1950年以来,全球灌溉农业的面积增长了两倍。灌溉农业对于粮食安全意义重大,仅占全球耕地面积的20%,却提供了全球40%的粮食产量。灌溉农业在保障安全的同时,也对全球气候变化产生了重要影响。以往的大多数研究从工程学视角利用生命周期评估法计算灌溉农业的碳足迹,而基于微观农户视角的碳足迹驱动机理研究较为缺乏。本文基于生命周期评估法与计量经济学模型(如多线性回归和结构方程模型)相结合的方法,通过调查2019年-2020年中国西南地区6个村庄(2个灌溉农业试点村和4个周边村庄作为对照)345个农户的852份玉米和马铃薯生产情况,分析了灌溉改革试点地区农作物种植碳足迹的影响因素和内在影响机制。结果显示,灌溉农业试验区的作物碳足迹显著低于非试验区。灌溉改革主要通过工程效应(实施田间灌溉渠道)、技术效应(提高新灌溉技术的采用)、管理效应(适当的灌溉运行和维护)和产量效应(灌溉改革促进了产量的提高)四个中介路径对作物碳足迹产生影响。其中,除工程效应外,其它三个中介效应都对作物种植碳足迹产生了抑制作用。其中,产量效应对降低碳足迹的影响最大,其次是管理效应,最后是技术效应。此外,研究发现种植方式、农户的个体特征和土地质量对作物碳足迹均有显著影响。这项研究对于理解农业生产中粮食安全与气候之间的关系具有重要的政策意义。
钾(K)是一种重要的营养元素,可以提高作物的抗逆性/耐受性。K在抗植物寄生线虫中的应用表明,K处理可以减少线虫病的发生,提高作物产量。然而,K在水稻抗拟禾谷根结线虫(Meloidogyne graminicola)中的研究仍然缺乏。本研究首先用K2SO4直接处理线虫,发现K2SO4对线虫的死亡率、侵染率以及发育水平无显著影响;接着通过温室盆栽接种,发现0.5 mM K2SO4处理水稻后,根中的根结和线虫数量分别下降了57.2±4.4% 和59.2±6.6%,成年雌虫比例(70.9±5.6%)显著低于对照(90.7±5.1%),同时幼虫比例(27.0±6.3%)显著高于对照(6.0±3.2%),而水稻的生长不受影响;统计Pluronic明胶中水稻根尖吸引的线虫数量,发现接种后6小时K2SO4处理与清水处理之间并无显著差异;对接种后7天根结中巨细胞的形态、大小和数量进行显微观察,发现两个处理间也不存在显著差异;接着检测根结中胼胝质沉积,发现K2SO4处理后其沉积面积增加了67.9%,同时其合成基因OsGSL1和降解基因OsGNS5分别显著上调和下调;另外检测H2O2累积发现,接种后8和24 小时K2SO4处理的根中H2O2含量分别增加了78.2% 和118.7%,同时其合成基因OsRbohB也显著上调;再对水杨酸、茉莉酸、乙烯以及油菜素内酯等信号通路相关基因和病程相关蛋白基因的表达进行定量分析,发现在线虫侵染初期K2SO4处理显著上调了某些抗病相关基因的表达;最后对K通道基因OsAKT1和转运蛋白基因OsHAK5缺陷型植株进行接种,发现根结和线虫数量显著增加并且线虫的发育加快,同时K2SO4的作用降低。这些说明K2SO4通过激发基础防御反应提高了水稻对线虫的抗性,并且K通道和转运蛋白积极参与了寄主抗性。K及其通道和转运蛋白在寄主抗性中的应用,为进一步研究水稻抗线虫机制以及钾在植物抗生物胁迫中的功能奠定了基础。低钾能诱导水稻对拟禾谷根结线虫的抗性,为田间有效利用钾肥防控线虫病害提供了理论依据。
在退化土壤上施用膨润土-腐植酸能改善土壤物理性质和水文特性,因其有改善土壤结构、提高水分和养分保蓄能力,但是缺少对土壤理化性质和生物学特性及籽粒品质的影响。本文主要研究了在中国半干旱地区沙地上施用30吨/公顷的膨润土-腐植酸后1、3、5和7年的影响。施用膨润土-腐植酸显著提高了土壤充水空隙度和土壤有机碳,尤其是在施用后第3年和5年。沙地上施用膨润土-腐植酸也提高了土壤微生物生物量碳、氮、磷和脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性。玉米生育时期可分别解释土壤微生物生物量和酶活性总变异度的58%和84%。相比而言,施用膨润土-腐植酸解释了8%的总变异度。膨润土-腐植酸显著改善了半干旱地区土壤性质和玉米对氮磷的吸收。膨润土-腐植酸的利用可成为中国东北及世界上与之有相似土壤和气候的地区修复退化沙地土壤和促进可持续农业发展的一种有效的管理策略。
提高小麦籽粒锌含量对缓解人类膳食中锌缺乏有重要作用。本研究在华北平原连续两年小麦生长季,评价了叶面喷施锌肥和土壤施用氮肥对小麦籽粒粉样中氮、锌累积、分配、氮素转运及其相互关系。结果表明,小麦籽粒中氮、锌主要累积在籽粒胚乳中心层,其含量由外到内呈逐渐减小趋势。土壤施氮显著提高了籽粒各粉样中氮含量,而叶面喷锌显著增加了种皮中氮含量;两种措施均能显著增加胚乳中心层中锌含量。叶面喷锌对籽粒中氮、锌分配的影响不显著,而施氮则能促进氮素向糊粉层、锌素向胚乳中心层的转运,提高植株地上部氮素向籽粒转运的数量,但对贡献率无影响。相关分析表明,籽粒及其粉样中氮含量与开花期和成熟期营养器官中氮含量显著正相关,而种皮和胚乳过渡层中氮含量与胚乳中心层中锌含量亦呈显著的正相关。因此,叶面喷锌和土壤施氮可有效地提高小麦产量和籽粒氮、锌含量,尤其是提高胚乳中的氮、锌含量,可作为解决锌缺乏的有效途径。