附件：
河北省重点基础研究项目建议书
项目名称：连作棉田自毒物质与土壤矿质营养特征及其作用机理研究
项目负责人：李存东教授
联系电话：139********
所在实验室：河北省作物生长调控重点实验室
所在单位（盖章）：
建议日期：
河北省科学技术厅
一、项目研究的重要性、必要性
近年来，随着转基因棉花的推广，植棉效益的增加，植棉面积不断扩大。由于国家粮食安全战略，使得生态条件适宜的农田常年以粮食生产为主，一熟棉田集中分布于综合生态条件欠佳的区域，此类棉区原有的轮作倒茬制难以为继，导致棉花多年连作面积急剧增加，部分植棉区达到60～70%，最长连作年限达30年，黄河流域、西北内陆部分棉区尤为突出。随着连作年限的延长，棉花出现了大量死苗、生长不良、病虫害频发、早衰严重等问题，严重影响了棉花产量和品质[1]，已经成为我国棉花生产重大障碍因素。棉花是关系到国计民生的重要战略物资，对国民经济的发展和棉区农民生活水平的提高有着重要的影响，加强棉花连作障碍的理论与技术对策研究，对于黄河流域棉区乃至我国未来棉花生产有着重要的意义。
同种作物在同一块地连续种植导致植株生长受抑，病虫害发生严重的现象，称为连作障碍。连作障碍表现为：幼株（苗）生长衰弱，植株矮化节间缩短，叶片小，根系发育不良，易染腐烂病，抗性差等。作物生产中连作障碍发生普遍，现在已知大豆、花生、水稻、小麦、西瓜、黄瓜、草莓等作物存在较为严重的连作障碍现象。大豆因连作障碍引起的减产幅度高达11%～35%[2]；花生连作导致植株变矮，荚果变小，产量降低，减产幅度为8.7%～28.1%[3]，等等。由此看来，连作障碍的发生具有普遍性。然而由于作物的生物学特性各异，不同作物的连作障碍表现及危害程度各不相同。棉花因其复杂的器官结构、无限生长习性和对光照、营养等环境条件的敏感性而具有与其他大田作物显著不同的生育规律和环境条件反应，已有研究较多集中在西北内陆棉区秸秆还田棉田，且主要自毒物质尚不明确；矿质营养研究多局限在氮、磷、钾大量元素上，针对我国第一大棉区——黄河流域棉区普遍存在的非秸秆还田的连作棉田障碍因子研究很少，因此系统深入研究该棉区棉花的连作障碍机理与对策将具有特殊的理论和实践价值。
针对上述问题，本项目拟以生产上大面积推广的转基因抗虫棉品种为材料，选择代表黄河流域棉区生态条件的连作多年的棉田，依托河北省作物生长调控实验室开展以下研究：（1）连作棉田植株的生育、生理特征及产量、品质表现。（2）棉花根分泌物及植株浸提液的中自毒物质种类鉴别与含量和、分布特征种类。（3）棉花根分泌物及植株浸提液中化感自毒物质对棉花的功能鉴定生理、生长的效应。（4）不同类型连作棉田土壤矿质营养元素分布特征及其作用机理。通过上述系统研究，预期明确黄河流域棉区棉花对不同类型连作棉田的生育、生理和产量品质反应；导致连作障碍的土壤环境中的主、次因子及其危害原理。研究成果将从理论上阐明棉田连作的生态、生理和生长发育规律，并能指导进行棉田土壤环境改良，为稳定发展棉花生产提供决策支撑。
二、国内外研究现状和发展趋势
国内外对于作物连作障碍的相关研究表明，作物连作障碍的原因非常复杂，是植物有机体与土壤内含物诸多因素综合作用的结果。连作障碍的构成因子大体上归于以下几个方面：（1）植物分泌的有害物质；（2）土壤养分失调；（3）土壤物理性状恶化；（4）土壤微生物变化。但上述因子在不同作物上的主次效应各异。
