物群落数量特征,但没有明显改变土壤层次分类特征,说明土壤养分特征对一定范围内放牧强度具有自我稳定维持功能;但放牧干扰强度不同时,土壤剖面过渡层养分含量存在差异,说明长期放牧强度的差异会对土壤剖面养分性质产生影响,且这种影响起源于土壤剖面过渡层。在放牧高寒嵩草草甸植物-土壤系统中土壤剖面养分特征较植物群落数量特征更稳定;土壤剖面过渡层养分特征是土壤亚系统中对放牧的敏感因素;而放牧引起土壤剖面养分特征的改变主要表现在各过渡层上,并构成土壤发生层迁移的风险,因此推测,更为持久和更高强度的放牧干扰将最终改变土壤剖面特征及养分性质。     

喀斯特不同植被恢复阶段土壤有机酸季节变化与有效氮磷的关系

植物分泌有机酸在提高土壤养分有效性方面起到重要作用。为了解喀斯特地区不同植被恢复阶段土壤有机酸含量季节性变化与氮磷有效性的关系,在灌木林和原生林各选择3种优势植物,测定雨季和旱季两个季节根际土和非根际土的有机酸含量、碳氮磷含量和比值、有效性氮磷含量及微生物生物量碳。结果表明:原生林植物根际土的草酸含量高于灌木林,而苹果酸和乙酸含量则低于灌木林;根际土草酸含量均高于非根际土;2个植被根际土和非根际土的草酸含量在雨季高于旱季,而苹果酸和乙酸含量则低于旱季;土壤草酸含量与有机碳、全氮、全磷和N∶P值呈显著正相关,与C∶N呈显著负相关;土壤有效氮和有效磷与草酸和微生物生物量碳呈显著正相关。上述结果表明,植物分泌有机酸的季节性变化与土壤养分状态和自身养分需求相关,而有机酸耦合微生物对养分有效性的提高具有积极的作用。因此,根际土的有机酸季节变化可能是喀斯特生态系统中植物适应土壤养分限制的一种重要机制。     

Plant nutrition in the 20th and perspectives for the 21st century

This paper briefly presents the knowledge of plant nutrition in 1900 and its expansion since then in two areas - the discovery of the micronutrients and the absorption of nutrients from soils.Application of macro- and micronutrient fertilizers has contributed substantially to the huge increase in world food production experienced this century. In developed countries, excessive fertilizer use has led to serious problems of nutrient pollution; here, plant nutritionists will be concerned with monitoring nutrient status of crops and soils to maintain crop production with minimum loss of nutrients to the environment, and development of cultivars with high nutrient efficiency in soils with luxury supplies of nutrients.In many developing countries, soil infertility limits productivity; here, plant nutritional research can raise productivity by diagnosis of nutrient deficiencies and toxicities of crops on previously unfertilized soils, their correction with minimal fertilizer and treatment costs, and development of cultivars with high nutrient efficiency in deficient soils and high tolerance of natural toxicities.The pre-occupation of developed countries with pollution is blinding them to the urgent needs of developing countries for fertilizers and fertilizer research to increase crop production ha-1 as an alternative to clearing more land.     

Yield Gap,Indigenous Nutrient Supply and Nutrient Use Efficiency for Maize in China

Great achievements have been attained in agricultural production of China, while there are still many difficulties and challenges ahead that call for put more efforts to overcome to guarantee food security and protect environment simultaneously. Analyzing yield gap and nutrient use efficiency will help develop and inform agricultural policies and strategies to increase grain yield. On-farm datasets from 2001 to 2012 with 1,971 field experiments for maize (Zea mays L.) were collected in four maize agro-ecological regions of China, and the optimal management (OPT), farmers’ practice (FP), a series of nutrient omission treatments were used to analyze yield gap, nutrient use efficiency and indigenous nutrient supply by adopting meta-analysis and ANOVA analysis. Across all sites, the average yield gap between OPT and FP was 0.7 t ha^-1, the yield response to nitrogen (N), phosphorus (P), and potassium (K) were 1.8, 1.0, and 1.2 t ha^-1, respectively. The soil indigenous nutrient supply of N, P, and K averaged 139.9, 33.7, and 127.5 kg ha^-1, respectively. As compared to FP, the average recovery efficiency (RE) of N, P, and K with OPT increased by percentage point of 12.2, 5.5, and 6.5, respectively. This study indicated that there would be considerable potential to further improve yield and nutrient use efficiency in China, and will help develop and inform agricultural policies and strategies, while some management measures such as soil, plant and nutrient are necessary and integrate with advanced knowledge and technologies.     

不同施肥模式下潮棕壤稻田的速效养分状况和水稻的养分分配

研究了不同施肥模式下下辽河平原潮棕壤稻田土壤速效养分的供应能力及水稻的养分分配.结果表明:各处理0～20 cm速效养分供应能力均高于20～40 cm,其变异也大于20～40 cm(速效氮除外);有机、无机肥相结合有利于提高土壤速效养分的供应能力;水稻氮和磷的分配主要集中在籽实中,钾的分配则主要集中在秸秆中.采用秸秆还田措施有利于缓解钾肥资源的不足,保持钾素的循环再利用,维持土壤钾库,减少钾肥投入,降低农业生产成本,减轻环境污染.     

