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第1章 总论1

1.1 主要农田生态系统的氮素循环及环境效应2

1.1.1 三种典型作物氮肥去向与用量的关系2

1.1.2 不同农田生态系统化学氮肥的农学和环境效应3

1.1.3 环境来源氮已成为农田生态系统和水体氮输入的重要组成部分5

1.1.4 华北地区旱作农田系统土壤累积NO-3的成因、生物有效性及潜在的环境风险7

1.2 作物高效利用氮肥的根系生物学及生理机制9

1.2.1 氮高效基因型的田间筛选9

1.2.2 氮高效作物的根系生物学特性10

1.2.3 氮高效作物的生理特征11

1.2.4 水稻增硝营养的响应机制12

1.2.5 氮高效品种的农学评价13

1.3 作物高效利用氮肥的遗传学机制14

1.3.1 不同水稻和小麦品种间氮效率存在显著差异14

1.3.2 高效吸收氮素是氮高效水稻和小麦品种的重要基础14

1.3.3 小麦高效吸收氮素的根系生物学特征及遗传基础14

1.3.4 水稻高效吸收氮素的根系生物学特征及遗传基础15

1.3.5 水稻“增硝促铵”吸收的分子基础16

1.4 作物高产与环境保护相协调的氮肥总量控制17

1.4.1 协调作物高产与环境保护的氮肥总量控制18

1.4.2 高产与环境保护相协调的氮肥推荐点的测试技术20

1.4.3 总量控制与点的测试相结合的氮肥推荐的经济效益与环境效益评价21

1.4.4 基于GIS技术的区域氮肥优化管理22

1.4.5 氮高效品种的农学与环境效应评价24

1.4.6 结论与创新26

1.4.7 展望26

1.5 土壤-作物体系中氮素迁移的模型27

1.6 结论27

参考文献27

第2章 水稻-小麦轮作体系中土壤氮素循环、氮素的化学行为和生态环境效应29

2.1 引言29

2.2 太湖地区水稻-小麦农田化肥氮去向的定量评价及农学和环境效应30

2.2.1 水稻-小麦两季化肥氮去向的定量评价30

2.2.2 水稻-小麦农田化肥氮的农学和环境效应35

2.3 太湖地区稻田生态系统氮循环对环境影响的某些评论36

2.3.1 水稻田和小麦田地下饱和层土壤的反硝化37

2.3.2 稻田土壤对污染河水中氮、磷的转化和固持40

2.4 环境来源氮在稻田氮平衡中的贡献及对水环境的影响41

2.4.1 大气干湿沉降氮对水稻、小麦营养的贡献41

2.4.2 本区河水的氮素污染状况以及用作灌溉时对水稻氮营养的贡献42

2.4.3 河湖水面接收到的大气干湿沉降氮量42

2.4.4 大气干湿沉降氮中NH+4/NO-3值和δ15NH+4值的时间变化及指示意义43

2.5 太湖地区地表水体氮负荷计算及污染源分析47

2.5.1 常熟地区农村人和畜禽排泄物的处理和利用状况调查47

2.5.2 常熟市规模化畜禽养殖场排泄物的处理和利用48

2.5.3 苏州地区畜禽排泄物的处理和利用48

2.5.4 太湖地区河湖水体氮、磷污染源分析49

2.5.5 减缓太湖地区水体氮、磷负荷的对策50

2.6 需要进一步研究的科学问题51

2.6.1 化学肥料氮进入农田后的形态转化及淋出液中可溶性有机氮的起源、形态区分和分配51

2.6.2 氮肥-土壤-植物-大气间NH+4/NH3交换的定量评价51

参考文献52

第3章 华北平原小麦-玉米轮作体系中的氮素循环及环境效应55

3.1 引言55

3.1.1 华北平原小麦-玉米轮作体系的氮素管理现状及环境效应55

3.1.2 华北平原小麦-玉米轮作体系氮素循环研究进展56

3.2 小麦-玉米轮作不同施氮水平下氮肥的农学效应和环境效应57

3.2.1 化肥氮去向的定量评价57

3.2.2 氮肥的农学效应、环境效应及对土壤氮肥力的影响63

3.2.3 氮肥的损失途径66

3.2.4 华北平原小麦-玉米轮作传统水肥管理条件下的氮肥去向67

3.3 现有土壤供氮水平条件下小麦-玉米轮作体系对氮肥环境承受力的分析69

3.3.1 氮肥环境承受力69

3.3.2 氮肥的后续农学和环境效应72

3.4 土壤剖面累积硝态氮的产生、移动及生物有效性73

