秸稈還田與施氮對水稻根系分泌物及氮素利用的影響研究

徐國偉，李帥，趙永芳，陳明燦，李友軍

(河南科技大學農學院，河南 洛陽 471003)

水稻(Oryzasativa)是世界上最重要的糧食作物之一，在亞洲包括中國在內的糧食生產中具有十分突出的地位[1]。自1995年起，我國水稻單產穩定在6 t/hm2以上，跨入了世界先進行列[2]，這與科學技術的不斷進步密不可分，但以高投入為手段的生產方式已成為提升我國糧食生產能力的重要途徑，水肥(尤其是氮肥)投入量大，水肥資源利用效率低是我國目前水稻生產中的一個突出問題。我國目前水稻平均氮肥施用量為180 kg/hm2，高出世界水稻氮肥平均施用量的75%，氮肥的過量施用造成了氮素利用率大幅度下降、水稻倒伏、病蟲害發生嚴重和稻米品質變劣，也會造成嚴重的環境污染[3-4]。根系是水稻養分吸收的主要器官，有關氮肥對水稻根系的影響，前人已經做了大量的研究，但就不同氮肥水平對根系分泌特性的影響缺少系統的研究。根系分泌物中的維生素、有機酸、酶、植物生長調節劑及氨基酸等物質，為植物根際微生物的生長和繁殖提供了充足的營養和能源，可以促進土壤中有機化合物的分解和礦化作用，提高土壤中有效養分的含量，從而促進了植物養分的吸收利用[5-6]。由此可見根系分泌物中離子、有機酸和氨基酸含量等與水稻養分的吸收利用均有密切關系[7]。

農作物秸稈是一種含碳豐富的能源物質，秸稈還田對保持和提高土壤肥力以及農業的可持續發展均有重要作用[8]。國內外農業科學工作者對秸稈還田在作物生長發育、養分特性、產量及品質等方面進行了眾多的研究[9-13]，但是，有關在秸稈還田和不同氮肥條件下對水稻根系分泌特性的研究尚未有報道。本研究較系統的觀察了在秸稈還田和不同氮肥管理條件下水稻根系分泌物及其含量的差異，分析其與氮肥吸收利用的關系，這對于豐富作物栽培理論、提高肥料利用率具有重要的理論意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗地點

試驗于2010-2012年在河南科技大學試驗場進行盆栽試驗，該地處東經111°38′58″，北緯34°25′50″，年降雨量546 mm。盆缽規格：直徑 20 cm，高 25 cm，盆缽內裝過篩土15 kg左右。供試品種為徐稻3號，土壤為粘壤土，土壤有機質 19.9 g/kg，速效氮 65.3 mg/kg，速效磷 5.9 mg/kg，速效鉀 120.9 mg/kg。

1.2 試驗設計

進行秸稈還田×氮肥管理兩因素隨機處理試驗。-S為小麥秸稈不還田；+S為小麥秸稈還田(每盆23.5 g，相當于大田7.5 t/hm2)，還田時將秸稈切碎(3～5 cm)，均勻的混入盆中。氮肥分為3種：0N：整個生育期不施氮肥；NN：210 kg N/hm2；HN：320 kg N/hm2(表 1)， 所有氮肥按照4∶1∶5于移栽前1 d、移栽后7 d和穗分化期施用。移栽前每盆施磷酸二氫鉀 (KH2PO4) 0.5 g，5月18日播種，6月10日移栽，每盆3穴，每穴2苗，共6個處理，各處理重復30盆。抽穗前盆缽內保持淺水層，抽穗后干濕交替，全生育期嚴格控制病、蟲、草害。

表1 不同試驗處理簡寫Table 1 Different treatments explanation

1.3 取樣與測定

1.3.1取樣方法 于水稻抽穗期及成熟期，剪去地上部，將盆缽內根與土倒入洗根框中(洗根框用60目金屬篩網制成，長×寬×高為40 cm×30 cm×40 cm)先用流水沖凈，然后用農用壓縮噴霧器沖洗干凈。沖洗干凈的根系，取部分根按章俊德等[14]方法測定根系活力。

1.3.2氮素含量測定 分別于抽穗期及成熟期，每處理取3盆(與所普查的有效莖蘗平均數相等)，每盆的植株剪去根后，分莖鞘、葉和穗3部分烘干并粉碎，分別測定地上部分各器官的養分含量，用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測全氮[15]。以上述測定為基礎，計算氮肥的利用效率：