自毒作用是植物根分泌和残茬降解时释放出的次生代谢物对其自身或种内植物产生危害的一种现象。自毒物质影响植物体内各种酶类物质的活性、激素的合成代谢、光合和呼吸作用、蛋白质的合成和细胞结构。植物的各个部位，都可能具有自毒物质[4]。产生自毒作用的物质主要为酚酸类化合物。从芋头(Colocasia esculenta)根分泌物中鉴定出的乳酸、安息香酸、香草酸、琥珀酸、脂肪酸等物质，浓度达到400μmol·L-1时能显著抑制芋头植株生长，其中以安息香酸抑制作用最强[5]。水稻秸杆腐解液对水稻生长抑制作用可达到70%，当腐解液中的邻羟基苯乙酸的浓度达到25mg/kg时，即对水稻生长产生抑制作用[6]。黄瓜根系浸提液对黄瓜种子萌发、胚根、胚芽的伸长有明显的抑制作用，随着浸提液浓度的增加，其抑制作用明显增强，对侧根生长也有明显的抑制作用[7]。阿魏酸能有效抑制黄瓜根系的伸长和幼苗的生长[8];芸香叶片浸提液能抑制萝卜种子的萌发和幼根的伸长；苯甲酸、肉桂酸影响西瓜根系保护酶及膜透性[9]，同时严重降低西瓜幼苗根活力、生长量，加重枯萎病发生[10]。自毒物质以根系分泌物影响最大。根系分泌物可导致根际微生物种群、土壤酶活性[11]、微量元素的吸收[12]等多种微生态因子变劣。
通过对大棚蔬菜连作的研究指出，随着连作年限的延长，土壤主要肥力指标增加，N,P,K,比例失调，Cl-，Na+残存过多，盐分表聚，土壤盐渍化程度高，严重影响蔬菜大棚的可持续利用[13]。连续的单一种植系统，降低土壤有机质含量[14]。C.C.Mitchell[15]经过长期连作试验得出，连作会降低棉田的有机质含量（4.2g/kg）。在作物连作系统中，维护和提高土壤质量对延续农业生产和环境起到决定性作用[16]。增加有机碳源的多样性，能够促进土壤微生物多样性的恢复，有利于抑制病原菌种群数量的增加。在黄瓜栽培中施用氨基酸肥，对黄瓜的连作障碍有明显的缓解作用[17,18]。邹永久研究指出，施入有机质肥料对大豆的连作障碍有很好的缓解作用。计钟程[19]研究结果表明，重茬大豆土壤中钾、磷和铝等有效养分降低，土壤有机质减少，重茬大豆根中铁和锌的含量明显低于正茬大豆。因此认为重茬土壤营养胁迫是重迎茬减产的原因之一。另外，Six J.等[20]曾指出，土壤有机质的损失是引起土壤团聚体破坏的重要因子，土壤团聚体的结构、排列方式是构成土壤肥力的基础。有研究表明，比重、容重随着棉花连作年限的增加呈上升趋势，孔隙度相反；良好团聚体的含量随着连作年限的增长呈下降趋势，而微团聚体则相反，砂粒的含量随着连作年限的增长呈上升趋势，粉粒呈下降趋势，而粘粒呈无规律的波动状，整体呈现不利趋势。
各种作物连作障碍研究的增多，也间接反映了这一问题在生产中的严重性及其研究的必要性。今后棉花连作障碍的研究亟待澄清、回答或解决如下问题：（1）棉花对于连作的敏感性及其原理，连作年限与产量、品质的关系；（2）黄河流域棉区大面积棉花生产中未进行秸秆还田，
该区域秸秆还田与未还田棉田，以及多年连作棉田与小麦田主要土壤物理、化学和生物差异及其棉花生育与产量的表现；（3）棉花连作所产生的主要自毒物质的化学种类及属性；（4）多年连作且秸秆未还田棉田土壤微量元素状况；（5）消除或减弱棉花连作障碍的关键农艺措施。
参考文献：
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（增加08、09年的文献）
三、拟解决的主要科学问题、研究内容和预期目标
重点阐述所要解决的关键科学问题的内涵。研究内容要围绕关键科学问题，突出重点，避免分散或拼盘现象。预期目标从对解决国家、省重大需求的预期贡献，在理论、方法等方面预期取得的进展、突破及其科学价值，优秀人才培养等方面分别论述，有明确具体的考核指标和人才培养计划。
