不同氮肥處理下機插雜交稻的根系動態生長特征研究

劉科 葉昌 劉少文 陸鍵 高夢濤 盧碧林 田小海 張運波,3,*

(1長江大學 主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心，湖北 荊州 434025；2長江大學 農學院，湖北 荊州 434025；3濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025; *通訊聯系人，E-mail: yunbo1022@126.com)

不同氮肥處理下機插雜交稻的根系動態生長特征研究

劉科1,2葉昌1,2劉少文2陸鍵2高夢濤2盧碧林1,2田小海1,2張運波1,2,3,*

(1長江大學 主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心，湖北 荊州 434025；2長江大學 農學院，湖北 荊州 434025；3濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025;*通訊聯系人，E-mail: yunbo1022@126.com)

【目的】研究不同氮肥用量下機插雜交稻的根系生長特征的變化規律及其與產量關系。【方法】以兩個雜交水稻組合全兩優1號和全兩優681為供試材料，設置N0(0 kg/hm2)、N1(150 kg/hm2)和N2(250 kg/hm2)氮肥處理。利用Minirhizotron分析兩個品種移栽后20 d至開花期在0~30 cm土層中的根系分布和動態變化特征。【結果】研究結果表明，氮肥處理對兩個雜交稻根數、根長、根體積和根表面積影響顯著。N2處理下兩個品種的總根數顯著多于N1，且全兩優1號和全兩優681的總根數相比對照N1分別增加了12.3%和17.6%，兩個品種的總根量在移栽后65 d達到最大值。隨著施氮量的增加，兩個雜交稻品種的根數、根長、根體積和根表面積在0~10 cm和10~20 cm兩個土層深度均有所增加，其中以10~20 cm土層深度的根量增幅最為顯著。10~20 cm土層深度的總根長與產量、根數與產量顯著相關，且相關系數分別高達0.80和0.87，且全兩優681在10~20 cm土層深度為的總根量要顯著高于全兩優1號。【結論】高氮下總根量增加，但10－20 cm土層中的根系分布對產量影響最大，因此，生產中通過培育和增加深層根系的比例有利于水稻實現高產高效。

機插秧；根系特征；產量；氮素；

隨著農業生產成本的提高，特別是勞動成本不斷上漲，傳統的精耕細作已不能滿足國家對糧食、農民對收益的要求，輕簡化和機械化栽培是中國水稻生產的發展趨勢[1]。江漢平原是我國重要的水稻生產區域，隨著經濟快速發展和農村勞動力大量轉移，適齡勞動力季節性短缺矛盾日益突出，水稻生產迫切需要發展以機械化為主的種植方式[2]。水稻機械化種植可減少 40%勞動量，大幅度提高工效，機械化插秧是實現農業持續生產的重要途徑之一[3]。根系作為水稻生長發育過程中重要的器官，參與水稻體內各種生理生化過程，包括地下營養物質和水分的攝取、根系激素的合成等[4-6]。同時，根系的發育與水稻地上部分的生長息息相關，地上部分能夠提供充足的碳水化合物以供根系的生長需要，而根系也能夠將攝取的營養物質、水分以及自身合成的各種激素向上運輸來維持地上部分的正常生長[7,8]。研究機械化種植對雜交稻根系性狀的影響及其與產量的關系，有助于生產上通過栽培措施調控其根系生長發育，獲得高產。

在雜交水稻高產潛力的生理機制研究中，已經有大量學者對地上部分的干物質積累量、干物質分配和籽粒灌漿特性等進行了相關研究，但對根系動態變化特征探討較少。究其原因，可能是根系生長于地下，準確取樣、測定與觀察存在一定的困難，加上研究方法上的欠缺，從而大大阻礙了根系研究的深入[9]。根系與地上部是一個相互依存、相互作用的統一體，通過對雜交稻根系發育特征的研究可進一步了解其產量的關鍵構成因子，以及產量形成的生理生態機制。近年來，江漢平原地區機插秧面積占水稻種植面積的比例逐年上升，雜交稻新品種如何在機插秧栽培模式下實現高產高效成為生產上面臨的重要問題。本研究探討了不同氮肥施用量下機插雜交稻根系生長發育特性及其與產量關系的影響，以期為江漢平原水稻高產栽培根系生長調控提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為兩系雜交水稻全兩優1號和全兩優681，由湖北荃銀高科種業有限公司提供。全兩優1號由全1S × R101育成，全生育期為130 d。全兩優681由全1S × R681育成，全生育期為133 d。

