不同干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下水稻根系生長及功能差異

陸大克，段 驊，王維維，劉明爽，魏艷秋，徐國偉*

（1 河南科技大學農學院，河南洛陽 471003；2 天津市農業科學院農作物研究所，天津 300112）

水分和氮素是作物生長發育中兩大影響因子，水氮互作對改善作物的生長環境，特別是根系生長環境，促進地上與地下部的協調，進而提高產量具有重要意義。根系是植物在生長發育過程中吸收水分和養分的重要器官[1]，健壯的根系能夠為作物生長提供充足的養分和水分，保證作物高產[2]。近年來關于水稻根系的研究已經成為國內外學者研究的重要熱點問題，前人就水分和氮素對水稻根系形態、根冠比、根系超微結構、根系解剖、根系分泌物、根系活性、根系激素等方面做了大量研究[3-12]。

干濕交替灌溉是一種行之有效的節水灌溉方式[13-14]，田間水分狀況由淹水轉變為控制灌溉或相對輕度水分脅迫，土壤含氧量增加，氮素形態由銨態氮為主轉變為銨態氮和硝態氮混合狀態，水稻生長環境發生較大改變[15]。根系生長受水分脅迫和氮肥形態等多因素影響。宋娜等[7]研究不同氮素形態及水分脅迫對水稻水分關系影響發現，單一施用銨態氮或硝態氮或混合施用時，銨硝1∶1混合的狀態下更利于水稻的成長，使水稻具有較高的根系活力、干物質積累及產量。周毅等[8]研究發現NH4+-N有利于水分脅迫下水稻根系的生長，有利于提高分蘗期生物量。吳芳等[9]研究表明，干旱脅迫促進銨硝混合處理的水稻根系發育，NH4+-N處理下，根系生物量增量明顯高于銨硝混合及NO3--N處理。柏彥超等[16]認為水分脅迫下，隨NO3--N比例的增加，根系總吸收面積、活躍吸收面積升高。可見前人的研究觀點并不一致，同時前人對不同水分與氮肥形態下根系的研究較多集中在水培及苗期試驗上。本試驗通過對水分的動態管控，研究全生育期不同干濕交替灌溉與氮肥形態耦合對水稻根系形態、根系活力、傷流液成分的影響，旨在探索干濕交替灌溉與氮肥形態耦合機理，為水稻高產及根系生理提供理論及科學依據。

1 材料和方法

1.1 材料與試驗地概況

試驗于2016—2017年在河南科技大學試驗農場進行，供試品種為徐稻3號。試驗地屬溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫12.1～14.6℃，年降水量600 mm。采用防雨棚池栽方式，池長9.0 m、寬2.0 m、深0.4 m。土培池土質為黏壤土，土壤含有機質14.2 g/kg、堿解氮75.3 mg/kg、有效磷4.9 mg/kg、速效鉀120.9 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用土培法，進行灌水方式和氮肥形態二因素隨機試驗，各種方式下磷、鉀肥用量均一致。設置三種水分處理分別為：全生育期淺水層灌溉 (對照CK，0 kPa，分蘗末期進行輕度擱田)；輕度干濕交替灌溉WMD (淺水層→自然落干至土壤水勢-20 kPa→淺水層→自然落干至土壤水勢-20 kPa，活棵后如此循環，分蘗末期進行輕度擱田)；重度干濕交替灌溉WSD (淺水層→自然落干至土壤水勢-40 kPa→淺水層→自然落干至土壤水勢-40 kPa，活棵后如此循環，分蘗末期進行輕度擱田)。安裝真空表式負壓計 (中國科學院南京土壤研究所生產) 監測土壤水勢，將其陶土頭底部置15 cm土層處，塑料大棚擋雨[17]。同時設置三種氮肥形態 (總施氮量全生育期一致為240 kg/hm2)，按照銨硝比 (NH4+∶NO3-) 分別為：100∶0 (100%NH4+)、50∶50 (即 1∶1)、0∶100(100%NO3-)。對應的肥料分別為分析純硫酸銨[(NH4)2SO4]、硝酸銨 (NH4NO3) 和硝酸鈉 (NaNO3)。氮肥運籌按照4∶1∶5于移栽前1天、移栽后7天和幼穗分化期施用。各處理均于移栽前施用過磷酸鈣 (含P2O513.5%) 300 kg/hm2和氯化鉀 (含K2O 52%)195 kg/hm2。大田育秧5月10日播種，6月10日移栽，每穴2苗。全生育期嚴格監測水分及病蟲草害，其余管理與高產田一致。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 水稻根系形態的測定 分別于分蘗盛期、穗分化始期、抽穗期和成熟期，從各處理取樣3穴。每穴以水稻莖基部為中心，挖取20 cm (長) × 20 cm(寬) × 30 cm (深) 的土塊，裝于70目的篩網袋中，先用流水緩慢沖洗，再用農用壓縮噴霧器沖至干凈，剪去地上部，稱取根鮮重。用掃描儀 (Epson Expression 1680Scanner，Seiko Epson Corp.，Tokyo，Japan) 掃描根系形態，WinRHIZO根系分析系統 (Regent Instruments Inc.，Quebec，Canada) 進行分析。然后將鮮根及地上部置于烘箱內105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，稱量根系干重和地上部干重，計算根冠比。

