水鉀耦合對水稻苗期根系生理和形態的影響

趙志成,王為木*,蔡旺煒,蔣安琪

(1.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098;2.南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

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水鉀耦合對水稻苗期根系生理和形態的影響

趙志成1,2,王為木1,2*,蔡旺煒1,2,蔣安琪1,2

(1.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098;2.南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

以水稻品種武運粳30為材料，通過盆栽試驗,研究了不同水平的土壤水分和施鉀耦合對水稻苗期根系生理和形態的影響。結果表明：在80%～90%土壤飽和含水量條件下水稻根系干物質量顯著增加；在施鉀條件下水稻根長和根尖數顯著增加；在80%～90%飽和含水量+施鉀200 mg/kg風干土條件下水稻的根冠比、根表面積和根系活力均最大，此組合條件為水稻苗期最佳的水鉀耦合模式。

水稻;水鉀耦合;根系生理;根系形態

水肥耦合效應是指在農業系統中土壤礦質元素系統與水系統進行最佳組合而產生優化質量、產量的現象[1],其核心是強調作物生長的水、肥環境因素間的有機聯系[2]。作物根系是吸收養分和水分的主要器官,同時又是多種離子、有機酸、植物激素和氨基酸合成的重要場所,是產量形成的重要貢獻者和土壤養分的充分利用者[3-4]。國內外大量研究[5-8]表明,根據作物的生理過程與生長發育特性進行科學的水肥管理有利于改善作物的根系形態，提高根系的活力,進而提高作物的產量和品質。

楊長明等[5]研究表明有機與無機肥配施可明顯改善水稻植株根系形態，提高根系活力，促進其生長發育。陳際型[6]經過多年的試驗發現,在氮、磷肥的基礎上施鉀能明顯影響水稻根系的形態與生長。張玉屏等[7]研究表明水分脅迫顯著影響水稻單株次生根數、根系干重、根系吸收總面積和根系活力。張鳳翔等[8]的試驗研究表明：輕度降低土壤水分能迅速提高水稻根系活躍吸收面積和根系α-萘胺氧化酶活力,促進根系快速生長;過度降低土壤水分對水稻根系活力有抑制作用。國內外就水、肥因子對水稻根系的影響已經進行了很多研究,主要集中在水稻生育后期根系生長狀況[9-14]。水稻的根系形態及生理指標與植株鉀利用效率之間存在著密切聯系,水稻苗期是水稻生長發育的關鍵時期,在水稻苗期生長過程中,良好的根系形態和較強的根系活力是水稻高效吸收利用鉀素的前提,所以對水稻苗期根系的研究很有必要性。

本研究分析了不同水鉀耦合模式下水稻苗期根系的生理指標(干物質量、根冠比、根系活力)和形態學特征參數(根長、根系體積、根表面積、根尖數),以期為水稻生產中施鉀和苗期水分管理提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗設計

以常規稻武運粳30為材料進行盆栽土培試驗,供試土壤在自然風干后過60目篩。設3個施鉀(K)水平:0 mg/kg烘干土(K1)、100 mg/kg烘干土(K2)、200 mg/kg烘干土(K3),以KCl(AR)為供試鉀源。基肥為尿素(AR)200 N mg/kg和磷酸二氫鈣(AR)100 P mg/kg。對供試土壤先混施氮磷基肥,再按不同設計水平混施鉀肥,然后將其裝填入土培裝置，進行淹水預培養至土壤pH和Ec穩定(時長約2周)。將催芽、露白的水稻種子在干細沙中培養至3葉期,移栽入土培裝置,經10 d淹水適應培養后間苗,每裝置保留4穴長勢均勻的稻苗,進行分組控水管理:70%θf～80%θf(θf為土壤飽和含水量，下同)(W1)、80%θf～90%θf (W2)、100%θf(W3)；用稱重法控制水分。兩個因素按完全試驗設計,共組合成9個處理(表1),各處理3次重復。培養至6葉期時,小心將根系完整取出,用自封袋密封，在低溫下保存,及時測定根系的生理指標和形態學特征參數。

表1　水稻苗期不同水鉀耦合處理

注: W1,低水(70%θf～80%θf); W2,中水(80%θf～90%θf); W3,高水(100%θf); K1,低鉀(0 mg/kg); K2,中鉀(100 mg/kg); K3,高鉀(200 mg/kg); θf為土壤飽和含水量。

