秸稈還田與施氮對(duì)水稻根系分泌物及氮素利用的影響研究

徐國(guó)偉，李帥，趙永芳，陳明燦，李友軍

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

水稻(Oryzasativa)是世界上最重要的糧食作物之一，在亞洲包括中國(guó)在內(nèi)的糧食生產(chǎn)中具有十分突出的地位[1]。自1995年起，我國(guó)水稻單產(chǎn)穩(wěn)定在6 t/hm2以上，跨入了世界先進(jìn)行列[2]，這與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步密不可分，但以高投入為手段的生產(chǎn)方式已成為提升我國(guó)糧食生產(chǎn)能力的重要途徑，水肥(尤其是氮肥)投入量大，水肥資源利用效率低是我國(guó)目前水稻生產(chǎn)中的一個(gè)突出問(wèn)題。我國(guó)目前水稻平均氮肥施用量為180 kg/hm2，高出世界水稻氮肥平均施用量的75%，氮肥的過(guò)量施用造成了氮素利用率大幅度下降、水稻倒伏、病蟲害發(fā)生嚴(yán)重和稻米品質(zhì)變劣，也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[3-4]。根系是水稻養(yǎng)分吸收的主要器官，有關(guān)氮肥對(duì)水稻根系的影響，前人已經(jīng)做了大量的研究，但就不同氮肥水平對(duì)根系分泌特性的影響缺少系統(tǒng)的研究。根系分泌物中的維生素、有機(jī)酸、酶、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑及氨基酸等物質(zhì)，為植物根際微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供了充足的營(yíng)養(yǎng)和能源，可以促進(jìn)土壤中有機(jī)化合物的分解和礦化作用，提高土壤中有效養(yǎng)分的含量，從而促進(jìn)了植物養(yǎng)分的吸收利用[5-6]。由此可見根系分泌物中離子、有機(jī)酸和氨基酸含量等與水稻養(yǎng)分的吸收利用均有密切關(guān)系[7]。

農(nóng)作物秸稈是一種含碳豐富的能源物質(zhì)，秸稈還田對(duì)保持和提高土壤肥力以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均有重要作用[8]。國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者對(duì)秸稈還田在作物生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分特性、產(chǎn)量及品質(zhì)等方面進(jìn)行了眾多的研究[9-13]，但是，有關(guān)在秸稈還田和不同氮肥條件下對(duì)水稻根系分泌特性的研究尚未有報(bào)道。本研究較系統(tǒng)的觀察了在秸稈還田和不同氮肥管理?xiàng)l件下水稻根系分泌物及其含量的差異，分析其與氮肥吸收利用的關(guān)系，這對(duì)于豐富作物栽培理論、提高肥料利用率具有重要的理論意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2010-2012年在河南科技大學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，該地處東經(jīng)111°38′58″，北緯34°25′50″，年降雨量546 mm。盆缽規(guī)格：直徑 20 cm，高 25 cm，盆缽內(nèi)裝過(guò)篩土15 kg左右。供試品種為徐稻3號(hào)，土壤為粘壤土，土壤有機(jī)質(zhì) 19.9 g/kg，速效氮 65.3 mg/kg，速效磷 5.9 mg/kg，速效鉀 120.9 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)行秸稈還田×氮肥管理兩因素隨機(jī)處理試驗(yàn)。-S為小麥秸稈不還田；+S為小麥秸稈還田(每盆23.5 g，相當(dāng)于大田7.5 t/hm2)，還田時(shí)將秸稈切碎(3～5 cm)，均勻的混入盆中。氮肥分為3種：0N：整個(gè)生育期不施氮肥；NN：210 kg N/hm2；HN：320 kg N/hm2(表 1)， 所有氮肥按照4∶1∶5于移栽前1 d、移栽后7 d和穗分化期施用。移栽前每盆施磷酸二氫鉀 (KH2PO4) 0.5 g，5月18日播種，6月10日移栽，每盆3穴，每穴2苗，共6個(gè)處理，各處理重復(fù)30盆。抽穗前盆缽內(nèi)保持淺水層，抽穗后干濕交替，全生育期嚴(yán)格控制病、蟲、草害。

