不同干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下水稻根系生长及功能差异

陆大克，段 骅，王维维，刘明爽，魏艳秋，徐国伟*

（1 河南科技大学农学院，河南洛阳 471003；2 天津市农业科学院农作物研究所，天津 300112）

水分和氮素是作物生长发育中两大影响因子，水氮互作对改善作物的生长环境，特别是根系生长环境，促进地上与地下部的协调，进而提高产量具有重要意义。根系是植物在生长发育过程中吸收水分和养分的重要器官[1]，健壮的根系能够为作物生长提供充足的养分和水分，保证作物高产[2]。近年来关于水稻根系的研究已经成为国内外学者研究的重要热点问题，前人就水分和氮素对水稻根系形态、根冠比、根系超微结构、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]。

干湿交替灌溉是一种行之有效的节水灌溉方式[13-14]，田间水分状况由淹水转变为控制灌溉或相对轻度水分胁迫，土壤含氧量增加，氮素形态由铵态氮为主转变为铵态氮和硝态氮混合状态，水稻生长环境发生较大改变[15]。根系生长受水分胁迫和氮肥形态等多因素影响。宋娜等[7]研究不同氮素形态及水分胁迫对水稻水分关系影响发现，单一施用铵态氮或硝态氮或混合施用时，铵硝1∶1混合的状态下更利于水稻的成长，使水稻具有较高的根系活力、干物质积累及产量。周毅等[8]研究发现NH4+-N有利于水分胁迫下水稻根系的生长，有利于提高分蘖期生物量。吴芳等[9]研究表明，干旱胁迫促进铵硝混合处理的水稻根系发育，NH4+-N处理下，根系生物量增量明显高于铵硝混合及NO3--N处理。柏彦超等[16]认为水分胁迫下，随NO3--N比例的增加，根系总吸收面积、活跃吸收面积升高。可见前人的研究观点并不一致，同时前人对不同水分与氮肥形态下根系的研究较多集中在水培及苗期试验上。本试验通过对水分的动态管控，研究全生育期不同干湿交替灌溉与氮肥形态耦合对水稻根系形态、根系活力、伤流液成分的影响，旨在探索干湿交替灌溉与氮肥形态耦合机理，为水稻高产及根系生理提供理论及科学依据。

1 材料和方法

1.1 材料与试验地概况

试验于2016—2017年在河南科技大学试验农场进行，供试品种为徐稻3号。试验地属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年平均气温12.1～14.6℃，年降水量600 mm。采用防雨棚池栽方式，池长9.0 m、宽2.0 m、深0.4 m。土培池土质为黏壤土，土壤含有机质14.2 g/kg、碱解氮75.3 mg/kg、有效磷4.9 mg/kg、速效钾120.9 mg/kg。

