基本信息
- 项目名称：
- 用叶绿素荧光技术建立小麦氮磷钾营养需求的量化体系
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 氮磷钾是肥料三要素，农业生产上需要大量施用氮磷钾肥以避免作物营养亏缺。但是我国农业生产上施肥过于粗放和集中，不仅造成大量肥料浪费，破坏农田，污染环境，远未达到科学施肥的理想目标，急需建立判断化肥适宜施用量和施用时间的指导体系。本文以重要农作物小麦为实验材料，利用先进的叶绿素荧光技术建立了一种可以快速、灵敏、准确地预警、诊断和量化作物氮磷钾营养需求的新方法，为科学施肥提供参考。
- 详细介绍：
- 一、项目的研究意义 肥料是作物高产稳产的物质基础，作物需要不断地从土壤中吸收各种营养元素以维持正常生命活动。植物所必需的矿质营养元素共14种，任何一种植物必需元素的缺乏都会导致作物生长发育受阻、生长缓慢，严重影响作物的产量和品质。其中作物对氮磷钾需求量最大，它们不仅是植物体的重要组分，还参与细胞的各种代谢及各种生命活动，被称为“肥料三要素”。而农田土壤中普遍缺乏氮、磷、钾，农业生产上普遍施用氮磷钾肥以避免营养缺乏。 但是，目前我国氮磷钾肥的施用中存在两个问题：一是农业上主要采取传统的观叶法判断缺素症，这一方法虽然简单，但往往在元素缺乏非常严重时才能被发现，这时已经给农业生产造成了不可弥补的损失，不能及时发现氮磷钾的缺乏。二是化肥施用过多，尤其氮肥施用过多的问题在我国极为普遍，不仅会造成农作物减产，还会破坏农田，污染环境。要解决这两个问题均需建立一种可以快速、灵敏、准确地预警、诊断和量化作物营养需求的新方法。本文用我国重要的农作物小麦为实验材料，利用先进的叶绿素荧光技术，建立了小麦氮磷钾营养需求的量化新体系，为科学施肥提供参考。 二、项目的科学性和先进性 关于化肥适宜施用量的判断已进行了长期的研究，从方法或技术路线的角度看，可分为两类：（1）测试类，包括通过土壤肥力测试或植株活力测试以确定适宜施肥量的各种方法，如测土配方法、加入诊断法、病症诊断法和光谱测定法等；(2)以田间化肥施用量试验为基础的推荐方法，如区域平均适宜施用量法。我国农业还是以农民分散生产为主，推广范围有限。另外，它以土壤为测试对象，配方数据不能全面覆盖所有营养元素，1年甚至数年才更新一次，土壤取样误差也较大，不能及时反映作物实际需肥的动态变化，所提供肥料养分配方与作物需求存在一定差距，难做达到科学施肥的理想目标。传统的目测法虽易推广，但弊端更显而易见，因为只有作物严重缺乏氮元素或其他元素时，才能表现出显著的缺乏症状，这时已经给作物生产带来不可弥补的损失。 光合作用是植物叶片最为重要的功能，这一过程需要各种矿质元素的参与，任何一种矿质元素的缺乏都会对光合作用产生直接或间接的影响。观叶诊断法早就发现必需矿质元素的缺乏在叶片的结构和功能上都会有明显表现。如缺氮植物叶片发黄，尤其老叶更黄；缺磷植物叶片暗紫或紫红；缺钾植物叶片萎蔫，叶片有坏死斑点。营养元素缺乏导致的叶片形态结构的变化必然会影响其光合能力，在光合作用各个化学过程中有所反映。 叶绿素荧光诱导（fluorescence induction, FI）是目前植物生理学中研究光合作用的应用最广泛的方法之一，可以灵敏检测激发能的传递、光系统原初光化学反应、电子传递及光合碳同化效率等光合作用的各个过程以及光合结构的状态和效率，是研究叶片功能的灵敏探针，在不同植物学分支科学和农学研究中广泛应用。 