1.2 試驗設計

試驗于2014年和2015在湖北省荊州市華中農高區太湖農場進行，供試田塊前茬為小麥，肥力水平中等，土壤質地為灰潮土,耕作層土壤 pH值為6.8,含有機質18.5 g/kg，全氮110.5 mg/kg，速效磷25.0 mg/kg，速效鉀105.5 mg/kg。田間試驗采用裂區試驗設計，以氮肥為主區，設N0(0 kg/hm2)、N1(150 kg/hm2)和N2(250 kg/hm2)3個氮肥處理；副區為全兩優1號和全兩優681兩個品種。2014年試驗于5月12日播種，6月2日移栽；2015年試驗于5月15日播種，6月8日移栽，采用秧盤育秧，移栽均使用久保田 spw-68c插秧機，機插規格為 30 cm×16 cm。移栽前麥稈全量還田，氮肥肥源為尿素，m基肥∶m蘗肥∶m穗肥=424∶∶。其中，基肥在移栽前1 d施用，分蘗肥于移栽后7d、穗肥于幼穗分化四期施用。氮磷鉀肥用量(分別以N、P2O5、K2O計，質量比) 之比為 212∶∶；磷肥使用過磷酸鈣，作基肥一次施用；鉀肥使用氯化鉀，50%作為基肥，50%作穗肥。試驗設置3次重復，每個小區的面積為60 m2。小區間筑20 cm高、30 cm寬的埂隔離，埂上覆膜，實行單獨排灌。田間按高產栽培精細管理，及時控制和防治病蟲害。

1.3 調查項目及方法

1.3.1 根系性狀測定

2015年于移栽后2 d在每個小區中安裝2根直徑為7 cm、長1 m的透明塑料管，入土深度為60 cm，根管與地面呈30°角[10]，暴露于地面上的根管外用一層不透光的黑色膠布包被，并用棉團塞緊管口，蓋上蓋子，防止光線、雜物、灰塵及水汽進入管內，以避免損壞儀器和減少外界氣溫對根管內溫度的影響。

用CI-600(CID Bio-Science,Camas,WA,USA)根系檢測儀器系統配備的掃描儀分別于移栽后20 d、35 d、50 d、65 d和80 d，深入每個根管內部進行掃描。利用儀器匹配的測量桿移動掃描器分別獲取0~30 cm土層的根系圖片，3個土層深度分別為0~10、10~20和20~30 cm。每次獲得的圖片面積為14.1 cm× 21.6 cm，以bmp的格式保存在便攜式電腦上，然后在實驗室利用系統配備的 WinRhizotrontron?(Regent Instruments Inc.,Canada)圖像分析系統對圖片處理，得出根數、總根長、根體積和根表面積等根系特征數據。

1.3.2 產量及產量構成

在成熟期，各小區分別從中心區取5 m2作為測產小區，人工脫粒，曬干風選后稱取風干質量。同時測定樣品的水分含量，根據水分含量計算稻谷的干質量。另外，取正方形測產區的對角線 12穴進行考種，考查單株有效穗數、每穗粒數、結實率和千粒重等性狀。

1.4 數據處理與分析

試驗采用Microsoft Excel 2007和DPS 2000軟件進行數據處理和分析。

表1不同氮肥處理對雜交水稻產量及其構成的影響Table 1. Effects of different nitrogen levels on grain yield and its components in hybrid rice combinations.

2 結果與分析

2.1 氮肥處理對雜交水稻產量及其構成的影響

從表1看出，2014年，氮肥處理對全兩優1號的產量影響顯著，產量構成影響不顯著，對全兩優681的產量和結實率影響顯著。2015年中全兩優1號的結實率和千粒在不同氮肥處理間差異顯著，全兩優681的產量和結實率在不同氮肥處理間亦達到顯著水平。2015年試驗，全兩優1號和全兩優681在N2處理下的產量均為9.3 t/hm2，分別比N0高出52.5%和47.6%；兩年試驗中隨著氮肥施用量的增加，全兩優1號和全兩優681兩個品種的有效穗數和每穗粒數均呈增加的趨勢，但結實率和千粒重均有所下降。

