局部根系水分脅迫下氮素形態對水稻幼苗生理特性和根系生長的影響

高志紅，陳曉遠，曾 越

(韶關學院 英東農業科學與工程學院，廣東 韶關 512005)

干旱缺水是影響農業生產力提高的重要因素。水稻是廣東省種植面積最大的作物，也是需水最多的作物，其需水量約占廣東農業用水量的65%～70%。實行節水栽培，提高植株的用水效率和對適度水分脅迫的適應性將是廣東今后發展水稻生產的必然選擇。

局部根系水分脅迫(Partial root-zone drying，簡稱PRD)作為一種新近發展起來的節水灌溉技術方法，正逐漸受到研究者的關注[1]。局部根系水分脅迫下,非脅迫一側的根系仍然能夠吸收水分、養分,而脅迫側根系則通過產生水分脅迫響應信號(如ABA、pH) 并經木質部傳輸到地上部分，調節葉片氣孔開度，減少奢侈的蒸騰耗水[2],提高水分利用效率(簡稱WUE)[3-7]。在葡萄、果樹、玉米等作物上進行的分根試驗結果表明，只給一半根區土壤供水就可以使幼苗保持正常生長，顯著提高用水效率[3-5,8]。然而, 作物WUE的高低除與供水量和供水方式有關外，還與肥料的種類、施用量和施肥方式等密切相關[9]。因此，有必要開展局部根系水分脅迫下作物對水肥耦合效應的響應研究。

氮是植物生長發育不可缺少的營養元素。許多研究表明，氮肥供應可以減小干旱脅迫對植物生長的影響[10-12]。其中，通過氮素營養形態的不同組合調控水稻生長發育和用水效率的研究近年來受到越來越多國內學者的關注[13-14]，并且多數研究結果顯示，在水分脅迫條件下，單一供應銨態氮或硝態氮營養均會使水稻生物量的積累降低，銨態氮和硝態氮配合施用則能夠促進植株生長，改善其水分利用[15-16]。由此可見，當前研究主要集中在揭示氮素形態和水分脅迫的相互作用對水稻的影響機制，并以此優化氮素配比，提高水稻水分利用效率(WUE)。然而，盡管研究顯示局部根系水分脅迫或氮素供應可以提高植物WUE[17-18]，但對局部根系水分脅迫和氮素形態的相互作用卻知之甚少[2]。

本研究的目的是了解局部根系水分脅迫和不同形態氮素配比的相互作用如何影響水稻幼苗的光合生理特性和氮素積累，探討有利于水稻WUE提高的銨、硝營養形態配比和根系供水模式。

1 材料和方法

1.1 供試材料及試驗設計

供試水稻(OryzasativaL.)品種為金優402。試驗于韶關學院農業基礎廣東省實驗教學示范中心溫室內進行。試驗采用營養液培養方法。水稻種子經30% H2O2溶液浸泡15 min，無菌水洗凈后，用清水浸種24 h，取出后在32 ℃恒溫培養箱中催芽24 h，再用砂培法于溫室內進行育苗，溫室內溫度白天約為30 ℃，光合有效輻射為1 200～1 500 μmol/(m2·s)，夜晚為27 ℃。培養至一葉一心時，挑選生長一致的幼苗，移栽到打好孔的PVC板上，每個孔內移入1株水稻，用海綿固定后放在裝有全營養液的培養缽內進行培養，營養液采用國際水稻研究所(IRRI)的常規營養液配方并略作改進，并添加2 mmol/L的硅酸鈉(pH 值4.9～5.1)，以保持營養液中的SiO2含量為0.2 mmol/L，添加氮素用量5%的雙氰胺2 mg/L，以抑制硝化作用。混合氮營養液采用硫酸銨與硝酸鈣試劑配制。采用5%聚乙二醇6000(PEG 6000)模擬水分脅迫，加入量為100 g/L。

表1 試驗處理設置Tab.1 Treatments of the experiment

圖1 水稻幼苗分根培養Fig.1 Schematics view of split-root system of rice seedling

培養期間，每2 d 更換1次營養液，每天早、晚各調1次pH值。用0.1 mol/L NaOH和HCl將培養液pH值調到4.9～5.2。水分脅迫開始后第2天開始取樣測定，每隔2 d取樣1次，第4次取樣后解除水分脅迫，水分脅迫解除后再連續取樣測定2 d。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 植株葉片和莖稈全氮 靛酚藍比色法：取0.3 g烘干、磨碎的樣品放入消煮管中，加入8 mL的硫酸，輕輕搖勻后在瓶口放一彎頸小漏斗，在KDN-04消化爐進行消煮。在消煮過程中重復3～5次加入H2O2，加入量逐漸減少，直到消煮液無色后取出。將消煮液無損地洗入100 mL容量瓶中，用水定容，后用H2SO4-H2O2測定。

