植物-土壤相互作用教育部重点实验室 工作基础
植物-土壤相互作用教育部重点实验室覆盖两个原农业部重点实验室（植物营养学实验室和土壤和水实验室），一个国家重点学科（土壤学）和一个农业部重点学科（植物营养学），两个国家211重点建设学科。近5年来承担国家重点基础规划研究项目、攀登计划项目、攻关项目、自然科学基金项目重大、重点及多项面上项目，农业部重点项目，北京市自然科学基金重大、重点项目等研究项目，并保持着与德国、澳大利亚、英国、及欧盟的长期国际合作。目前承担各类科研项目187项，包括国际合作项目21项，累计经费4660万元。其中国内经费3025万元人民币，国际合作项目经费1635。研究工作取得了一批创新性研究成果，达到国际先进水平和领先水平，发表文章480篇，其中SCI文章56篇，出版各类教科书及专业书籍26部。或国家和省部级研究奖9项。主要研究成果包括以下几个方面：
（1）植物对土壤养分胁迫的反应
土壤是一个巨大养分资源库。挖掘植物高效利用土壤养分资源的潜力，是土壤和植物营养学领域的重点方向。本实验室率先在国内倡导养分吸收利用基因型差异的生理基础研究，随后在国家自然科学基金重点、重大项目、杰出青年基金、教育部跨世纪人才基金及国家重点基础研究规划项目的资助下，以提高植物利用土壤养分资源的生物学潜力为目标，将生理与分子生物学研究相结合，在植物对养分胁迫的适应机理和质外体作用机制方面进行了长期研究并取得了重要进展。研究水平在国内处于领先地位，与国际上保持同步水平。主要研究成果包括：在国际上首次发现不仅缺铁，而且缺锌时禾本科植物根系可分泌麦根酸类植物铁载体；发现缺磷条件下，不同生态型植物分泌的有机酸种类及活化土壤磷的机理不同，有关论文被SCI文章引用80余次。并在间套作、水旱轮作等生产体系、中低产土壤的生物改良、植被重建等领域中发挥重大作用。随着植物学和细胞生物学技术的迅猛发展，研究质外体中养分贮存及利用成为国际热点之一。本学科紧密跟踪国际前沿，在国内率先建立了多项质外体研究技术，如质外体汁液的提取方法、铁还原酶活性的细胞化学方法、次生离子质谱仪和X-射线能谱分析方法等，揭示了质外体中铁等养分的积累、活化和利用规律，探索了质外体纳米硅的沉积规律及其植物营养意义。
（2）植物根际营养
根际是植物-土壤-微生物共同作用的区域，是养分和其它物质进入植物体影响作物产量与品质的关键环节，是有益和有害物质进入食物链参与物质循环的重要门户。植物根际营养的深入研究对于充分挖掘生物高效利用养分资源的潜力，实现高产、优质和高效的农业可持续发展的目标都具有重要的理论和实践意义。 近一个世纪来，根际研究的重大发展都依赖于研究方法的突破。我们在十几年的研究中创建了一系列根际研究方法，推动了根际研究的发展。在国际上首创了交换螯合法和专一性阳离子交换树脂法分离和纯化根分泌物的方法以及菌丝际网膜模拟研究方法，并被国内外同行广泛应用，对国际根际研究起到重要推动作用。研究证明，根分泌物在适应养分胁迫和高效利用土壤难溶性养分方面具有决定性作用，已发现小麦专一性根分泌物铁载体是铁营养效率基因型差异的关键，首次证明缺锌条件下，禾本科植物也可分泌铁载体，改变了国际学术界关于铁载体分泌是缺铁专一性反应的传统观点；缺磷条件下有机酸的分泌是提高植物对土壤难溶态磷利用效率的重要机制，不同植物间有机酸分泌的差异可能是不同生态型植物对其生存环境长期适应的结果。 系统研究了根际微生物-菌根菌的生物学特性和活化养分的机理，证明菌丝扩大根系吸收范围、分泌质子和磷酸酶是菌根植物耐瘠薄和高效利用土壤养分的主要机制。该研究结果被国际同领域的权威著作和教科书多次引用，达到国际先进水平。将根际理论研究与生产实际相结合已成为本学科的特色。根际效应是间套作体系和水旱轮作体系中养分高效利用的关键，在大豆重迎茬障碍研究中，提出了根际调控施肥技术，对减轻重迎茬危害表现出显著效果，在国内外受到广泛关注和高度评价。
