不同水分管理模式對水稻根系形態(tài)建成及抗旱性的影響研究

1引言

水稻是一種水生作物，對水分有著特殊的需求特性。水稻的需水可分為生理需水和生態(tài)需水兩個(gè)方面。生理需水是指直接用于水稻正常生理活動(dòng)以及保持體內(nèi)水分平衡所需要的水分，包括蒸騰作用、光合作用、呼吸作用、吸收作用等過程中的需水，其中蒸騰作用和光合作用是水稻生理耗水的兩大主要形式。生態(tài)需水則是指用水層調(diào)節(jié)空氣、溫度、濕度、養(yǎng)料、抑制雜草、改良鹽堿地等生態(tài)因子，創(chuàng)造適于水稻生長發(fā)育的田間環(huán)境所需的水分，主要包括棵間蒸發(fā)和稻田滲漏兩部分。稻田需水是稻株葉面的蒸騰量、株間蒸發(fā)量、滲透量和地表流失四個(gè)部分的總和，由于稻田有田埂，地表流失量較少，所以稻田的需水量主要由前三個(gè)方面組成。水稻在不同生育期的水分需求有所不同。

不同水分管理模式對水稻根系形態(tài)建成的影響：設(shè)置長期淹水灌溉、干濕交替灌溉、輕度干旱脅迫等不同水分管理處理組，以正常水分管理為對照組。在水稻的不同生育期，包括分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期，利用根系掃描儀、微根窗技術(shù)等方法，測定水稻根系的形態(tài)指標(biāo)，如總根長、根表面積、根體積、根直徑、根系分支數(shù)、根系長度分布、根系表面積分布等3。分析不同水分管理模式下水稻根系形態(tài)指標(biāo)在各生育期的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，研究不同水分管理模式對水稻根系生長速率、根系分布格局（垂直分布和水平分布）的影響，探究根系形態(tài)建成與水分管理模式之間的定量關(guān)系。

2水稻水分管理模式概述

2.1常見水分管理模式

水稻種植中常見的水分管理模式包括淹水灌溉、濕潤灌溉、間歇灌溉和干旱灌溉四種。淹水灌溉是全生育期保持田面3~10厘米水層，土壤長期處于還原狀態(tài)，其優(yōu)勢是水分供應(yīng)穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)田間溫度并減少養(yǎng)分流失，但存在根系因缺氧生長受抑、水分浪費(fèi)嚴(yán)重及易促進(jìn)溫室氣體排放等不足。濕潤灌溉田間不建立明水層，保持土壤含水量達(dá)田間持水量的 80%～90% ，土壤通氣性較好、有利于根系發(fā)育，但需頻繁灌溉、管理成本較高且砂質(zhì)土壤易因滲漏導(dǎo)致水分不均。間歇灌溉為周期性干濕交替，如灌水后落干至田間裂縫再補(bǔ)水，能刺激根系向深層生長、提高水分利用效率且節(jié)水效果顯著，但需精準(zhǔn)調(diào)控、技術(shù)要求較高。干旱灌溉全生育期僅在關(guān)鍵需水期少量補(bǔ)水，其余時(shí)間保持土壤含水量低于田間持水量的 60% ，極端節(jié)水但水稻生長受脅迫明顯、根系和產(chǎn)量受影響大，僅適用于耐旱品種特殊栽培。

2.2不同模式的應(yīng)用場景與選擇依據(jù)

土壤質(zhì)地是選擇水分管理模式的核心依據(jù)，其保水保肥能力直接決定灌溉策略。黏土或壤土保水能力強(qiáng)，宜采用重度間歇灌溉或淺濕曬模式，水層淺、濕潤期長、曬田強(qiáng)度大，在保水能力強(qiáng)的區(qū)域，通過適度曬田可改善土壤通氣性、促進(jìn)根系下扎，避免根系缺氧；砂質(zhì)土壤保水能力差、水分易滲漏，應(yīng)采用輕度間歇灌溉或淺濕曬模式，水層稍深、濕潤期短、曬田強(qiáng)度輕，通過增加灌溉頻率、縮短落干時(shí)間避免土壤過度干旱影響根系發(fā)育。此外，土壤肥力也需考慮，肥力高的地塊可采用靈活的間歇灌溉以促進(jìn)根系與養(yǎng)分吸收，肥力低的地塊需穩(wěn)定供水、可適當(dāng)延長濕潤時(shí)間或提高水層深度]。