1.2試驗地點與材料

試驗于2015年4～8月在河海大學水利館盆栽試驗場進行。該試驗區位于江蘇省南京市鼓樓區,屬于亞熱帶濕潤氣候,試驗期間日均最低溫為11 ℃,日均最高溫32 ℃。

供試土壤取自河海大學江寧校區節水園區的水稻土耕作層(0～30 cm)，土壤肥力均勻,粘壤質,飽和含水率為38.2%(重量含水率)。土壤密度為1.46 g/cm3,土壤田間持水率為25.28%,總孔隙度為44.97%, pH值為6.97,土壤有機質質量分數為2.40%,全氮含量為0.90 g/kg,速效氮含量為27.65 mg/kg,全磷含量為0.32 g/kg,速效磷含量為12.50 mg/kg。采用特制的培養裝置進行試驗,裝置主體為透明有機玻璃管,管內徑66 mm,管壁厚7 mm,高11.4 cm。

1.3測定項目和方法

1.3.1pH和Ec采用精密pH計[PHS-3CT(8601)]測定pH值,采用精密電導率儀(DDP-210) 測定Ec。

1.3.2干物質量在水稻6葉期收獲后,將植株分為莖葉和根系兩部分,用蒸餾水沖洗根系,然后將兩部分于105 ℃下殺青30 min,在70 ℃下烘干至恒重，最后用1/100電子天平稱取莖葉干質量和根系干質量,同時計算根冠比。

1.3.3根系活力用TTC還原法測定根系的還原能力,以表征根系活力。

1.3.4根系形態 在水稻6葉期收獲后,每個處理取3份完好無損的根系,將根系洗干凈,用EPSON高分辨掃描儀掃描根系形態,并用加拿大REGENT, WinRHIZO-Pro STD4800根系分析系統對根系形態進行分析，得到根長、根系體積、根表面積、根尖數四個根系形態指標。

1.4數據分析方法

用Excel 2010進行數據處理,應用SPSS 19.0程序中通用線性模型單因素變量法進行方差分析,用Duncan’s法進行多重比較。

2　結果與分析

2.1不同水鉀耦合處理對水稻生理指標的影響

從表2可以看出：9個處理水稻苗期地上部株均干物質量為0.19～0.31 g,以處理T7最高，處理T1、T4、T5次之；這4個處理涵蓋了3個水分水平,但所涵蓋的鉀素水平主要為K1(不施鉀),其中處理T5(W2K2)的干物質量在這4個處理中最低；差異顯著性分析結果顯示，K1>K2>K3(P<0.05),說明在本試驗中施鉀會抑制水稻苗期地上部的生長。株均根系干物質量在0.062～0.123 g之間,以處理T4、T5、T6較高,這3個處理涵蓋了3個鉀素水平,但所涵蓋的水分水平均為W2,且在不同水分水平下根系干物質量均值表現為W2>W1>W3,差異顯著(P<0.05),說明中輕度水分脅迫有利于水稻苗期根系的生長。9個處理的根冠比介于0.182和0.561之間,以T5和T6較高,表明在輕度水分脅迫下施鉀有助于增大水稻苗期的根冠比。在不同鉀素水平下,TTC還原強度無明顯差異；在不同的水分水平下,TTC還原強度呈現顯著差異,當水分水平為W2時,苗期水稻的根系活力最強。

2.2不同水鉀耦合處理對水稻根系形態指標的影響

由表3可知：9個處理的株均根長在823～1820 cm間變化,以T6最高,以T1、T4、T7、T9較低(低于1000 cm)；不同鉀水平下根長表現為K3≥K2>K1,且K1下的根長顯著低于另外2個水平下的(P<0.05)；在不同水分水平間根長差異不顯著,表明增施鉀肥有利于提高苗期根系的生長能力。9個處理的株均根系體積在1.92～11.42 cm3之間,以處理T3、T5、T6較高,表明水稻苗期根系生長旺盛,需水需肥較多。9個處理的株均根表面積在107～340 cm2之間,以處理T3、T5、T6較高,顯示在水分脅迫下施用鉀肥有助于增大水稻苗期的根表面積。9個處理的株均根尖數介于5013～8792個,以T6和T8較高,而T1、T4、T7、T9均低于6000個/株；不同施鉀水平下根尖數表現為K3=K2>K1,且K1與另外2個水平間差異顯著(P<0.05)；不同水分水平間根尖數差異不顯著,表明施鉀有利于提高苗期根系的發達程度和生長潛力。

表2　不同水、鉀肥處理下水稻根系的生理指標

注:表中數據為“平均值±標準差”；同列數據后不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05),相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05)。下表同。

表3　不同水、鉀肥處理下水稻根系的形態指標

3　討論與結論

3.1水鉀的主效應和交互效應

本試驗結果表明：水分對水稻苗期的主效應體現為對根系干物質量的影響；鉀素對水稻苗期的主效應則分別體現為對地上部干物質量、根長和根尖數的影響；水-鉀交互效應體現為對根冠比和根表面積的影響。說明水分條件對水稻苗期根系干物質的積累有影響,而鉀素則影響水稻苗期地上部干物質量的積累和根長、根尖數。

