溶解氧浓度对水稻分蘖期根系生长及氮素利用特性的影响

胡继杰，钟楚，胡志华，张均华，曹小闯，刘守坎，金千瑜，朱练峰✉

1中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州 310006；2台州市农业科学研究院，浙江台州 317000；3广西药用植物园/广西药用资源保护与遗传改良重点实验室，南宁 530023；4江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 331717

0 引言

【研究意义】水稻属半水生植物，特殊的生长习性决定其根系发育和形态建成与旱地作物有所不同。淹水条件下，为促进根部与外界环境的气体交换，水稻根系成熟区皮层细胞会发生程序化死亡，溶解形成通气组织，由地上部向根部输送氧气以满足根系呼吸[1-4]。但由于氧气在水中扩散率极低，长期土壤渍水或淹水胁迫仍易造成水稻根际缺氧，并产生Fe2+、Mn2+、H2S等大量有毒还原性物质，出现水稻黑根、烂根等症状[5-7]。因此，及时补充根系呼吸所消耗的氧气，对维持水稻正常生长极为重要。【前人研究进展】水稻根系对外界溶解氧浓度变化非常敏感，低氧环境会诱导水稻分蘖期根部溶生性气腔细胞壁断裂，造成通气组织发育不完全，而增氧处理会延伸根系最大根长。水稻不定根数量、根干重、根直径以及根系活跃吸收面积也因根际氧浓度变化和品种特性不同而产生差异[8-10]。受根系活动影响，水稻地上部营养生长也会发生相应改变。溶解氧浓度提高能够增加水稻营养生长时期对矿质元素的吸收总量，促进地上分蘖和叶面积形成，增加光能截获以加快水稻分蘖期生长[11-12]，生育后期还可提高可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性，延缓叶片衰老，促进籽粒灌浆结实[13-14]。另有研究表明，通过增施过氧化钙、过氧化尿素等“氧肥”或采用微纳气泡水灌溉等物理增氧措施可刺激硝化细菌活性，提高稻田土壤硝化强度和有效氮含量，且土壤反硝化强度显著下降，从而提高水稻氮素积累量和氮素收获指数[15-16]。上述研究表明，溶解氧浓度与水稻分蘖期根系生长和植株养分吸收、代谢均有密切联系，其中氮作为水稻需求量最大的矿质养分，氮素循环贯穿于水稻整个生命周期，在调节和维持水稻正常生长发育中发挥了重要作用。但OKAMOTO等[17]、赵锋等[18]研究发现，持续饱和氧浓度会抑制水稻细胞再生，并降低谷氨酰胺合成酶活性，减少水稻氮积累量，且不同基因型水稻对饱和氧的响应存在差异；此外，与全铵营养液相比，铵硝混合营养液可有效缓解水稻生育前期低氧胁迫，配合增氧处理还可促进水稻根系生长和氮素积累[19-20]。【本研究切入点】通过分析发现，溶解氧是影响水稻分蘖期根系形态建成的重要因素，也会对水稻氮素利用产生影响。但前人关于根际溶解氧浓度对水稻氮素利用多集中于营养生长阶段，而对水稻生育中后期的影响研究较少，且所控溶解氧浓度范围较大，难以确定水稻适宜的溶解氧环境。【拟解决的关键问题】本研究以不同生态型水稻为材料，采用营养液培育，研究特定溶解氧浓度对水稻分蘖期根系生长及不同生育阶段，尤其是后期氮素吸收利用的影响，探明适宜水稻根系生长、养分高效吸收利用的溶解氧环境，以期为水稻氧营养研究及高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与方法

在2015年预备试验基础上，试验于2016年在中国水稻研究所实验基地（30°05′ N、119°56′ E，海拔6.5 m）遮雨网室进行，供试水稻品种为中浙优1号（水稻）、IR45765-3B（深水稻）和中旱221（旱稻）。

每个水培池长宽为2.7 m×1.5 m，水深0.8 m，营养液体积3.24 m3。每个水培池中3个水稻品种各种植24株（图1）。5月20日播种，6月14日移栽，选择长势一致的水稻苗种植于聚乙烯树脂板浮床上，行株距为0.2 m×0.2 m。3个品种均为单本移栽，中浙优1号单株带蘖2个，IR45765-3B和中旱221单株带蘖1个，种植孔径4.5 cm，用海绵进行固定。采用国际水稻研究所（IRRI）营养液配方进行培养，氮源为NH4NO3，总氮浓度40 mg·L-1，并加入硅酸钠以保持营养液中的SiO2浓度为6 mg·L-1。移栽期至拔节期为全浓度营养液（期间不更换营养液，下同），拔节期至齐穗期为 1/2浓度营养液，齐穗期至收获期为 1/4浓度营养液。用NaOH和H2SO4控制pH在5.5—5.8。