氮肥吸收利用率(recovery efficiency)(%)=(成熟期施氮區地上部分吸氮量-空白區地上部吸氮量)/施氮量×100。

1.3.3根系分泌物中有機酸及氨基酸含量的測定 分別于抽穗期及成熟期，各材料取6穴，用自來水和蒸餾水洗凈后，置于裝有去離子水的燒杯(800 mL)中并封上燒杯口，每杯放1穴。在光下(光強為700～800 μmol/m2·s，冠層溫度28～30℃)培養4 h，收集燒杯中的溶液，用高效液相色譜(HPLC，Waters)測定溶液中有機酸濃度。分析測定條件為：2487型紫外監測器，反相AtlantisTMdC18柱(4.6 mm×150.0 mm，5 μm)，流動相：A為20 mmol/L NaH2PO4(pH=2.7，磷酸調節)；B為乙腈；C為超純水。流速：0.5 mL/min。柱溫：37℃。紫外檢測波長：248 nm。進樣量：10 μL。標準有機酸(蘋果酸、酒石酸、琥珀酸、檸檬酸和乳酸)購自Sigma公司。

根系分泌物中氨基酸組分經衍生后用高效液相色譜法(HPLC)測定其濃度。吸取10 μL根系分泌物提取液注入衍生小管中，加AccQ·Fluor緩沖液70 μL，邊混合邊加入衍生劑(購自Waters，美國) 20 μL，于55℃烘箱內保溫10 min，轉入微量進樣小瓶中，于HPLC(Waters 2695，美國)檢測。色譜條件為2695分離單元，2487型紫外監測器，Empower色譜管理系統：反相AccQ·Tag分析柱(3.9 mm×150.0 mm)；流動相A為140 mmol/L乙酸鈉-17 mmol/L三乙胺(pH=4.95，磷酸調節)，B為乙腈(色譜純)，C為超純水。流速為1.0 mL/min，柱溫37℃，紫外檢測波長248 nm，進樣量10 μL。

1.4 數據分析

本試驗數據用SAS軟件進行方差分析，SigmaPlot 10.0進行圖表繪制。由于2年的試驗結果趨勢基本一致，因此本試驗是2012年的試驗結果。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻植株氮素吸收利用的影響

由表2可知，無論秸稈還田與否，隨著施氮量的增加，植株吸氮量顯著增加，但結實期氮素積累量及氮素利用率并非一直增加。與NN相比較，HN處理抽穗期吸氮量增加22.8%(秸稈未還田)及18.9%(秸稈還田)，但結實期氮素累積量、氮吸收利用率平均降低31.3%與17.1%；在同一氮肥處理下，秸稈還田后氮肥累積利用的各項指標均有所提高，氮素的累積量與利用率分別增加8.9%與23.6%；與HN相比較，秸稈還田后NN處理施氮量下降34.4%，但氮肥利用率顯著提高。上述結果說明秸稈還田和NN能夠明顯提高氮肥利用效率。

表2 不同處理對水稻植株氮素吸收利用的影響Table 2 Effect of different treatments on N absorption and utilization in rice plant

注：不同小寫字母表示在P<0.05水平上與對照差異顯著。下同。

Note： Values followed by different letter are significantly different from the control atP<0.05. The same below.

2.2 不同處理下水稻根系分泌物中有機酸的差異

不同處理明顯影響水稻根系分泌物中有機酸的含量(表3)。從總體上分析，水稻根系分泌物中有機酸主要以酒石酸、乙酸、檸檬酸、草酸、蘋果酸及琥珀酸為主。無論秸稈還田與否，NN提高了根系分泌物中蘋果酸及琥珀酸的含量，草酸及檸檬酸的含量則隨著施氮量的增加而降低，不同氮肥使用量處理對根系分泌物中乙酸的含量無顯著影響，施氮增加了根系分泌物中酒石酸的含量，但氮肥施用量對其無顯著影響；同一氮肥處理下，秸稈還田增加了根系分泌物中草酸、蘋果酸及琥珀酸的含量，平均增加16.5%，21.0%及53.4%(P<0.05)；秸稈還田處理顯著降低根系分泌物中檸檬酸的含量，平均降低19.4%，酒石酸及乙酸含量在秸稈處理間無顯著變化。