3.4.1 累积硝态氮的产生73

3.4.2 土壤剖面累积硝态氮的移动与淋洗77

3.4.3 土壤剖面不同部位累积硝态氮的作物有效性79

3.5 华北平原大气氮素沉降和灌溉水带入的氮在农田氮素平衡中的贡献84

3.5.1 华北平原大气湿沉降带入的氮素及其时空变异84

3.5.2 华北平原大气干沉降带入的氮素及其时空变异87

3.5.3 华北平原大气沉降带入的氮素总量及其植物有效性94

3.5.4 华北平原灌溉水带入的氮素99

3.5.5 华北平原干湿沉降和灌溉水带入的氮在农田氮素平衡中的贡献99

3.6 协调生产与环境目标的氮素管理技术途径100

参考文献101

第4章 水稻高效利用氮素的生理机制107

4.1 引言107

4.1.1 我国水稻生产状况107

4.1.2 我国水稻氮肥施用的问题112

4.2 水稻氮素吸收累积特征与氮素利用113

4.2.1 水稻氮高效基因型的筛选113

4.2.2 水稻一生的氮素需求特征117

4.3 水稻根系氮素高效吸收特征119

4.3.1 水稻氮素高效吸收与水稻根系生物学特性119

4.3.2 水稻对铵态氮、硝态氮的吸收特征123

4.4 水稻氮素高效利用特征128

4.4.1 水稻氮素同化酶与氮素高效利用的关系128

4.4.2 水稻中后期植株体内氨挥发特征及其与水稻氮素同化酶活性的关系132

4.5 水稻增硝营养机制135

4.5.1 水稻硝态氮营养的生态意义135

4.5.2 水稻根际硝化特征136

4.5.3 利用数学模型研究水稻根际土壤硝化特征139

4.5.4 水稻增硝营养的生理与分子机制141

4.5.5 水稻增硝作用与水稻氮素高效利用的关系144

参考文献145

第5章 水稻氮高效的遗传基础153

5.1 水稻氮高效品种的筛选153

5.1.1 氮高效水稻品种的大田筛选153

5.1.2 苗期不同氮效率品种实验室水培筛选170

5.2 水稻苗期高效吸氮的分子生理学基础177

5.2.1 不同氮效率品种苗期吸氮效率差异的生理基础177

5.2.2 水稻苗期编码铵态氮吸收代谢基因家族表达特征的定量分析181

5.3 增硝营养对水稻根系生长和铵吸收的影响及其分子基础189

5.3.1 增硝营养对水稻根系生长的影响190

5.3.2 不同铵硝比营养对水稻氮相关基因表达的影响193

5.3.3 水稻“硝促铵吸收”分子基础初探194

5.4 氮高效的分子生物学调控196

参考文献198

第6章 小麦高效利用氮素的生理与遗传机制204

6.1 小麦品种间氮素吸收和利用效率差异204

6.1.1 氮效率的定义204

6.1.2 小麦品种间氮素吸收、利用效率的差异205

6.2 氮素吸收、利用效率与产量性状的相关性207

6.3 栽培不同氮效率小麦品种后土壤硝态氮残留的差异208

6.4 小麦高效吸收氮素的生理机制211

6.4.1 小麦品种（系）间根系发育的差异211

6.4.2 根系发育与吸氮量的相关分析214

6.4.3 吸收动力学与氮素吸收的关系215

6.5 影响利用效率的因素分析216

6.6 调控小麦吸氮量及其相关性状的QTL定位216

6.6.1 “旱选10号×鲁麦14”DH群体的QTL定位216

6.6.2 “小偃54×京411”RIL群体的QTL定位225

6.7 调控小麦氮素利用效率（Gute）及其相关性状的QTL定位228

参考文献232

第7章 玉米高效利用氮素的生理与遗传机制234

7.1 玉米对氮素的吸收利用规律234

7.1.1 生长后期吸氮对氮素吸收的影响234

7.1.2 地上部库容对氮素吸收的影响235

7.2 玉米的氮效率及其基因型差异236

7.2.1 玉米的氮效率236

7.2.2 玉米氮效率的基因型差异237

7.3 玉米高效利用氮素的生理机制238

7.3.1 氮的吸收速率238

7.3.2 氮素对玉米根生长发育的调节240

7.3.3 氮素的利用效率243

7.3.4 玉米体内的氮素循环245

7.3.5 氮高效品种的生物学特征247