1.3.2 根系氧化力測定 分別于分蘗盛期、穗分化始期、抽穗期和抽穗后20天，各處理取樣3穴，用α-萘胺法測定根系氧化力[18]。

1.3.3 根系傷流液收集 分別于分蘗盛期、穗分化始期、抽穗期和抽穗后20天，各處理取樣3穴，于下午6時在莖基部，離土表約12 cm處剪去植株地上部分，將預先稱重的帶有脫脂棉的玻璃試管倒套于留在田間的稻莖的剪口處，蓋上塑料薄膜，于第2天早8時取回試管稱重，兩次稱重的差值即為根系傷流量[19]。用注射器將脫脂棉吸取的傷流液擠出于10 mL離心管中，-30℃保存用于傷流液中組分的測定。

1.3.4 傷流液中可溶性糖、蛋白質、氨基酸含量的測定 可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[20]，蛋白質含量的測定采用考馬斯亮藍G-250染色法[20]，氨基酸含量測定采用水合茚三酮顯色法[21]。

1.3.5 產量及穗部性狀考察 成熟期取每個處理取2個5穴用于考種，計算單位面積的穗數、每穗粒數、結實率和千粒重。取2 m2實收計產。

1.4 數據處理與分析

用 SAS/STAT (version 6.12，SAS Institute，Cary，NC，USA) 進行數據方差分析，Origin8.5繪制圖表，圖中數據用平均值 ± SE表示。

因兩年的試驗結果趨勢一致，故本文根系性狀以2017年的數據表示。

2 結果與分析

2.1 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合對水稻根系形態的影響

由圖1可知，重度干濕交替 (WSD) 嚴重影響了水稻整個生育期根系的生長發育，不適宜水稻的水分管理。

不同灌溉方式下氮肥形態對水稻根長的影響不一 (圖1)。CK條件下100%銨態氮處理的根長各生育期均顯著高于銨硝混合50∶50和100%硝態氮處理；穗分化始期～成熟期，銨硝混合50∶50的根長顯著高于100%硝態氮處理。輕度干濕交替灌溉(-20 kPa) 下，100%銨態氮和銨硝混合50∶50處理各生育期根長差異不顯著，但均顯著高于100%硝態氮處理，只有幼穗分化始期銨硝混合50∶50處理根系長度顯著高于100%銨態氮處理，與100%銨態氮相比，增加8.1%。說明100%硝態氮處理顯著抑制水稻根長，不適于單獨作為水稻氮源。

圖 1 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下不同生育期水稻根長Fig. 1 Rice root lengths at the four growth stages under different dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

