根系是植物重要的吸收、合成、固定和支持器官,同时又直接响应土壤环境中养分、水分以及机械阻力的变化。根系的多少以及分布状况与作物对水分和养分的吸收密切相关,土壤物理性状、灌水、施肥等均可对根系的生长、分布和功能直接产生影响,进而影响植株的生长发育,并最终影响作物的产量。本研究以复杂的根系-土壤界面的相互作用为研究对象,系统研究作物根系对土壤异质性养分和机械阻力的响应,以及土壤异质性养分和机械阻力对作物根系生长和养分与水分吸收的影响,探讨根系-土壤的互作效应与机制。首先通过根箱模拟试验,在实时监控土壤水分的前提下,通过调控养分的供应方式,研究根系-养分-水分的相互作用；通过砂培,模拟不同的土壤强度(土壤紧实度或土壤机械阻力)对根系生长角度的影响,研究在一定的土壤机械阻力下根系和地上部的适应性生长。在养分调控的基础上,引入根际促生菌,以植物激素(乙烯)为切入点,揭示养分定向调控促进根系、地上部生长以及养分吸收的机制。本研究对于深入理解通过挖掘作物自身生物学潜力及根系的形态和生理可塑性,提高作物养分和水分的吸收利用效率具有重要的理论和实践意义,也为指导作物生产提供了重要的科学依据。主要进展与结论如下：1.通过文献综述研究明确了根系在结构性土壤中的生长过程及土壤物理性质对根系生长的影响。土壤质地是土壤生产能力的重要标志,质地不同的土壤物理性质不同,如机械阻力、颗粒组成和总孔隙度等。这些因素通过影响土壤水分和养分在土壤中的移动和有效含量,影响植物根系的生长发育。土壤水分是影响植物生长和土壤紧实度的主要因素。土壤结构特别是土壤机械阻力会影响根系的生长和根系的构型,根系角度、直径等都会做出适应性生长。根系的生长也会对土壤结构产生影响,会重塑土壤结构,如大孔隙、生物孔隙的产生,影响土壤中养分和水分的运移。根土界面的水分阻力是根系吸收水分时最主要的限制因素。根系分泌物可以作为缓解根系水分状况,提高根系水分吸收的可能性,通过分泌物质粘合土壤颗粒,在根系周围形成根鞘,提高根系和土壤的接触水平。水分胁迫或土壤机械阻力较高时根系的吸水能力可以保证植株在水分胁迫条件下充分利用水分,穿透紧实土壤,正长生长。2.养分的异质性分布／供应可以影响根系的生长和对水分的吸收。当养分均匀施用时根系的生长深度会受到抑制,其根系主要分布在0-80cm的范围内,而养分异质性处理的根系可以生长至1m以下。养分深层施用时会促进根系的有效下扎,但是根系在表层分布的数量减少,其根系密度仅为养分均匀处理的64%,以及养分表层施用处理的79%。在水分胁迫下,养分表层施用是促进根系下扎以及水分吸收最大化的有效措施,利于根系对土壤深层水分的吸收和生物量的提高。与养分均匀施用相比,养分表层(0-40cm)和深层(60-100cm)施用时分别提高了水分吸收量(water use (mm))40%和89%。因此,异质性养分分布可以作为调控根系生长和水分吸收的重要手段。3.土壤强度会影响小麦矮杆近等基因系Rht-1的根系生长角度以及叶片的生长。当根系受到阻抗时,垂直角度生长的根系比例提高,根系角度从55°变化至43°(垂直方向为0°,水平方向为90-),但品种间没有基因型差异。根系生长受阻(外因)造成叶片生长的萎缩障碍,但在不同基因型的小麦品种间也无差异。根系阻抗造成的叶片萎缩障碍对Cadenza的影响远大与其它供试小麦品系。收获时,与根系未受阻抗的植株相比,Cadenza的第6片叶片的萎缩程度为63%,而Avalon, Battalion和Robigus的第6片叶片的萎缩程度分别为42%,48%和34%。4.局部养分(硫铵加磷)调控下接种根际促生菌会进一步促进玉米根系的生长和养分的吸收。与仅局部施用养分硫铵加磷相比,地上部和根系密度分别提高了12%和50%。局部硫铵加磷养分调控会提高根系的乙烯释放量,与养分撒施相比,乙烯释放量提高了54%,接种5C2后,乙烯生成量降低了56%。所以,局部养分(硫铵加磷)调控下接种根际促生菌进一步促进玉米生长的内在机制是根际促生菌5C2降低根系乙烯生成量使之处于适宜根系生长的水平范围内,从而进一步促进根系的生长和养分吸收。作为根际调控的有效途径之一,接种根际促生菌可以作为生物调控途径,拓展现有根际调控策略,发挥增产潜力。