（3） 新型肥料与数字化施肥
本研究方向从上世纪五十年代开始至今已有五十多年的历史，八十年代以来主要在以下四个方面取得了突出进展。研究了不同种类作物的养分吸收规律与动力学模型，运用高分子材料和膜技术，研制开发了养分释放与植物吸收同步进行的新一代高效率环保型复合肥料。在土壤植株快速测试推荐施肥新技术的研究与应用方面，建立了不同生态区土壤植株快速测试推荐施肥指标体系，并在全国十多个省市多种粮食与经济作物上进行了大面积的示范推广，在施肥技术方面，建立了三元二次施肥模型的肥料长期定位试验，奠定了数字化施肥的基础。系统研究了施肥模型，建立了五种计算机数字化施肥系统及软件，在北京、河北、河南、内蒙等地大面积示范推广，取得了显著的经济和社会效益，居国内同类研究的领先水平。在养分资源管理方面，研究了冬小麦－夏玉米轮作和蔬菜生产体系中养分、水分的优化管理，建立基于优化推荐施肥和节水灌溉、作物高产栽培等关键技术的可持续农业生产技术体系，对其资源利用效率、环境效应、经济效益及社会效益进行综合分析，建立了相应的数据库。
（4）土壤过程的定量化
此方向为本学科的基础研究领域，主要研究在土壤物理、土壤化学和土壤生物学等过程综合作用下，土壤中物质的运动和转化规律。
由于土壤是一个复杂、多相、多层次结构、开放性的动态系统，在不同尺度层次上土壤变化都是土壤中物理的、化学的、生物的等各个过程的综合体现。只有做到对发生在土壤中众多过程的定量化与建模，才可能做到准确地预测和调控土壤的变化，深刻理解与预测土壤动态特性，提出对土壤资源的持续利用和污染土壤的修复理论和调控机制。
近年来本方向的研究人员在土壤过程定量化研究方面已开展了卓有成效的研究工作，提出和研制了区域水盐监测预报系统, 土壤中多离子溶质迁移和转化模型，土壤养分转化中生物或微生物的作用模式，不同尺度的土壤水分运动模型，土壤水汽热耦合运移模型，干旱地区土壤发育过程模拟系统，土壤污染物的运动及对地下水污染的过程模型，土壤水、氮、热耦合迁移转化模型，区域尺度的随机土壤水分均衡模型，微观尺度的两域土壤水分和盐分运动模型等；同时也建立了基于GIS的土壤分布式过程模型（水、氮、盐、污染物等）并在华北平原、内蒙古和甘肃区域水土资源管理中得到应用。
本方向的研究已得到国际同行的关注，顺应了土壤学科基础研究必须整合、走定量化研究道路的潮流，研究水平达到了国际先进水平。
（5）土壤作物系统的模拟与管理
本研究方向是土壤信息系统研究的最新领域，是发展数字农业的基础和核心技术。目前，本研究方向人员所做工作包括两个重要的研究领域：
一是利用三维数字化可视技术，研究基于作物生长形态发育过程机理的定量化，建立虚拟植物模型，即在计算机上模拟植物在三维空间中的生长发育过程。其生成的植物可反映现实世界植物的形态结构、具有真实感的三维植物个体或群体。反过来，应用虚拟植物模型对大气-植物-土壤系统更为复杂的过程进行直观地定量化研究，发现传统研究方法和技术手段难以观察到的规律。虚拟作物模型与传统作物模型相结合，通过改变环境条件和栽培措施，直观地观察作物生长状况和最终的结果。
