主要粮食作物高产栽培与资源高效利用的基础研究

项目名称： 主要粮食作物高产栽培与资源高效利用的基础研究首席科学家： 张福锁 中国农业大学起止年限： 2009.1 至 2013.8依托部门： 教育部 农业部1一、研究内容(一)拟解决的关键科学问题针对作物产量与资源利用效率协同提高这一重大科学命题，本项目从挖掘作物生物学潜力和提高土壤生产力入手，重点解决以下两个关键科学问题：(1)作物群体结 构与花后物质生产、分配的动态协调及其栽培调控原理。作物产量的进一步提高主要依赖于群体的增大和花后物质生产的贡献，如何构建高效能生产系统、高强度支持 转运系统、高 质量受容系 统，克服群体增大条件下个体与群体、源与库、根与冠等矛盾，关 键在于阐明作物群体 结构与花后物质生产、分配的动态协调及其栽培调控原理。(2)稳定实现作物高 产高效的土壤条件及其调控途径。良好的土体构型、耕层结构和水肥保持与供应能力既是作物高产的基础，也是水肥资源高效利用的关键。稳定 实现作物高产高效，急需阐明高产高效的土壤条件和关键过程，揭示土壤对逆境条件的响应和缓冲机理，明确提高土壤生产力的定向调控途径。(二)主要研究内容围绕以上关键科学问题，以我国三大粮食作物小麦、玉米和水稻为研究对象，开展高产高效的作物栽培学、土壤学和植物营养学联合研究，拟分以下 3 个部分进行研究。第一部分 四大生产体系作物高产高效的关键限制因素与突破途径重点围绕在现有生产基础上实现作物高产和资源高效的第一步目标，以我国三大粮食作物小麦、玉米和水稻为研究对象，集中阐明作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦- 玉米、南方水稻、西北旱作)当前影响产量提高的制约因素及主控过程，通过栽培和土肥技术的集成创新， 建立四大生产体系适应我国当前农业生产条件的、在现有基 础上产量增长 10-15%、水肥资源生产效率提高 20%的技术调控途径。主要研究内容包括：春玉米密植高产与水热高效的协调机制与途径；小麦-玉米周年高产高效的栽培学机制与途径；高产水稻氮肥高效利用机制与途径；西北旱作高产栽培的水分高效利用原理及调控。第二部分 作物高产与资源高效的关键过程研究重点是在更高的产量和资源效率目标下，揭示作物产量形成、水肥调控和土壤过程的规律，为调控途径的再创新提供理论依据。具体将针对作物高产群体结构与花后物质生产、分配的动态协调及其栽培调控原理这一关键科学问题，开展高产作物群体结构与功能的优化机理及定量控制，以及水肥高效利用的根-土互作机理研究；针对稳定实现作物高产高效的土壤条件及其调控途径这一关键科学问题， 深入探索土壤条件和土壤关键过程对实现作物高产高效的影响与定向调控原理。主要研究内容包括：2作物高产群体结构与功能的优化机理及定量控制；高产作物水肥高效利用的根-土互作机理；作物高产高效的土壤条件及定向调控。第三部分 粮食主产区作物高产高效潜力与实现途径针对我国粮食安全目标和资源约束条件，重点探索粮食主产区作物高产高效潜力的区域特征，明确不同区域实现高产高效的关键资源与技术制约因素及其限制程度；揭示区域关键资源要素间的替代效应，明确技术因素对限制性资源因素的补偿作用以及关键技术优化和资源匹配机制；阐明各区域高产高效潜力挖掘的资源与经济代价，提出不同区域高产高效潜力的实现途径。3二、预期目标(一)总体目标本项目的总体目标是建立作物产量与资源利用效率协同提高的理论与技术体系。在基础理论方面，揭示高产高效作物群体和土壤条件的内在规律，明确作物高产高效的协同调控机制，使我国作物高产高效的理论研究在国际上占有重要的地位；在应用方面，阐 明影响我国粮食作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦- 玉米、南方水稻、西北旱作) 高产高效的限制因素、主控过程、区域潜力和 资源代价，为解决我国粮食安全和资源高效的国家重大需求提出切实可行的技术途径和决策建议。