水稻根系生长发育对CO2浓度升高的响应及其品种间的差异

武慧斌，宋正国，沈跃，唐世荣，刘仲齐*

1. 农业部环境保护科研监测所生态毒理与环境修复研究中心，天津 300191；2. 农业部环境保护科研监测所科技处，天津 300191

水稻根系生长发育对CO2浓度升高的响应及其品种间的差异

武慧斌1，宋正国1，沈跃2，唐世荣1，刘仲齐1*

1. 农业部环境保护科研监测所生态毒理与环境修复研究中心，天津 300191；2. 农业部环境保护科研监测所科技处，天津 300191

Minirhizontrons是一种非破坏性、定点、可直接观测和研究植物根系的新方法。利用微根管Minirhizotrons在试验田的温室大棚内研究CO2浓度升高作用下的水稻根系生长发育，试验采用完全随机处理，探讨CO2浓度升高（800 μmol·mol-1）对水稻(Oryza sativa L.)生物量和根系形态的变化差异。结果表明，与CO2对照相比，CO2浓度升高显著增加4个水稻品种(2种杂交籼稻和2种常规籼稻)的地上部生物量，增幅为8.58%～12.66%，平均增加10.61%。CO2浓度升高条件下，根的生物量分别增加了3.16%～12.13%，平均增加8.64%。高CO2浓度对根系形态的影响表明，4种水稻根系对CO2浓度升高都有积极的响应。CO2浓度升高条件下，各根系指标在水稻不同生育期都有显著增加，根长密度、表面积、体积和根数的平均增幅分别为10%～27%、21%～24%、20%～58%和4%～18%。但在水稻生长发育过程中，品种间也存在着差异。CO2浓度升高和对照处理，籼型杂交稻威优644(V644)和金优207(JY207)的根长密度和根数表现出相似的变化趋势；高CO2浓度处理时其根长密度平均都增加了10%，根数平均增加4%和8%。CO2浓度升高和对照处理，2种籼型杂交水稻的根体积和表面积表现出较快的增长幅度，都呈现出近线性的生长趋势；CO2浓度升高处理下其根体积平均增加40%和25%，表面积平均都增加了24%。CO2浓度升高和对照处理，籼型常规稻湘晚12号(XW12)和丰华占(FHZ)的生长变化趋势表现一致，生长发育后期达到一个近似饱和的拐点。CO2浓度升高条件下其根长密度、根数和根体积分别平均增加27%和24%、18%和11%、58%和20%，根表面积平均都增加了21%。

微根管；CO2浓度升高；根系形态；水稻

随着全球气候的不断变化，二氧化碳浓度升高对植物植株生长、光合作用、水分利用、重金属吸收等各个方面的影响也多有报道(JIA等，2011；MADAN等，2012；PREGITZER等，2008；UPRETY等，2010；WU等，2009；ZHENG等，2008)，且在研究土壤-植物-大气连续系统中，根系的观测研究是最为重要的环节之一。植物根系不仅是营养元素、水分等有益物质吸收和固定的重要器官，也是土壤中重金属等有毒有害物质进入植物体的重要门户，而且对植物生长发育和作物产量形成具有极其重要的影响。但由于根系的生长特点，隐藏于地下，人们对它进行准确取样、测定、观察存在一定困难。长期以来，对根系的研究主要采用挖掘法、根钻法、钉板法、剖面法、容器法等传统方法(张福锁等，2009)，采样破坏性大，工作量大，不易直观地观察根系的生长变化。微根管Minirhizotrons是一种非破坏性、定点直接观察和研究植物根系的方法(JOHNSON等，2001)，其突出优点是能够连续、定点观测根系在整个生长季的动态变化，可在多个时段对某个根系片段或单个根系的生长发育进行原位、重复观测。国外已广泛应用于森林、草地、沙漠、果园以及农业生态系统等植物根系的研究（DORE等，2010；FISCHER等，2006；MASAKO DANNOURA，2008；MUÑOZ-ROMERO等，2010；PRITCHARD和STRAND，2008）。国内仅有少量文献报道利用Minirhizotrons研究火炬松、柠条、玉米的根系生长（廖荣伟等，2010；张志山等，2006；周本智等，2002），但是目前尚没有关于CO2浓度倍增条件下Mininrhizotrons观测水稻根系的动态监测的报道。本文采用Mininrhizotrons微根管技术从根系生长发育的动态变化角度研究二氧化碳浓度升高对4种水稻根系生长的影响，以期为全球气候变化条件下水稻根系调控及生产提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2011年6—10月在湖南省湘阴县农业科学研究所试验田中的温室大棚内进行。温室大棚（长×宽=12 m×4 m），由PVC膜覆盖。CO2以普通钢瓶为气源，纯度为99%，CO2经减压后通过CO2电磁阀控制气流量，将气体经塑料气管送入气室。气室内的温湿度由温度-湿度传感器自动监测。气候室共6个，其中3个气室施加CO2气体（CO2浓度控制在800 μmol·mol-1，以E表示），另外3个设为对照（CO2浓度为大气正常浓度约370 μmol·mol-1, 以A表示）。试验采用完全随机处理，每处理重复3次。试验期间保持每天8:00—18:00时通CO2气体。