從以上分析可知，秸稈還田與NN處理有利于根系分泌物中蘋果酸及琥珀酸含量的增加。

表3 結實期不同處理下根系分泌物中有機酸濃度Table 3 Concentrations of organic acid in the root exudates of rice subjected to various treatments during grain-filling mg/g DW

2.3 不同處理對根系分泌物中有機酸總量的影響

結實期不同氮肥處理下根系分泌物中有機酸總量明顯存在差異(圖1)，在NN處理下有機酸總量最大，與NN相比較，HN有機酸總量平均降低3.6%；秸稈還田后，有機酸總量高于秸稈未還田處理，平均高出9.3%，達顯著性水平。分析表明秸稈還田與NN處理有利于根系分泌物中有機酸總量的增加。

2.4 不同處理對根系分泌物中氨基酸濃度的影響

圖1 結實期不同處理對水稻根系分泌物中有機酸總量的影響Fig.1 Effect of different treatments on total organic acid content in the root exudates during grain-filling

根系分泌物中氨基酸的濃度在不同氮肥處理下表現不一(圖2)，在NN處理下氨基酸濃度最大，與NN相比較，HN氨基酸的濃度分別降低18.9%(秸稈未還田)與19.0%(秸稈還田)；秸稈還田后，氨基酸的濃度高于秸稈未還田處理，平均高出5.8%。分析表明秸稈還田與NN處理有利于根系分泌物中氨基酸濃度的增加。

2.5 不同處理對根系活性的影響

隨著施氮量的增加，根系活性先增加而后降低(圖3)，與NN相比較，HN根系活性分別降低9.6%(秸稈未還田)與13.7%(秸稈還田)；秸稈還田后，根系活力高于秸稈未還田處理，平均高出20.3%，達顯著性水平。分析表明秸稈還田與NN處理有利于根系活性的提高。

圖2 結實期不同處理下水稻根系分泌物中氨基酸的濃度Fig.2 Amino acid concentrations in the root exudates of rice subjected to various treatments during grain-filling

圖3 結實期不同處理下水稻根系活性Fig.3 Root activity of rice subjected to various treatments during grain-filling

2.6 結實期氮肥吸收利用與根系分泌物中有機酸、氨基酸含量及根系活性的相關性分析

相關性分析表明(表4)，結實期根系分泌物中有機酸總量與氮素累積量呈顯著正相關，與氮素吸收利用率呈極顯著正相關，與氮肥的施用量及抽穗期吸氮量無顯著相關；各有機酸含量與氮素吸收利用的相關性不盡一致，其中酒石酸與氮素利用率呈顯著負相關，而蘋果酸和琥珀酸與結實期氮素累積量和氮素吸收利用率顯著正相關(r=0.64*～0.79*)；根系分泌物中氨基酸濃度及根系活性與氮素累積量及氮肥利用效率呈極顯著正相關(r=0.71**～0.92**)。從分析可知，結實期水稻氮素的高效積累及利用與根系分泌物中有機酸總量、氨基酸濃度及根系活性明顯相關，同時與有機酸中蘋果酸、琥珀酸的濃度密切關聯。

3 討論

3.1 秸稈還田及氮肥對根系分泌特性的影響

根系作為植物與土壤的接觸面，在從土壤中吸收水分、養分的同時，通過根分泌的方式向根周圍釋放出各種化合物，產生根際效應，進而調控或影響植株的生長發育[16]。前人對不同氮肥水平下根系分泌特性的研究較少。常二華等[17-18]通過結實期水培試驗，觀察了低氮或缺氮條件對水稻根系分泌物的影響時得出：在缺氮條件下，根系分泌的有機酸總量顯著降低，降低的原因主要是酒石酸、乙酸、馬來酸和琥珀酸含量的顯著減少；在缺磷條件下，根系分泌的有機酸總量則有明顯增加，增加的原因主要是草酸、酒石酸和檸檬酸的含量顯著提高。本研究表明，在0N下根系分泌有機酸含量最低，這與常二華等[17-18]研究結果一致，但根系分泌有機酸含量并非隨著施氮量提高而顯著增加，根系有機酸總量在NN下最大，這與常二華等[17-18]研究并不一致，主要是由于施肥方式不一致，本試驗是在施氮條件下進行，而常二華等[17-18]是在缺氮條件下的結果。本研究表明，NN提高了根系分泌物中蘋果酸、琥珀酸、氨基酸及有機酸總量，而高氮則抑制上述各指標的含量，這與根系活性密切相關，高氮下根系活力降低，而根系活力與植株的生長狀況關系密切，根系的H+-ATPase活性能夠影響植株的養分吸收，改變根系分泌的特性[18]。不同氮肥量對單一有機酸數量變化不一，其含量有增加亦有減少。如：檸檬酸隨著施氮量的提高，其濃度逐漸降低，這與張俊英等[19]在大豆(Glycinemax)上的研究結果相同。