其次是将土壤-作物模型与“3S”技术（全球定位系统GPS、遥感RS、地理信息系统GIS）相结合，开展不同层次尺度的土壤-作物系统研究，建立基于空间数据库、定位、数据及时采集和分析决策一体化、土壤-作物系统精确化管理以及精确农业方法和体系。
本学科组是国内最早从事土壤-作物模拟模型、虚拟作物系统的研究单位之一，已经取得了居国际领先地位的成果，先后建立了虚拟实验室、“3S”技术和资源环境信息化管理实验室。目前在该研究方向承担有“973”项目、中法合作项目、中荷合作研究项目、国家863课题、国家攻关课题以及多项自然科学基金项目。
（6）农田水分调控及节水农业
本研究方向是土壤物理和土壤改良现阶段主要研究领域, 也是针对我国农业可持续发展迫切需要的理论和技术。发展节水农业实际上就是水资源农业高效利用的问题。水分对作物生长的影响和作用是通过根系对土壤水分的吸收来实现的，而作物生长同时也影响着根系吸收水分的速率，从而改变水分在土壤中迁移的行为和数量分布，这种互为反馈的机制提示我们只有寻求和建立两者之间的定量关系，才能从理论上有利于找出调节控制一定耗水，又有较高产出的标准和途径，为提高农作物的水分利用效率提供依据和实施途径，这也是本学科此方向近十年来研究工作的主要思路和主攻方向。我们以土壤水运动研究的最新理论为指导，利用最新方法技术定量研究农田系统水分运动与转化的时空规律，水肥耦合高效利用机制，水盐运动调控和盐渍土资源的改良和利用。在不同生态区和农田类型的土壤水循环特征及其调控机制，不同区域土壤—植物—大气连续体内的水流动力学及其模型的建立，区域农田水分状况的预测预报，土壤中水和养分耦合运动的定量研究等方面取得突破进展。
（7）养分资源再利用与污染控制
作物的优质高产和人类健康依赖于良好生态环境条件。控制农业环境污染，对确保生态平衡、可持续的食物生产、食品的安全性以及人类健康具有重要意义。近30年来，本研究方向在各种有机废弃物的无害化处理与农业利用、施肥与生态环境效应、绿色食品生产技术、污染物在土壤-植物系统中的迁移转化规律、污染土壤的生物修复等方面进行了长期系统的研究，取得了一批国内外有影响的成果。研究的特色是利用生物学、农学、化学与工程技术的综合措施，将基础研究和应用技术研究结合起来，处理、利用废弃物并进行污染控制。近年来研究了农业生产过程和外源废弃物利用中污染的成因、机理及其对农产品品质和土壤环境质量的影响，制定了优质农产品生产的环境质量标准和技术操作规程。重点探讨了华北地区碳氮的生物转化与平衡规律以及碳、氮转化过程中温室气体的排放及其减少排放的措施与途径，硝酸盐污染及其与蔬菜品质的关系和调控措施；开展了土壤与环境中典型污染物的生物降解、化学钝化与生物修复机理的研究；通过高效菌株的筛选，研究了微生物(包括菌根)在污染土壤生物修复中的应用；根据不同种类和基因型植物在重金属吸收、转运、钝化等方面的差异，筛选合适的作物种类，并结合化学改良措施，减少污染物在植物可食用部位积累，修复和消除土壤环境污染；研究了亚铵造纸黑液、城市垃圾和生活污水、农牧业废弃物等各种有机废弃物的无害化、资源化和农业利用的环境和社会效益。继而建立了有机废弃物堆肥化工艺、过程控制与腐熟度评价体系，有机污染物的清消与重金属钝化，有机肥料和有机无机复混肥的加工工艺与技术，生活污水人工土快速渗滤处理法，并对废弃物农业利用的长期效应进行了定位研究，为我国养分资源的再利用与产业化打下了基础。