1.解决的关键科学问题
（1）连作条件下棉花根系分泌物的分离、种类鉴定及化感物质功能分析，从自毒物质角度筛选得出影响棉花的主要化感障碍因子。
（2）多年连作对棉田土壤肥力因素的影响，从土壤大量、微量营养元素含量及有效性方面明确连作棉花主要营养障碍因子。
以上两个问题是阐明棉花连作障碍原理的关键，也是制定消除或缓解棉花连作障碍技术方案的主要依据。
2.研究内容
（1）多年连作棉株的生长发育、生理、产量及品质表现
①与非连作相比较，多年连作下棉株的生长发育、生理及形态特征：着重研究
连作障碍因子综合作用与棉株生长发育及形态特征之间的关系。
②多年连作棉花的产量和品质：分析连作对棉花产量和品质的影响，以此明确
多年连作棉田障碍及生产危害程度。
（2）多年连作棉田根系分泌化感物质的测定和功能鉴定
①多年连作棉田根系分泌化感物质的种类和含量：通过系列化学分析手段及与
对照农田的比较研究，明确连作棉花土壤中的主要化感物质种类、含量。
②多年连作棉田根系分泌物化感物质的功能鉴定：测定不同种类、浓度化感物
质对棉苗生长发育的影响，筛选出主要自毒物质。
（3）多年连作棉田对土壤矿质营养元素影响
以多年连作秸秆还田、不还田为处理，非连作棉田为对照，测定内容包括氮、磷、钾及棉花必需的微量元素（铜、锰、锌、铁、硼等），研究不同处理棉
田中矿质营养元素含量的变化，明确棉花选择性吸收的矿质元素及连作棉田的
主要营养障碍因子。
3.预期目标
通过系统比较黄河流域棉区多年连作秸秆未还田、多年连作秸秆还田、非连作棉田土壤主要化感物质、有机质、主要矿质元素以及棉花生育、生理、产量与品质效应，明确：（1）棉花连作所产生的主要自毒物质的化学种类及属性；
（2）多年连作且秸秆未还田棉田土壤限制性营养元素；
（3）秸秆还田对多年连作棉田土壤肥力、生态及棉株生育和产量品质的改良效应。
研究结果将从理论上阐明黄河流域棉田连作的生态、生理和生长发育规律，并为制定棉田土壤改良技术方案提供依据。
预期成果：
（1）理论方面：鉴定出连作棉田主要自毒物质的种类及其作用原理，填补国内外空白。
（2）技术方面：确立棉花连作障碍营养诊断技术指标。
（3）发表论文：预期在国际学术会议和期刊发表论文2篇，在国内期刊发表论文4～6篇。
（4）人才培养：预期培养青年学术骨干1名，培养博士、硕士研究生3名。
项目的特色与创新之处：
（1）对连作棉田根系分泌物、植株浸提液成分进行系统的筛选和鉴定，确定导致棉花连作障碍的主要自毒物质。
（2）建立棉花连作障碍营养诊断体系，率先明确黄河流域棉区连作棉田矿质营养障碍元素及棉花秸秆还田的营养效应。
四、现有工作基础和条件
在相关研究方面的工作基础和取得的主要研究成果；项目实施所具备的工作条件，包括实验平台和大型仪器设备等，国家或省重点实验室、省工程技术研究中心在项目中所起的作用等。
1.研究成果
申请人自1984年以来一直从事棉花栽培生理研究，曾在国家、省自然科学基金、教育部博士点专项基金、教育部重点项目和河北省博士基金、河北省攻关项目等经费支持下就旱地棉田的氮素营养、棉田土壤施用有机吸水物质、棉花对增铵营养的反应及其生理调节机制、不同层次“铃——叶系统”协调性、抗虫棉早衰等内容进行过专项试验，在棉花的生育规律、水分和矿质营养、棉铃发育生理过程、棉花早衰研究等方面有较好的工作积累和经验。自2003年以来，以申请人为学术带头人的河北农业大学棉花栽培生理研究室在国家和省自然科学基金资助下就棉花不同层次“叶-蕾铃系统”协调性的形态、生长发育和生理特征进行了系统研究，为进行抗虫棉早衰的系统研究奠定了理论和技术基础。