高志紅,陳曉遠(yuǎn),曾 越
(韶關(guān)學(xué)院 英東農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 韶關(guān) 512005)
干旱缺水是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高的重要因素。水稻是廣東省種植面積最大的作物,也是需水最多的作物,其需水量約占廣東農(nóng)業(yè)用水量的65%~70%。實(shí)行節(jié)水栽培,提高植株的用水效率和對(duì)適度水分脅迫的適應(yīng)性將是廣東今后發(fā)展水稻生產(chǎn)的必然選擇。
局部根系水分脅迫(Partial root-zone drying,簡(jiǎn)稱PRD)作為一種新近發(fā)展起來的節(jié)水灌溉技術(shù)方法,正逐漸受到研究者的關(guān)注[1]。局部根系水分脅迫下,非脅迫一側(cè)的根系仍然能夠吸收水分、養(yǎng)分,而脅迫側(cè)根系則通過產(chǎn)生水分脅迫響應(yīng)信號(hào)(如ABA、pH) 并經(jīng)木質(zhì)部傳輸?shù)降厣喜糠郑{(diào)節(jié)葉片氣孔開度,減少奢侈的蒸騰耗水[2],提高水分利用效率(簡(jiǎn)稱WUE)[3-7]。在葡萄、果樹、玉米等作物上進(jìn)行的分根試驗(yàn)結(jié)果表明,只給一半根區(qū)土壤供水就可以使幼苗保持正常生長(zhǎng),顯著提高用水效率[3-5,8]。然而, 作物WUE的高低除與供水量和供水方式有關(guān)外,還與肥料的種類、施用量和施肥方式等密切相關(guān)[9]。因此,有必要開展局部根系水分脅迫下作物對(duì)水肥耦合效應(yīng)的響應(yīng)研究。
氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素。許多研究表明,氮肥供應(yīng)可以減小干旱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響[10-12]。其中,通過氮素營(yíng)養(yǎng)形態(tài)的不同組合調(diào)控水稻生長(zhǎng)發(fā)育和用水效率的研究近年來受到越來越多國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注[13-14],并且多數(shù)研究結(jié)果顯示,在水分脅迫條件下,單一供應(yīng)銨態(tài)氮或硝態(tài)氮營(yíng)養(yǎng)均會(huì)使水稻生物量的積累降低,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮配合施用則能夠促進(jìn)植株生長(zhǎng),改善其水分利用[15-16]。由此可見,當(dāng)前研究主要集中在揭示氮素形態(tài)和水分脅迫的相互作用對(duì)水稻的影響機(jī)制,并以此優(yōu)化氮素配比,提高水稻水分利用效率(WUE)。然而,盡管研究顯示局部根系水分脅迫或氮素供應(yīng)可以提高植物WUE[17-18],但對(duì)局部根系水分脅迫和氮素形態(tài)的相互作用卻知之甚少[2]。
本研究的目的是了解局部根系水分脅迫和不同形態(tài)氮素配比的相互作用如何影響水稻幼苗的光合生理特性和氮素積累,探討有利于水稻W(wǎng)UE提高的銨、硝營(yíng)養(yǎng)形態(tài)配比和根系供水模式。
供試水稻(OryzasativaL.)品種為金優(yōu)402。試驗(yàn)于韶關(guān)學(xué)院農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)廣東省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)方法。水稻種子經(jīng)30% H2O2溶液浸泡15 min,無菌水洗凈后,用清水浸種24 h,取出后在32 ℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽24 h,再用砂培法于溫室內(nèi)進(jìn)行育苗,溫室內(nèi)溫度白天約為30 ℃,光合有效輻射為1 200~1 500 μmol/(m2·s),夜晚為27 ℃。培養(yǎng)至一葉一心時(shí),挑選生長(zhǎng)一致的幼苗,移栽到打好孔的PVC板上,每個(gè)孔內(nèi)移入1株水稻,用海綿固定后放在裝有全營(yíng)養(yǎng)液的培養(yǎng)缽內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng),營(yíng)養(yǎng)液采用國(guó)際水稻研究所(IRRI)的常規(guī)營(yíng)養(yǎng)液配方并略作改進(jìn),并添加2 mmol/L的硅酸鈉(pH 值4.9~5.1),以保持營(yíng)養(yǎng)液中的SiO2含量為0.2 mmol/L,添加氮素用量5%的雙氰胺2 mg/L,以抑制硝化作用?;旌系獱I(yíng)養(yǎng)液采用硫酸銨與硝酸鈣試劑配制。采用5%聚乙二醇6000(PEG 6000)模擬水分脅迫,加入量為100 g/L。
表1 試驗(yàn)處理設(shè)置Tab.1 Treatments of the experiment
圖1 水稻幼苗分根培養(yǎng)Fig.1 Schematics view of split-root system of rice seedling
培養(yǎng)期間,每2 d 更換1次營(yíng)養(yǎng)液,每天早、晚各調(diào)1次pH值。用0.1 mol/L NaOH和HCl將培養(yǎng)液pH值調(diào)到4.9~5.2。水分脅迫開始后第2天開始取樣測(cè)定,每隔2 d取樣1次,第4次取樣后解除水分脅迫,水分脅迫解除后再連續(xù)取樣測(cè)定2 d。
1.2.1 植株葉片和莖稈全氮 靛酚藍(lán)比色法:取0.3 g烘干、磨碎的樣品放入消煮管中,加入8 mL的硫酸,輕輕搖勻后在瓶口放一彎頸小漏斗,在KDN-04消化爐進(jìn)行消煮。在消煮過程中重復(fù)3~5次加入H2O2,加入量逐漸減少,直到消煮液無色后取出。將消煮液無損地洗入100 mL容量瓶中,用水定容,后用H2SO4-H2O2測(cè)定。