试验设置5个氧浓度处理，分别为溶解氧浓度1 mg·L-1（T1，低氧）、3 mg·L-1（T2，适度增氧）、5.5 mg·L-1（T3，高氧）和饱和氧浓度（T4），以自然生长处理作为对照（溶解氧浓度为 1.6—2.3 mg·L-1，CK），3次重复。每个水培池中的溶解氧浓度都各由一套在线测试控制系统自动控制（昆腾Q45D，美国），该系统通过氮气和空气实时调节水体溶解氧浓度至设定值。移栽缓苗5 d后开始进行溶解氧浓度处理，定期用便携式溶氧仪进行校对并记录（YSI 550A，美国），各处理水体溶解氧浓度动态变化如图2所示。病虫防治与当地高产田相同。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 全浓度营养液氮素含量测定 开始氧浓度梯度处理后，每隔 1 d，于上午8：00—9：00，在每个水池固定位置用50 mL离心管收集全浓度营养液并带回实验室，用定量滤纸进行过滤，-20℃冷藏保存，共计38 d。参照鲁如坤[21]的方法测定各形态无机氮含量，靛酚蓝比色法测定铵态氮含量，分光光度法测定硝酸盐含量，重氮化偶合分光光度法测定亚硝酸盐含量。

1.2.2 根系活力测定 分蘖期（移栽后24 d）各处理按每穴平均茎蘖数取混合样共3穴，剪取根尖部位，参照李合生[22]的方法，采用TTC法测定根系活力。

1.2.3 根系形态和生物量 于分蘖期（移栽后24 d），各处理按每穴平均茎蘖数取混合样共3穴，小心取下根系后用去离子水进行清洗，采用根系扫描仪（EPSON Scan 2009）进行根系扫描，完整扫描图片用WinRHIZO Pro 2009a分析根系形态指标。将扫描后的水稻根系于烘箱经105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重。

1.2.4 干物质量及植株氮含量 分别于拔节期、齐穗期和完熟期，按各处理每穴平均茎蘖数取混合样5穴，将所取水稻植株分为茎、叶、穗3部分，于烘箱经105℃杀青30 min，80℃下烘干至恒重后称量不同部位的干物质量。称重后的样品混匀粉碎，采用 H2SO4-H2O2消化，以半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量[21]。

1.2.5 测产 各处理全部收获晒干后称重，同时用谷物水分测定仪（Kett PM-8188，日本三久股份有限公司）测定稻谷含水量，并按 13.5%（籼稻）标准含水量来折算产量。

1.3 数据处理与统计分析

氮素积累量=该时期地上部干物质量×含氮率；

氮素总积累量=完熟期地上部干物质量×含氮率；

氮素阶段积累量=后一时期氮素积累量-前一时期氮素积累量；

氮素籽粒生产效率=籽粒产量/氮素总积累量；

氮素干物质生产效率=地上部干物质量/氮素总积累量；

氮素收获指数=籽粒氮素累积量/氮素总积累量；

收获指数=籽粒产量/生物产量。

采用Excel 2010进行数据处理和作图，用SPSS 12.0.1数据分析软件进行统计分析，采用Duncan新复极差法进行处理间显著性检验，显著水平设定为P=0.05。

2 结果

2.1 溶解氧浓度对全浓度营养液中不同形态氮素含量的影响

全浓度营养液中各处理铵态氮含量随处理天数推进，呈下降趋势（图 3-A）。不同处理间，铵态氮含量下降速率随溶解氧浓度上升而变大，T4、T3、T2处理和CK铵盐浓度分别在28、30、32和34 d降至为零，T1处理在 38 d 降低至 1.2 mg·L-1。处理后 0—12 d，不同处理间硝酸盐含量无明显差异。12—38 d，各处理硝酸盐含量表现为T4＞T3＞T2＞CK＞T1。其中T3、T4处理随处理天数推进，呈先上升后下降趋势，在28 d和 26 d 达到峰值，分别为 21.2 mg·L-1和 25.1 mg·L-1。T1、T2处理和CK在12—38 d下降速率趋于平缓，变幅分别在 10.6—17.2 mg·L-1、16.3—19.2 mg·L-1和 14.8—18.8 mg·L-1（图3-B）。所有处理培养液中亚硝酸含量只在6—22 d间有检测到（图3-C）。同一测定时间，T4处理亚硝酸盐含量基本高于其他处理，其次是T3、T1以及T2处理，CK未检测出亚硝酸盐含量。不同溶解氧浓度处理下，总氮含量随处理天数推进，总体先下降后趋于平缓（图 3-D）。不同处理间，总氮含量下降速率随溶解氧浓度上升而变小，其中20—38 d，不同处理间总氮含量表现为T4＞T3＞T2＞CK＞T1。