1.2 试验设计

采用土培法，进行灌水方式和氮肥形态二因素随机试验，各种方式下磷、钾肥用量均一致。设置三种水分处理分别为：全生育期浅水层灌溉 (对照CK，0 kPa，分蘖末期进行轻度搁田)；轻度干湿交替灌溉WMD (浅水层→自然落干至土壤水势-20 kPa→浅水层→自然落干至土壤水势-20 kPa，活棵后如此循环，分蘖末期进行轻度搁田)；重度干湿交替灌溉WSD (浅水层→自然落干至土壤水势-40 kPa→浅水层→自然落干至土壤水势-40 kPa，活棵后如此循环，分蘖末期进行轻度搁田)。安装真空表式负压计 (中国科学院南京土壤研究所生产) 监测土壤水势，将其陶土头底部置15 cm土层处，塑料大棚挡雨[17]。同时设置三种氮肥形态 (总施氮量全生育期一致为240 kg/hm2)，按照铵硝比 (NH4+∶NO3-) 分别为：100∶0 (100%NH4+)、50∶50 (即 1∶1)、0∶100(100%NO3-)。对应的肥料分别为分析纯硫酸铵[(NH4)2SO4]、硝酸铵 (NH4NO3) 和硝酸钠 (NaNO3)。氮肥运筹按照4∶1∶5于移栽前1天、移栽后7天和幼穗分化期施用。各处理均于移栽前施用过磷酸钙 (含P2O513.5%) 300 kg/hm2和氯化钾 (含K2O 52%)195 kg/hm2。大田育秧5月10日播种，6月10日移栽，每穴2苗。全生育期严格监测水分及病虫草害，其余管理与高产田一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水稻根系形态的测定 分别于分蘖盛期、穗分化始期、抽穗期和成熟期，从各处理取样3穴。每穴以水稻茎基部为中心，挖取20 cm (长) × 20 cm(宽) × 30 cm (深) 的土块，装于70目的筛网袋中，先用流水缓慢冲洗，再用农用压缩喷雾器冲至干净，剪去地上部，称取根鲜重。用扫描仪 (Epson Expression 1680Scanner，Seiko Epson Corp.，Tokyo，Japan) 扫描根系形态，WinRHIZO根系分析系统 (Regent Instruments Inc.，Quebec，Canada) 进行分析。然后将鲜根及地上部置于烘箱内105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，称量根系干重和地上部干重，计算根冠比。

1.3.2 根系氧化力测定 分别于分蘖盛期、穗分化始期、抽穗期和抽穗后20天，各处理取样3穴，用α-萘胺法测定根系氧化力[18]。

1.3.3 根系伤流液收集 分别于分蘖盛期、穗分化始期、抽穗期和抽穗后20天，各处理取样3穴，于下午6时在茎基部，离土表约12 cm处剪去植株地上部分，将预先称重的带有脱脂棉的玻璃试管倒套于留在田间的稻茎的剪口处，盖上塑料薄膜，于第2天早8时取回试管称重，两次称重的差值即为根系伤流量[19]。用注射器将脱脂棉吸取的伤流液挤出于10 mL离心管中，-30℃保存用于伤流液中组分的测定。

1.3.4 伤流液中可溶性糖、蛋白质、氨基酸含量的测定 可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[20]，蛋白质含量的测定采用考马斯亮蓝G-250染色法[20]，氨基酸含量测定采用水合茚三酮显色法[21]。

1.3.5 产量及穗部性状考察 成熟期取每个处理取2个5穴用于考种，计算单位面积的穗数、每穗粒数、结实率和千粒重。取2 m2实收计产。

1.4 数据处理与分析

用 SAS/STAT (version 6.12，SAS Institute，Cary，NC，USA) 进行数据方差分析，Origin8.5绘制图表，图中数据用平均值 ± SE表示。

因两年的试验结果趋势一致，故本文根系性状以2017年的数据表示。

2 结果与分析

2.1 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合对水稻根系形态的影响

由图1可知，重度干湿交替 (WSD) 严重影响了水稻整个生育期根系的生长发育，不适宜水稻的水分管理。

不同灌溉方式下氮肥形态对水稻根长的影响不一 (图1)。CK条件下100%铵态氮处理的根长各生育期均显著高于铵硝混合50∶50和100%硝态氮处理；穗分化始期～成熟期，铵硝混合50∶50的根长显著高于100%硝态氮处理。轻度干湿交替灌溉(-20 kPa) 下，100%铵态氮和铵硝混合50∶50处理各生育期根长差异不显著，但均显著高于100%硝态氮处理，只有幼穗分化始期铵硝混合50∶50处理根系长度显著高于100%铵态氮处理，与100%铵态氮相比，增加8.1%。说明100%硝态氮处理显著抑制水稻根长，不适于单独作为水稻氮源。

图 1 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下不同生育期水稻根长Fig. 1 Rice root lengths at the four growth stages under different dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

