作物-土壤体系是一个复杂的系统，受多种因素的影响和制约。在当地气候和土壤母质一定的情况下，农田作物体系中营养元素动态变化与土壤水肥条件及栽种作物品种息息相关，作物在一定的逆境环境下，会逐渐产生并表现出某些表型和遗传进化特征。现有研究表明钾是作物生长发育所必需的大量元素。而我国农田土壤普遍缺钾已经成为影响作物产量及品质的限制因子之一。棉花（Gossypium hirsutumL.）是重要的纤维、油料经济作物，在农民收入中占重要地位，且棉花生长期间需钾量较大，缺钾严重影响棉花的产量和品质。　　因此，为了研究环境胁迫条件下作物高效利用钾素的机理，本文选用了2种不同钾素利用效率基因型的棉花品种，设置了2个不同的土壤湿度和施钾量水平，采用分室根箱试验和室内分析试验相结合的方法，比较了2种棉花基因型对逆境胁迫的生理学响应及对土壤钾素的吸收利用差异，并分析了栽种棉花之后根区与非根区不同形态钾素的含量和变化，土壤微生物量、根系形态学等指标的变化，研究结果对深入探究棉花钾高效机理，提高土壤钾素有效性，筛选优质高产的棉花基因型具有重要的理论和应用价值。　　主要研究结果如下:　　1.生理生化指标的差异比较:干旱、低钾胁迫处理下，2种棉花基因型叶片中丙二醛，渗透调节物质（如脯氨酸、可溶性糖），过氧化物酶含量随着胁迫强度的增强而增大，且盛花期时含量均最高，说明盛花期棉花各生理反应最为活跃。基因型间表现为相同处理条件下，钾高效棉花基因型(HEG)叶片丙二醛含量小于钾低效棉花基因型(LEG)，其他指标的变化幅度小于LEG棉花，表明HEG棉花自身适应性和渗透调节能力较强，受到的胁迫伤害也较小。　　2.光合作用的差异比较:不同处理下HEG棉花叶片净光合速率(Pn)显著大于LEG，蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)小于LEG。干旱胁迫下，HEG和LEG棉花叶片的Pn、Tr分别下降OPT处理组的48.7％和29.5％、29.6％和34.0％。低钾胁迫下，HEG棉花叶片Pn、Gs、Tr均下降，LEG棉花叶片Pn下降，Gs、Tr上升。另外，不同处理下LEG棉花叶片水分利用率(WUE)降低，HEG棉花叶片WUE上升，但处理间差异不显著。以上结果表明HEG在干旱胁迫下光合作用及叶片保水能力比LEG强;相对缺钾而言，干旱缺水对于棉花光合作用的影响更显著。　　3.光合产物及钾素的积累和分配差异比较:不同处理下HEG棉花生殖器官（籽棉、铃壳）干重及钾素积累量大于LEG棉花，而营养器官（茎、叶）干重及钾积累量小于LEG棉花。表明HEG棉花的养分分配格局更合理。干旱胁迫对棉花干重及钾素积累量的影响显著大于低钾胁迫对其产生的影响，土壤水分不仅影响土壤钾素向棉株根系的移动，而且影响棉株体内K+及光合产物在各器官间的转移，降低了棉花钾素利用率。　　4.土壤不同形态钾素含量及动态变化比较:分室根箱试验结果表明，随着棉花对土壤钾素的吸收耗竭，土壤速效钾含量逐步降低。栽种一季、两季棉花之后，根区土壤速效钾含量分别下降至基础土壤的53.84％和44.03％，缓效钾含量分别为基础土壤的82.77％和147.13％。表明当季棉花主要以吸收利用速效钾为主。施钾处理下土壤缓效钾含量高于土壤基础值，表明外施钾肥在促进植物生长的同时，相当部分转化为非交换性钾，干旱促进了土壤中钾素的吸附固定。由于棉花对钾素的吸收差异，土壤钾素含量表现出基因型间的差异，但仅在OPT-K处理下差异显著。不同处理下，土壤速效钾、缓效钾含量均表现为:OPT-W＞OPT＞OPT-K＞OPT-W-K。　　5.根系形态学及土壤微生物数量的差异比较:逆境胁迫下，两种基因型棉花表现出特有的表型差异及根际效应。干旱、低钾胁迫抑制了棉花根系生长，胁迫条件下2种棉花基因型侧根数、根干重及土壤微生物（细菌、真菌、放线菌和解钾菌）数量都减少，但棉花根冠比随胁迫程度的加强而增大。不同处理下HEG棉花侧根数、根干重、根冠比、土壤微生物数量均大于LEG棉花。　　6.K+相关基因的表达差异比较:从棉花的数字基因表达谱显示结果可知:在根部环境的K+浓度过低时，HEG会主动切换K+吸收系统，即主动关闭或减弱以离子通道为主的低亲和吸收系统而打开或增强以转运蛋白为主的高亲和吸收系统，这样在增强K+吸收能力的同时又避免了K+因为植物体内外电位差异过大造成的K+向体外泄漏，保证植株最大程度的从体外摄入钾素。同时，HEG植株在缺钾逆境下可以主动调节K+向叶肉细胞和保卫细胞中整流，维持正常的气孔开闭和光合作用，抵御胁迫伤害。　　以上研究结果表明:钾高效棉花基因型在长期的逆境选择条件下形成了其特有的钾高效机制，该机制主要表现在植物形态学、生理学、土壤学、微生物学特性及分子生物学相关基因的表达等方面。在形态学上表现为其侧根数、根干重、根冠比和经济产量较大，脱落率较低;在生理学上表现出有较强的渗透调节能力、光合作用能力、光合产物向生殖器官的积累分配能力;在土壤学上表现出较强的土壤非交换性钾向交换性钾转化的能力，保障了较为充足的钾素供给;在微生物学方面表现出较高的根际土壤微生物含量，较强的微生物活性，可以促进土壤含钾矿物的快速活化及向土壤速效钾转化的过程;在K+相关基因的表达方面表现出具有较强的以转运蛋白为主的高亲和吸收系统，可以主动调节K+向叶肉细胞和保卫细胞中流动，维持低钾胁迫条件下棉花正常的气孔开闭和光合作用功能。与钾低效基因型棉花相比，所有这些钾高效利用的机制为钾高效基因型棉花在逆境条件下获得高产稳产提供了保障。