1.2 试验材料

供试样地为湖南湘阴水稻田。 0～20 cm耕层土壤理化性质如下：w(有机质)=45.2 g·kg-1；w(碱解氮)=137 g·kg-1；w(有效磷)=16.5 g·kg-1；w(速效钾)=150 g·kg-1；pH(H2O)=5.4。

供试水稻(Oryza sativa L.)为籼型杂交稻品种威优644(V644)，金优207(JY207)和籼型常规稻品种湘晚12号(XW12)，丰华占(FHZ)，湘阴农科所提供。

大田旱育秧。6月22日播种，7月15日选取生长一致的幼苗进行移栽。N肥施用时期分别为7月14日施基肥，7月22日施分蘖肥，9月5日施穗肥。按照每亩施m(N) =16 kg， m(P2O5) =10 kg, m(K2O) =12 kg。基肥和分蘖肥占施N总量的60%，穗肥占施N总量的40%。P、K肥全部以基肥施用。水分管理为7月14日至8月31日保持浅水层(约5 cm)，9月1日至9月28日进行多次晒田，10月15日收割。适时进行病虫害防治。水稻收获后分为根系和地上部两部分，在70 ℃烘箱烘干至恒质量。

1.3 微根管法

植物根系生长监测系统CI-600 （CID Inc., Camas, WA, USA）分为微根管（Minrhizotron）、扫描系统、图像分析软件3大部分。

微根管(Minrhizotron)：即透明的树脂玻璃管(内径6.4 cm，外径7.2 cm，长50 cm)。观测前，将透明根管与水平面呈45°(JOHNSON等，2001)预埋在土壤中，露出土壤部分以锡箔纸包裹，上端用橡皮帽盖住，以避光、水分和灰尘。

扫描系统：每次扫描前，将旋转式CCD线性扫描头(Canon Scan，直径6.4 cm，长34.3 cm)连接着到笔记本电脑，将扫描头放入Minirhizotron白色标定管中标定1 min；标定完成后，即可进行根系扫描。操作时，将扫描头伸入到Minrhizotron管中，用Canon Scan Toolbox 3.0进行操作，扫描头可自动扫描根管360°，电脑获取并保存高分辨率BMP格式储存的图像(21.6 cm×19.6 cm)。自水稻分蘖期开始测定，每4周测定一次，每次测24个样，直到水稻生长结束。

图像分析：用WinRHIZOtron (FA. Règent, Canada)图像分析软件将获取的根系图像进行分析。获取每根微根管可视单位面积上根长密度、根数、根表面积和根体积等数据。

