根区施氮对水稻苗期根系生长及分布的影响

胡 仁， 肖大康， 丁紫娟， 杨 朔， 李锦涛， 黄 飞， 田应兵， 侯 俊

(长江大学农学院/湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北荆州 434025)

氮肥施用方式是影响氮素利用率的主要原因之一，传统的稻田氮肥表面撒施和分次追肥方式环境污染大，养分利用率低[1]，而氮肥深施能够显著提高肥料利用率[2]。根区施肥是指将适量肥料通过一定的技术施于靠近水稻根部的位置，使肥料养分供应与植物养分需求相匹配，达到养分高效利用的目的[3]。该方式与传统的氮肥表面撒施相比，能够显著提高肥料利用率和减少氮盈余[2]。Wu等研究发现，与传统撒施相比，尿素根区施用水稻增产27%，氮肥利用率提高33%[4]。

然而，在根区施肥条件下，根区附近养分浓度迅速提高，对根系存在养分高浓度毒害的风险[5]。Chen等发现，施氮量为240 kg/hm2条件下，根区施肥(侧5 cm，深10 cm)的小麦产量反而比撒施显著减少10%，在其他若干低氮肥下则未减产[6]，这说明根区施肥通过局部提高氮浓度有可能促进氮利用，但前提条件是不能伤害根系，否则会阻碍氮利用[7]。因此，根区施氮要考虑根系的承受能力。由于水稻苗期根系不发达，吸收养分能力弱，通过水稻苗期根区施氮对水稻根系的影响来丰富完善根区施肥理论值得探索。

Liu等发现，不同的氮肥品种对根区氮浓度产生不同的影响[8]。例如，控释氮肥由于其养分有效供应期长、肥料利用率高等优点得到广泛应用[9]。Yang等研究发现，施用控释尿素直接接触水稻种子或者秧苗，不会对根系产生毒害作用，且氮用量减少33%的前提下仍能提高水稻产量和地上部生物量[10-11]。控释氮肥一次性施用由于土壤氮素浓度较低反而能显著增强根系活力，并提高氮素的吸收速率[12-13]。丁紫娟等研究表明，控释尿素根区一次性施用条件下再生稻的头季产量增加10%，而再生季稳产，并减少稻田N2O排放45%以上[14]。根区施肥条件下控释尿素比施常规尿素是否更利于根系生长和根系分布鲜见报道，而阐明其根系特征对根区施氮及轻简化施肥具有重要意义。

本研究通过设置2种氮肥品种(尿素和控释尿素)和不同施氮量(低、中和高施氮量)的盆栽试验研究根区施氮对水稻苗期根系生长和分布的影响，旨在为水稻精准施肥提供理论依据并丰富根区施肥理论。

1 材料与方法

1.1 试验地基本概况

试验于2021年在长江大学农学院试验基地进行(30°21′N，112°09′E)，采用露天盆栽方式。供试水稻品种为扬两优6号，供试塑料盆高25 cm、内径为19 cm，每盆装土6 kg，土壤经风干、磨碎、过 3 mm 筛。供试土壤为江汉平原典型潴育型水稻土，土壤pH值为6.27，土壤全氮含量为1.26 g/kg、全磷含量为0.51 g/kg、全钾含量为9.51 g/kg、碱解氮含量为78.61 mg/kg、速效磷含量为20.75 mg/kg、速效钾含量为95.51 mg/kg、有机质含量为 22.31 g/kg。

1.2 试验设计

盆栽试验采用氮肥品种×氮肥用量2因素随机试验。氮肥品种为普通尿素(conventional urea，N≥46%)和包膜控释尿素(controlled-release urea，CRU，N≥43%，由国家缓/控释肥研究中心提供，释放期120 d)。氮肥用量设3个水平，即不施氮肥(CK)、低氮(low nitrogen，L，0.97 g/盆)、中氮(medium nitrogen，M，1.22 g/盆)和高氮(high nitrogen，H，1.51 g/盆)，各处理设置3次重复。所有处理的P2O5(过磷酸钙，P2O5≥12%)和K2O(氯化钾，K2O≥60%)用量分别为 0.49 g/穴和 0.65 g/穴，全部作基肥插秧前一次施用。氮素采用根区施肥方法，即在移栽好秧苗的盆内，用内径为 2 cm 的空心钢管在距水稻植株5 cm处垂直压入 5 cm，将氮肥沿钢管内壁倒入底部，迅速拔出钢管并用泥浆将洞穴填实，保证所有处理施肥位置一致[14]。水稻各处理氮肥施用方式和施氮量见表1。