在100%铵态氮处理下，轻度干湿交替 (WMD)处理的根长只在成熟期显著高于CK。在铵硝混合50∶50处理下，WMD处理的根长各生育期均显著高于CK，在分蘖盛期增幅最大，增加17%。

由图2可知，重度干湿交替严重影响了水稻整个生育期根系平均直径大小，不适宜水稻的水分管理。

图 2 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下不同生育期的水稻平均根直径Fig. 2 Average root diameters of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

无论是保持水层还是干湿交替灌溉处理，水稻平均根直径均以硝铵比50∶50处理最高，分别比100%铵态氮处理增加了8.7%、13.5%，而100%硝态氮处理抑制水稻平均根直径的增加 (图2)。

与CK处理相比，WMD灌溉下的平均根直径100%铵态氮处理提高了0.37%～15.8%，硝铵比50∶50处理提高了3.98%～25.2%，100%硝态氮处理提高了2.59%～17.16%；而WSD下的平均根直径，在幼穗分化始期，100%铵态氮处理降低了20.6%，硝铵比50∶50处理降低了22.0%，100%硝态氮处理降低了20.8%。

由图3可知，重度干湿交替严重影响了水稻整个生育期根系表面积大小，不适宜水稻的水分管理。CK灌溉下，100%铵态氮和硝铵比50∶50处理的根系表面积，除成熟期之外，差异不显著，但均显著高于100%硝态氮处理 (P＜ 0.05)。在WSD下，硝铵比50∶50的根系表面积最大，与100%铵态氮相比，平均增加18.1%～24.8%，显示其更有利于水稻根表面积的增加 (图3)。

图 3 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下水稻不同生育期平均根表面积Fig. 3 Average root surface area of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

在同一氮肥形态下，WMD与CK相比，显著增加穗分化始期及抽穗期根系表面积，如穗分化始期，100%铵态氮处理增加了16.4%，硝铵比50∶50处理增加了25.2%，100%硝态氮处理增加了9.7%，说明轻度干湿交替灌溉有利于根表面积的增加。

由图4可知，重度干湿交替严重影响了水稻整个生育期根体积大小，不适宜水稻的水分管理。CK灌溉下，100%铵态氮和硝铵比50∶50处理根系体积无明显差异 (成熟期除外)，但均显著高于100%硝态氮处理；在WMD灌溉下，硝铵比50∶50处理的根系体积最大，与100%铵态氮相比，平均增加了2.95%～4.29%，而100%硝态氮处理则抑制水稻根体积的增加。

图 4 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下水稻不同生育期平均根体积Fig. 4 Average root volume of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

WMD显著增加根系体积，除分蘖期外，与CK相比，100%铵态氮、硝铵比50∶50、100%硝态氮处理的根系体积依次增加了9.34%～8.1%、5.27%～26.4%、7.88%～22.4%。

由图5可知，重度干湿交替严重影响了水稻整个生育期根尖数，不适宜水稻的水分管理。CK下，100%铵态氮处理有利于根尖数的增加；硝铵比50∶50处理的根尖数最多，在WMD下，比100%铵态氮处理增加了8.19%～13.9%，在WSD下平均增加了3.62%～11.4%，说明硝铵比50∶50更有利于水稻根尖数的增加，而100%硝态氮处理显著抑制水稻根尖数的增加 (图5)。

100%铵态氮处理下，WMD抽穗前根尖数比CK显著增加了12.9%～20.7%，硝铵比50∶50处理下增加了4.62%～5.66%，100%硝态氮处理下增加了14.2%～26.0%。说明适宜的水分胁迫有利于根尖数的增加。

2.2 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合对水稻根系活性的影响

根系氧化力的大小反映根系活力的差异，氧化力越大，根系活力也相对较大。

图 5 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下水稻不同生育期平均根尖数Fig. 5 Average root tip numbers of rice at different growth stages under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