表4 結實期根系分泌的有機酸、氨基酸濃度及根系活性與施氮量、吸氮量及氮素利用率的相關性分析Table 4 Correlations of organic acid, amino acid concentrations in root exudates and root activity with total N applied, absorption, accumulation and recovery efficiency during the grain-filling period

*,**: 分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關。

*, **: Significant correlation at 0.05 and 0.01 levels.

關于秸稈還田效應的研究，目前大多集中在對土壤結構和肥力的影響上[9-13]，而對于根系有機酸的研究較少。單玉華等[20]以水稻與小麥(Triticumaestivum)秸稈為材料，采用淹水培養研究了甲酸、乙酸、丙酸及丁酸在土壤中的積累及其與秸稈碳氮比、氮肥添加量的關系，結果表明隨秸稈用量的增加，秸稈處理的有機酸積累均顯著增多。本研究表明，秸稈還田后根系有機酸總量明顯上升，這與前人的研究基本一致，但各有機酸含量表現不一，秸稈還田處理增加了根系草酸、蘋果酸及琥珀酸的含量，但顯著降低根系分泌物中檸檬酸的含量，酒石酸及乙酸含量在秸稈處理間無明顯變化，有關秸稈處理對根系各有機酸含量的影響有待進一步研究。

3.2 根系分泌差異與養分吸收利用的關系

根系分泌物的組成和含量是植株根系生理的重要組成部分，它反映了整個植株的生理狀況。前人圍繞作物根系分泌物的組分鑒定、重金屬毒害的緩解、化感作用、土壤理化特性及生物種群等方面進行了眾多的研究[5-6,19-21]，但有關水稻根系分泌物與水分養分吸收利用關系的研究很少。有研究表明，根系分泌物中檸檬酸或琥珀酸較高的品種或增施有機肥后，籽粒中的K、Mg、Zn等營養元素相對較高，根系分泌的有機酸、氨基酸、各種離子等化學物質可能改變植株的根際環境和養分吸收狀況[17-18]。本研究表明，結實期水稻氮素的高效積累及利用與根系有機酸總量、氨基酸濃度及根系活性顯著正相關，同時與有機酸中蘋果酸、琥珀酸的濃度密切關聯。分析其原因：一是根系分泌的有機酸、氨基酸和離子等各種化學物質可以通過改變根際物理、化學及其生物學性質，提高根際土壤養分的生物有效性、促進作物的生長與肥料的利用[5]；另一方面，根系分泌的有機酸及其組分與根系激素的產生有一定關系，根系分泌的有機酸通過影響根系激素的合成或根系分泌有機酸與激素的協同作用，調節作物生長及養分吸收利用[7]，另外，中氮及秸稈還田的處理水稻根系活性較大，有利于養分的吸收，而在高氮條件下，根系活性并不高，這是由于高氮條件下根系周圍NH4+濃度較高，較高的NH4+會使光合磷酸化、氧化磷酸化解偶聯，并能抑制光合作用水的光解，對根系產生一定的毒害作用。有關根系分泌物與養分吸收利用的機理有待深入研究。

4 結論

結實期秸稈還田及中氮(NN)提高了水稻根系活性、根系有機酸及氨基酸的分泌。根系分泌物中有機酸總量、氨基酸濃度及根系活性與氮肥的高效利用呈顯著正相關，同時有機酸中蘋果酸、琥珀酸的濃度與養分吸收利用密切關聯。結實期不同氮素水平及秸稈還田可以改變根系分泌物的含量和組成，從而影響養分的吸收與利用。