2.2 不同溶解氧浓度下水稻分蘖期根系形态与活力

2.2.1 根系形态 中浙优1号根系总根长、根体积和干物重均以T4处理表现最低，与CK差异性显著。T2处理增加IR45765-3B根系总根长、总表面积、根体积和干物重，除根体积外，均显著高于其他处理；T4处理下，IR45765-3B上述指标均显著低于CK。中旱221根系总根长、总表面积和干物重均以 T3处理表现最高，T1处理最低，且均与CK差异性显著；T3处理根体积显著高于 T1处理，而平均根直径显著低于 T1处理，其他处理间无显著差异（表1）。3个水稻品种最大根长处理间表现一致：T4＞T3＞T2＞CK＞T1，其中T3、T4处理均显著高于CK。

表1 溶解氧浓度对水稻分蘖期根系形态的影响Table 1 The influence of dissolved oxygen concentration on rice root morphology at tillering stage

2.2.2 根系活力 3个水稻品种在T2和T3处理下根系活力均较CK有所提高，但差异不显著（除IR45765-3B在T3处理下根活力较 CK有所降低外）。T1、T4处理降低水稻根系活力，其中，T4处理与CK差异达显著水平。同一溶解氧浓度条件下品种间根系活力均表现为中浙优1号＞中旱221＞IR45765-3B （图4）。

2.3 不同溶解氧浓度水稻主要生育期植株含氮率和氮素积累的差异

2.3.1 植株含氮率的差异 3个水稻品种植株含氮率随生育期推进逐渐下降，拔节期最高，完熟期最低（图 5）。同一生育时期，不同溶解氧浓度植株含氮率表现不同。拔节期处理间均表现为 T1＞CK＞T2＞T3＞T4，其中T1处理、CK和T2处理含氮率均显著高于T4处理。齐穗期和完熟期3个水稻品种植株含氮率均以 T4处理表现最高，T1处理最低，其中齐穗期 T4处理含氮率均显著高于T1处理、CK和T2处理，完熟期T4处理含氮率显著高于T1处理。

2.3.2 植株氮素积累量的差异 不同溶解氧浓度处理下水稻主要生育时期氮素积累量存在显著差异（表2）。拔节期，中浙优1号植株氮积累量在处理间表现为T2＞CK＞T1＞T3＞T4，IR45765-3B和中旱221均表现为T1＞T2＞CK＞T3＞T4，除中旱221的植株氮积累量T3处理与CK差异不显著外，3个水稻品种的植株氮积累量在T3和T4处理下均显著低于CK。齐穗期，中浙优1号和IR45765-3B氮积累量处理间表现为 T2＞CK＞T1＞T3＞T4，中旱 221表现为 T2＞T1＞CK＞T3＞T4，其中，中浙优 1号和中旱 221的T2处理均显著高于CK，3个水稻品种的T4处理均显著低于CK。3个水稻品种完熟期氮积累量处理间均表现为T2＞CK＞T1＞T3＞T4，其中T4处理显著低于其他处理。

表2 不同溶解氧浓度水稻植株氮素积累量的差异Table 2 Difference in N accumulation of rice under different dissolved oxygen concentrations

由表2可知，3个水稻品种CK、T1和T2处理的阶段氮积累量比例在播种期至拔节期最高，占全生育期的41.1%—48.2%，拔节期至齐穗期次之，占27.7%—35.8%，齐穗期至完熟期最低，占18.6%—26.8%。T3、T4处理品种间表现不同，中浙优1号和IR45765-3B在拔节期至齐穗期阶段氮积累量比例最高，播种期至拔节期次之，齐穗期至完熟期最低，而中旱221随生育期推进，阶段氮积累量所占比例逐渐下降。阶段氮积累量方面，拔节期至齐穗期，中浙优1号的T3处理和中旱221的T2处理氮积累量均显著高于CK。齐穗期至完熟期，除中浙优1号T4处理显著低于CK外，处理间无显著差异。