1.4 数据分析

采用Excel和SAS 9.1软件对所得数据进行处理与分析，单方面分类的方差分析(One-way ANOVA), Duncan’s multiple-range test多重比较检验显著性差异(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度升高对水稻生长的影响

CO2浓度升高对水稻地上部和根生物量的影响见表1。二氧化碳浓度升高明显促进了地上部和根的生长，但品种间的增长幅度存在一定的差异性。4种水稻品种地上部生物量的增幅分别为9.88%、11.32%、8.58%、12.66%；根的增幅分别为12.13%、9.64%、3.16%、9.64%。

2.2 CO2浓度升高对水稻根系形态的影响

CO2浓度升高条件下，不同品种水稻在4个生长发育期(分蘖期、抽穗期、灌浆期、黄熟期)的根长密度见图1。与对照CO2相比，高CO2浓度下，4种水稻品种的根长密度在各生育期都显著增加。高CO2浓度下水稻V644的根长密度在生长发育期间增加了11%～21%，但在抽穗期没有明显变化，整体上平均增加了10%；JY207的根长密度比CO2对照处理增加了4%～16%，平均增幅10%；XW12的根长密度比对照增加了17%～40%，平均增加了27%；FHZ的根长密度在4个生长发育时期的增幅达6%～54%，平均增加24%。从整个生育期看，品种V644和JY207的变化趋势较为一致，根长密度随着水稻的生长不断增大，且CO2浓度升高也促进了根长密度的增加。品种XW12和FHZ则表现出较大的相似性，根长密度也都随着水稻的生长不断增加，但在黄熟期的根长密度出现下降变化，但CO2浓度升高处理均显著增加了根长密度。

表1 CO2浓度升高对水稻地上和根生物量的影响Table 1 Effect of elevated CO2on shoot and root biomass of rice

图1 CO2浓度升高对4种水稻根长密度的影响Fig.1 Effect of elevated CO2on root length density of four rice varieties

CO2浓度升高条件下，不同品种水稻在4个生长发育期（分蘖期、抽穗期、灌浆期、黄熟期）的根表面积见图2。与CO2对照相比，CO2浓度升高显著增加了各生育期水稻品种的根表面积。高CO2浓度下水稻V644的根表面积增加了12%～38%，平均增加了24%；JY207的根表面积增加了19%～31%，平均增幅24%；XW12的根表面积增加了6%～39%，平均增加21%；FHZ的根表面积增幅达8%～59%，平均增加21%。CO2浓度升高显著增加了水稻根表面积，4个品种的根表面积随着水稻的生长也不断增加，平均增幅达20%以上。

图3 CO2浓度升高对4种水稻根体积的影响Fig.3 Effect of elevated CO2on root volume of four rice varieties

CO2浓度升高条件下，不同品种水稻在分蘖期、抽穗期、灌浆期、黄熟期的根体积见图3。与CO2对照相比，CO2浓度升高显著增加了各生育期水稻品种的根体积。高CO2浓度下水稻V644的根体积增加了20%～76%，平均增加了40%；JY207的根体积增加了11%～47%，平均增幅25%；XW12的根体积增加了20%～75%，平均增加了58%；FHZ的根体积增幅达8%～59%，但在灌浆期没有明显变化，整体上平均增加20%。4种水稻在生长发育过程中表现出不同的生长变化，品种V644和JY207的根体积表现出较快的增长趋势，品种XW12和FHZ的增长比较平稳，但CO2浓度升高处理均显著增加了不同水稻品种的根体积。

CO2浓度升高条件下，不同品种水稻在分蘖期、抽穗期、灌浆期、黄熟期的根数见图4。与CO2对照相比，高CO2浓度显著增加了各生育期水稻品种的根数。高CO2浓度下水稻V644的根数增加了4%～14%，抽穗期降低了7%，整体上平均增加4%；JY207的根数增加了6%～10%，平均增幅为8%；XW12的根数增加了13%～24%，平均增加18%；FHZ的根数增幅达4%～19%，平均增加11%。各个品种根数的变化与其根长密度的变化趋势相符。随着水稻的不断生长，根数逐渐增多，同时CO2浓度升高处理也促进了根数的增加。