在100%銨態氮處理下，輕度干濕交替 (WMD)處理的根長只在成熟期顯著高于CK。在銨硝混合50∶50處理下，WMD處理的根長各生育期均顯著高于CK，在分蘗盛期增幅最大，增加17%。

由圖2可知，重度干濕交替嚴重影響了水稻整個生育期根系平均直徑大小，不適宜水稻的水分管理。

圖 2 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下不同生育期的水稻平均根直徑Fig. 2 Average root diameters of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

無論是保持水層還是干濕交替灌溉處理，水稻平均根直徑均以硝銨比50∶50處理最高，分別比100%銨態氮處理增加了8.7%、13.5%，而100%硝態氮處理抑制水稻平均根直徑的增加 (圖2)。

與CK處理相比，WMD灌溉下的平均根直徑100%銨態氮處理提高了0.37%～15.8%，硝銨比50∶50處理提高了3.98%～25.2%，100%硝態氮處理提高了2.59%～17.16%；而WSD下的平均根直徑，在幼穗分化始期，100%銨態氮處理降低了20.6%，硝銨比50∶50處理降低了22.0%，100%硝態氮處理降低了20.8%。

由圖3可知，重度干濕交替嚴重影響了水稻整個生育期根系表面積大小，不適宜水稻的水分管理。CK灌溉下，100%銨態氮和硝銨比50∶50處理的根系表面積，除成熟期之外，差異不顯著，但均顯著高于100%硝態氮處理 (P＜ 0.05)。在WSD下，硝銨比50∶50的根系表面積最大，與100%銨態氮相比，平均增加18.1%～24.8%，顯示其更有利于水稻根表面積的增加 (圖3)。

圖 3 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下水稻不同生育期平均根表面積Fig. 3 Average root surface area of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

在同一氮肥形態下，WMD與CK相比，顯著增加穗分化始期及抽穗期根系表面積，如穗分化始期，100%銨態氮處理增加了16.4%，硝銨比50∶50處理增加了25.2%，100%硝態氮處理增加了9.7%，說明輕度干濕交替灌溉有利于根表面積的增加。

由圖4可知，重度干濕交替嚴重影響了水稻整個生育期根體積大小，不適宜水稻的水分管理。CK灌溉下，100%銨態氮和硝銨比50∶50處理根系體積無明顯差異 (成熟期除外)，但均顯著高于100%硝態氮處理；在WMD灌溉下，硝銨比50∶50處理的根系體積最大，與100%銨態氮相比，平均增加了2.95%～4.29%，而100%硝態氮處理則抑制水稻根體積的增加。

圖 4 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下水稻不同生育期平均根體積Fig. 4 Average root volume of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

WMD顯著增加根系體積，除分蘗期外，與CK相比，100%銨態氮、硝銨比50∶50、100%硝態氮處理的根系體積依次增加了9.34%～8.1%、5.27%～26.4%、7.88%～22.4%。

由圖5可知，重度干濕交替嚴重影響了水稻整個生育期根尖數，不適宜水稻的水分管理。CK下，100%銨態氮處理有利于根尖數的增加；硝銨比50∶50處理的根尖數最多，在WMD下，比100%銨態氮處理增加了8.19%～13.9%，在WSD下平均增加了3.62%～11.4%，說明硝銨比50∶50更有利于水稻根尖數的增加，而100%硝態氮處理顯著抑制水稻根尖數的增加 (圖5)。

100%銨態氮處理下，WMD抽穗前根尖數比CK顯著增加了12.9%～20.7%，硝銨比50∶50處理下增加了4.62%～5.66%，100%硝態氮處理下增加了14.2%～26.0%。說明適宜的水分脅迫有利于根尖數的增加。

2.2 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合對水稻根系活性的影響

根系氧化力的大小反映根系活力的差異，氧化力越大，根系活力也相對較大。

圖 5 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下水稻不同生育期平均根尖數Fig. 5 Average root tip numbers of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

