摘要
钾是植物生长发育必需的营养元素之一，合理施用钾肥可以显著提高作物的产量、品质和抗逆性。然而，钾离子容易被土壤固定转化为非交换性钾，从而降低钾的有效性，减少植物对钾的吸收;钾离子容易置换土壤团粒结构中的多价阳离子如Ca2+、Mg2+等，致使土壤板结。农民为了获得较高的产量和收益，长期大量施用钾肥，造成资源浪费、土壤质量下降等问题。控释氯化钾(CRK)通过氯化钾颗粒包膜实现钾离子缓慢和控制释放与作物养分吸收相同步，保证土壤中钾离子的有效性，尤其是满足作物生长中后期对钾素的需求，提高钾肥利用率;氯化钾包膜后减少了钾离子与土壤的直接接触，同时减少与多价阳离子在胶体上的交换，稳定土壤团聚体。本研究以CRK在小麦/玉米轮作大田定位试验中对土壤钾素供应和作物养分高效利用机制为研究主题，通过土壤多参数相关性分析，明确了 CRK对土壤养分供应水平的影响;利用根系原位扫描和酶联免疫等技术，揭示了 CRK促进作物根系生长及光合作用的生理生化机制;结合高通量测序和代谢组多组学联合分析，阐明了 CRK对根区微域微生物群落与功能代谢物的综合调控机制。主要研究结果如下: (1)探明了控释氯化钾施用对土壤养分供应强度的影响，满足了作物整个生育期对养分的需求。CRK在玉米和小麦田间养分释放特征表现为3个阶段的“S形”曲线，早期缓慢释放，中期加速释放，后期缓慢减少释放，与作物养分吸收相同步;分别在施入田间110天和210天累积释放率达到80％和90％以上，满足了作物中后期对钾素的需求。在玉米养分需求关键期，与普通氯化钾(K)处理相比，CRK和掺混控释氯化钾(BBF)处理的土壤耕层速效钾含量分别增加了 27.5％和14.5％,土壤水溶性氮含量分别提高了 4.3倍和4.1倍，土壤硝态氮和有机质含量也分别显著增加。因此，CRK在作物整个生育期提供了强度稳定和容量充分的养分供应水平，为作物的生长发育提供了充足的营养条件。 (2)明确了控释氯化钾改善作物光合作用和提高植株伤流速率及伤流液养分含量的作用，证实了其促进作物养分吸收、提高作物产量和钾肥利用率的显著效果。与K处理相比，CRK和BBF处理的小麦光合速率分别显著提高29.5％和36.1％,玉米的伤流速率分别显著提高19.5％和47.5％,伤流液电导率分别显著增加30.6％和33.3％,玉米和小麦平均钾肥利用率(KUE)分别显著增加5.7～9.3个百分点和6.0～9.1个百分点，玉米和小麦平均产量分别显著增加7.2％～14.0％和7.9％～11.7％,玉米和小麦平均经济收益提高9.1％～18.9％和6.7％～17.7％。与常量K处理相比，减量1/3施用CRK的处理，依然能够保持作物稳产或增产。 (3)阐明了控释氯化钾对作物根系空间分布和内源激素变化的影响，改善了作物抗逆性和养分吸收特征。施用CRK显著优化了小麦根系在土壤中的空间分布，与K处理相比，BBF处理的根体积、表面积和平均直径分别增加了 80.2％,38.8％和29.6％,根系生长素含量增加了 19.5％,显著促进小麦根系生长;CRK和BBF处理的抗穿刺强度分别显著提高了 11.2％和12.4％,抗弯曲性能分别显著提高了 12.8％和13.0％,有效的提高了玉米秸秆的抗倒伏能力;CRK和BBF处理小麦叶面积指数分别提高15.2％和30.3％,叶片的生长素含量分别增加11.9％和14.0％,显著提高了小麦光合面积和光合产物的积累，从而显著提高了作物的产量。 (4)探明了控释氯化钾施用对根区微域环境的影响机制，揭示了其对功能微生物和关键代谢物的调控机制。与K处理相比，BBF处理提高了与土壤养分代谢、氮钾循环相关的细菌Arthrobacter、Streptomyces、Sphingomonas、Limnobacter和Marmoricola的相对丰度，提高了根系中与蛋白质分解、糖代谢、钾离子吸收相关的细菌Pseudomonas、Pantoea、Bacillus 和 Exophiala 的相对丰度;CRK 和 BBF 处理富集了土壤中与能量和营养代谢有关的代谢途径，如葡萄糖，黄酮类化合物和氨基酸等代谢途径,1-Methyl-2-nitro-3-((tetrahydrofuran-3-yl)methyl)guanidine 含量分别显著增加了25.1％和 49.5％;BBF 处理的 Deoxycholic acid 3-glucuronide含量显著提高了 22.6％;根系中主要富集与作物新陈代谢，营养代谢和抗逆性有关的通路，CRK和BBF处理的3-Hydroxyanthranilic acid 含量分别提高了 14.3％和 18.3％,Integerrimine 含量提高了19.8％ 和 25.1％,2''-Deoxymugineic acid 含量提高了 16.1％ 和 16.5％,Tyramine glucuronide含量提高了 17.3％和18.4％。土壤养分转化相关的功能微生物与代谢通路中能量和营养代谢有关的关键代谢物存在显著的正相关关系，揭示了 CRK改善根区微域环境、促进作物养分高效利用的多组学联合分析的分子机制。 通过控释氯化钾在小麦/玉米轮作体系中的应用和增效机制探究，明确了控释氯化钾养分缓慢和控制释放提高土壤钾素供应强度、优化根区微域功能微生物和关键代谢物的组成、促进作物根系空间分布和生长发育、改善作物光合作用和养分吸收转化能力、提高作物钾肥利用率和产量的作用机制，为控释氯化钾的推广应用提供了理论依据和技术支撑。
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