2006年，在教育部博士点基金等项目资助下对棉花早衰基因型特征及其与主要生态因子的关系进行初步研究。2007年以来，参加国家棉花行业专项，棉花产业技术体系等项目，进行了河北省高产棉田肥力特征、连作棉田土壤分析等研究。近年来，在《Field Crops Research》《Agronomy Abstracts》《植物学报》、《作物学报》、《中国农业科学》、《棉花学报》、《应用生态学报》、《植物营养与肥料学报》等刊物和国内外重要学术会议上发表论文60余篇，作为主、副主编或参编出版著作或教材6部，获部、省级科技
进步奖4项（其中主持获得省科技进步一等奖1项）。申请人上述有关研究经历和工作积累，有助于本项目的顺利开展和按期完成，一经批准即可进入实质性工作阶段。
2.工作条件
申请人所在的“河北农业大学棉花研究所”依托的作物学科具有一级学科博士学位授权资格和博士后科研流动站，2005年被评选为河北省强势特色学科，近五年河北省政府每年拨款200余万元，学校等额匹配，用于学科建设。同时，其所属的作物栽培学与耕作学和作物遗传育种学科均为河北省首批重点学科。近年来省和学校已投资1000余万元用于该两个学科建设，基于作物栽培学与耕作学学科建设的“河北省作物生长调控重点实验室”发展迅速，现拥有设备条件较好的实验室，包括光合测定系统、植物生理监测系统、紫外分光光度计、原子吸收分光光度计、野外气象观测站、冠层分析仪、叶绿素荧光仪、高速离心机、电泳仪、超低温冰箱、时域反射仪、田间数据采集器、液相色谱等作物栽培及生理生化研究的必须仪器设备，还有先进的计算机设备和辅助软件等。另外，河北农业大学有设备完善的生物中心实验室、实验农场等供试验研究用。同时，“河北省作物生长调控重点实验室”学术实力雄厚，学术氛围浓厚。因此，本课题具备完备的硬软件环境。
五、研究队伍
项目负责人和主要学术骨干研究工作经历、主要学术业绩等。
1.负责人李存东教授
【学历】1980.9-1984.6在河北农业大学农系学习，获学士学位；1991.9-1993.7在硕士研究生班学习；1995.9-1998.7在南京农业大学农学系脱产学习，获博士学历和学位，2004年在澳大利亚科学院（CSIRO）进修。
【简历】1984.7－1991.4，在河北农业大学任助教，这期间以第三主研人参加了河北省科委公关课题“黑龙港旱地棉区基础措施和综合措施优化组合筛选研究”，得出了该区旱地棉田在多雨年份、正常降雨年份和少雨年份的关键性基础措施和综合措施的优化水平组合，并探讨了有关基础措施的基本生理效应。获农业部科技进步三等奖。
1991.4-1997.12，在河北农业大学任讲师，其中于1991-1995年参加了国家“八五”
星火公关重点项目子课题“太行山丘陵区旱地棉花高产综合措施的筛选及副产品加工利用研究与开发”，明确了旱肥地与旱薄地两种类型棉田增产的配套措施，研究了旱地棉花氮素营养规律、棉田土壤增施有机吸水物效应等，使该区棉田平均增产25%以上，获得了巨大的经济效益与社会效益，以第一主研人获河北省科技进步三等奖1项。
1997.12-2000.12在河北农业大学任副教授，其中1995.9-1998.7在南京农业大学攻读博士学位。主持了河北省自然科学基金“棉花对增铵营养的反应及其生理调节机制”课
题，进行了国家教委博士点基金课题“小麦顶端发育动力学与模型建立”研究，以此为基础在《作物学报》、《中国农业科学》、《棉花学报》等重要学术刊物上发表多篇学术论文10余篇，获河北省科技进步奖1项。