植物-土壤相互作用教育部重点实验室 工作基础
植物-土壤相互作用教育部重点实验室覆盖两个原农业部重点实验室（植物营养学实验室和土壤和水实验室），一个国家重点学科（土壤学）和一个农业部重点学科（植物营养学），两个国家211重点建设学科。近5年来承担国家重点基础规划研究项目、攀登计划项目、攻关项目、自然科学基金项目重大、重点及多项面上项目，农业部重点项目，北京市自然科学基金重大、重点项目等研究项目，并保持着与德国、澳大利亚、英国、及欧盟的长期国际合作。目前承担各类科研项目187项，包括国际合作项目21项，累计经费4660万元。其中国内经费3025万元人民币，国际合作项目经费1635。研究工作取得了一批创新性研究成果，达到国际先进水平和领先水平，发表文章480篇，其中SCI文章56篇，出版各类教科书及专业书籍26部。或国家和省部级研究奖9项。主要研究成果包括以下几个方面：
（1）植物对土壤养分胁迫的反应
土壤是一个巨大养分资源库。挖掘植物高效利用土壤养分资源的潜力，是土壤和植物营养学领域的重点方向。本实验室率先在国内倡导养分吸收利用基因型差异的生理基础研究，随后在国家自然科学基金重点、重大项目、杰出青年基金、教育部跨世纪人才基金及国家重点基础研究规划项目的资助下，以提高植物利用土壤养分资源的生物学潜力为目标，将生理与分子生物学研究相结合，在植物对养分胁迫的适应机理和质外体作用机制方面进行了长期研究并取得了重要进展。研究水平在国内处于领先地位，与国际上保持同步水平。主要研究成果包括：在国际上首次发现不仅缺铁，而且缺锌时禾本科植物根系可分泌麦根酸类植物铁载体；发现缺磷条件下，不同生态型植物分泌的有机酸种类及活化土壤磷的机理不同，有关论文被SCI文章引用80余次。并在间套作、水旱轮作等生产体系、中低产土壤的生物改良、植被重建等领域中发挥重大作用。随着植物学和细胞生物学技术的迅猛发展，研究质外体中养分贮存及利用成为国际热点之一。本学科紧密跟踪国际前沿，在国内率先建立了多项质外体研究技术，如质外体汁液的提取方法、铁还原酶活性的细胞化学方法、次生离子质谱仪和X-射线能谱分析方法等，揭示了质外体中铁等养分的积累、活化和利用规律，探索了质外体纳米硅的沉积规律及其植物营养意义。
（2）植物根际营养
根际是植物-土壤-微生物共同作用的区域，是养分和其它物质进入植物体影响作物产量与品质的关键环节，是有益和有害物质进入食物链参与物质循环的重要门户。植物根际营养的深入研究对于充分挖掘生物高效利用养分资源的潜力，实现高产、优质和高效的农业可持续发展的目标都具有重要的理论和实践意义。 近一个世纪来，根际研究的重大发展都依赖于研究方法的突破。我们在十几年的研究中创建了一系列根际研究方法，推动了根际研究的发展。在国际上首创了交换螯合法和专一性阳离子交换树脂法分离和纯化根分泌物的方法以及菌丝际网膜模拟研究方法，并被国内外同行广泛应用，对国际根际研究起到重要推动作用。研究证明，根分泌物在适应养分胁迫和高效利用土壤难溶性养分方面具有决定性作用，已发现小麦专一性根分泌物铁载体是铁营养效率基因型差异的关键，首次证明缺锌条件下，禾本科植物也可分泌铁载体，改变了国际学术界关于铁载体分泌是缺铁专一性反应的传统观点；缺磷条件下有机酸的分泌是提高植物对土壤难溶态磷利用效率的重要机制，不同植物间有机酸分泌的差异可能是不同生态型植物对其生存环境长期适应的结果。 系统研究了根际微生物-菌根菌的生物学特性和活化养分的机理，证明菌丝扩大根系吸收范围、分泌质子和磷酸酶是菌根植物耐瘠薄和高效利用土壤养分的主要机制。该研究结果被国际同领域的权威著作和教科书多次引用，达到国际先进水平。将根际理论研究与生产实际相结合已成为本学科的特色。根际效应是间套作体系和水旱轮作体系中养分高效利用的关键，在大豆重迎茬障碍研究中，提出了根际调控施肥技术，对减轻重迎茬危害表现出显著效果，在国内外受到广泛关注和高度评价。