试验于2021年6月2日移栽(秧龄为25 d)并布置施肥试验，每盆1穴，每穴2株，分别在布置试验后10、20、30 d取样，采用破坏性取样方式。取样时，每个处理取样6盆，3盆用于研究整根系生长发育状况，3盆用于研究根系分布特点。

表1 一次性根区施氮盆栽方案

1.3 测试项目与方法

1.3.1 根系形态测定 分别在移栽后10、20、30 d，每个处理取样3穴。将土柱从盆中完整取出，洗根时先用流水缓慢冲洗，然后用农用压缩喷雾器冲洗干净。用根系分析系统(WinRHIZO)对根系形态进行分析。将根及地上部鲜样放置于恒温箱内，105 ℃ 下杀青 30 min，70 ℃下烘干至恒质量，称量根系和地上部干质量，计算根冠比。

1.3.2 根系分布测定 分别在移栽后10、20、30 d，每个处理取样3穴。将土柱从盆中完整取出，从上至下切分为4个土层(0～5、5～10、10～15、15～20 cm)，分别挑取不同土层中所有根系，冲洗干净，将根系放置于恒温箱内105 ℃下杀青 30 min，70 ℃ 下烘干至恒质量，称量不同土层下根系干质量[16]。

1.3.3 根系吸收面积测定 分别在移栽后10、20、30 d，每个处理取样3穴，采用甲烯蓝吸附法测定根系总吸收面积和活跃吸收面积[17]。

1.3.4 苗期叶片生理特性的测定 分别在移栽后20、30 d取水稻地上部完全展开叶片，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量，采用氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用过氧化氢紫外分光光度法测定过氧化氢酶(CAT)活性[17]。

1.3.5 数据处理 采用Excel 2019软件进行数据处理和绘图，SPSS 26.0进行统计分析，Duncan’s新复极差法进行数据间的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 根区施氮对水稻苗期根系生物量的影响

由图1可知，根系生物量随着生育进程逐渐增大。移栽后10 d，UL处理的根系生物量比UH显著提高了80%，其余处理没有显著性差异。移栽后 20 d 和30 d根系生物量变化具有相同的趋势，即根区施尿素处理的根系生物量随着施氮量的增加而减少，而根区施控释尿素处理的根系生物量则随着施氮量的增加而增大。其中移栽后30 d，与CK相比，UH处理的根系生物量显著降低28.08%(P<0.05)，而CRUH处理的根系生物量显著提高34.95%(P<0.05)。方差分析结果表明，移栽后 30 d 氮肥品种及施氮量对根系生物量均有极显著影响(P<0.05)。

2.2 根区施氮对水稻苗期根系形态指标的影响

根系形态指标反映了根系发育及功能发挥的情况，其主要包括总根长、总根表面积、总根体积和平均直径。由表2可知，移栽后10 d，所有处理的总根长、总根表面积、总根体积和平均直径均没有显著性差异；移栽后20 d和30 d开始出现显著性差异，并具有相似的趋势。根区施尿素处理的总根长、总根表面积、总根体积和平均直径随着施氮量的增加而降低，根区施控释尿素处理的相应指标随着施氮量的增加而增大或保持稳定，其中移栽后 20 d，与CK相比，UH处理的总根长和总根表面积显著降低了29.60%和46.20%(P<0.05)；而CRUH处理的总根长和总根表面积显著提高了27.14%和34.18%(P<0.05)。移栽后30 d，与CK相比，UL和CRUH处理总根长、总根表面积、总根体积和平均直径分别显著提高了67.22%、137.02%、113.92%、7.53%和70.22%、104.72%、83.61%、13.98%；UH处理的总根长比CK显著降低了22.66%(P<0.05)。

表2 不同氮肥品种及浓度对幼苗期水稻根系形态指标的影响

2.3 根区施氮对水稻苗期根系吸收面积的影响

根系总吸收面积能够有效反映根系吸收水分和养分能力，而根系活跃吸收面积可作为根系活力的评价指标之一。根系总吸收面积和活跃吸收面积随着生育进程逐渐增大(图2)。移栽后10 d，UL处理下的根系总吸收面积与其他处理相比显著提高20.17%～34.42%(P<0.05)。移栽后20 d和30 d，根区施尿素处理的总吸收面积随着施氮量的增加而减少，而根区施控释尿素处理总吸收面积随着施氮量的增加而增大。移栽后20 d，CRUH处理下的总吸收面积与CK相比显著提高了48.82%。移栽后30 d，与CK相比，UH处理的总吸收面积显著降低28.08%(P<0.05)，而CRUH处理的总吸收面积显著提高了42.49%(P<0.05)。方差分析结果表明，移栽后30 d氮肥品种、施氮量及二者交互作用对总吸收面积均有显著影响(P<0.05)。