同时，促进作物栽培、土壤和植物营养等学科的人才队伍建设，打造一个以解决我国农业重大问题为宗旨的多学科紧密结合的研究平台，提升我国作物高产栽培与农业资源高效利用研究的理论水平和解决实际问题的能力，引领作物高产与资源高效的研究方向。(二)五年预期目标（ 2009-2013 年）(1) 揭示我国粮食作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作) 当前高产高效的限制因素和主控过程，建立四大生产体系适应我国农业生产条件的、在现有基 础上产量增长 10-15%、水肥资源生产效率提高 20%的技术调控途径。(2) 阐明作物高产的群体结构与花后物质生产、分配的动态协调机制，为进一步大幅度提高作物产量的高效群体定向控制提供理论依据。(3) 揭示高产作物根系与根层水分养分的互作机制，建立大幅度提高作物产量条件下以根- 土互作为核心的养分水分资源高效利用理论与途径。(4) 明确稳定实现作物高产高效的土壤条件，揭示高产高效土壤对逆境条件的响应和缓冲机理，阐明提高土壤生产力的原理与途径。(5) 明确我国粮食主产区作物高产高效潜力的区域特征、制约因素和挖潜的资源与经济代价，提出不同区域高产高效潜力的实现途径，为国家粮食安全和资源高效利用的战略决策提供科学依据。(6) 发表 SCI 收录论文 120 篇，出版专著 3 本。 打造一个高水平的作物栽培学、土壤学和植物营养学综 合研究平台， 培养 510 名在国际农学界有竞争力的中青年科学家，培养博士研究生 40 名。4三、研究方案(一)学术思路本项目的学术思路是：通过挖掘作物的生物学潜力和提高土壤生产力，而非过分依赖水肥等大量投入， 实现作物产量和资源利用效率的协同提高。挖掘作物生物学潜力和提高土壤生产力、实现大面积作物高产高效的关键在于：(1)构建理想群体、协调花后物质生产 与分配， 实现作物高产； (2)利用根-土互作原理，同步根层水肥供应与高产作物需求，实现资源高效；(3)提高土壤基础生产力，增强抗逆能力和缓冲性，稳定实现 作物高产高效。(二)技术途径根据以上学术思路，以小麦、玉米和水稻三大粮食作物为研究对象， 本研究通过多学科合作：(1)从揭示我国粮食作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作)当前影响产量和资源效率提高的限制因素和主控 过程入手，建立四大生产体系适 应我国农业生产条件的、在现有基础上产量增长10-15%、水肥资源生产效率提高 20%的技术调控途径；(2)在更高的产量和效率目标下，围绕 作物高产高效的栽培调控和资源配置的三个关键过程，即：作物高产群体结构与功能的调控过程、高产作物水肥高效利用的根-土互作过程、作物高产高效的土壤条件与关键过程，深入开展高产高效的基础理论研究，破解本项目的两个关键科学问题，为进 一步大幅度提高产量和资源利用效率提供理论依据；(3)从挖掘作物增 产潜力和提高资源利用效率两方面入手，揭示区域间大面积作物高产高效的潜力差异、资 源技术限制， 阐明区域关 键资源技术要素间替代作用和补偿效应，明确不同区域 实现大面积高产高效潜力的资源投入和经济代价，提出不同区域高产高效的实现途径。主要研究内容及其研究思路、研究方法和预期结果如下：(1) 四大生产 体系作物高产高效的关键限制因素与突破途径通过多点田间定位试验，阐明我国作物四大生产体系(东北春玉米、华北小麦-玉米、南方水稻、西北旱作) 高产与资源高效利用的限制因素和主控过程；通过高产栽培技术与养分水分资源高效利用的调控技术的集成创新，建立适应我国农业生产条件的、在现有基础上产量增长 10-15%、水肥资源生产效率提高 20%的技术调控途径。