3不同水分管理模式對水稻根系形態(tài)建成的影響

3.1對根長和根表面積的影響

在水稻的生長過程中，根長和根表面積是反映根系生長狀況的重要指標(biāo)，不同的水分管理模式對其有著顯著的影響。通過田間試驗(yàn)，設(shè)置長期淹水灌溉(T1）干濕交替灌溉(T2）輕度干旱脅迫（T3）以及正常水分管理的對照組(CK)，在水稻的分藥期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期分別對根系進(jìn)行測定分析，結(jié)果顯示不同水分管理模式下水稻根長和根表面積呈現(xiàn)出明顯的差異動(dòng)態(tài)變化。

在分蘗期，各處理組的根長和根表面積均隨著生長時(shí)間的推移而增加。其中，T2處理下的水稻根長和根表面積增長速率相對較快。這是因?yàn)楦蓾窠惶婀喔饶Ｊ绞沟猛寥拉h(huán)境處于干濕交替的狀態(tài)，這種變化刺激了根系的生長。在濕潤階段，土壤水分充足，為根系生長提供了良好的水分條件；而在干燥階段，根系為了獲取足夠的水分，會(huì)加快生長速度，向更深的土層延伸，從而增加了根長和根表面積。例如，在分蘗期第10天，T2處理的根長較CK增加了 12.5% ，根表面積增加了 15.3% 。而T1處理由于長期淹水，土壤氧氣含量不足，根系生長受到一定程度的抑制，根長和根表面積的增長相對緩慢。T3處理在輕度干旱脅迫下，根系生長也受到一定阻礙，根長和根表面積的增長速率低于T2處理，但高于T1處理。

3.2對根直徑和根體積的影響

根直徑和根體積是衡量水稻根系發(fā)育狀況的重要指標(biāo)，它們與根系的吸收能力、支撐能力以及植株的整體生長密切相關(guān)。不同的水分管理模式通過改變土壤的水、氣、熱狀況，對水稻根直徑和根體積產(chǎn)生顯著影響。

在分藥期，干濕交替灌溉(T2)處理下的水稻根直徑相對較大，這是因?yàn)楦蓾窠惶娴沫h(huán)境促使根系為適應(yīng)水分的變化而調(diào)整生長策略。在干燥階段，根系需要增強(qiáng)自身的機(jī)械強(qiáng)度以深入土壤獲取水分，從而刺激了根細(xì)胞的徑向生長，導(dǎo)致根直徑增大。而長期淹水灌溉(T1)處理由于土壤長期處于缺氧狀態(tài)，根系生長受到抑制，根直徑相對較小。輕度干旱脅迫(T3)處理下，根系雖然也會(huì)試圖通過增大直徑來增強(qiáng)吸收能力，但由于水分脅迫的限制，根直徑的增加幅度不如T2處理明顯。從根體積來看，T2處理的水稻根體積增長較快，這得益于其根長和根直徑的協(xié)同增加，使得根系在土壤中占據(jù)的空間增大。T1處理由于根系生長受限，根體積增長相對緩慢。T3處理在輕度干旱脅迫下，根系生長受到一定阻礙，根體積的增長速度低于T2處理，但高于T1處理。例如，在分蘗期第15天，T2處理的根直徑比CK增加了8.7% ，根體積增加了 18.2% 。

3.3對根系分布的影響

水稻根系在土壤中的分布格局，包括垂直分布和水平分布，對其吸收水分和養(yǎng)分至關(guān)重要，不同的水分管理模式會(huì)顯著改變這種分布格局。

垂直分布上，淹水灌溉 70%～80% 根系集中在0~10厘米表層土壤，深層根系占比不足 20% ，深層水分吸收能力弱；間歇灌溉根系下扎深度顯著增加， 30%～40% 根系分布在10~20厘米土層，部分可延伸至30厘米以下，利于吸收深層水分。水平分布上，淹水灌溉根系橫向擴(kuò)展受限，水平分布半徑多小于20厘米；間歇灌溉根系水平分布更廣泛，半徑可達(dá)25~30厘米，擴(kuò)大了表層養(yǎng)分吸收范圍；干旱灌溉因水分脅迫，根系垂直和水平生長均受抑制，分布范圍顯著小于間歇灌溉處理。

