氧是保障植物进行正常生理代谢、维持根际环境健康的重要营养及调控因子,能否以及如何通过栽培措施提高水稻根际氧含量以提升稻田可持续生产能力和实现水稻高产高效,既是一个重大的科学问题,也是一个重大的生产问题。传统稻作中,采用水旱轮作、中耕耘田、排水搁(晒)田、冬垡晒田、间歇灌溉等农艺措施提高稻田土壤的通透性,实现稻田养分循环利用和水稻生产可持续发展。本团队在总结和提炼水稻传统稻作精髓中发现,根际氧含量对水稻生长发育、产量形成、肥水利用、土壤理化性状以及温室气体排放等均有重要的影响。鉴此,首次提出了水稻"氧营养"的概念,创建了水稻"好氧栽培"理论。经过多年试验研究,明确了水稻生长发育的需氧规律,阐明了水稻好氧栽培的生理生态效应及其高产高效机制,建立了水稻好氧栽培技术。水稻好氧栽培通过优化构建水稻生长发育过程中的关键农艺性状如冠层性状(提高茎蘖成穗率、齐穗期粒叶比与糖花比等)、根系形态(增加根系深度、根长、深根比、总根尖数和细根比、根系细胞中线粒体数目等),强化根系活力及延缓根系衰老(提高灌浆期根系氧化力、根系吸收表面积与活跃吸收表面积、根系伤流液中Z+ZR浓度、(Z+ZR)/ACC以及ABA/ACC的浓度比值等),促进籽粒灌浆(提高弱势粒活跃灌浆期的平均灌浆速率、弱势粒中蔗糖合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合酶和淀粉分枝酶活性等),进而提高收获指数,协同提高水稻产量和水氮利用效率;通过提高土壤氧化还原电位,改变土壤微生物群落结构和活性(增加甲烷氧化菌数量,减少产甲烷菌数量),减少稻田甲烷的排放;通过土壤氮素转化过程调控(改变铵硝比,提升土壤硝化势,增加硝化强度等),提高土壤氮循环功能微生物氨氧化细菌的丰度,增加土壤氮矿化速率,促使肥料氮素和土壤有机氮矿化释放出的NH4+更易被氧化成NO3-,从而为水稻生长发育提供了丰富的氮源和能量,提高氮素利用效率。水稻好氧栽培以改善灌溉稻田土壤氧环境为核心,以协调稻田"土-水-气"三界面为重点,研究明确了水稻好氧灌溉指标,提出了以"垄畦栽培法"为基础的水稻好氧栽培关键技术(如垄畦种植、干湿交替灌溉、施用氧肥等),研制出相应的物化技术产品(如逸氧型种子包衣剂、水稻生态专用肥等),制订了水稻好氧栽培技术规程。


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