隨著生育進程的推進，水稻的根系氧化力呈現出先增加后降低的趨勢，在幼穗分化期達到峰值，之后有所降低。不同灌溉方式下氮肥形態對水稻根系氧化力的影響不一。就CK而言，以100%銨態氮處理最高，100%硝態氮則顯著降低根系活性。硝銨比50∶50處理的根系氧化力最大，在WMD下比100%銨態氮處理增加了9.46%～13.61%，WSD下增加了7.62%～22.7%，說明硝銨比50∶50更有利于水稻根系氧化力的增加，NO3-顯著抑制水稻根系氧化力的增加 (圖6)。

與CK相比，WMD下根系氧化力，提高了14.4%～63.1%。說明WMD有利于根系氧化力的提高。

2.3 干濕交替與氮肥形態耦合對水稻根系傷流液成分的影響

由圖7可知，重度干濕交替嚴重影響了水稻整個生育期根系傷流液中氨基酸、蛋白質及可溶性糖的含量，不適宜水稻的水分管理。

CK及WMD下，硝銨比50∶50處理的根系傷流液中氨基酸、蛋白質、可溶性糖含量最高，三種成分分別比100%硝態氮處理增加了7.5%～20.4%、28.7%～57.3%、5.2%～27.1%，說明銨硝混合更有利于水稻根系傷流液中氨基酸、蛋白質、可溶性糖含量的增加；NO3處理顯著抑制水稻根系中氨基酸、可溶性糖含量的增加 (圖7)。

圖 6 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下水稻不同生育期根系氧化力Fig. 6 Root oxidative ability of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

與CK相比，WMD下硝銨比50∶50處理根系傷流液中氨基酸含量提高了4.96%～19.0%，蛋白質提高了12.6%～25.4%(抽穗期前)，可溶性糖提高了9.73%～80.8%，說明適度的水分脅迫增加傷流液中各成分的含量。

2.4 干濕交替與氮肥形態耦合對水稻產量及產量構成的影響

不同水氮處理對徐稻3產量及產量構成因素的影響不同，干濕交替灌溉與氮肥形態間存在明顯的耦合效應 (表1)。CK灌溉方式下，銨硝比100∶0、50∶50和0∶100三個處理水稻產量依次顯著降低；WMD和WSD下，銨硝比100∶0和50∶50處理的產量差異不顯著，但均顯著高于100% 硝態氮處理。WSD灌溉處理下的水稻產量所有供氮處理均顯著低于CK和WMD，已失去了以肥調水的可能性。采用銨硝比50∶50及WMD灌溉，水氮耦合效應最高，最有利于產量的提高。

圖 7 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合下水稻不同生育期根系傷流組分含量Fig. 7 The contents of rice root bleeding components under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

從產量構成上分析，在硝銨比50∶50處理下，與CK相比，WMD顯著增加籽粒結實率及千粒重，說明WMD改善了籽粒灌漿，有利于產量提高；WSD則降低單位面積穗數及每穗粒數，最終產量顯著降低。在同一灌溉方式下，與NH4+相比，CK下NO3-處理顯著降低單位面積穗數和每穗粒數，從而導致產量降低；干濕交替灌溉處理下，與100%NH4+相比較，硝銨比50∶50處理，每穗粒數雖降低，但提高了結實率及粒重，增加之得大于減少之失，最終導致硝銨NH4NO3處理產量增加，而施用100%NO3-處理單位面積穗數下降，產量最終顯著降低。

2.5 不同時期根系性狀與產量的相關關系分析

由表2可知，水稻根系形態及生理特性與產量存在一定的相關關系。水稻產量與根長、根表面積、根體積、平均根直徑、根尖數、根系氧化力、根系傷流液中可溶性糖、蛋白質、氨基酸含量之間存在顯著 (P＜ 0.05) 或極顯著 (P＜ 0.01) 正相關關系。表明水稻各生育期根系形態及生理活性的大小與產量關系密切。