2000.12-目前，任河北农业大学教授，2003年评为博士生导师，2004年在澳大利亚国家科学院（CSIRO）作高级访问学者。期间主持了国家自然科学基金、教育部重点项目、教育部博士点专项基金、河北省自然科学基金项目等。对抗虫棉“叶—蕾铃系统”协调性及其营养生理，棉花早衰的形态、产量、品质和基因型特征，小麦穗花发育及其染色体效应等进行了较为系统的研究。在多年的科学研究与学术交流工作中，与国内外同行，尤其是作物栽培生理领域的学者建立了良好的合作关系，得到了有力的帮助，也是顺利开展该项研究的重要保障条件。近年来，在《Field Crops Research》、《植物学报》、《作物学报》、《中国农业科学》、《棉花学报》、《应用生态学报》等重要学术刊物上发表多篇学术论文近30篇，其中2篇被SCI收录、2篇被EI收录。获河北省科技进步一等奖1项，河北省自然科学三等奖1项，河北省科技进步三等奖1项。
【学术奖励】
1.小麦顶端发育动态模式及其机理研究，河北省自然科学基金三等奖，2004（主持人）
2.不同形态氮素营养对棉花生长、生理与产量的效应及其应用，河北省科技进步一等奖，2008（主持人）
3.河北平原区小麦玉米两熟丰产高效技术集成研究与示范，教育部科技进步一等奖，2009（主研人）
【承担科研项目情况】（若没要求，该部分不写）
（1）棉花对增铵营养的反应及其生理调节机制。河北省自然科学基金。1999-2001（399119）（主持人）
（2）高等植物微丝骨架的胞间连续性。国家自然科学基金。2002-2004（30070365）（第三主研人）
（3）抗虫杂交棉优化结铃模式生理机制。河北省科技攻关。2001-2003（主持人）（4）棉花铃-叶系统协调关系的生理机制研究。河北省自然科学基金，2003-2005（303179）；教育部重点项目，2003-2004（主持人）
（5）棉花不同层次“叶—蕾铃系统”协调性的生理生化机制研究。国家自然科学基金（30370833），2004（主持人）
（6）转基因抗虫棉早衰的生理机制与调控技术研究。高等学校博士学科点专项科研基金。2006-2008（主持人）
（7）超短季抗虫棉优化结铃的群体结构与生理特征。河北省自然科学基金。2007-2009（主持人）
（8）农业部公益性行业（农业）科研专项，棉花简化种植节本增效生产技术研究与
应用（课题编号：nyhyzx07-005-5）。专题主持人：李存东。项目来源：国家科技部。起止年限：2007-2010。经费：62万
（9）国家自然科学基金，转基因抗虫棉早衰的生理机制与早期诊断指标研究（课题编号：30771267）。主持人：李存东。项目来源：国家科技部。起止年限：2008-2010。
经费：30万
（10）国家高技术研究发展计划（863计划），棉花早衰相关基因、蛋白的鉴定和延衰棉花新种质创制（课题编号：2008AA10Z113）。第二主持人：李存东。项目来源：国家科技部。起止年限：2008-2010。经费：50万
（11）国家高技术基础研究计划973前期专项，小麦P高效基因的鉴定、克隆和P 高效小麦种质创新（课题编号：2007CB116209）。副主持人：李存东。项目来源：国家科技部。起止年限：2008-2010。经费：70万
（12）国家棉花产业技术体系，参加，经费：20万元