2.2 不同氮肥處理對雜交水稻根數的影響

由圖1可知，全兩優1號和全兩優681的總根數在不同氮肥水平下表現為N2＞N1＞N0。在N2處理下，全兩優1號和全兩優681的總根數增幅分別為48.3%和46.4%， 而N1條件下這兩個組合的增幅分別為32.0%和24.5%。移栽后65 d，全兩優1號和全兩優 681的總根數達到最大值，在 N2條件下兩個品種的最大總根數分別為43.5和46.0， N1處理中的這兩個品種分別為42和44。移栽后65 d，兩個品種的總根數逐漸開始下降，在 N2處理下，全兩優681的根數降幅為31.4%，低于全兩優1號(其降幅為50.0%)。

2.3 不同氮肥處理對雜交水稻根長動態變化的影響

圖2中，移栽后20 d至移栽后80 d，兩個品種的根長均隨著施氮量的增加而增加。在N2處理下，全兩優1號和全兩優681的總根長顯著增加，顯著高于N1(22.8%和17.5%) 。移栽后65 d，全兩優1號和全兩優 681的根長達到最大，在 N2條件下兩個品種的最大總根長分別為108.4 cm和119.5 cm，也高于N1條件下的101.6 cm和106.2 cm。移栽后65 d開始，兩個品種的總根長均呈現出下降的趨勢。移栽后65 d至移栽后80 d，在N2處理下，全兩優681降幅為18.4%，全兩優1號(12.4%)。

2.4 不同氮肥處理對雜交水稻根系表面積的影響

由圖3可見，全兩優1號和全兩優681的總根系表面積在不同氮肥處理下表現為N2＞N1＞N0。在N2處理下，全兩優1號和全兩優681的總根系表面積增幅分別為43.2%和43.4%， N1條件下的31.6%和13.0%。移栽后65 d，全兩優1號和全兩優681的總根表面積達到最大，在 N2條件下兩個品種的最大總根面積分別為34.3 cm2和39.0 cm2，亦高于N1處理中的32.0 cm2和33.5 cm2。移栽后65 d，兩個品種的總根表面積開始逐漸下降,在 N2處理下，全兩優1號和全兩優681的下降幅度分別為12.1%和6.8%。

圖1 不同氮肥處理對雜交機插水稻根數的影響Fig. 1. Effects of different nitrogen treatments on root number of mechanically-transplanted hybrid rice combinations(Mean±SD).

圖2 不同氮肥處理對機插雜交水稻根長的影響Fig. 2. Effects of different nitrogen treatments on root length of mechanically-transplanted hybrid rice combinations.

圖3 不同氮肥處理對機插雜交水稻根表面積的影響Fig. 3. Effects of different nitrogen treatments on root surface area of mechanically-transplanted hybrid rice combinations.

圖4 不同氮肥處理對雜交水稻根體積的影響Fig. 4. Effects of different nitrogen treatments on root surface area of mechanically transplanted hybrid rice.

2.5 不同氮肥處理對雜交水稻根體積的影響

從圖4 看出，全兩優1號和全兩優681的總根表面積在氮肥處理下的表現為N2＞N1＞N0。在N2處理下，全兩優1號和全兩優681的總根體積增長幅度分別為51.1%和69.7%，高于N1條件下的32.0%和28.6%。移栽后65 d，全兩優1號和全兩優681的總根體積達到最大，在 N2條件下兩個品種的最大總根面積分別為0.87 cm3和1.09 cm3，亦高于N1處理中的0.78 cm3和0.84 cm3。移栽后65 d，兩個品種的總根表面積開始逐漸下降,在 N2處理下，全兩優1號和全兩優681的降幅分別為12.9%和33.1%。

2.6 氮肥處理對雜交水稻齊穗期不同土層中總根數、總根長、總根表面和總根體積分布影響

由圖5可知，隨著施氮量的增加，兩個雜交稻品種的根數在不同土層均有所增加，其中以10~20 cm土層深度變化最大，同時此土層兩個品種的根系數量有比也最大，但在20~30 cm根數增幅較小。在N2處理下全兩優1號和全兩優681在土層深度為 10~20 cm的最大平均根數分別達到為 21.5和24.5；施氮量對雜交稻品種的根長在不同土層的分布亦有顯著影響，其中在深度為0~10 cm和10~20 cm的根系顯著增長，兩個品種的根長均在N2處理下達到最大，分別為59.42 cm 和67.19 cm。全兩優1號和全兩優681根體積在各土層的表現與根長一致，提高氮肥用量可使0~10 cm和10~20 cm土層深度中的根體積增加，但20~30 cm土層的根體積增幅較小。兩個雜交稻在各土層的根系表面積隨著施氮量增加均有所變化，其中在土層 10~20 cm的根表面積增加顯著，在其他土層根表面積增加不顯著，全兩優681在各土層的根表面積均顯著高于全兩優1號。