（3） 新型肥料与数字化施肥
本研究方向从上世纪五十年代开始至今已有五十多年的历史，八十年代以来主要在以下四个方面取得了突出进展。研究了不同种类作物的养分吸收规律与动力学模型，运用高分子材料和膜技术，研制开发了养分释放与植物吸收同步进行的新一代高效率环保型复合肥料。在土壤植株快速测试推荐施肥新技术的研究与应用方面，建立了不同生态区土壤植株快速测试推荐施肥指标体系，并在全国十多个省市多种粮食与经济作物上进行了大面积的示范推广，在施肥技术方面，建立了三元二次施肥模型的肥料长期定位试验，奠定了数字化施肥的基础。系统研究了施肥模型，建立了五种计算机数字化施肥系统及软件，在北京、河北、河南、内蒙等地大面积示范推广，取得了显著的经济和社会效益，居国内同类研究的领先水平。在养分资源管理方面，研究了冬小麦－夏玉米轮作和蔬菜生产体系中养分、水分的优化管理，建立基于优化推荐施肥和节水灌溉、作物高产栽培等关键技术的可持续农业生产技术体系，对其资源利用效率、环境效应、经济效益及社会效益进行综合分析，建立了相应的数据库。
（4）土壤过程的定量化
此方向为本学科的基础研究领域，主要研究在土壤物理、土壤化学和土壤生物学等过程综合作用下，土壤中物质的运动和转化规律。
由于土壤是一个复杂、多相、多层次结构、开放性的动态系统，在不同尺度层次上土壤变化都是土壤中物理的、化学的、生物的等各个过程的综合体现。只有做到对发生在土壤中众多过程的定量化与建模，才可能做到准确地预测和调控土壤的变化，深刻理解与预测土壤动态特性，提出对土壤资源的持续利用和污染土壤的修复理论和调控机制。
近年来本方向的研究人员在土壤过程定量化研究方面已开展了卓有成效的研究工作，提出和研制了区域水盐监测预报系统, 土壤中多离子溶质迁移和转化模型，土壤养分转化中生物或微生物的作用模式，不同尺度的土壤水分运动模型，土壤水汽热耦合运移模型，干旱地区土壤发育过程模拟系统，土壤污染物的运动及对地下水污染的过程模型，土壤水、氮、热耦合迁移转化模型，区域尺度的随机土壤水分均衡模型，微观尺度的两域土壤水分和盐分运动模型等；同时也建立了基于GIS的土壤分布式过程模型（水、氮、盐、污染物等）并在华北平原、内蒙古和甘肃区域水土资源管理中得到应用。
本方向的研究已得到国际同行的关注，顺应了土壤学科基础研究必须整合、走定量化研究道路的潮流，研究水平达到了国际先进水平。
（5）土壤作物系统的模拟与管理
本研究方向是土壤信息系统研究的最新领域，是发展数字农业的基础和核心技术。目前，本研究方向人员所做工作包括两个重要的研究领域：
一是利用三维数字化可视技术，研究基于作物生长形态发育过程机理的定量化，建立虚拟植物模型，即在计算机上模拟植物在三维空间中的生长发育过程。其生成的植物可反映现实世界植物的形态结构、具有真实感的三维植物个体或群体。反过来，应用虚拟植物模型对大气-植物-土壤系统更为复杂的过程进行直观地定量化研究，发现传统研究方法和技术手段难以观察到的规律。虚拟作物模型与传统作物模型相结合，通过改变环境条件和栽培措施，直观地观察作物生长状况和最终的结果。
