氮、磷是作物生长不可缺少的养分,是决定粮食作物生长发育和产量形成的主要因素。近年来,为提高产量,缓解氮、磷不足,农民往往过量施肥,导致养分吸收利用率降低,损失量增加,引起一系列环境问题。在干旱半干旱地区,除了养分不足,水分也是限制产量的主要因素。水分不仅直接影响作物生长发育,还间接影响土壤中养分有效性,降低作物对养分的吸收利用。根系是植物从土壤中吸收养分和水分的主要器官。根系形态构型具有很强的可塑性,易受土壤水分、养分的影响。同时根系形态构型和生理功能的变化也改变根系对养分和水分的吸收。因此,本研究首先分析了当前高产条件下作物养分需求规律,并通过长期定位试验探究了不同施肥对土壤养分和根系生长的影响。其次通过水、肥调控研究根系形态构型变化对植株养分和水分的吸收利用的影响,以及选用特定根系构型的基因型,研究根系构型变化对养分和水分吸收利用以及地上部生长的影响。主要研究结果如下:(1)冬小麦磷素吸收量随施磷量的增加而升高。过量施磷不能进一步增加产量或者籽粒中磷浓度,反而使磷累积在秸秆中。随产量水平的升高,生产1 Mg冬小麦籽粒的磷素需求呈下降趋势,这可能是由收获指数增加及籽粒磷浓度稀释效应所导致。适宜磷供应条件下,生物量和磷素累积在不同产量水平之间的最大差异发生在GS30到GS60这一阶段,说明改善小麦生育前期管理措施也是保证高产的关键因素。(2)受长期定位施肥的影响,与CK(不施肥)和NK(施氮、钾肥)处理相比,土壤Olsen-P、全磷和Ca Cl2-P在处理NPK(施氮、磷和钾肥)和MNPK(施氮、磷、钾肥并配施有机肥)的土壤表层大量累积,并随土壤剖面深度的增加逐渐降低。受土壤磷含量的影响,根系在土壤剖面中的分布也表现出在土壤表层大量分布,随土壤深度逐渐降低。此外施磷以及配施有机肥处理均显著促进土壤各层的根系生长,但是抑制AM菌根侵染率。植株吸磷量和地上部生长随施磷量增加而显著升高,但是植株地上部生物量在NPK和MNPK处理间差异不显著,表明过量施磷并不能持续促进作物生长。(3)磷、水同时供应显著促进根系生长,提高单位根长吸磷量、磷和水分利用效率,促进地上部生长。与上、下土层或左、右两室同时供磷和供水相比,磷、水仅在深层或同在一室时对地上部生长没有影响或影响很小,但显著提高单位根长吸磷量、磷和水分利用效率。这些结果表明,在干旱条件下,与全层供磷、水相比,给2/3(土柱试验)或者1/2根系(分根试验)提供磷肥和水分,即能够满足植株磷素需求,保证植株正常生长,同时还能节省33%(土柱试验)或50%(分根试验)的磷肥和水分。(4)在两个土壤水分条件下,当施磷量从0 mg kg-1增加到75 mg kg-1(水分充足)和100 mg kg-1(干旱胁迫)时,根长和根干重增加迅速,而根冠比、单位根重的根长以及Zm Pht1;1~Zm Pht1;4表达量则迅速降低。当施磷量高于75 mg kg-1(水分充足)和100 mg kg-1(干旱胁迫)时,根干重和根长维持在一个稳定的高水平,根冠比、单位根重的根长以及Zm Pht1;1~Zm Pht1;4表达量则维持在一个稳定的低水平。AM菌根对磷肥供应表现出先随施磷量增加迅速升高,在施磷量为25 mg kg-1(水分充足)和50 mg kg-1(干旱胁迫)时达到最大,之后随施磷量升高而降低,Zm Pht1;6对磷肥的响应趋势与AM菌根相似。从根系形态到基因水平的研究结果表明,根系形态、AM菌根侵染和Pht1家族5个磷转运子基因的表达在水分胁迫条件下对低磷胁迫更为敏感。因此,在相同施磷水平下,植株在水分胁迫条件下受到更强的低磷胁迫,从而需要投入更多的磷肥来满足植株生长。(5)侧根密度低但侧根长(FL)的自交系比侧根密度高但侧根短(MS)的自交系更能适应低氮胁迫,主要表现为:根系呼吸降低、深层土壤分布更多的根系、较高的氮素吸收、光合速率和SPAD值、以及高的生物量和产量。温室培养试验(GH)结果表明,低氮条件下FL自交系的侧根呼吸速率比MS自交系低67%。在宾夕法尼亚(RS)以及南非(SA)进行的田间试验结果表明,与MS自交系相比,低氮条件下FL自交系在深层土壤有更多的根系,表现为FL自交系在RS和SA的D95值分别为57.9 cm和36.9 cm,而MS自交系的D95值分别是49.6 cm(RS)和30.8 cm(SA)。此外,低氮条件下,与MS自交系相比,FL自交系地上部相对生物量显著增加75%(GH)、46%(RS)和41%(SA),同时产量增加31.5%(RS)。(6)水分胁迫(WS)条件下,侧根密度低但侧根长(FL)的自交系较侧根密度高但侧根短(MS)的自交系降低了单位根长呼吸速率,但在深层土壤有更多的根系,因而促进对深层土壤水分吸收,改善植株水分状态、CO2交换速率和气孔导度,最终提高生物量和产量。温室试验(GH)结果表明,与MS自交系相比,WS条件下FL自交系的单位根长呼吸速率和单位轴根长的侧根呼吸速率分别降低46%和141%,增加根系在深层土壤中的分布(表现为D95在FL自交系中为118 cm,在MS自交系中为88 cm),叶片相对含水量升高(约8%),最终导致地上部生物量增加50%。在美国宾夕法尼亚(PA)和亚利桑那(AZ)进行的田间试验结果表明,与MS自交系相比,WS条件下,FL自交系在深层土壤分布更多的根系,表现为D95在PA和AZ的FL自交系中分别为54 cm和55 cm,在MS自交系中分别为43 cm和45 cm,茎秆水δ18O值分别降低46%和44%,最终使地上部生物量增加51~67%。