3 討論

3.1 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合對水稻根系形態的影響

根系是作物吸收養分的重要器官之一，對作物有支持、固定與保護的作用。銨態氮可以促進植物根系變短、加粗，對側根的生長發育有著積極的作用；而硝態氮對植物長度的增長起到積極促進作用，影響側根數量變化[22-26]。在正常土壤水分條件下，有研究表明，與硝態氮處理相比，銨態氮和銨硝混合1∶1兩種處理下的根長、根表面積、根體積明顯減小，而根系平均直徑增大[22]。本試驗結果表明：在保持水層的條件下，純銨態氮處理根系具有較大的根長、根表面積、根體積、根尖數。在保持水層下，雖然根系長期處于無氧的環境中，有氧呼吸性較差，代謝變慢，土壤含氧量相對較低，但是作物吸收利用銨態氮所需能量較吸收硝態氮能量更少，且水稻具有喜銨的習性，其根系細胞增加的速度更快，另一方面銨態氮能使植物根際和質外體pH降低，進而使水稻對礦質元素的吸收有效性提高，從而促進生理生化過程；高濃度的硝態氮會導致植物根際pH升高，抑制根系對礦質營養的吸收，因此，銨態氮處理下，根系表現出較好的生理性狀。

干濕交替灌溉后，土壤含氧量增加，氮素形態由銨態氮為主轉變為銨、硝混合狀態，水稻根系形態發生變化。周毅等[27]研究認為，與銨硝混合營養和單一NO3--N營養相比，水分脅迫下NH4+-N營養最利于提高分蘗期生物量，主要促進了根系生物量增加。王東升等[28]研究表明，與全銨施肥下的水稻比較，銨硝混合施肥根毛數量、根表面積、根干重均顯著增加。本研究表明，在干濕交替灌溉下，與單一的銨態氮相比較，銨硝混合處理根系形態得到明顯改善。其原因是干濕交替灌溉也改變了土壤的通氣狀況，使土壤的含氧量增加，銨硝混合處理能夠提供不同的氮肥形態，更能滿足根系對氮素的選擇性吸收，根際環境更加優越。這表明在生產實踐中，要根據土壤水勢狀況合理的運用不同的氮肥形態，滿足水稻生長發育的需求。本研究還發現，硝態氮肥處理并不能明顯的改善重度水分脅迫下的根系的形態，這可能是重度干濕交替灌溉下水稻的光合速率受到嚴重的抑制，地上部生長受阻，保障根系生長的能量物質降低，難以維持正常根系的生長。可見適宜的土壤水勢是根系生長的保障，較高的硝態氮比例并不能明顯改善重度水分脅迫下的根系形態。

表1 干濕交替與氮肥形態耦合下的水稻產量及產量構成因素Table 1 Rice yield and its components under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

表2 不同生育期根系形態及生理指標與產量的相關關系Table 2 Correlation of root morphological and physiological indexes with rice yield at different growth stages

3.2 干濕交替灌溉與氮肥形態耦合對水稻根系活力及傷流成分的影響

根系傷流強度反映根系的整體機能狀況，也是根系活性的重要表現[29-32]，傷流液中激素、氨基酸、蛋白質、可溶性糖等物質，對根系的生長及信號調控具有重要的作用[33-34]。正常水分供應條件下，適當的提高硝態氮肥的比例 (銨硝配比1∶1)，不影響各營養器官中銨態氮、可溶性蛋白含量[22]，根系活力顯著性提高[32]。沈淮東[35]認為正常水分下，硝態氮處理水稻傷流液可溶性糖含量最高。本研究結果表明，在保持水層下，銨硝混合1∶1時，根系傷流液中氨基酸、蛋白質的含量增加。說明在淹水灌溉下，施用一定量的硝態氮肥有利于傷流中氨基酸、蛋白質的增加，提高根系及植株地上部的碳氮代謝能力。其原因可能是銨硝混合下，硝態氮刺激了水稻對于銨態氮的吸收，提高了對銨態氮的同化能力。