(2)作物高产群体 结构与功能的优化机理及其定量控制田间小区试验、室内试验和区域比较试验相结合，分析小麦、玉米、水稻三大粮食作物不同产量水平、不同基因型的群体结构与功能特征，明确作物高产条件下个体与群体、源与库的 协调关系，揭示群体 结构与花后物质生产、分配的 动态协调机制，阐明作物高产 群体结构与功能定量控制的栽培学原理。(3)高产作物水肥高效利用的根-土互作机理田间小区试验、室内模拟和区域多点试验相结合， 阐明高产作物养分供需规律、作物抵抗胁迫的特殊养分需求及其生理机制，确定根层养分调控的目标；研5究符合高产高效目标的理想根系构型与生理功能，阐明品种、密度、土壤 结构对根系的影响，揭示根层养分水分供应与根系之间的相互作用机制；研究既保障作物高产的养分需求，又有利于发挥作物根系高效利用养分的生物学潜力，并降低环境风险的适宜根层养分供应强度；建立高产作物的实时营养诊断技术与指标。(4)作物高产 高效的土壤条件与定向调控机理利用田间定位试验、室内模拟实验和土壤性状与过程建模相结合的方法，通过比较研究不同生产水平土壤主要物理化学性状和过程，并定量研究土壤对季节性干旱、水肥脱节、压实等逆境的响应和缓冲机制，提出主要作物持续高产高效的土壤量化指标和适宜的水肥热等过程，为建立定向调控高产高效农田土壤、实现大面积持续高产的技术体系提供理论依据。(5) 不同区域作物高 产高效潜力与实现途径通过多点综合试验、验证性试验和跨区域比对，明确作物高产高效潜力的区域特征，阐明不同区域实现 高产高效的关键资源与技术制约因素并定量其限制程度；通过跨区域多点综合试验，揭示区域关键资源要素间替代效应，明确技术因素对限制性资源因素的补偿作用以及关键技术优化和资源匹配机制；通过资源和技术经济学研究，明确不同区域高产高效潜力挖掘的资源与经济代价；在上述研究基础上，提出不同区域高 产高效潜力的实现途径。（三）可行性分析1、有坚实的研究基础。一方面， 课题组成员在作物高 产栽培研究方面已取得突出成绩， “十五” 以来在小麦、玉米、水稻三大粮食作物上不断刷新高产纪录；另一方面，近年来课题组成员 在水肥资源高效利用方面取得了显著的进展，提出了大幅度提高水肥资源效率的根层调控理论与途径。本项目将两方面优势有机结合，可望在作物高产与资源高效相协调的理论与技术途径方面取得突破。2、有清晰的研究思路。在对国内外作物高产与资源高效利用等研究成果充分调研的基础上，项目首先从保障国家粮食安全这一重大目标入手，研究作物高产群体结构与功能的优化机理及定量控制；研究高产高效的土壤条件及其定向调控；并通过对根系土壤互作机制的研究，创建作物高产与养分水分资源利用效率协调提高的新技术途径。研究思路清晰，技术路线 可行，切入点准确，可操作性强。3、有整齐的研究队伍和完备的研究条件。 课题组既有一批长期从事作物栽培生理、植物营养和土壤过 程等机理研究的学术骨干，又有一批具有丰富实践经验、擅长 作物高产栽培、农田养分管理和土壤管理的 专家学者， 课题组成员已完成和正承担着多项相关领域的国家重大科研项目和国际合作项目，积累了丰富的研究成果，掌握国际上作物学、土壤学、植物 营养学等学科的最新研究方法和手段。项 目研究单位具有良好的学术声誉和研究工作条件，拥有覆盖全国粮食主产区的实验站( 场) ，研究条件完全能满足本项目实施的需要。4、有良好的国际合作基础。 课题组与德国、美国、荷兰、澳大利亚等国家以6及国际水稻研究所等国际组织建立了长期的国际合作关系。通过国际合作，引进了国际上最先进的研究方法和学术理念，掌握国际同类研究的最新动态，为本项目的实施创造了良好的条件。