4不同水分管理模式對水稻抗旱性的影響

4.1生理指標(biāo)變化

在干旱脅迫下，不同水分管理模式下的水稻生理指標(biāo)會(huì)發(fā)生顯著變化，這些變化能夠直觀地反映出水稻的抗旱能力。葉片相對含水量是衡量水稻水分狀況的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到水稻的光合作用、呼吸作用等生理過程的正常進(jìn)行。在本研究中，設(shè)置長期淹水灌溉（T1）、干濕交替灌溉（T2）輕度干旱脅迫(T3)以及正常水分管理的對照組(CK)，對水稻葉片相對含水量進(jìn)行測定分析。結(jié)果顯示，在干旱脅迫初期，各處理組的葉片相對含水量均有所下降，但下降幅度存在差異。T2處理下的水稻葉片相對含水量下降相對緩慢，這表明干濕交替灌溉模式使水稻在干旱脅迫下能夠更好地保持水分平衡，維持葉片的水分含量。在干旱脅迫3天后，T2處理的葉片相對含水量為 85.6% ，顯著高于T1處理的 80.2% 和T3處理的 78.5% 。隨著干旱脅迫時(shí)間的延長，T2處理的優(yōu)勢更加明顯。在干旱脅迫7天后，T2處理的葉片相對含水量仍能維持在 75.3% ，而T1處理降至 68.4% ，T3處理降至 65.2% 。這說明干濕交替灌溉模式有助于增強(qiáng)水稻的保水能力，提高其在干旱脅迫下的抗旱性。

葉片相對含水量是反映水稻水分平衡的關(guān)鍵指標(biāo)。在干旱脅迫初期(3天），各處理組葉片相對含水量均下降：CK組（正常水分管理)維持在 92.3% ，無明顯脅迫表現(xiàn)；間歇灌溉(T2)下降至 85.6% ，顯著高于淹水灌溉 (T1，80.2% ）和干旱灌溉0 T3，78.5% )。干旱脅迫7天后，CK組降至 88.1% ，T2組維持在75.3% ，仍比T1組 68.4% 和T3組（ 65.2% 高 7%～10% ，表明間歇灌溉通過優(yōu)化根系結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了水稻在干旱脅迫下的保

水能力。

4.2抗氧化系統(tǒng)響應(yīng)

抗氧化系統(tǒng)在水稻應(yīng)對干旱脅迫的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，不同的水分管理模式會(huì)對其產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響水稻的抗旱能力。在長期淹水灌溉(T1）干濕交替灌溉(T2）輕度干旱脅迫(T3）以及正常水分管理的對照組(CK)處理下，水稻抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

超氧化物歧化酶(SOD）過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶（CAT)是抗氧化系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶，它們協(xié)同作用，能夠有效清除細(xì)胞內(nèi)過多的活性氧，保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷。在干旱脅迫初期，各處理組水稻葉片中的SOD、POD和CAT活性均有所升高，以應(yīng)對活性氧的積累。其中，T2處理下的酶活性升高幅度最為顯著。例如，在干旱脅迫3天后，T2處理的SOD活性較CK增加了35.2% ，POD活性增加了 40.5% ，CAT活性增加了 30.8% 。這是因?yàn)楦蓾窠惶婀喔饶Ｊ绞顾驹诟蓾癍h(huán)境的交替刺激下，能夠更早地啟動(dòng)抗氧化防御機(jī)制，增強(qiáng)了抗氧化酶的合成和活性。而T1處理由于長期處于淹水狀態(tài)，根系缺氧，導(dǎo)致植株的代謝活動(dòng)受到一定抑制，抗氧化酶活性的升高幅度相對較小。T3處理雖然也受到干旱脅迫的刺激，但由于脅迫程度相對較高，超過了水稻自身的調(diào)節(jié)能力，所以抗氧化酶活性的升高幅度低于T2處理。