水分脅迫下不同氮肥形態對根系活性及傷流組分有何影響？是否與保持水層相一致？趙峰等[32]認為在根際溶氧量較低時 (溶氧量0～1.0 mg/L)，銨硝混合營養比單一的銨態氮營養顯著提高了根系的活力。本研究表明，在輕度干濕交替灌溉下，銨硝1∶1混合時根系活性及傷流組分含量均顯著提高，可溶性糖含量也增加，表明根系碳氮代謝較為旺盛。干濕交替灌溉下，土壤處于還原、氧化交替變化過程，硝態氮成為水稻干旱條件下重要的氮源，能夠促進根系活力的提高，而在復水的過程中，水稻根系處于還原狀態，純硝態氮肥不能滿足水分動態變化的需求。重度水分脅迫下，氮肥形態處理降低傷流組分含量，蛋白質、可溶性糖含量在硝態氮下較高，說明硝態氮具有增加傷流液中組分含量的作用。因此，適度比例的銨硝營養有利于根系活性及傷流組分含量的積累，提高植株的代謝能力，促進植株生長。

3.3 根系形態生理指標與產量的相關關系

良好的根系形態，有利于地上部生物量的積累，獲得高產[36-37]。張耗等[38]研究了水稻品種演替過程中產量的變化，得出根干重、根長、根直徑、根系氧化力、根系總吸收表面積和根系活躍吸收表面積與產量呈極顯著線性正相關關系；穎花數、粒重和產量與根系分泌物、傷流液中有機酸和氨基酸組分和濃度顯著相關。蔡昆爭等[39]分析了10個現代水稻品種的群體根系特征與地上部生長發育和產量的關系，結果表明，分蘗期和抽穗期的根體積、根重量、根冠比和根活力與分蘗數的相關性均不顯著，抽穗期和成熟期的根冠比與產量均呈極顯著的負相關。郭連安[40]研究了水稻根系特性得出，生育后期水稻根系活力、傷流強度、傷流液中氨基酸、蛋白質和可溶性糖含量均與產量呈正相關性。本試驗研究了不同氮肥形態下根系形態生理變化與產量之間的相關性，得出水稻根系形態及生理特性與產量存在一定的相關關系。水稻產量與根長、表面積、根體積、平均根直徑、根尖數、總吸收面積、活躍吸收面積、氧化力、根系傷流液中可溶性糖、蛋白質、氨基酸含量之間存在顯著 (P＜ 0.05) 或極顯著 (P＜0.01) 正相關關系。說明不同氮肥形態影響水稻根系的生理性狀，調控水稻的生長發育及產量形成，改善根系形態生理特性，有利于產量的提高。同時觀察到，輕度干濕交替灌溉下根系能夠向下層土壤生長，提高根系吸收面積，有利于養分的吸收及同化，根系合成的細胞分裂素 (玉米素和玉米素核苷)含量明顯增加[3]，能夠協調地上地下部生長，促進水稻籽粒灌漿，延緩植株衰老[41]，從而有利于產量的形成。重度干濕交替灌溉下，根系形態及生理功能均受到抑制，降低根系吸收養分及水分的能力，最終表現為結實率及千粒重降低，不利于產量的形成。可見在生產實踐中，通過適宜的水分管理方式及氮肥形態調控，優化根系形態及生理功能，可以促進籽粒灌漿，提高結實率及千粒重，對于水稻高產有著重要的意義。

4 結論

適宜的干濕交替灌溉有利于水稻構建良好的根系形態，提高根系活力。配合氮素以銨硝1∶1供給，水稻各生育期不僅可以形成較大的根體積、表面積和根尖數，保持根系氧化活力最優，根系傷流液中可溶性糖、蛋白質、氨基酸含量也最高，根系代謝旺盛，是最終高產的直接原因。雖然淺水灌溉下，全供應銨態氮和氮素以銨硝比1∶1供給也取得了良好的根系促生和產量效果，但綜合考慮水肥效率，在水稻生產中，依然推薦適宜的干濕交替灌溉，配合氮素以銨硝比1∶1供給。