本試驗中的80%～90%飽和含水量的水分水平相當于輕度水分脅迫。汪妮娜等[15]研究表明,適當的水分脅迫可以促進水稻根系的生長,增大根系的發達程度,增加根系干物質量。這與本試驗結果一致。施鉀抑制了水稻苗期地上部的生長,同時提高了根系長度和根尖數量,說明鉀素能夠增加水稻苗期對根系的養分分配,進而增大苗期的根冠比,使得水稻后期生長具有更有利的條件。

水稻苗期根系的生理和形態均受到了水分和鉀素的影響,根表面積是這些影響的綜合體現,根表面積決定了根系對養分和水分的吸收能力,而根表面積取決于根長、根粗和根尖數等根系形態參數,所以“輕度水分脅迫+施鉀”的組合有利于水稻苗期根系的生長,“提供充足的鉀讓根去找水”是水稻苗期水鉀管理的一個較好選擇。我們今后將進一步分析研究不同水鉀耦合條件下土壤-根際-根系鉀素形態的分布特征和水稻苗期植株鉀素的分布特征。

3.2水鉀最佳耦合模式

從根冠比和根表面積的角度出發,本試驗水稻苗期最佳的水鉀耦合模式為T6(水分80%θf～90%θf +施鉀200 mg/kg),在此條件下同時達到最大的根冠比(0.561±0.175)和最大的根表面積(340±93.3 cm2/株)。該模式表明水稻苗期也可進行節水灌溉,但基肥中鉀素應施足。輕度水分脅迫下苗期水稻通過調整根系生長來增強根系活力,從而增強根系對水、鉀的吸收能力，以緩解水分虧缺所帶來的影響。這與前人的研究結果[16]一致。汪妮娜等[15]研究表明,中度水分脅迫對水稻根系生長具有促進作用。本研究中80%θf～90%θf的水分水平相當于輕度水分脅迫,是一種節水灌溉模式。馬廷臣等[17]研究表明,輕度干旱(5%PEG)和中度干旱(12.5%PEG)對耐旱水稻品種根系生長有促進作用。根系干物質量是根系生長狀況的集中體現,反映出根系的發達程度[8]。本研究結果表明：隨著供鉀水平的提高,根系干物質量增加;隨著水分水平的提高,根系干物質量先增大后減少。中水高鉀(W2K3)處理T6也是從根系干物質量角度考慮的最佳水鉀耦合模式。這表明,在輕度水分脅迫下增加鉀素水平能夠促進水稻根系深扎,增加根系干物質量的積累。另外，根系的吸收能力與根系的表面積有關。在本研究中，隨著供鉀水平的提高,根表面積總體上呈增大趨勢；而隨著水分水平的提高,根表面積總體上呈先增大后減小的趨勢。

3.3結論

在盆栽試驗條件下,水分和鉀素對水稻苗期根系的生理和形態具有顯著影響；輕度水分脅迫(80%θf～90%θf)顯著增加根系的干物質量,施鉀能抑制地上部的生長，增加根長和根尖數量；在輕度水分脅迫下施鉀能顯著增大水稻苗期的根冠比和根表面積。水稻苗期最佳的水鉀耦合模式為“輕度水分脅迫+足量施鉀”(80%θf～90%θf +200 K mg/kg)。

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(責任編輯:黃榮華)

Coupling Effects of Water and Potassium on Physiology and Morphology of Root System of Rice at Seedling Stage

ZHAO Zhi-cheng1,2, WANG Wei-mu1,2*, CAI Wang-wei1,2, JIANG An-qi1,2

(1. College of Water Conservancy and Hydropower, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Key Laboratory of Southern Region High-efficient Irrigation and Drainage and Agricultural Soil and Water Environment, Ministry of Education, Nanjing 210098, China)

The coupling effects of different levels of water and potassium on the physiology and morphology of root system of rice variety Wuyunjing 30 at seedling stage were studied through pot experiment. The results indicated that: the amount of dry matter of rice root system increased significantly under the condition of 80%～90% saturated soil water content; the root length and root tip number of rice increased significantly under the condition of potassium application; the root-shoot ratio, root surface area and root activity of rice all were the highest under the conditions of 80%～90% saturated soil water content plus applying 200 mg potassium per 1 kg air-dried soil, and these conditions were the best water-potassium coupling mode for rice seedlings.

Rice; Coupling of water and potassium; Root physiology; Root morphology

2016-05-23

中央高校基本科研業務費項目(2013/B13020155)。

趙志成(1991─),男(白族),在讀碩士,研究方向為節水灌溉與農業水土環境保護。*通訊作者：王為木。

S511

A

1001-8581(2016)10-0024-04