7.4 玉米高效利用氮素的遗传机制248

7.4.1 玉米氮效率和根系性状的配合力及杂种优势分析248

7.4.2 氮胁迫条件下玉米根系相关基因的QTL定位253

7.5 问题与展望258

7.5.1 高产品种、氮高效品种及氮高效品种的筛选指标258

7.5.2 氮高效基因与氮高效分子育种259

参考文献260

第8章 水稻-小麦轮作系统中优化施氮及提高氮肥利用率的原理与方法264

8.1 水稻-小麦轮作系统中作物的需氮特征264

8.2 水稻-小麦轮作系统中氮肥的损失与对策267

8.2.1 水稻季氮肥的损失与控制对策267

8.2.2 小麦季氮肥的损失与控制对策271

8.3 水稻-小麦轮作系统中水稻季氮肥的农学效应、经济效应与环境效应275

8.3.1 水稻-小麦轮作下水稻季土壤供氮量和氮肥用量275

8.3.2 水稻-小麦轮作下水稻的氮肥增产效果及氮肥表观利用率276

8.3.3 水稻季15N试验中氮素的去向与平衡279

8.3.4 水稻季氮肥用量与环境280

8.3.5 水稻高产与环境保护相协调的区域氮肥总量控制281

8.3.6 结论285

8.4 GIS技术在区域性水稻-小麦轮作系统优化施氮中的应用285

8.4.1 试验区概况286

8.4.2 区域水稻-小麦轮作系统土壤氮素及相关特性空间预测286

8.4.3 区域水稻-小麦轮作系统优化施氮量的空间预测288

8.4.4 区域水稻-小麦轮作系统优化施氮量的效益评估291

8.5 创新点294

参考文献294

第9章 小麦-玉米轮作系统中优化施氮和提高氮肥利用率的原理和方法296

9.1 小麦-玉米轮作系统氮肥管理的问题分析296

9.1.1 华北平原小麦-玉米轮作系统的施肥现状296

9.1.2 华北平原小麦-玉米轮作系统氮肥利用率和环境效应297

9.1.3 华北平原小麦-玉米轮作体系氮素循环与氮素平衡299

9.2 农田尺度上小麦-玉米轮作系统优化施氮和提高氮肥利用率的原理和方法307

9.2.1 “以根层养分调控为核心”的氮素实时监控技术原理307

9.2.2 “以根层养分调控为核心”的氮素实时监控技术的建立307

9.2.3 “以根层养分调控为核心”的氮素实时监控技术的定位试验验证与应用308

9.2.4 进一步提高氮肥效率的途径312

9.3 小麦-玉米轮作系统的区域氮肥管理314

9.3.1 小麦-玉米轮作系统氮肥施用的区域总量控制314

9.3.2 基于GIS技术的区域氮肥管理318

9.4 进一步提高小麦-玉米轮作系统的生产力和氮效率327

9.4.1 高产和氮高效基因型小麦和玉米品种的农学与环境效应327

9.4.2 同步提高作物产量与氮效率331

参考文献333

第10章 水稻-小麦轮作系统中的氮素循环模拟研究339

10.1 理论基础339

10.2 模型开发353

10.2.1 基本结构353

10.2.2 模型的输入输出界面354

10.2.3 模型参数354

10.3 模型验证360

10.3.1 氨挥发360

10.3.2 NO-3-N渗漏362

10.3.3 N2O的排放363

10.3.4 作物地上部分吸氮量363

10.3.5 生物量与作物产量365

10.4 模型应用与评价367

10.4.1 土壤氮素平衡367

10.4.2 产量效益评价368

10.4.3 经济效益评价368

10.4.4 环境效益评价369

参考文献371

第11章 小麦-玉米轮作体系中的氮素循环模拟研究374

11.1 土壤-作物系统中氮素模型研究现状综述374

11.2 作物生长与土壤水氮运移联合模型的建立379

11.2.1 联合模型总体框架380

11.2.2 土壤水热氮运移模块380

11.2.3 作物生长发育模块382

11.2.4 作物生长与土壤水热氮运移的耦合386

11.3 联合模型在小麦-玉米轮作体系中的应用387

11.3.1 田间试验387

11.3.2 模型参数388

11.3.3 模型验证390

11.3.4 模型应用394

11.3.5 结论396

参考文献397