表1 不同試驗(yàn)處理簡(jiǎn)寫Table 1 Different treatments explanation

1.3 取樣與測(cè)定

1.3.1取樣方法 于水稻抽穗期及成熟期，剪去地上部，將盆缽內(nèi)根與土倒入洗根框中(洗根框用60目金屬篩網(wǎng)制成，長(zhǎng)×寬×高為40 cm×30 cm×40 cm)先用流水沖凈，然后用農(nóng)用壓縮噴霧器沖洗干凈。沖洗干凈的根系，取部分根按章俊德等[14]方法測(cè)定根系活力。

1.3.2氮素含量測(cè)定 分別于抽穗期及成熟期，每處理取3盆(與所普查的有效莖蘗平均數(shù)相等)，每盆的植株剪去根后，分莖鞘、葉和穗3部分烘干并粉碎，分別測(cè)定地上部分各器官的養(yǎng)分含量，用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測(cè)全氮[15]。以上述測(cè)定為基礎(chǔ)，計(jì)算氮肥的利用效率：

氮肥吸收利用率(recovery efficiency)(%)=(成熟期施氮區(qū)地上部分吸氮量-空白區(qū)地上部吸氮量)/施氮量×100。

1.3.3根系分泌物中有機(jī)酸及氨基酸含量的測(cè)定 分別于抽穗期及成熟期，各材料取6穴，用自來(lái)水和蒸餾水洗凈后，置于裝有去離子水的燒杯(800 mL)中并封上燒杯口，每杯放1穴。在光下(光強(qiáng)為700～800 μmol/m2·s，冠層溫度28～30℃)培養(yǎng)4 h，收集燒杯中的溶液，用高效液相色譜(HPLC，Waters)測(cè)定溶液中有機(jī)酸濃度。分析測(cè)定條件為：2487型紫外監(jiān)測(cè)器，反相AtlantisTMdC18柱(4.6 mm×150.0 mm，5 μm)，流動(dòng)相：A為20 mmol/L NaH2PO4(pH=2.7，磷酸調(diào)節(jié))；B為乙腈；C為超純水。流速：0.5 mL/min。柱溫：37℃。紫外檢測(cè)波長(zhǎng)：248 nm。進(jìn)樣量：10 μL。標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)酸(蘋果酸、酒石酸、琥珀酸、檸檬酸和乳酸)購(gòu)自Sigma公司。

根系分泌物中氨基酸組分經(jīng)衍生后用高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定其濃度。吸取10 μL根系分泌物提取液注入衍生小管中，加AccQ·Fluor緩沖液70 μL，邊混合邊加入衍生劑(購(gòu)自Waters，美國(guó)) 20 μL，于55℃烘箱內(nèi)保溫10 min，轉(zhuǎn)入微量進(jìn)樣小瓶中，于HPLC(Waters 2695，美國(guó))檢測(cè)。色譜條件為2695分離單元，2487型紫外監(jiān)測(cè)器，Empower色譜管理系統(tǒng)：反相AccQ·Tag分析柱(3.9 mm×150.0 mm)；流動(dòng)相A為140 mmol/L乙酸鈉-17 mmol/L三乙胺(pH=4.95，磷酸調(diào)節(jié))，B為乙腈(色譜純)，C為超純水。流速為1.0 mL/min，柱溫37℃，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)248 nm，進(jìn)樣量10 μL。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SAS軟件進(jìn)行方差分析，SigmaPlot 10.0進(jìn)行圖表繪制。由于2年的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致，因此本試驗(yàn)是2012年的試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻植株氮素吸收利用的影響