2.7 不同土層的根系特征與產量及其構成的相關性

由表2可知，總根長、根數、根表面積和根體積均與產量、每穗粒數和每平方米有效穗數呈正相關，其中以10~20 cm土層的相關系數最大，10－20 cm土層深度中的總根長、根數和根表面積與產量的相關系數分別達到 0.80，0.87和 0.89。總根長、根數、根表面積和根體積與每平方米有效穗數亦呈正相關，其中10~20 cm土層為相關性也最高，相關系數分別達到0.86,0.83，0.86和0.86。總根長與結實率和千粒重呈負相關。

3 結論與討論

本研究分析了不同氮肥施用量對機插雜交稻根系形態及產量的影響，結果表明，氮肥處理對兩個雜交稻根系形態特征和產量影響顯著，根系形態指標和產量均隨著施氮量的增加而增加。全兩優1號和全兩優681的根數、根長、根體積和根表面積在0~10 cm和10~20 cm兩個土層深度均有所增加，其中以10~20 cm土層深度的增幅最為顯著。相關分析結果顯示，10~20 cm土層深度的總根長、根數與產量顯著相關，相關系數分別為0.80和0.87，全兩優681在10~20 cm土層深度為的根量要顯著高于全兩優1號。本研究主要分析了不同氮肥處理下水稻主要時期內根系形態特征的動態變化，并探討了不同土層根系分布與氮肥管理對實現水稻高產高效的關系。

圖5 不同氮肥處理對機插雜交水稻總根數、總根長、總根體積和總根表面分布影響Fig. 5. Effects of different nitrogen treatments on total root numbers(A),total root length(B),total root volume(C) and total root surface area(D) at different soil layers in mechanically transplanted hybrid rice.

表2 不同土層的根系特征與產量以及產量構成的相關性(n=36)Table 2. Relationship between root characteristics in different soil layers and grain yield and its components.

3.1 不同氮肥施用量對水稻根系形態特征的影響

目前根系的研究工作主要集中根系活力、根系特征等[11-14]，研究方法主要集中在大田破壞性取樣、水培或沙培環境模擬，基于大田試驗真實環境基礎上的根系動態求證很少。本研究基于土壤剖面圖像的根系生長實時動態測定，改變了以往根系研究中的取樣破壞性和環境的模擬性，比較真實客觀，更貼近實際大田生態環境，使結果更加準確可信。本研究系統地分析了水稻從移栽后20 d至開花期的根系形態特征動態變化特征，研究結果表明，兩個品種的根長、根數、根體積以及根表面積對氮肥響應顯著，隨著氮肥用量的增加，水稻根數、根長、根體積和根表面積等指標也有所提高。本研究還發現，從移栽后30 d開始，兩個品種的根數、根長、根體積和根表面積均開始大幅增加，到移栽后65 d左右達到最大值，之后開始逐漸下降。因此，生產上應具體根據品種特性，在關鍵生育期適當追施氮肥，促進水稻根系的生長，擴大根系攝取養分的范圍，進而在生育中后期仍然保持較優的根系形態指標，通過氮肥管理調控水稻根系生長來實現水稻高產高效生產。另外，本研究中，全兩優1號和全兩優681根系特征在同一氮肥處理下表現不一致，全兩優681中4個根系性狀指標均要優于全兩優1號，這可能與品種本身對氮肥的響應有關，不同品種的根系生長發育速度、氮肥需求量以及根系對氮素的吸收能力均存在一定差異，一旦施氮量超過品種本身需求范圍可能并不會對根系的生長起到促進作用。