3 讨论

图2 CO2浓度升高对4种水稻根表面积的影响Fig.2 Effect of elevated CO2on root surface area of four rice varieties

图4 CO2浓度升高对4种水稻根数的影响Fig.4 Effect of elevated CO2 on root tips of four rice varieties

CO2浓度对水稻生物量的影响，因供试品种、光照、温湿度、地理位置等因素使得结果有不同的变化，但CO2浓度升高均显著增加水稻的生物量(LOU等，2008；MADAN等，2012；UPRETY等，2010；李中阳等，2013)。OTCs研究显示高CO2浓度处理不仅显著增加水稻的生物量，而且增加其根冠比（LI等，2010；李中阳等，2013）。FACE平台的研究也显著提高了水稻的产量、结实率和有效穗数(黄建晔等，2005)。同时大气CO2升高使水稻根系生物量显著增加也被很多研究证实(黄建晔等，2005；康辉，2008；牛耀芳等，2011)。刘红江等(2008, 2009)研究表明，FACE处理使籼优63在抽穗期每穴根干物质质量显著大于对照，平均比对照增加50.20%；粳稻武香粳14在两个不同年份抽穗期FACE处理分别比对照增加39.79%和36.74%(杨洪建等，2005)）。本次研究中，CO2浓度升高显著提高水稻的生物量，平均增加9.62%。这与前人的研究结果基本一致。

但利用微根管研究CO2浓度升高对水稻根系的影响报道较少，到目前为止，仅LOU等(2008)报道了高CO2浓度处理使日本4种水稻品种不同时期根长比对照增加了8.56%～68.7%。CO2浓度升高条件下，根系形态发生变化主要表现在根系明显发达，根变粗，次生根数量和土表根系数量增加(陈改苹等，2006)。水稻的根质量、根长、直径、体积等指标在不同生育期显著高于正常CO2浓度的处理(杨洪建等，2005；杨洪建等，2006)。与CO2对照相比，我们的根系结果在高CO2浓度下，水稻的各项根系形态指标在分蘖期、抽穗期、灌浆期、黄熟期都有不同程度的变化。同时不同品种间表现出不同的变化趋势。籼型杂交稻V644和JY207的根长密度和根数在水稻生长期间均表现出近似线性的增长趋势。而籼型常规稻XW12和FHZ的生长变化趋势则表现一致，灌浆期出现近似饱和的点，随着生长各指标又略有降低。CO2浓度升高条件下，4个品种的根体积在生育期的整体平均增幅达到20%～58%，籼型杂交稻V644和JY207的根体积在水稻生长发育期间出现了较快的生长；籼型常规稻XW12和FHZ的根体积生长则表现为平稳的增加趋势。杨洪建等(2005)研究报道FACE处理促进水稻根系在分蘖期大幅增加，使得武香粳14的根系体积、不定根总长度和根数显著大于对照，但对拨节期的根系生长影响较小，甚至是负作用。而刘红江等(2008)的研究则表明FACE处理能够显著增加杂交籼稻汕优63苗期、拨节期和抽穗期的根体积、不定根总长度和根数。李中阳等(2013)的研究报道CO2浓度升高显著增加杂交稻幼苗粤杂889的根体积，但却降低了荣优398的根体积。对于不同的水稻品种，根系生长对CO2升高的响应表现出不同基因型差异，造成CO2升高在水稻生育前期或后期对根系的生长发育起促进作用。根体积的增加表现在根粗的增加，进而表现为根表面积的增加趋势。根长和根直径对CO2升高的积极响应能够促进根表面积的增加，提高根系的新陈代谢和获取养分的能力(NIE等，2013；牛耀芳等，2011)s。我们课题组以往的研究表明，CO2浓度升高增加水稻幼苗根系的根毛数、总根长、表面积和根体积，增加了根系同营养液中养分的接触，增强根系吸收养分的能力。根系对植物生物量积累起着重要的作用，根系发育程度的好坏直接影响着其发育的优劣及对养分的吸收利用等方面。而利用Minirhizotrons微根管技术原位、定点、非破坏性的长期研究CO2浓度升高对水稻根系生长变化有着重要意义。CO2浓度升高及其与其他环境因素共同作用于水稻，及不同基因型水稻对高CO2浓度处理表现出的不同响应，对根系生长变化、养分吸收、生理动态等因子的相互关系，我们还将进行深入研究论证。