其次是将土壤-作物模型与“3S”技术（全球定位系统GPS、遥感RS、地理信息系统GIS）相结合，开展不同层次尺度的土壤-作物系统研究，建立基于空间数据库、定位、数据及时采集和分析决策一体化、土壤-作物系统精确化管理以及精确农业方法和体系。
本学科组是国内最早从事土壤-作物模拟模型、虚拟作物系统的研究单位之一，已经取得了居国际领先地位的成果，先后建立了虚拟实验室、“3S”技术和资源环境信息化管理实验室。目前在该研究方向承担有“973”项目、中法合作项目、中荷合作研究项目、国家863课题、国家攻关课题以及多项自然科学基金项目。
（6）农田水分调控及节水农业
本研究方向是土壤物理和土壤改良现阶段主要研究领域, 也是针对我国农业可持续发展迫切需要的理论和技术。发展节水农业实际上就是水资源农业高效利用的问题。水分对作物生长的影响和作用是通过根系对土壤水分的吸收来实现的，而作物生长同时也影响着根系吸收水分的速率，从而改变水分在土壤中迁移的行为和数量分布，这种互为反馈的机制提示我们只有寻求和建立两者之间的定量关系，才能从理论上有利于找出调节控制一定耗水，又有较高产出的标准和途径，为提高农作物的水分利用效率提供依据和实施途径，这也是本学科此方向近十年来研究工作的主要思路和主攻方向。我们以土壤水运动研究的最新理论为指导，利用最新方法技术定量研究农田系统水分运动与转化的时空规律，水肥耦合高效利用机制，水盐运动调控和盐渍土资源的改良和利用。在不同生态区和农田类型的土壤水循环特征及其调控机制，不同区域土壤—植物—大气连续体内的水流动力学及其模型的建立，区域农田水分状况的预测预报，土壤中水和养分耦合运动的定量研究等方面取得突破进展。
（7）养分资源再利用与污染控制
作物的优质高产和人类健康依赖于良好生态环境条件。控制农业环境污染，对确保生态平衡、可持续的食物生产、食品的安全性以及人类健康具有重要意义。近30年来，本研究方向在各种有机废弃物的无害化处理与农业利用、施肥与生态环境效应、绿色食品生产技术、污染物在土壤-植物系统中的迁移转化规律、污染土壤的生物修复等方面进行了长期系统的研究，取得了一批国内外有影响的成果。研究的特色是利用生物学、农学、化学与工程技术的综合措施，将基础研究和应用技术研究结合起来，处理、利用废弃物并进行污染控制。近年来研究了农业生产过程和外源废弃物利用中污染的成因、机理及其对农产品品质和土壤环境质量的影响，制定了优质农产品生产的环境质量标准和技术操作规程。重点探讨了华北地区碳氮的生物转化与平衡规律以及碳、氮转化过程中温室气体的排放及其减少排放的措施与途径，硝酸盐污染及其与蔬菜品质的关系和调控措施；开展了土壤与环境中典型污染物的生物降解、化学钝化与生物修复机理的研究；通过高效菌株的筛选，研究了微生物(包括菌根)在污染土壤生物修复中的应用；根据不同种类和基因型植物在重金属吸收、转运、钝化等方面的差异，筛选合适的作物种类，并结合化学改良措施，减少污染物在植物可食用部位积累，修复和消除土壤环境污染；研究了亚铵造纸黑液、城市垃圾和生活污水、农牧业废弃物等各种有机废弃物的无害化、资源化和农业利用的环境和社会效益。继而建立了有机废弃物堆肥化工艺、过程控制与腐熟度评价体系，有机污染物的清消与重金属钝化，有机肥料和有机无机复混肥的加工工艺与技术，生活污水人工土快速渗滤处理法，并对废弃物农业利用的长期效应进行了定位研究，为我国养分资源的再利用与产业化打下了基础。