荧光动力学通过高速连续激发光得到叶片的OJIP荧光诱导曲线，可以在几秒钟内测定F0、Fm、Fv、Fv/Fm、FJ、FI、FP、Tm、Area、PI（综合指数）、ψO、φEo、φDo、Vt、VJ、WK、PIABS、PICS、ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC、RC/CSo、RC/CSm等五十多个叶绿素荧光参数。 由于叶绿素荧光技术所用仪器携带方便、使用简单、测定迅速、信息丰富、经久耐用且易维护，测定无损伤且反应灵敏，用叶绿素荧光技术描述营养元素缺乏症的文献多达上千篇。但是这些文献主要是为了分析某种元素缺乏时对光合作用的影响，他们所用植物材料、研究的元素种类、设定的缺素程度、测定的荧光动力学参数各不相同，不能进行系统地比对和量化某种作物的全部缺素特征，研究成果主要停留在理论研究阶段，不能用于指导施肥。本项研究将对荧光参数与矿质元素缺乏症及元素需求程度的关系进行全面分析，结合作物的光合特征、生理特征、生化活性等各方面的数据论证并找出各类元素的可靠灵敏的特征性叶绿素荧光参数，并将各特征荧光参数与环境元素浓度、作物体内元素浓度等数据建立数学模型，从而得到了小麦氮磷钾需求的叶绿素荧光量化体系，科学指导施肥。该项研究成果是叶绿素荧光技术从理论研究走向应用研究的尝试，研究成果将具有非常广泛的应用前景。 三、项目的研究内容、研究方法和解决的关键问题 1、研究内容 本项研究选择在农业生产上推广较好的优质小麦品种（Triticum aestivum L. 山农D040）为实验材料，缺素程度设计为：以完全Hoagland营养液中的元素浓度为对照，缺素营养液中的元素浓度分别为对照的50%、20%、10%、0%等5个梯度，采用液体培养法精确控制营养元素浓度。针对不同元素浓度梯度处理，每隔一定时间，检测不同缺素程度的小麦材料的生长参数、生理生化参数和光合叶绿素荧光参数。具体研究内容如下： ①不同程度缺乏某一元素条件下，小麦的生长情况与生理特征分析。测定植株鲜重、高度、色素含量等指标随缺素浓度和处理时间的变化，阐明某种营养元素缺乏影响小麦生长的规律。 ②不同程度缺乏某一元素条件下，小麦光合能力分析。包括测定光合速率、蒸腾速率、气孔导度（Gs）和细胞间隙CO2浓度（Ci）。 ③缺素小麦的生化特征。分析缺素小麦的蛋白质代谢、糖代谢、水分代谢，分析某一元素缺乏对小麦相应代谢的影响。 ④建立缺素诊断的特异性荧光指标体系。测定随缺素浓度和处理时间的变化，小麦叶片叶绿素荧光动力学曲线和荧光参数的规律性变化，通过不同元素及不同浓度的比较，筛选出每种元素特异敏感的叶绿素动力学指标。结合生长参数建立元素缺乏的临界域值，并通过生理生化参数论证特异性荧光指标的可靠性。 ⑤研究某种缺素症对作物光合结构和功能的影响机制。利用分析软件解析单位叶片激发态面积和单个反应中心的结构变化和功能变化。 ⑥建立营养元素需求的量化体系。建立环境元素含量与特异叶绿素荧光参数的数学关系，科学预测小麦的最适生长环境和需肥量。 2、研究方法 ①小麦材料采用本小组发明的液体非通气培养法培养。 ②一般生长参数如植物鲜重、苗高、根长、色素含量、渗透势、各类有机组分含量等均用植物生理学常规方法进行测定。 ③光合参数、CO2的同化速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率等用Ciras-2光合测定系统（PP system, Hitchin UK）进行测定。 ④荧光多相上升动力学参数用植物效率分析仪（Handy-PEA，Plant Efficiency Analyzer, UK）测定。 3、解决的关键问题 ①根据不同程度的元素缺乏条件下，小麦的叶绿素荧光动力学的变化规律，首先找出了相关的可以分级定量的叶绿素荧光参数，在此基础上筛选出了合适的参数作为诊断和量化氮磷钾缺乏程度的指标。 ②通过生长、生理、生化、光合、荧光参数确定了小麦正常生长所需的氮磷钾三要素的临界浓度阈值。 四、本项目的特色和创新之处 1、通过营养元素浓度的精确控制和水培法，得到了小麦正常生长所需最低氮磷钾素浓度。 2、首次将叶绿素荧光技术应用到作物矿质元素缺乏症的诊断方面，研究氮磷钾素缺乏时在叶绿素荧光动力学参数上的特征性变化，建立诊断营养元素缺乏症的指标，可及时诊断和预防小麦氮磷钾缺乏。 3、将每种元素的特征性叶绿素荧光参数与小麦的氮磷钾素缺乏症程度进行定量分析，可定量预测小麦的缺肥程度和施肥量，科学指导施肥。 4、通过各种生理指标和生化指标系统地研究不同的营养元素缺乏时对植物光合功能及其他代谢的影响，全面论证了所选各元素相应叶绿素荧光特征参数的合理性和可靠性。 5、研究成果开拓了光合作用研究成果和荧光仪在农业上的应用途径，并创立一种全新的科学施肥方法。 总之，本项目利用日益成熟的叶绿素荧光技术，创立一种可以快速、灵敏、准确地预警、诊断和量化作物营养需求的新方法，对小麦的需肥种类、数量、方式和时期做出科学合理的确定，为科学施肥提供了一套基于作物实际生长状态的、直接的、全面的、及时的、易于操作和推广的指标体系，在科学施肥方法上取得了新突破。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 氮磷钾是作物必需的肥料“三要素”，在农业生产中广泛施用氮磷钾肥以保证作物高产稳产。但是如何科学施肥仍然是困扰农业的重大问题，主要是未建立切实可行的施肥指导技术。本文利用先进的叶绿素荧光技术，以小麦为实验材料，创立一种可以快速、灵敏、准确地预警、诊断和量化作物营养需求的新方法，提出基于小麦实际生长状态的、直接的、全面的、及时的、易于操作和推广的指标体系，在科学施肥方法上取得新突破。
科学性、先进性及独特之处
- 氮磷钾三要素均在植物光合代谢过程中具有重要作用，缺乏任何一种元素均会显著影响光合作用的过程和效率。叶绿素荧光诱导是目前研究光合作用最常用的方法之一，可以灵敏检测光合作用的过程、结构、状态及效率。本文首次利用叶绿素荧光技术建立氮磷钾缺乏时在叶绿素荧光动力学参数上的特征性指标体系，用来诊断氮磷钾缺乏症。同时将特征性荧光参数与各元素缺乏症程度进行定量分析，预测小麦的缺肥程度，科学指导施肥。
应用价值和现实意义
- 本文研究成果开拓了光合作用研究成果和荧光仪在农业上的应用途径，并创立一种全新的科学施肥方法。其结果不仅对农业生产具有重要的指导价值，在矿质营养与光合作用的交叉研究方面也具有重要的理论价值。
学术论文摘要