随着生育进程的推进，水稻的根系氧化力呈现出先增加后降低的趋势，在幼穗分化期达到峰值，之后有所降低。不同灌溉方式下氮肥形态对水稻根系氧化力的影响不一。就CK而言，以100%铵态氮处理最高，100%硝态氮则显著降低根系活性。硝铵比50∶50处理的根系氧化力最大，在WMD下比100%铵态氮处理增加了9.46%～13.61%，WSD下增加了7.62%～22.7%，说明硝铵比50∶50更有利于水稻根系氧化力的增加，NO3-显著抑制水稻根系氧化力的增加 (图6)。

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

2.3 干湿交替与氮肥形态耦合对水稻根系伤流液成分的影响

由图7可知，重度干湿交替严重影响了水稻整个生育期根系伤流液中氨基酸、蛋白质及可溶性糖的含量，不适宜水稻的水分管理。

CK及WMD下，硝铵比50∶50处理的根系伤流液中氨基酸、蛋白质、可溶性糖含量最高，三种成分分别比100%硝态氮处理增加了7.5%～20.4%、28.7%～57.3%、5.2%～27.1%，说明铵硝混合更有利于水稻根系伤流液中氨基酸、蛋白质、可溶性糖含量的增加；NO3处理显著抑制水稻根系中氨基酸、可溶性糖含量的增加 (图7)。

图 6 干湿交替灌溉与氮肥形态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

与CK相比，WMD下硝铵比50∶50处理根系伤流液中氨基酸含量提高了4.96%～19.0%，蛋白质提高了12.6%～25.4%(抽穗期前)，可溶性糖提高了9.73%～80.8%，说明适度的水分胁迫增加伤流液中各成分的含量。

2.4 干湿交替与氮肥形态耦合对水稻产量及产量构成的影响

不同水氮处理对徐稻3产量及产量构成因素的影响不同，干湿交替灌溉与氮肥形态间存在明显的耦合效应 (表1)。CK灌溉方式下，铵硝比100∶0、50∶50和0∶100三个处理水稻产量依次显著降低；WMD和WSD下，铵硝比100∶0和50∶50处理的产量差异不显著，但均显著高于100% 硝态氮处理。WSD灌溉处理下的水稻产量所有供氮处理均显著低于CK和WMD，已失去了以肥调水的可能性。采用铵硝比50∶50及WMD灌溉，水氮耦合效应最高，最有利于产量的提高。

图 7 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合下水稻不同生育期根系伤流组分含量Fig. 7 The contents of rice root bleeding components under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

从产量构成上分析，在硝铵比50∶50处理下，与CK相比，WMD显著增加籽粒结实率及千粒重，说明WMD改善了籽粒灌浆，有利于产量提高；WSD则降低单位面积穗数及每穗粒数，最终产量显著降低。在同一灌溉方式下，与NH4+相比，CK下NO3-处理显著降低单位面积穗数和每穗粒数，从而导致产量降低；干湿交替灌溉处理下，与100%NH4+相比较，硝铵比50∶50处理，每穗粒数虽降低，但提高了结实率及粒重，增加之得大于减少之失，最终导致硝铵NH4NO3处理产量增加，而施用100%NO3-处理单位面积穗数下降，产量最终显著降低。

2.5 不同时期根系性状与产量的相关关系分析

由表2可知，水稻根系形态及生理特性与产量存在一定的相关关系。水稻产量与根长、根表面积、根体积、平均根直径、根尖数、根系氧化力、根系伤流液中可溶性糖、蛋白质、氨基酸含量之间存在显著 (P＜ 0.05) 或极显著 (P＜ 0.01) 正相关关系。表明水稻各生育期根系形态及生理活性的大小与产量关系密切。