（四）与国内外同类研究相比的创新点与特色1、创新的学术思路。目前在如何实现作物高产高效协调上存在不同的观点，有的认为高产和高效不能同时实现，有的则以牺牲产量来换取高效。而本项目则着重揭示作物高产与资源高效的作物栽培学、植物营养学和土壤学理论基础，提出以挖掘作物生物学潜力和提高土壤生产力为核心、同时实现作物高产与资源高效的学术思路，这将为国内外农业可持续发展道路的探索提供新的思路。2、前瞻性的理论突破。项目从作物高产的群体结构与花后物质生产和分配的动态协调机制入手，突破高 产栽培的理论瓶颈；深入揭示根-土互作过程优化根层水肥调控、提高水肥效率；揭示高产高效农田的土壤条件及其定向调控机制，为持续稳定实现高产高效奠定基础。3、综合的调控途径。以往的单项研究中实现作物高产的技术往往难以重演和大面积复制，而实现水肥 资源高效利用的技术往往达不到高 产目标的要求。本项目在揭示不同作物高产高效的关键限制因素和主控过 程的基础上，针对性地建立高产栽培、土壤调控和根 层水肥调控相耦合的综合 调控途径，实现大面积高产高效的预期目标。（五）课题设置围绕本项目的目标和技术路线，将项目的研究内容设计为三大部分、八个课题。各研究课题基本情况分述如下：第一部分：四大生产体系作物高产高效的关键限制因素与突破途径(课题1，2，3，4) 课题 1、春玉米密植高产与水热高效的协调机制与途径主要研究内容：针对东北春玉米区存在的春旱、早衰、倒伏、耕地质量下降等问题开展密植高产与水热高效利用的研究工作： 高产春玉米生育进程与水热动态的协调机理及优化配置。阐明高产春玉米区的水热资源动态以及春玉米产量形成对水热变化和栽培技术演变的响应与适应特征，提出玉米生育进程与水热时空分布的优化配置途径；高产春玉米耕层 土壤水热动态特征及耕作改土途径。研究不同土壤耕作制度下高产春玉米耕层水热碳动态和产量形成特征，揭示春玉米保护性耕作的高产稳产机理，提出密植高产春玉米耕层土壤蓄水增7碳的耕作途径。春玉米密植高产高效调控途径。研究不同水热资源组合下密植高产春玉米群体动态特征和抗倒防衰的生理生态机理，提出春玉米高产与水热资源高效利用的密植高产栽培途径。研究目标：明确高产春玉米群体生育进程与水热资源动态同步的机制，提出两者协调的栽培调控途径；阐明密植高产春玉米耕层水热特性及耕作调控途径，揭示保护性耕作的蓄水增碳机制；明确密植高产春玉米群体的结构特征及其与水热资源空间匹配的机制；为实现雨养春玉米产量增加 15%、水肥资源生产效率提高 20%的目标提供理论依据和技术途径。 承担单位: 中国农业科学院作物科学研究所，吉林省 农业科学院课题负责人: 张卫建 中国农科院作物科学研究所经费比例：12%课题 2、小麦- 玉米周年高产高效的栽培学机制与途径主要研究内容：光热资 源在小麦玉米间的优化配置与周年高效利用。通过研究光热资源配置与小麦玉米周年高产高效栽培模式、土壤周年水肥供 应与作物水肥需求动态耦合机制， 阐明光热水肥资源周年高效利用的 优化配置机制。小麦壮株延衰高产群体构建的调控机制和高产途径。通过研究小麦分蘖和群体结构特征、生理生化特性以及抗逆适应机理， 阐明水肥高效利用群体构建和壮株延衰的机制，提出小麦高产 高效栽培途径。玉米增密增穗与延衰增重的调控机制和高产途径。通过研究玉米群体增密与茎穗 发育特性、花粒期物质生产分配与籽粒建成充实的关系，阐明玉米增密增穗与延衰增重的调控机制，提出玉米高产高效栽培途径。综合提出小麦玉米周年一体化高 产高效栽培理 论与途径。研究目标: 揭示黄淮海平原不同生态类型区制约小麦玉米周年高产高效的关键因素， 阐明光热等资源在小麦玉米间的最佳配置和小麦玉米高产高效的调控机制，建立黄淮海平原不同生态类型区小麦玉米周年高产高效的栽培理论与实现途径，小麦玉米产量提高 10-15%，水肥资源生产效率提高 20%的技术途径。