- 为灵敏检测和判断小麦对氮磷钾三要素的需求量，科学指导施肥，本文分析了不同程度缺素条件下的小麦叶片生长生理变化以及光合能力的变化。生长结果显示，小麦幼苗正常生长所需的氮磷钾浓度分别为Hoagland营养液中元素浓度的50%、50%和10%。低于这一浓度，小麦叶片的光合色素、光合速率、生化参数等就会发生变化，老叶变化幅度大于幼叶。测定小麦叶片的叶绿素荧光动力学曲线显示，叶绿素荧光参数可以更灵敏地反映作物的元素需求量。不同元素缺乏时，发生变化的荧光参数并不相同，缺氮主要影响Fm、Fv/Fm、P.I.、ETo/CS、RC/CS、Sm和DIo/CS；缺磷主要影响Fv/Fm、P.I.、Sm；缺钾主要影响Fm、Fv/Fm、P.I.、RC/CS、Sm。这为判断作物氮磷钾缺乏和量化需求提供了依据。
获奖情况
- 本文部分研究成果已经整理成学术论文《氮磷钾缺乏时小麦叶片的叶绿素荧光动力学特征比较》，于2011年3月投稿到农业类权威学术刊物《中国农业科学》，受到专家的好评，目前已进入编辑复审阶段。
鉴定结果
- 本文在前人的工作基础上，提出了新的研究角度，筛选出了氮磷钾缺乏时的叶绿素荧光的特征性指标，既可以用来判断缺素症，也可以判断缺素程度。对指导氮磷钾施肥具有一定的应用价值。同意发表。
参考文献
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同类课题研究水平概述
- 氮、磷、钾是植物必需矿质元素中需要量最大的三种营养元素。三种元素的缺乏直接影响着植物的生长发育和生活状态，严重的会导致植物死亡。而农田土壤普遍缺乏氮磷钾，所以，农业生产中普遍施用氮磷钾肥以避免营养缺乏。但是，目前我国氮磷钾肥的施用中存在两个问题：一是营养元素供应不足，二是化肥施用过多，二者都会对作物产生伤害，造成减产。过量施肥尤为普遍，这不仅会影响农作物的产量和质量，还会破坏农田，污染环境。因此建立一套科学有效的施肥指导方法对提高农作物生产的社会效益、经济效益和环境效益都至关重要。 关于化肥适宜施用量的判断已进行了长期的研究，从方法或技术路线的角度看，可分为两类：(1)测试类，包括通过土壤肥力测试或植株活力测试以确定适宜施肥量的各种方法，如测土配方法、加入诊断法、病症诊断法等；(2)以田间化肥施用量试验为基础的推荐方法。其中测土配方精准施肥法在国际上最普遍使用，并取得显著成效。但测土配方施肥主要适用于大规模机械化生产，而我国农业还是以农民分散生产为主，推广范围有限。另外，它以土壤为测试对象，配方数据不能全面覆盖所有营养元素，1年甚至数年才更新一次，土壤取样误差也较大，不能及时反映作物实际需肥的动态变化，所提供肥料养分配方与作物需求存在一定差距。上述方法均难实现科学施肥的理想目标。 必需营养元素尤其是氮磷钾的缺乏在叶片的结构和功能上都会有明显表现。叶片的主要功能是进行光合作用，其形态结构的变化必然会在光合作用方面有所反映。叶绿素荧光诱导（fluorescence induction, FI）是目前植物生理学中研究光合作用的应用最广泛的方法之一，可以灵敏检测激发能的传递、光系统原初光化学反应、电子传递及光合碳同化效率等光合作用的各个过程、结构、状态和效率，是研究叶片功能的灵敏探针，氮磷钾缺乏对光合作用的多个方面都具有显著影响，在叶绿素荧光参数上也应有显著的特征性变化。小麦是我国重要粮食作物，生长迅速，对矿质营养的需求量大，但其各种矿质营养的缺乏症不易观察。本文利用日益成熟的叶绿素荧光技术，创立一种可以快速、灵敏、准确地预警、诊断和量化作物营养需求的新方法，对小麦的需肥种类、数量、方式和时期做出科学合理地确定，为科学施肥提供一套基于作物实际生长状态的、直接的、全面的、及时的、易于操作和推广的指标体系，在科学施肥方法上取得新突破。