3 讨论

3.1 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合对水稻根系形态的影响

根系是作物吸收养分的重要器官之一，对作物有支持、固定与保护的作用。铵态氮可以促进植物根系变短、加粗，对侧根的生长发育有着积极的作用；而硝态氮对植物长度的增长起到积极促进作用，影响侧根数量变化[22-26]。在正常土壤水分条件下，有研究表明，与硝态氮处理相比，铵态氮和铵硝混合1∶1两种处理下的根长、根表面积、根体积明显减小，而根系平均直径增大[22]。本试验结果表明：在保持水层的条件下，纯铵态氮处理根系具有较大的根长、根表面积、根体积、根尖数。在保持水层下，虽然根系长期处于无氧的环境中，有氧呼吸性较差，代谢变慢，土壤含氧量相对较低，但是作物吸收利用铵态氮所需能量较吸收硝态氮能量更少，且水稻具有喜铵的习性，其根系细胞增加的速度更快，另一方面铵态氮能使植物根际和质外体pH降低，进而使水稻对矿质元素的吸收有效性提高，从而促进生理生化过程；高浓度的硝态氮会导致植物根际pH升高，抑制根系对矿质营养的吸收，因此，铵态氮处理下，根系表现出较好的生理性状。

干湿交替灌溉后，土壤含氧量增加，氮素形态由铵态氮为主转变为铵、硝混合状态，水稻根系形态发生变化。周毅等[27]研究认为，与铵硝混合营养和单一NO3--N营养相比，水分胁迫下NH4+-N营养最利于提高分蘖期生物量，主要促进了根系生物量增加。王东升等[28]研究表明，与全铵施肥下的水稻比较，铵硝混合施肥根毛数量、根表面积、根干重均显著增加。本研究表明，在干湿交替灌溉下，与单一的铵态氮相比较，铵硝混合处理根系形态得到明显改善。其原因是干湿交替灌溉也改变了土壤的通气状况，使土壤的含氧量增加，铵硝混合处理能够提供不同的氮肥形态，更能满足根系对氮素的选择性吸收，根际环境更加优越。这表明在生产实践中，要根据土壤水势状况合理的运用不同的氮肥形态，满足水稻生长发育的需求。本研究还发现，硝态氮肥处理并不能明显的改善重度水分胁迫下的根系的形态，这可能是重度干湿交替灌溉下水稻的光合速率受到严重的抑制，地上部生长受阻，保障根系生长的能量物质降低，难以维持正常根系的生长。可见适宜的土壤水势是根系生长的保障，较高的硝态氮比例并不能明显改善重度水分胁迫下的根系形态。

表1 干湿交替与氮肥形态耦合下的水稻产量及产量构成因素Table 1 Rice yield and its components under dry-wet alternative irrigation coupled with nitrogen forms

表2 不同生育期根系形态及生理指标与产量的相关关系Table 2 Correlation of root morphological and physiological indexes with rice yield at different growth stages

3.2 干湿交替灌溉与氮肥形态耦合对水稻根系活力及伤流成分的影响

根系伤流强度反映根系的整体机能状况，也是根系活性的重要表现[29-32]，伤流液中激素、氨基酸、蛋白质、可溶性糖等物质，对根系的生长及信号调控具有重要的作用[33-34]。正常水分供应条件下，适当的提高硝态氮肥的比例 (铵硝配比1∶1)，不影响各营养器官中铵态氮、可溶性蛋白含量[22]，根系活力显著性提高[32]。沈淮东[35]认为正常水分下，硝态氮处理水稻伤流液可溶性糖含量最高。本研究结果表明，在保持水层下，铵硝混合1∶1时，根系伤流液中氨基酸、蛋白质的含量增加。说明在淹水灌溉下，施用一定量的硝态氮肥有利于伤流中氨基酸、蛋白质的增加，提高根系及植株地上部的碳氮代谢能力。其原因可能是铵硝混合下，硝态氮刺激了水稻对于铵态氮的吸收，提高了对铵态氮的同化能力。