承担单位: 山东农业大学，中国农业大学课题负责人： 王振林 山东农业大学经费比例：12%课题 3、高产水稻氮肥高效利用机制与途径主要研究内容：通过典型稻区 (太湖稻麦两熟区、湖南双季稻区)的田间试验、实证调查和数据分析，阐明高产水稻氮高效利用的主要限制因素。 通过高产与氮高效利用基因型的选用、现有高产栽培技术的集成优化、周年光温资源的配置、基于土壤氮释放规 律及水稻需氮规律的氮肥高效管理、水分调控技术促氮转移等手段提高水稻产量及氮肥利用率，阐明水稻高产高效的途径及其调控机制。定量化土壤水稻大气连续体的氮素循 环过程，验证高产水稻氮高效利用途径的可持续性，在此基 础上对技术途径进行反馈调整，提出适应于农业生8产条件的水稻高产高效的栽培模式。研究工作的技术路线如下：研究目标: 阐明影响水稻高产与氮肥高效利用协同提高的制约因素，明确水稻产量增加 15、水肥资源生产效率提高 20的技术途径、关键生理生态学过程及调控机制。承担单位： 中国科学院南京土壤研究所，扬州大学课题负责人： 颜晓元 中国科学院南京土壤研究所杨建昌 扬州大学经费比例：12%课题 4、西北旱作高产栽培的水分高效利用原理及调控主要研究内容：旱地作物水分高效利用的土壤水库调控。通 过对旱地降水资源、土壤水资源与作物产 量动态耦合分析，揭示旱地作物降水生产潜力实现过程中土壤水库的有效范围与可调度。旱地作物高 产与水分高效利用的养分调控途径。阐明产量和水肥利用效率协同提高的调控机制，提出相应的调控措施并进行田间验证。旱地作物产量与水分利用效率协 同提高的补偿效应机制。探索旱地作物光合同化产物积累分配的调控程度以及根系功能和根冠关系的优化调节对产量和水分利用的补偿效应机制。研究目标: 通过系统研究旱地小麦降水生产潜力实现过程中土壤水库的调控范围与程度，提出不同降水年型下旱地农田适度生产 力开发的调控对策；探索旱地玉米高产覆盖栽培与高效用水的土壤肥力调控途径； 查清调节土壤水库和改善土壤养分条件对作物根系功能和源库关系与产量形成的 贡献程度；建立旱地作物产量与水分利用效率比当地平均水平提高 15-25%的栽培模式，为旱地作物大面积高产与水肥高效利用栽培措施提供科学依据。承担单位: 中国科学院水利部水土保持研究所课题负责人: 邓西平 中科院水利部水土保持研究所经费比例： 12%第二部分：作物高产与资源高效的关键过程(课题 5，6，7)课题 5、作物高产群体结构和功能的优化机理及其定量控制主要研究内容：作物高 产群体叶层结构与高效物 质生产。通 过研究作物不同高产群体的叶层分布和叶面积、光合作用动态及其物质积累与分配特征，阐明花后群体持续的物质生产与高效分配在产量形成的作用及其协调优化机制。作物高产茎系 统结构与抗倒和 贮运性能。通 过研究高产群体茎系统的形态学、力学、生理特点及其物质贮 运等特征， 阐明茎系统抗倒机能与花后物质贮运机能的协调优化机制。作物高产群体产量结构与高效收 获性能。通过研究不同高产类型群体的穗发育、颖花退化和籽粒充实的动态特征，阐明不同粒位籽粒均衡灌浆、籽粒灌浆与花后叶光合持 续期的协调机制。 作物理想群体定向控制。在不同类型的高产群体结构与功能的综合研究基础上，阐明高产挖潜的群体数量与9质量属性定量关系，明确高产理想群体结构与功能的定向控制途径和定量调控技术指标。研究目标: 阐明三大作物高产的群体结构特征（叶层分布、茎和结实器官构成）及功能特点（花前与花后物质生产、积累和分配）的关键调控过程，揭示作物光合物质生产、贮存与调运的高效机理和高产性能优化机制，提出与产量目标相适应的理想群体定向调节及定量控制指标，为高