2.4 不同溶解氧浓度对水稻干物质生产和氮素利用效率的影响

3个水稻品种不同处理间干物质量和产量表现一致，均为 T2＞CK＞T1＞T3＞T4，其中 T4处理均显著低于CK，中浙优1号和中旱221的T2处理产量显著高于CK（表 3）。3个水稻品种 T2处理产量较CK提高1.0%—12.9%，T1、T3和T4处理分别较CK降低1.7%—18.9%、7.6%—23.1%和18.8%—57.0%。收获指数和氮收获指数方面，3个水稻品种T1、T3和T4处理均低于或显著低于CK，T2处理均高于或显著高于其他处理。不同溶解氧浓度3个水稻品种氮素干物质生产效率均以T1处理表现最高，T4处理最低，氮素籽粒生产效率均以 T2处理表现最高。

表3 不同溶解氧浓度水稻氮素利用效率和干物质生产的差异Table 3 Difference in N use efficiency and dry matter accumulation of rice under different dissolved oxygen concentrations

3 讨论

3.1 溶解氧浓度与氮素转化

水稻生长需要大量灌溉水供应，长期淹水环境易导致稻田土壤氧气供应不足。缺氧或低氧化还原条件下，土壤氮素转化发生改变，硝化作用在极低溶解氧浓度环境中几乎停止[23]，而在氧浓度较高的表土或根际土中，硝化强度显著提高[24]。水稻是喜铵植物，对NH4+的亲和力大于NO3-，即使在全铵营养中也能长势良好[25]。本研究表明，将硝酸铵作为水稻氮源，随溶解氧浓度上升，全浓度营养液中的铵盐含量下降速率提高，而硝酸盐含量在低氧下最低，饱和氧下最高，其中饱和氧处理中硝酸盐含量高于最初所添加的浓度，总氮含量下降速度随溶解氧浓度上升而下降。出现上述现象可能是由于：（1）氧气作为电子受体，溶解氧浓度上升可促进铵盐向硝酸盐转化，加快铵盐消耗；（2）溶解氧浓度过高抑制水稻根系活力（图4），影响水稻氮素吸收，且水稻对硝酸盐吸收量较少，从而造成硝酸盐在全浓度营养液中积累；（3）低氧环境下硝化强度减弱，硝酸盐生成减少的同时可供水稻吸收的铵态氮增加，故而造成低氧条件下总氮含量低于其他处理。赵霞等[19]也指出，与单一铵营养相比，铵硝混合营养可促进水稻在持续低氧下对氮的吸收。此外，在土壤硝化过程中，由于亚硝酸盐氧化强度远大于氨氧化强度，足以完成对氨氧化过程产生的亚硝酸盐的氧化，使得土壤中亚硝酸盐含量极低[26]。本研究也发现，全浓度营养液中所测定的亚硝酸盐含量极低或检测不到，表明水体中氨氧化生成的亚硝酸盐会快速转化成硝酸盐，不易稳定存在。

3.2 溶解氧浓度与水稻根系生长和光合物质积累

根系是水稻吸收水分和矿质营养的主要器官，同时也是最先感应地下环境变化并做出响应的部位[27-28]，前人研究表明，根际溶解氧浓度对水稻分蘖期根系生长作用显著[11,29]。本试验以水稻、深水稻和旱稻为材料，以反映不同生态型水稻品种分蘖期根系生长对溶解氧浓度差异的响应。研究发现，与对照相比较，3个水稻品种在适度增氧处理下根系活力均有所提高，而溶解氧浓度过高或过低（T1、T4处理）均会降低根系活性。其中低氧可能是由于水稻根系缺氧严重，细胞呼吸以无氧呼吸为主，ATP合成减少，能量严重不足，限制了根系活性[30]；而在饱和氧环境中，由于根系周围氧化强度上升，致使根系泌氧量减少，从而导致根系活性减弱。SORRELL[31]研究也指出，在完全氧化（饱和氧）的营养液中，植株根部停止释放氧气，而适度的还原性强度有利于改善根系氧环境，提高根系泌氧能力。根系形态方面，3个水稻品种最大根长均随溶解氧浓度上升而提高，低氧和饱和氧浓度处理降低了水稻根系总根长、总表面积、根体积及根干重；适度增氧处理下中浙优1号和IR45765-3B的根系形态指标和干物质量均高于对照，而中旱221在高氧处理下表现最高。上述结果表明，低氧或高氧胁迫均会抑制不同生态型水稻品种根系活性并影响其根系形态建成，且旱稻对高氧胁迫的耐逆性强于水稻和深水稻。朱练峰等[8]研究也指出，水稻根系生长的最适根际氧阈值品种间存在显著差异。