由表2可知，無(wú)論秸稈還田與否，隨著施氮量的增加，植株吸氮量顯著增加，但結(jié)實(shí)期氮素積累量及氮素利用率并非一直增加。與NN相比較，HN處理抽穗期吸氮量增加22.8%(秸稈未還田)及18.9%(秸稈還田)，但結(jié)實(shí)期氮素累積量、氮吸收利用率平均降低31.3%與17.1%；在同一氮肥處理下，秸稈還田后氮肥累積利用的各項(xiàng)指標(biāo)均有所提高，氮素的累積量與利用率分別增加8.9%與23.6%；與HN相比較，秸稈還田后NN處理施氮量下降34.4%，但氮肥利用率顯著提高。上述結(jié)果說(shuō)明秸稈還田和NN能夠明顯提高氮肥利用效率。

表2 不同處理對(duì)水稻植株氮素吸收利用的影響Table 2 Effect of different treatments on N absorption and utilization in rice plant

注：不同小寫字母表示在P<0.05水平上與對(duì)照差異顯著。下同。

Note： Values followed by different letter are significantly different from the control atP<0.05. The same below.

2.2 不同處理下水稻根系分泌物中有機(jī)酸的差異

不同處理明顯影響水稻根系分泌物中有機(jī)酸的含量(表3)。從總體上分析，水稻根系分泌物中有機(jī)酸主要以酒石酸、乙酸、檸檬酸、草酸、蘋果酸及琥珀酸為主。無(wú)論秸稈還田與否，NN提高了根系分泌物中蘋果酸及琥珀酸的含量，草酸及檸檬酸的含量則隨著施氮量的增加而降低，不同氮肥使用量處理對(duì)根系分泌物中乙酸的含量無(wú)顯著影響，施氮增加了根系分泌物中酒石酸的含量，但氮肥施用量對(duì)其無(wú)顯著影響；同一氮肥處理下，秸稈還田增加了根系分泌物中草酸、蘋果酸及琥珀酸的含量，平均增加16.5%，21.0%及53.4%(P<0.05)；秸稈還田處理顯著降低根系分泌物中檸檬酸的含量，平均降低19.4%，酒石酸及乙酸含量在秸稈處理間無(wú)顯著變化。

從以上分析可知，秸稈還田與NN處理有利于根系分泌物中蘋果酸及琥珀酸含量的增加。

表3 結(jié)實(shí)期不同處理下根系分泌物中有機(jī)酸濃度Table 3 Concentrations of organic acid in the root exudates of rice subjected to various treatments during grain-filling mg/g DW

2.3 不同處理對(duì)根系分泌物中有機(jī)酸總量的影響

結(jié)實(shí)期不同氮肥處理下根系分泌物中有機(jī)酸總量明顯存在差異(圖1)，在NN處理下有機(jī)酸總量最大，與NN相比較，HN有機(jī)酸總量平均降低3.6%；秸稈還田后，有機(jī)酸總量高于秸稈未還田處理，平均高出9.3%，達(dá)顯著性水平。分析表明秸稈還田與NN處理有利于根系分泌物中有機(jī)酸總量的增加。

2.4 不同處理對(duì)根系分泌物中氨基酸濃度的影響

圖1 結(jié)實(shí)期不同處理對(duì)水稻根系分泌物中有機(jī)酸總量的影響Fig.1 Effect of different treatments on total organic acid content in the root exudates during grain-filling

根系分泌物中氨基酸的濃度在不同氮肥處理下表現(xiàn)不一(圖2)，在NN處理下氨基酸濃度最大，與NN相比較，HN氨基酸的濃度分別降低18.9%(秸稈未還田)與19.0%(秸稈還田)；秸稈還田后，氨基酸的濃度高于秸稈未還田處理，平均高出5.8%。分析表明秸稈還田與NN處理有利于根系分泌物中氨基酸濃度的增加。

2.5 不同處理對(duì)根系活性的影響

隨著施氮量的增加，根系活性先增加而后降低(圖3)，與NN相比較，HN根系活性分別降低9.6%(秸稈未還田)與13.7%(秸稈還田)；秸稈還田后，根系活力高于秸稈未還田處理，平均高出20.3%，達(dá)顯著性水平。分析表明秸稈還田與NN處理有利于根系活性的提高。