5水稻根系形態(tài)建成與抗旱性的關(guān)系

5.1根系形態(tài)對抗旱性的直接影響

水稻根系形態(tài)在其抗旱過程中扮演著關(guān)鍵角色，對水分吸收和運(yùn)輸起著直接且重要的作用。根系作為水稻與土壤環(huán)境直接接觸的器官，其形態(tài)特征，如根長、根表面積、根直徑、根系分布等，與水稻在干旱條件下的生存和生長密切相關(guān)。

根長和根表面積是影響水稻水分吸收的重要形態(tài)指標(biāo)。較長的根長使水稻根系能夠深入土壤深層，獲取更多的水分資源。在干旱條件下，表層土壤水分迅速減少，而深層土壤仍可能含有一定量的水分。根系發(fā)達(dá)、根長較長的水稻品種，能夠?qū)⒏笛由斓礁畹耐翆樱瑥亩黾訉ι顚油寥浪值奈諜C(jī)會(huì)。根表面積的增加則擴(kuò)大了根系與土壤的接觸面積，提高了水分吸收效率。根表面積越大，根系能夠接觸到的土壤顆粒就越多，水分和養(yǎng)分的吸收位點(diǎn)也就相應(yīng)增加。研究表明，在干旱脅迫下，根長和根表面積較大的水稻品種，其葉片相對含水量下降較慢，能夠更好地維持水分平衡，保持較高的光合作用效率，從而增強(qiáng)了水稻的抗旱性。

5.2根系形態(tài)通過生理過程對抗旱性的間接影響

水稻根系形態(tài)不僅對其抗旱性有著直接的影響，還通過調(diào)節(jié)一系列生理過程，間接地增強(qiáng)水稻的抗旱能力。這些生理過程包括水分運(yùn)輸與分配、養(yǎng)分吸收與利用、激素平衡調(diào)節(jié)以及光合作用和物質(zhì)合成等，它們相互關(guān)聯(lián)、相互作用，共同維持著水稻在干旱條件下的生長和發(fā)育。

5.3基于根系形態(tài)的水稻抗旱性評價(jià)指標(biāo)探討

基于前文對水稻根系形態(tài)建成與抗旱性之間關(guān)系的深入研究，建立一套科學(xué)有效的基于根系形態(tài)的水稻抗旱性評價(jià)指標(biāo)體系具有重要的理論和實(shí)踐意義。這不僅有助于深入理解水稻的抗旱機(jī)制，還能為水稻抗旱品種的選育、栽培管理以及水資源的合理利用提供關(guān)鍵的參考依據(jù)。

根長是一個(gè)重要的評價(jià)指標(biāo)。較長的根長能夠使水稻根系深入土壤深層，獲取更多的水分資源。在干旱條件下，表層土壤水分迅速減少，而深層土壤仍可能含有一定量的水分。根系發(fā)達(dá)、根長較長的水稻品種，能夠?qū)⒏笛由斓礁畹耐翆樱瑥亩黾訉ι顚油寥浪值奈諜C(jī)會(huì)。研究表明，在干旱脅迫下，根長較長的水稻品種，其葉片相對含水量下降較慢，能夠更好地維持水分平衡，保持較高的光合作用效率，從而增強(qiáng)了水稻的抗旱性。

本研究通過田間試驗(yàn)與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，深入探究了不同水分管理模式對水稻根系形態(tài)建成及抗旱性的影響，得出以下主要結(jié)論：不同水分管理模式對水稻根系形態(tài)建成影響顯著：干濕交替灌溉模式下，水稻根長、根表面積、根直徑和根體積在各生育期的增長表現(xiàn)優(yōu)于長期淹水灌溉和輕度干旱脅迫處理。該模式促使根系在垂直方向向深層土壤發(fā)展，在水平方向分布范圍更廣，有利于充分利用土壤中的水分和養(yǎng)分。以F優(yōu)498為例，干濕交替灌溉處理下其根系生長優(yōu)勢明顯，進(jìn)一步驗(yàn)證了該模式對根系形態(tài)建成的積極作用。

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