將待測(cè)液用水準(zhǔn)確稀釋10倍,吸取稀釋后的溶液1.00 mL于50 mL容量瓶中,加入1 mL EDTA-甲基紅溶液,用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)至pH值6左右,再依次加入5 mL酚溶液和5 mL次氯酸鈉溶液,搖勻,用水定容,待1 h后,用1 cm的比色皿在625 nm波長(zhǎng)處比色,用空白試驗(yàn)溶液調(diào)節(jié)零點(diǎn)。
1.2.2 植株銨態(tài)氮和硝態(tài)氮凈吸收量 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮凈吸收量=試驗(yàn)開始前營(yíng)養(yǎng)液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量-試驗(yàn)結(jié)束后營(yíng)養(yǎng)液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。
銨態(tài)氮的測(cè)定:靛酚藍(lán)比色法。吸取各處理培養(yǎng)液,放入50 mL容量瓶中,依次加入5 mL酚溶液和5 mL次氯酸鈉堿性液,搖勻放置1 h后,加入1 mL掩蔽劑以溶解可能生成的沉淀物,然后用水定容,用1 cm比色皿在625 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行比色。用空白試驗(yàn)溶液調(diào)節(jié)零點(diǎn)。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線從中查得顯色液中氮的質(zhì)量濃度(mg/L)。
計(jì)算公式為:水樣中銨態(tài)氮含量(mg/L)=p×50/V
其中,p.從工作曲線上查得顯色液中氮的質(zhì)量濃度(mg/L);50.顯色液體積(mL);V.吸取水樣體積(mL)。
硝態(tài)氮的測(cè)定:紫外分光光度計(jì)法,吸取各處理的培養(yǎng)液直接在紫外分光光度計(jì)上用220,275 nm的波長(zhǎng)和1 cm石英比色皿測(cè)定吸收值A(chǔ)=A220-A275。再從工作曲線上讀取水樣中硝酸根含量(mg/L)。
1.2.3 營(yíng)養(yǎng)液質(zhì)量的凈減少值 營(yíng)養(yǎng)液被植物吸收前后都用天平稱量,相減得出植物凈吸收營(yíng)養(yǎng)液的質(zhì)量。左根室與右根室中的營(yíng)養(yǎng)液分別稱質(zhì)量。
1.2.4 光合作用 采用LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定。
1.2.5 根系形態(tài) 采用加拿大REGENT根系分析系統(tǒng)(EPSON TWAIN PRO)分析測(cè)定根長(zhǎng)、表面積、體積、分形維數(shù)等根系形態(tài)指標(biāo)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)各處理間的差異進(jìn)行0.05水平上的顯著性檢驗(yàn)。
圖中不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平。圖3-5同。Different small letters in the figure mean significant difference among treatment at 0.05 level. The same as Fig.3-5.
圖3 局部根系水分脅迫下不同形態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻幼苗葉片和莖稈氮素含量的影響Fig.3 Effects of N form on rice seedling leaf and stem nitrogen content under condition of PRD
圖4 局部根系水分脅迫下不同形態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻氮素吸收量的影響Fig.4 Effects of N form on N absorption amount of rice under condition of PRD
從圖5可以看出,氮素形態(tài)為50/50的處理,不同水分條件下均以吸收銨態(tài)氮為主,其中非水分脅迫條件下銨態(tài)氮的吸收量最大,為全根水分脅迫的1.5倍,局部水分脅迫條件的次之,兩者的差異不顯著。非水分脅迫下,銨態(tài)氮的吸收量為硝態(tài)氮的1.92倍,局部根系水分脅迫下,前者為后者的1.96倍。全根水分脅迫下銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收量差異最大,前者為后者的2.23倍。水稻對(duì)硝態(tài)氮的吸收在非水分脅迫和局部根系水分脅迫之間的差異不顯著。
圖5 不同水分條件下50/50氮素形態(tài)配比處理對(duì)水稻吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響Fig.5 Effects of N form of 50/50 on ammonium and nitrate nitrogen absorption of rice under different water condition
表2 局部根系水分脅迫下不同形態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻幼苗生理特性的影響Tab.2 Effects of N form on rice seedling physiological functional properties under condition of PRD
注:表中不同小寫字母代表各處理間差異達(dá)0.05顯著水平。表3同。
Note: Different small letters indicates significant difference among treatments at 0.05 level. The same as Tab.3.
表3 局部根系水分脅迫下不同形態(tài)氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻根系形態(tài)的影響Tab.3 Effects of N form on rice seedling root morphology under condition of PRD