由图3可知，活跃吸收面积变化趋势与总吸收面积相似，且不同时期变化趋势一致，即根区施尿素处理的活跃吸收面积随施氮量增加而降低，而施用控释尿素处理的活跃吸收面积随施氮量增加而增大。其中，移栽后30 d，与CK相比，UH处理的活跃吸收面积降低42.49%(P<0.05)，CRUH处理的活跃吸收面积则提高了36.69%(P<0.05)。

综上，根区施用高浓度尿素抑制苗期水稻根系吸收面积的增加，而根区施高浓度控释尿素对根系吸收面积的增加起促进作用。

2.4 根区施氮对水稻苗期水稻根系分布的影响

如图4所示，移栽后10 d根系主要分布在0～5 cm 的土层且处理间无显著差异。移栽后20 d，0～5 cm和5～10 cm土层根系生物量表现为CRUH>CRUM=UL>CRUL=UM>CK=UH，其中CRUH处理下0～5 cm土层根系生物量比CK显著增加70.56%(P<0.05)。移栽后30 d，0～5 cm和5～10 cm土层根系生物量表现为CRUH>CRUM>CRUL>UM=UL>UH=CK，其中CRUH处理下 0～5 cm和5～10 cm土层根系生物量分别比CK显著增加53.15%和73.40%(P<0.05)；10～15 cm土层根系生物量表现为CRUH>CRUM=CRUL=UH=UM=UL>CK，CRUH处理的10～15 cm土层根系生物量比CK显著增加81.28%(P<0.05)；各处理间15～20 cm土层根系生物量差异不显著。

2.5 根区施氮对水稻苗期地上部的影响

如表3所示，施氮能够促进水稻地上部的生长。移栽后20 d，各根区施氮处理的地上部生物量均高于CK，增幅为21.93%～64.04%，但是水稻地上部生物量并不是随着施氮量的增加而增加的，如移栽后30 d，UH处理下地上部生物量最低，仅为 11.22 g/穴，说明根区施高浓度尿素不利于水稻地上部干物质累积。就根冠比而言，移栽后20 d和 30 d，UH的根冠比分别为0.14和0.13(表3)，均低于或者显著低于其他施氮处理(UL、UM、CRUL、CRUM和CRUH)，仅与CK相当，表明根区施高浓度尿素抑制根系生长而导致根冠比降低。

表3 不同氮肥品种及浓度对水稻地上部生物量和根冠比的影响

2.6 根区施氮对水稻叶片MDA含量、SOD活性和CAT活性的影响

由表4可知，移栽后20 d和30 d，根区施同一氮肥品种，MDA含量、SOD活性和CAT活性随着施氮量的增加先减小后增大，其中移栽后20 d，UH处理SOD活性比UM显著提高了11.60%(P<0.05)。移栽后30 d，UH处理MDA含量和SOD活性比UM分别显著增加了37.45%和24.74%(P<0.05)，表明根区施高浓度尿素膜脂受损程度最大。

3 讨论与结论

3.1 根区施氮对水稻苗期根系生物量、吸收面积、分布及根冠比的影响

在水稻苗期生长发育过程中，适宜的根区氮素浓度有助于塑造良好的根系构型，提高根系活力，促进根系向下延伸[18]。在本研究中移栽后10 d，不同处理下根系生物量、形态特征分布没有出现明显的差异，这是因为在移栽初期水稻幼苗发新根的能力较弱，需要适应期[19]， 根区氮素浓度对试验影响较小。移栽后20 d和30 d根区施尿素处理的根系生物量随着施氮量的增加而减少，其中UH处理下的根系生物量最小，这与尿素施用后水解速率有关。张璐等研究发现，尿素培养至28 d后土壤铵态氮释放率达总释放率的74.67%，一次性集中施用高浓度尿素导致局部铵态氮浓度过高，根系失水萎蔫[20]，且施氮浓度越高对根系影响越大[21]。根区施控释尿素处理根系生物量、吸收面积随着施氮量的增加而增大或保持稳定，这与控释尿素养分释放缓慢有关[22]，施用控释尿素导致根区氮素浓度处于较低状态。吴宇等发现低氮处理可显著提高水稻根系生物量、根系长度及根体积[23]。本研究的结果进一步证实了前人的研究。