4 结论

（1）CO2浓度升高显著增加了水稻地上部和根的生物量以及根长密度、根表面积、根体积和根数。高CO2浓度水平下4种水稻的地上部生物量分别比对照增加了9.88%、11.32%、8.58%、12.66%；根生物量增幅分别为12.13%、9.64%、3.16%、9.64%。根长密度、根数、根体积、根表面积平均增幅分别为10%～27%，4%～18%，20%～58%和21%～24%。

（2）4种水稻根系对CO2浓度升高都有积极的响应。CO2浓度升高和对照处理，籼型杂交稻V644和JY207的根系形态都呈现出近线性的生长趋势；而籼型常规稻XW12和FHZ的根系形态在生长生育后期达到一个近似饱和的拐点。

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Response of root development on elevated CO2and its variation among different rice varieties

WU Huibin1, SONG Zhengguo1, SHEN Yue2, TANG Shirong1，LIU Zhongqi1*

1. Centre for Research in Ecotoxicology and Environmental Remediation, Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China; 2. Science and Technology Department, Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China

Mimirhizotrons is a non-destructive, fixed-point, in situ method for directly viewing and studying plant root dynamics. The minirhizontrons for studying biomass and root morphology variation of rice (Oryza sativa L.) in the field of greenhouse were employed in the study. Completely randomized design was used. The results showed that, the aboveground biomass of four rice varieties (two indica hybid and two indica convention) increased significantly from 8.58% to 12.66% (mean value 8.64%) with elevating CO2concentration. There were positive effects on root length density, surface area, volume, and tips number at four growth stages (tillering, heading, grain filling period, and ripening period) of rice varieties with elevated atmospheric CO2. The ranges of root length density, surface area, volume, and tips number were 10%-27%, 21%-24%, 20%-58%, and 4%-18%, respectively. There were significant differences among rice varieties during rice root growth with CO2treatment. The root length density and tips of indica hybrid rice varieties (V644 and JY207) showed the similar trends in the rice growth periods, the mean percentages of root length density and tips increased by 10%, 10%, and 4%, 8%, respectively. The average values of root volume and surface area of V644 and JY207 were up to 40%, 25%, and 24%, 24%, respectively, indicating linear growth trend. The indica convention rice XW12 and FHZ had the same growth trend, while the increase rate of root growth parameters was relatively gentle and reached an approximation saturation point at the late growth stage of rice. Under CO2treatment condition, the four root parameters (root length density, tips, volume, and surface area) of XW12 increased 27%, 18%, 58%, and 21%, ,and of FHZ were up to 24%, 11%, 20%, and 21%, respectively.

Minirhizotrons; CO2treatment; root morphology; rice varieties

Q948

A

1674-5906（2014）03-0439-05

武慧斌，宋正国，沈跃，唐世荣，刘仲齐. 水稻根系生长发育对CO2浓度升高的响应及其品种间的差异[J]. 生态环境学报, 2014, 23(3): 439-443.

WU Huibin, SONG Zhengguo, SHEN Yue, TANG Shirong, LIU Zhongqi. Response of root development on elevated CO2and its variation among different rice varieties [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(3): 439-443.

国家自然科学基金项目(41071217)

武慧斌（1982年生），女，博士研究生，主要研究方向为气候变化与土壤污染修复。E-mail: whb20040706@163.com。

∗通讯作者：E-mail: liuzhongqi508@163.com

2013-12-09