圖2 結(jié)實(shí)期不同處理下水稻根系分泌物中氨基酸的濃度Fig.2 Amino acid concentrations in the root exudates of rice subjected to various treatments during grain-filling

圖3 結(jié)實(shí)期不同處理下水稻根系活性Fig.3 Root activity of rice subjected to various treatments during grain-filling

2.6 結(jié)實(shí)期氮肥吸收利用與根系分泌物中有機(jī)酸、氨基酸含量及根系活性的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明(表4)，結(jié)實(shí)期根系分泌物中有機(jī)酸總量與氮素累積量呈顯著正相關(guān)，與氮素吸收利用率呈極顯著正相關(guān)，與氮肥的施用量及抽穗期吸氮量無(wú)顯著相關(guān)；各有機(jī)酸含量與氮素吸收利用的相關(guān)性不盡一致，其中酒石酸與氮素利用率呈顯著負(fù)相關(guān)，而蘋果酸和琥珀酸與結(jié)實(shí)期氮素累積量和氮素吸收利用率顯著正相關(guān)(r=0.64*～0.79*)；根系分泌物中氨基酸濃度及根系活性與氮素累積量及氮肥利用效率呈極顯著正相關(guān)(r=0.71**～0.92**)。從分析可知，結(jié)實(shí)期水稻氮素的高效積累及利用與根系分泌物中有機(jī)酸總量、氨基酸濃度及根系活性明顯相關(guān)，同時(shí)與有機(jī)酸中蘋果酸、琥珀酸的濃度密切關(guān)聯(lián)。

3 討論

3.1 秸稈還田及氮肥對(duì)根系分泌特性的影響

根系作為植物與土壤的接觸面，在從土壤中吸收水分、養(yǎng)分的同時(shí)，通過(guò)根分泌的方式向根周圍釋放出各種化合物，產(chǎn)生根際效應(yīng)，進(jìn)而調(diào)控或影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育[16]。前人對(duì)不同氮肥水平下根系分泌特性的研究較少。常二華等[17-18]通過(guò)結(jié)實(shí)期水培試驗(yàn)，觀察了低氮或缺氮條件對(duì)水稻根系分泌物的影響時(shí)得出：在缺氮條件下，根系分泌的有機(jī)酸總量顯著降低，降低的原因主要是酒石酸、乙酸、馬來(lái)酸和琥珀酸含量的顯著減少；在缺磷條件下，根系分泌的有機(jī)酸總量則有明顯增加，增加的原因主要是草酸、酒石酸和檸檬酸的含量顯著提高。本研究表明，在0N下根系分泌有機(jī)酸含量最低，這與常二華等[17-18]研究結(jié)果一致，但根系分泌有機(jī)酸含量并非隨著施氮量提高而顯著增加，根系有機(jī)酸總量在NN下最大，這與常二華等[17-18]研究并不一致，主要是由于施肥方式不一致，本試驗(yàn)是在施氮條件下進(jìn)行，而常二華等[17-18]是在缺氮條件下的結(jié)果。本研究表明，NN提高了根系分泌物中蘋果酸、琥珀酸、氨基酸及有機(jī)酸總量，而高氮?jiǎng)t抑制上述各指標(biāo)的含量，這與根系活性密切相關(guān)，高氮下根系活力降低，而根系活力與植株的生長(zhǎng)狀況關(guān)系密切，根系的H+-ATPase活性能夠影響植株的養(yǎng)分吸收，改變根系分泌的特性[18]。不同氮肥量對(duì)單一有機(jī)酸數(shù)量變化不一，其含量有增加亦有減少。如：檸檬酸隨著施氮量的提高，其濃度逐漸降低，這與張俊英等[19]在大豆(Glycinemax)上的研究結(jié)果相同。

表4 結(jié)實(shí)期根系分泌的有機(jī)酸、氨基酸濃度及根系活性與施氮量、吸氮量及氮素利用率的相關(guān)性分析Table 4 Correlations of organic acid, amino acid concentrations in root exudates and root activity with total N applied, absorption, accumulation and recovery efficiency during the grain-filling period

*,**: 分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。

*, **: Significant correlation at 0.05 and 0.01 levels.