表4 不同施氮肥品种及浓度对水稻叶片SOD、CAT活性和MDA含量的影响

根系总吸收面积和活跃吸收面积分别反映了植物根系与土壤接触面的大小和植物根系吸收养分能力的强弱[24]。在本研究中根系总吸收面积和活跃吸收面积随着移栽天数推移而不断增加，这与水稻根毛的增加有关，根毛的增加促使根系吸收面积增大[25]，而根毛也受到氮素调控[26]。由本研究结果可以看出，根区施高浓度尿素处理抑制根系总吸收/活跃吸收面积增加，而根区施控释尿素无此现象，这可能与氮肥品种有关，施用控释尿素能够满足根区附近持续氮供应。郑圣先等通过田间试验结果也证明了施用控释氮肥能明显增加水稻根系总吸收面积，尤其在水稻抽穗期至成熟期根系衰老，通过增加根系吸收面积促进氮素积累[27]。

根系在土壤中的空间分布情况与固定植株能力的大小和其吸收水分和肥料的能力密切相关[24]，良好的根系形态分布会促进作物的生长发育，提高其对养分的吸收和利用。试验结果显示，不同处理0～5 cm土层根系所占比重均最大，而根系对养分的吸收也主要集中在这一土层，这与孙浩燕等的研究结果[16]一致。随着根系向下伸长，逐渐分布于10 cm以下土层，进一步增产也需要发挥这部分根系的潜能[28]。本研究结果表明，施用控释尿素能满足10～15 cm土层根系对土壤中氮素的需求，在避免烧苗的前提下发挥了根区施肥的作用。根区施肥通过集中供氮来满足作物生长[2-3]，而控释氮肥氮素的释放缓慢，保证了适度的氮素供应而与根区施尿素相比更利于10～15 cm土层根系生长。

根冠比可作为控制与协调地上部生长发育的参数，合理的根冠比意味着水稻地上部和根系协同生长[29]。苗期以促进水稻根系生长为主[30]，而杨贵羽等通过对冬小麦的研究得出，苗期根冠比较大，有利于促进冬小麦生育后期冠层生物量的累积[31]。本研究发现，在同一施氮水平下，根区施控释尿素下的根冠比要高于普通尿素。此外，彭玉等也认为，与常规氮肥相比控释尿素更有利于增大水稻根冠比[32]。

3.2 根区施氮对水稻叶片MDA含量和酶活性的影响

作物膜脂过氧化作用及抗氧化酶系统活性的变化已经广泛用于作物对氮肥响应机理的研究[33]，MDA作为膜脂过氧化产物，其含量高低代表了膜脂过氧化水平，同时，植株体内会产生抗氧化酶(如SOD和CAT)以减轻活性氧(reactive oxygen species，简称ROS)对植株的伤害。在本研究中，UH处理下叶片中MDA含量最高，表明根区施高浓度尿素对水稻生长产生了逆境胁迫。而UH处理的SOD和CAT活性也相应高于其他处理，聂军等通过一次基施控释尿素发现，在孕穗至抽穗期间水稻叶片中MDA含量较尿素处理显著降低，而抗氧化酶(SOD和POD)活性显著上升[34]，本研究结果与之不尽相同。笔者认为，根区施高浓度尿素使植物体受到氧化胁迫，植株内活性氧水平上升导致MDA含量增加，为了清除产生的活性氧，叶片中SOD和CAT活性会相应显著增加并维持在较高的状态[35]，以缓解逆境对植物的伤害。

根区施尿素条件下根系生物量、总根表面积、总根体积、平均直径、总吸收面积、活跃吸收面积和根冠比均随着施氮量的增加而降低，施用控释尿素条件下的相应指标随着施氮量的增加而增加或保持稳定。此外，根区施控释尿素处理有利于构建良好的根系形态。因此，根区施肥条件下施用低、中量的普通尿素可以促进水稻苗期根系生长但高施氮量抑制根系生长，而控释尿素根区施用则无此风险且不同施氮量均能促进根系生长，是较为安全的氮肥品种，建议作为水稻根区施氮的主推产品。