3.2 不同土層根系分布與水稻產量形成的關系

根系是水稻吸收養分與水分的主要器官，根系發達、活力強大是水稻吸收能力增強的重要基礎。氮肥處理對水稻根系性狀影響已有一些報道[15-17]，但對于土壤中不同深度的根系分布方面的研究卻比較少，已有的部分結論在不同品種間也存在很大差異。前人研究發現，根系主要分布在土壤耕作層(0~20 cm)，其中，表層土(0~10 cm)中的根系占水稻整個根系80%以上[17]。本研究發現，不同氮肥處理對兩個雜交稻品種的根長、根數、根體積和根表面積均有顯著影響，10~20 cm土層中的4個根系性狀指標增幅顯著高于其他土層，其中表層土 (0~10 cm)根數僅占總根數25%~30%,而 10~20cm土層中的根數占整個水稻根系的50%左右，與之前研究結果存在明顯差異，這可能與選擇的供試品種有關。雜交稻品種具有地上部分生物量大、穗大粒多的特點，若耕作層太淺，根系大量集中在表土層，容易造成倒伏。在雜交稻育種改良進程中，增加深土層的根系量，能夠拓展根系表面積，增加根系吸收營養的范圍，這對于提高結實率和抗倒伏能力有重要作用。研究指出上層根和下層根與產量的相關性不一致，深層根與產量密切相關[17]。本研究中，在同一氮肥處理下，兩個品種在0~10 cm土層和10~20 cm土層所占比例也存在顯著差異，全兩優1號在0~10 cm土層中的根數比例大于全兩優681，但在10~20 cm土層的根數比例卻低于全兩優 681，連續兩年試驗中，全兩優1號的平均產量均低于全兩優681。通過相關性分析發現10~20 cm土層深度的總根長、根數與產量顯著相關，且相關系數分別高達0.80和0.87，這可能是全兩優681產量高于全兩優1號的原因之一，深層根能夠延緩植株的衰老，使地上部分進行有效光合的時間更長，產生更多的光合產物，從而提高產量[18]。因此，雜交水稻品種改良時,應注重具有合理根系分布結構，通過氮肥管理著力維持深層根的比例，同時注重延緩根系衰老速度，以保持生育后期后有較大的根系表面積，來實現水稻高產高效生產。

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Dynamic Growth Characteristics of Roots of Mechanically-transplanted Hybrid Rice Under Different Nitrogen Treatments

LIU Ke1,2，YE Chang1,2，LIU Shaowen2，LU Jian2，GAO Mengtao2，LU Bilin1,2，TIAN Xiaohai1,2,ZHANG Yunbo1,2,3,*
(1 Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry Yangtze University,Jingzhou 434025,China；2 Agricultural College,Yangtze University,Jingzhou 434025,China；3 Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland,Ministry of Education,Jingzhou 434025,China; *Corresponding author,E-mail: yunbo1022@126.com)

【Objective】This experiment is to study the dynamic characteristics of roots grown under different nitrogen levels and their relationship with grain yield in mechanically-transplanted hybrid rice.【Method】Two-line hybrid rice combinations,Quanliangyou 1 and Quanliangyou 681,were grown under different nitrogen treatments,N0(0 kg/hm2),N1(150 kg/hm2) and N2(250 kg/hm2),respectively. The dynamic root morphological traits and distribution(0－30 cm)from 20 days after transplanting(DAT) to flowering were analyzed with minirhizotron technique.【Result】The total number of roots,root length,root volume and root surface area were all significantly affected by nitrogen levels. The total number of roots of the two combinations under N2treatment was significantly higher than that under N1treatment.Compared with N1treatment,the total number of roots of Quanliangyou 1 and Quanliangyou 681 increased by 12.3% and 17.6%,respectively. The total number of roots of the two combinations maximized 65 days after transplanting. With the increasing amount of nitrogen,the number of roots,root length,root volume and root surface area increased in different soil layers,but the layer (10－20 cm) was much more significant compared with others. The correlation coefficients between the total root length (10－20 cm) and grain yield,the number of roots (10－20 cm) and grain yield were 0.80 and 0.87,respectively,reaching the significant level. Both the number of roots and grain yield of Quanliangyou 681 were much higher than those of Quanliangyou 1.【Conclusion】Higher nitrogen level improve the root biomass,while the root distribution in the soil layer(10－20 cm) is closely related to the grain yield. Given this situation,increasing the deep root distribution can make extraordinary contribution to the improvement of the grain yield.

mechanical-transplanting; hybrid rice; root characteristics; grain yield; nitrogen

S143.1；S511.01

A

1001-7216(2017)06-0611-08

10.16819/j.1001-7216.2017.7009

2017-01-18；修改稿收到日期：2017-04-27。

國家重點研發計劃資助項目（2016YFD0300108）；國家大學生創新性實驗計劃資助項目（20150083，2016099）。