Nutrient-uptake and nutrient-use efficiency ofPinus thunbergii Parl. along a topographical gradient of soil nutrient availability

To examine responses of a plant species to nutrient availability, we investigated changes in soil nutrient availability, litterfall production and nutrient content in litterfall along a topographic gradient in aPinus thunbergii Parl. plantation. Responses were evaluated in terms of three efficiency indices: (i) nutrient-uptake efficiency (the ratio of nutrient return in litterfall to soil nutrient availability); (ii) nutrient-use efficiency (the ratio of litterfall mass to nutrient return in litterfall); and (iii) nutrient-response efficiency (the ratio of litterfall mass to soil nutrient availability). These indices can distinguish the ability of a species to acquire nutrients and its ability to use them in litterfall production. Nitrogen and phosphorus availabilities in soil were lower in upper slope positions. The three efficiencies were higher in upper slope positions and negatively correlated with soil nutrient availability for both nitrogen and phosphorus. An increase in nutrient-response efficiency was achieved by both increases in nutrient-uptake and nutrient-use efficiencies.     

去叶时间对半干旱草原植物养分回收和干草生产的影响

去叶时间对半干旱草原植物养分回收和干草生产的影响 养分回收是植物养分保存的重要策略,其对环境和管理变化的响应关系到生态系统的养分循环和生产。去叶(刈割)是影响草地植物养分回收和生产的重要途径,而去叶时间的影响尚不清楚。本研究以内蒙古典型草原生态系统为对象,设置早期去叶(生物量高峰期之前)、峰期去叶(生物量高峰期)、晚期去叶(养分回收开始后)和不去叶(对照)四个处理,探讨了去叶时间对植物养分回收和生产的影响。通过测定植物物种和群落水平氮(N)和磷(P)回收特征,量化了植物N、P回收通量以及凋落物归还通量和干草输出通量,并评估了不同去叶时间处理下割草草地系统干草产量和质量。研究结果显示,峰期和晚期去叶降低植物群落N、P回收度,而早期去叶则对二者无影响;不同去叶时间处理下植物N、P回收效率相对稳定,仅晚期去叶降低N回收效率。峰期和晚期去叶降低植物群落N、P回收通量和凋落物N、P归还通量,而早期去叶并不影响这些参数。去叶时间降低植物群落养分回收通量,但未改变植物根系养分储存,说明根系养分吸收增加可补偿养分回收通量的降低。草地干草产量和质量在峰期去叶处理下最高,晚期去叶处理下最低。本研究结果为割草草地生态系统养分循环提供了新见解,通过调整刈割时间可以平衡草原的保护与生产,在植物生物量高峰期之前割草可实现保护和可持续生产的双重目标。     

关于植物营养生态学

植物营养学与植物生态学发展的前沿交叉正形成了植物营养生态学,植物营养生态学是探讨植物营养利用策略的科学,包括植物体内营养的合理利用策略和植物对无机营养环境的改造以利于营养吸收的各种可能策略。其研究内容主要包括养分利用效率、植物体内营养的再利用、体内营养含量格局和植物对土壤无机营养环境的改造。植物营养生态学以植物种群为研究对象。它的发展对深刻理解种群的生态行为特征具有重要意义,同时对如何增进人工混交群落的营养协调性具有实践上的指导意义。营养生态机理的各个方面是相互协调和相互补充的整体,营养生态机理的效率决定了种群营养合理利用的程度和在营养资源上的竞争力。目前,研究上尚缺少营养策略与其它生态策略的关联性的探讨,随着各种营养策略研究上的深入,这种关联性探讨将成为今后植物营养生态学的主要发展趋势。     

Patterns and Mechanisms of Nutrient Resorption in Plants

Nutrient resorption (NR) plays a key role in the nutrient conservation of plants. However, a fundamental understanding of the mechanisms that control NR remains limited. In this review, we examine how intrinsic controls (e.g., genetic variability and plant development) and extrinsic environmental controls (e.g., climate and soil fertility) influence NR. We also examined conceptual NR advances, mass loss correction, measurement in non-leaf plant tissues for whole-plant nutrient budget accounting, and the use of stoichiometric ratios in place of individual elements. Nutrient resorption from senescing leaves is greater than that from stems/culms or roots. Nutrients resorbed from stems and roots in woody plants are lower than in non-woody plants. Deciduous plants are more efficient in resorbing leaf nutrients prior to senescence than are evergreen plants. Furthermore, reproductive efforts tend to increase NR. Along a latitudinal gradient of terrestrial biomes, nitrogen resorption efficiency decreases and phosphorus resorption efficiency increases with increasing temperature and precipitation; however, latitudinal patterns reflect the influences of several coupling factors such as genetic variation, climate, soil, and disturbance history. Nutrient fertilization experiments have demonstrated that increased soil fertility reduces NR. The inquiries into the impacts of ongoing climate change on NR are still at a nascent stage. Future NR studies are needed to better understand the independent effects of a wide range of genetic variation, plant development, and environment, and possibly the different responses of plants to environmental change; particularly elevated atmospheric CO₂ concentrations and global warming.