本研究还表明，3个水稻品种不同溶解氧浓度水稻光合物质生产和产量变化表现一致，适度增氧均较对照有所增加，而低氧或者溶解氧浓度过高（T1、T3和T4处理）均会抑制水稻干物质积累，造成产量下降。赵锋等[32]、胡志华等[33]研究也发现，增氧灌溉或适当提高水体溶解氧含量可增加水稻籽粒产量，并指出氧胁迫对深水稻和旱稻产量的影响主要表现在每穗粒数和结实率下降，而不同溶解氧浓度下水稻产量的差异主要因其有效穗数的变化。这表明，虽然根际溶解氧浓度对水稻产量的影响基本一致，但对具体影响哪一产量构成因子及其对产量的贡献，不同生态型水稻品种间存在显著差异。

3.3 不同溶解氧浓度下水稻氮素吸收和利用特性

氮素是水稻吸收量最大的矿质营养，无机氮素通过植物氮循环形成有机氮而参与植物生命活动的各个生理过程[34]。同时，水稻生长需要灌溉水供应，不同土壤含水量势必会改变稻田土壤氧化还原电位和氮素平衡，进而影响水稻氮素吸收和利用特性[35]。本试验中，相较于对照，适度增氧（T2处理）增加了3个水稻品种全生育期氮积累量，但过高溶解氧浓度（T3、T4处理）会抑制水稻氮素吸收；低氧处理下品种间表现不同，其中IR45765-3B和中旱221拔节期低氧处理氮积累量均高于对照，这可能与分蘖后期其他处理全浓度营养液中铵盐浓度下降过快有关（图 2）。通过对不同生育阶段氮积累量及其比例分析发现，高氧和饱和氧处理下，水稻生育中后期阶段氮积累量比例提高，表明过高溶解氧浓度对水稻生殖生长期氮素吸收的胁迫性要弱于营养生长期。

本试验中，适度增氧提高了3个水稻品种氮收获指数和收获指数，而其他处理上述指标均低于对照，其中 IR45765-3B和中浙优 1号下降显著，中旱 221无显著差异，说明缺氧胁迫或溶解氧过高均会抑制碳水化合物和氮素向籽粒转运，且水稻和深水稻受到的胁迫强度高于旱稻，杨洋[36]研究也表明，在通气性更好的旱地环境中，旱稻的收获指数显著大于水稻。此外，适度增氧还提高了3个水稻品种氮素籽粒生产效率，而氮素干物质生产效率均以低氧处理最高。胡志华等[33]研究也指出，增氧能够提高水稻营养生长阶段的氮素干物质生产效率，而从生殖生长开始到成熟的氮素干物质生产效率随溶解氧浓度的升高而降低。表明低氧胁迫虽然可以诱导水稻单位氮素的光合碳同化效率，但并未提高碳水化合物向籽粒有效转运，造成氮收获指数和收获指数下降，适当增氧在提高植株干物质积累的同时还促进碳水化合物向籽粒转运。而在稻田土壤中，由于溶解氧浓度无法直接测定，一般用氧化还原电位间接反映土壤通气状况。通过采用增施过氧化钙或微纳气泡水灌溉等农艺措施来提高稻田水体中的溶解氧浓度，可显著提高土壤氧化还原电位，且单次施用最高可保持半月之久[15-16]。KE等[24]研究指出，氧气能够诱导稻田土壤微生物群落分布，氧浓度上升刺激硝化细菌丰度和活性提高，使得更多的硝酸盐留于土壤中供水稻吸收。肖卫华等[37]研究也发现，根区通气增氧处理增加了根际土壤细菌、真菌和放线菌等微生物的数量。因此，在增氧处理下，水稻根系活性提高和根际有效氮含量上升协同促进水稻植株氮素吸收和利用效率。

4 结论

本文采用水培试验，研究特定溶解氧浓度对水稻分蘖期根系生长及不同生育阶段氮素吸收利用的影响。结果发现，适度增氧可促进水稻根系形态建成，增加植株干物质量和氮素积累，提高水稻氮素利用效率和籽粒产量；溶解氧浓度过高会降低不同生态型水稻品种的根系活性和氮素吸收，且水稻和深水稻受到的胁迫强度高于旱稻；低氧胁迫可提高3个水稻品种的氮素干物质生产效率，但造成水稻和深水稻收获指数和氮素籽粒生产效率下降显著，不利于碳水化合物向籽粒有效转运，而对旱稻影响较小。