水分胁迫下不同氮肥形态对根系活性及伤流组分有何影响？是否与保持水层相一致？赵峰等[32]认为在根际溶氧量较低时 (溶氧量0～1.0 mg/L)，铵硝混合营养比单一的铵态氮营养显著提高了根系的活力。本研究表明，在轻度干湿交替灌溉下，铵硝1∶1混合时根系活性及伤流组分含量均显著提高，可溶性糖含量也增加，表明根系碳氮代谢较为旺盛。干湿交替灌溉下，土壤处于还原、氧化交替变化过程，硝态氮成为水稻干旱条件下重要的氮源，能够促进根系活力的提高，而在复水的过程中，水稻根系处于还原状态，纯硝态氮肥不能满足水分动态变化的需求。重度水分胁迫下，氮肥形态处理降低伤流组分含量，蛋白质、可溶性糖含量在硝态氮下较高，说明硝态氮具有增加伤流液中组分含量的作用。因此，适度比例的铵硝营养有利于根系活性及伤流组分含量的积累，提高植株的代谢能力，促进植株生长。

3.3 根系形态生理指标与产量的相关关系

良好的根系形态，有利于地上部生物量的积累，获得高产[36-37]。张耗等[38]研究了水稻品种演替过程中产量的变化，得出根干重、根长、根直径、根系氧化力、根系总吸收表面积和根系活跃吸收表面积与产量呈极显著线性正相关关系；颖花数、粒重和产量与根系分泌物、伤流液中有机酸和氨基酸组分和浓度显著相关。蔡昆争等[39]分析了10个现代水稻品种的群体根系特征与地上部生长发育和产量的关系，结果表明，分蘖期和抽穗期的根体积、根重量、根冠比和根活力与分蘖数的相关性均不显著，抽穗期和成熟期的根冠比与产量均呈极显著的负相关。郭连安[40]研究了水稻根系特性得出，生育后期水稻根系活力、伤流强度、伤流液中氨基酸、蛋白质和可溶性糖含量均与产量呈正相关性。本试验研究了不同氮肥形态下根系形态生理变化与产量之间的相关性，得出水稻根系形态及生理特性与产量存在一定的相关关系。水稻产量与根长、表面积、根体积、平均根直径、根尖数、总吸收面积、活跃吸收面积、氧化力、根系伤流液中可溶性糖、蛋白质、氨基酸含量之间存在显著 (P＜ 0.05) 或极显著 (P＜0.01) 正相关关系。说明不同氮肥形态影响水稻根系的生理性状，调控水稻的生长发育及产量形成，改善根系形态生理特性，有利于产量的提高。同时观察到，轻度干湿交替灌溉下根系能够向下层土壤生长，提高根系吸收面积，有利于养分的吸收及同化，根系合成的细胞分裂素 (玉米素和玉米素核苷)含量明显增加[3]，能够协调地上地下部生长，促进水稻籽粒灌浆，延缓植株衰老[41]，从而有利于产量的形成。重度干湿交替灌溉下，根系形态及生理功能均受到抑制，降低根系吸收养分及水分的能力，最终表现为结实率及千粒重降低，不利于产量的形成。可见在生产实践中，通过适宜的水分管理方式及氮肥形态调控，优化根系形态及生理功能，可以促进籽粒灌浆，提高结实率及千粒重，对于水稻高产有着重要的意义。

4 结论

适宜的干湿交替灌溉有利于水稻构建良好的根系形态，提高根系活力。配合氮素以铵硝1∶1供给，水稻各生育期不仅可以形成较大的根体积、表面积和根尖数，保持根系氧化活力最优，根系伤流液中可溶性糖、蛋白质、氨基酸含量也最高，根系代谢旺盛，是最终高产的直接原因。虽然浅水灌溉下，全供应铵态氮和氮素以铵硝比1∶1供给也取得了良好的根系促生和产量效果，但综合考虑水肥效率，在水稻生产中，依然推荐适宜的干湿交替灌溉，配合氮素以铵硝比1∶1供给。