將待測液用水準確稀釋10倍,吸取稀釋后的溶液1.00 mL于50 mL容量瓶中，加入1 mL EDTA-甲基紅溶液，用氫氧化鈉溶液調節至pH值6左右，再依次加入5 mL酚溶液和5 mL次氯酸鈉溶液，搖勻，用水定容，待1 h后，用1 cm的比色皿在625 nm波長處比色，用空白試驗溶液調節零點。

1.2.2 植株銨態氮和硝態氮凈吸收量 銨態氮和硝態氮凈吸收量=試驗開始前營養液中銨態氮和硝態氮含量-試驗結束后營養液中銨態氮和硝態氮含量。

銨態氮的測定：靛酚藍比色法。吸取各處理培養液，放入50 mL容量瓶中，依次加入5 mL酚溶液和5 mL次氯酸鈉堿性液，搖勻放置1 h后，加入1 mL掩蔽劑以溶解可能生成的沉淀物，然后用水定容，用1 cm比色皿在625 nm波長處進行比色。用空白試驗溶液調節零點。繪制標準曲線從中查得顯色液中氮的質量濃度(mg/L)。

計算公式為：水樣中銨態氮含量(mg/L)=p×50/V

其中，p.從工作曲線上查得顯色液中氮的質量濃度(mg/L)；50.顯色液體積(mL)；V.吸取水樣體積(mL)。

硝態氮的測定：紫外分光光度計法，吸取各處理的培養液直接在紫外分光光度計上用220,275 nm的波長和1 cm石英比色皿測定吸收值A=A220-A275。再從工作曲線上讀取水樣中硝酸根含量(mg/L)。

1.2.3 營養液質量的凈減少值 營養液被植物吸收前后都用天平稱量，相減得出植物凈吸收營養液的質量。左根室與右根室中的營養液分別稱質量。

1.2.4 光合作用 采用LI-6400便攜式光合作用測定系統測定。

1.2.5 根系形態 采用加拿大REGENT根系分析系統(EPSON TWAIN PRO)分析測定根長、表面積、體積、分形維數等根系形態指標。

1.3 統計分析

試驗數據均采用Microsoft Excel軟件進行統計分析，對各處理間的差異進行0.05水平上的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水稻幼苗全氮含量

圖中不同小寫字母表示處理間差異達0.05顯著水平。圖3-5同。Different small letters in the figure mean significant difference among treatment at 0.05 level. The same as Fig.3-5.

圖3 局部根系水分脅迫下不同形態氮素營養對水稻幼苗葉片和莖稈氮素含量的影響Fig.3 Effects of N form on rice seedling leaf and stem nitrogen content under condition of PRD

2.2 水稻幼苗氮素吸收量

圖4 局部根系水分脅迫下不同形態氮素營養對水稻氮素吸收量的影響Fig.4 Effects of N form on N absorption amount of rice under condition of PRD

從圖5可以看出，氮素形態為50/50的處理，不同水分條件下均以吸收銨態氮為主，其中非水分脅迫條件下銨態氮的吸收量最大，為全根水分脅迫的1.5倍，局部水分脅迫條件的次之，兩者的差異不顯著。非水分脅迫下，銨態氮的吸收量為硝態氮的1.92倍，局部根系水分脅迫下，前者為后者的1.96倍。全根水分脅迫下銨態氮和硝態氮的吸收量差異最大，前者為后者的2.23倍。水稻對硝態氮的吸收在非水分脅迫和局部根系水分脅迫之間的差異不顯著。

圖5 不同水分條件下50/50氮素形態配比處理對水稻吸收銨態氮和硝態氮的影響Fig.5 Effects of N form of 50/50 on ammonium and nitrate nitrogen absorption of rice under different water condition

2.3 水稻幼苗生理特性

表2 局部根系水分脅迫下不同形態氮素營養對水稻幼苗生理特性的影響Tab.2 Effects of N form on rice seedling physiological functional properties under condition of PRD

注：表中不同小寫字母代表各處理間差異達0.05顯著水平。表3同。

Note： Different small letters indicates significant difference among treatments at 0.05 level. The same as Tab.3.

2.4 水稻根系形態

表3 局部根系水分脅迫下不同形態氮素營養對水稻根系形態的影響Tab.3 Effects of N form on rice seedling root morphology under condition of PRD

3 討論與結論

3.1 局部根系水分脅迫下不同形態氮素營養對水稻幼苗氮素吸收和含氮量的影響

3.2 局部根系水分脅迫下不同形態氮素營養對水稻幼苗生理特性的影響

3.3 局部根系水分脅迫下不同形態氮素營養對水稻幼苗根系形態的影響