2.白志英，女，河北正定人。1967年8月出生，博士，教授，博士研究生导师。河北省植物学会理事，河北农业大学生命科学学院植物学系副主任，《河北农业大学学报》和《中国农业科学》审稿专家，《中国农业科学》英文版栏目编委。近年来，先后参加和完成国家科技攻关项目子专题、河北省自然科学基金、河北省科技厅、河北省林业局等多项科研课题。现主持河北省自然基金《小麦代换系穗、花发育的遗传与水分调控机》（C2008000341）、主参加国家科技攻关项目子专题《节水高产条件下小麦-玉米两熟光热资源高效利用与产量构成因素指标体系研究》（2006BAD02A08）、国家林业局《黄连木嫁接阿月浑子技术示范》（2006[30]）、973计划前期研究专项《小麦磷高效相关基因的鉴定、克隆和磷高效小麦种质创制》(2007CB116209)等多项课题。在中国农业科学、植物遗传资源学报、园艺学报、实验生物学报等核心刊物共发表科研论文近40篇；参编《木本花卉》、《中国经济树木原色图鉴》（III、IV））等5本著作。指导硕士生4名。主要研究领域：（1）植物学（植物资源开发与利用）；（2）园林植物与观赏园艺（园林植物资源及利用）。主要从事小麦抗逆机制及其阿月浑子引种栽培研究。
（参演人员研究领域能否写上与本课题相关领域，如：棉花或小麦土壤养分养分分布特征，分析化学等等）可以写
3.张永江副教授，1977年生，河北抚宁人，博士，副教授，硕士生导师。研究领域为作物信息技术、作物栽培生理、叶绿素荧光遥感。山东农业大学作物栽培学与耕作学专业硕士，浙江大学农业遥感与信息技术专业博士。2006年作为引进人才到河北农业大学农学院工作。主持河北省自然科学基金、省教育厅、校博士基金项目各1项，合作主持国家自然科学基金1项，作为主研人参加国家自然科学基金、公益性行业（农业）科研专项、国家粮食丰产工程等多项。获河北省科技进步一等奖1项，中国农业科学院科技
成果二等奖1项。发表一级期刊以上论文10篇，其中SCI/EI收录5篇。主要研究领域：
4.孙红春女，1979年生，硕士，讲师。2004年参加工作，主要研究方向是作物栽培
生理。主要承担课程：本科生《作物学通论》、《农学概论》，专科生《作物栽培学》等课程。参加国家级课题5项，省部级课题6项，主持校级课题1项。近年发表在《作物学报》、《中国农业科学》、《棉花学报》等刊物的研究论文数10篇，参编著作2部。先后获河北省科技进步一等奖1项（排名第三）、河北省自然科学基金三等奖1项（排名第八）。主要研究领域：
4.刘连涛，男，1980年生，硕士，助理实验师。在科研上参与国家973项目、国家自
然科学基金、公益性行业（农业）科研专项、省自然科学基金等多项科研项目。2004年以来主要从事棉花生理学和棉花栽培学方面的研究，2007年开始管理作物栽培学与耕作学实验室仪器设备，并进行棉花高产栽培学的试验研究。近年发表在《植物营养与肥料学报》、《中国农业科学》、《棉花学报》等刊物的研究论文数6篇。先后获河北省科技进步一等奖1项（排名第八）。研究内容主要涉及棉花早衰生理、棉田土壤营养。
5.冯丽肖老师简历还没有发过来
六、经费预算
金额单位：万元
序号科目名称总预算其中：专项经费（1）（2）（3）
1一、经费支出
21、设备费
3（1）购置设备费32 4（2）试制设备费53 5（3）设备改造与租赁费
62、材料费118 73、测试化验加工费1812 84、燃料动力费32 95、差旅费32 106、会议费32 117、国际合作与交流费 2.51 128、出版/文献/信息传播/知识产权事务
费
3.52
139、劳务费42 1410、专家咨询费22 1511、管理费22 1612、其他
1713、...
18二、经费来源
191、申请从专项经费获得的资助40 202、自筹经费来源20
是否不要自筹经费。总预算按30万元做。