關(guān)于秸稈還田效應(yīng)的研究，目前大多集中在對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和肥力的影響上[9-13]，而對(duì)于根系有機(jī)酸的研究較少。單玉華等[20]以水稻與小麥(Triticumaestivum)秸稈為材料，采用淹水培養(yǎng)研究了甲酸、乙酸、丙酸及丁酸在土壤中的積累及其與秸稈碳氮比、氮肥添加量的關(guān)系，結(jié)果表明隨秸稈用量的增加，秸稈處理的有機(jī)酸積累均顯著增多。本研究表明，秸稈還田后根系有機(jī)酸總量明顯上升，這與前人的研究基本一致，但各有機(jī)酸含量表現(xiàn)不一，秸稈還田處理增加了根系草酸、蘋果酸及琥珀酸的含量，但顯著降低根系分泌物中檸檬酸的含量，酒石酸及乙酸含量在秸稈處理間無(wú)明顯變化，有關(guān)秸稈處理對(duì)根系各有機(jī)酸含量的影響有待進(jìn)一步研究。

3.2 根系分泌差異與養(yǎng)分吸收利用的關(guān)系

根系分泌物的組成和含量是植株根系生理的重要組成部分，它反映了整個(gè)植株的生理狀況。前人圍繞作物根系分泌物的組分鑒定、重金屬毒害的緩解、化感作用、土壤理化特性及生物種群等方面進(jìn)行了眾多的研究[5-6,19-21]，但有關(guān)水稻根系分泌物與水分養(yǎng)分吸收利用關(guān)系的研究很少。有研究表明，根系分泌物中檸檬酸或琥珀酸較高的品種或增施有機(jī)肥后，籽粒中的K、Mg、Zn等營(yíng)養(yǎng)元素相對(duì)較高，根系分泌的有機(jī)酸、氨基酸、各種離子等化學(xué)物質(zhì)可能改變植株的根際環(huán)境和養(yǎng)分吸收狀況[17-18]。本研究表明，結(jié)實(shí)期水稻氮素的高效積累及利用與根系有機(jī)酸總量、氨基酸濃度及根系活性顯著正相關(guān)，同時(shí)與有機(jī)酸中蘋果酸、琥珀酸的濃度密切關(guān)聯(lián)。分析其原因：一是根系分泌的有機(jī)酸、氨基酸和離子等各種化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò)改變根際物理、化學(xué)及其生物學(xué)性質(zhì)，提高根際土壤養(yǎng)分的生物有效性、促進(jìn)作物的生長(zhǎng)與肥料的利用[5]；另一方面，根系分泌的有機(jī)酸及其組分與根系激素的產(chǎn)生有一定關(guān)系，根系分泌的有機(jī)酸通過(guò)影響根系激素的合成或根系分泌有機(jī)酸與激素的協(xié)同作用，調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)及養(yǎng)分吸收利用[7]，另外，中氮及秸稈還田的處理水稻根系活性較大，有利于養(yǎng)分的吸收，而在高氮條件下，根系活性并不高，這是由于高氮條件下根系周圍NH4+濃度較高，較高的NH4+會(huì)使光合磷酸化、氧化磷酸化解偶聯(lián)，并能抑制光合作用水的光解，對(duì)根系產(chǎn)生一定的毒害作用。有關(guān)根系分泌物與養(yǎng)分吸收利用的機(jī)理有待深入研究。

4 結(jié)論

結(jié)實(shí)期秸稈還田及中氮(NN)提高了水稻根系活性、根系有機(jī)酸及氨基酸的分泌。根系分泌物中有機(jī)酸總量、氨基酸濃度及根系活性與氮肥的高效利用呈顯著正相關(guān)，同時(shí)有機(jī)酸中蘋果酸、琥珀酸的濃度與養(yǎng)分吸收利用密切關(guān)聯(lián)。結(jié)實(shí)期不同氮素水平及秸稈還田可以改變根系分泌物的含量和組成，從而影響?zhàn)B分的吸收與利用。