干濕交替灌溉改善稻田根際氧環(huán)境進而促進氮素轉(zhuǎn)化和水稻氮素吸收

曹小闖，劉曉霞，馬 超，田 倉，朱練峰，吳龍龍，張均華*，金千瑜，朱春權(quán)，孔亞麗，虞軼俊

（1 中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，浙江杭州311400；2 浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，浙江杭州310020；3 安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽合肥 230036）

長期淹水易誘導稻田氧化還原電位和硝化作用降低、還原性物質(zhì)累積，不利于水稻生長發(fā)育[1]。通常情況下，稻田土壤中氧含量至少在3%～5%才能滿足水稻根系對氧的正常需求[2]。為了緩解淹水脅迫，水稻根系可通過形成通氣組織[3]、降低徑向泌氧量[4]等途徑將地上部氧氣輸送至地下部，在根際形成微域“氧環(huán)境”。這一主動適應(yīng)機制在緩解低氧脅迫下稻田還原性物質(zhì)對水稻根系毒害作用、促進硝化作用和土壤氮循環(huán)過程等方面具有重要的意義。生產(chǎn)實踐中，通過適宜的栽培措施協(xié)調(diào)稻田水、肥、氣平衡是構(gòu)建水稻理想根系、培育健康土壤環(huán)境和提高氮素利用率的關(guān)鍵[5]。當前，國內(nèi)外學者已發(fā)現(xiàn)不同栽培模式，如好氧栽培、強化栽培、覆膜栽培和干濕交替等，可通過調(diào)控葉片光合作用、根際環(huán)境(如溶氧量、氧化還原電位和pH等)、氮形態(tài)轉(zhuǎn)化和微生物活性和群落結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)氮吸收轉(zhuǎn)化，提高水稻產(chǎn)量和氮素利用率[6-8]。然而，由于選取的土壤類型、干濕交替頻率和培養(yǎng)環(huán)境等的不同，上述結(jié)論并不一致[9-10]。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)增加根系溶氧量對水稻良好根系形態(tài)構(gòu)建、水稻氮吸收、同化物轉(zhuǎn)運和產(chǎn)量形成等均具有顯著的“積極效應(yīng)”[11-12]；且增氧條件下銨態(tài)氮吸收后受谷氨酸脫氫酶調(diào)控的氨基酸代謝增強，可能是水稻生長和氮利用效率提高的主要原因[13]。因此，水稻“氧營養(yǎng)”及其配套栽培模式研究逐漸引起人們的重視。

水稻根系溶氧量直接或間接影響土壤有機氮礦化，是否能最終促進水稻對氮素的吸收和生長發(fā)育，這是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所關(guān)注的熱點，也是本研究的目的所在。根系作為水稻與土壤物質(zhì)交換的通道，其根際溶氧量受土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水量和氧化還原電位等理化性質(zhì)影響，在水稻根系附近營造根際氧環(huán)境這一特殊生境，進而直接或間接對稻田氮吸收轉(zhuǎn)化進程產(chǎn)生影響[3,11,14]。但是，當前研究較少從稻田“氧環(huán)境”對水稻生長和氮轉(zhuǎn)化過程的影響及其微生物學機制進行深入研究?；赨nisense微電極系統(tǒng)可實現(xiàn)土壤剖面氧環(huán)境的無損、原位檢測，本研究擬通過研究不同水氮耦合模式下水稻根際內(nèi)外氧環(huán)境變化特征及其對土壤微生物量碳氮和酶活性、氮轉(zhuǎn)化、水稻生長和氮素利用率的影響，以期從稻田“氧環(huán)境”調(diào)控角度揭示適宜水氮耦合管理提高水稻生長和氮高效利用的內(nèi)在機制。這對進一步理解水稻抗(耐)干旱適應(yīng)機理、增氧灌溉技術(shù)創(chuàng)建等均具有重要的理論和實踐指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

供試土壤來自于中國水稻研究所富陽水氮耦合長期定位試驗 (2016—2020)，試驗設(shè)有常規(guī)淹灌(conventional flood irrigation,CF)、干濕交替(alternate wet and dry irrigation,AWD) 2種灌溉模式，以及無氮 (0 g/kg，N0)、中氮 (0.8 g/kg,180 kg/hm2，N0.8)和高氮(1.2 g/kg，270 kg/hm2，N1.2) 3個施氮水平，具體水肥和田間管理如Cao等[15]所述。采集上述各處理稻田0—20 cm耕層土壤，風干、粉碎后過0.85 mm篩備用。試驗Ⅰ采用根箱模擬培養(yǎng)，根箱為硬質(zhì)塑料制成，規(guī)格為 25 cm×10 cm×5.5 cm (長×高×寬)，由2塊孔徑為20 μm的網(wǎng)狀隔板將根箱分為1個根室(寬度1.5 cm)和2個邊室(寬度2.0 cm)，水稻種植于根室中，根系被限制于根室中生長，水分和養(yǎng)分可以在根室與2個邊室之間自由通過。每個根箱裝550 g上述風干土壤，其中根室150 g，邊室200 g，灌溉和施氮水平處理同大田，在培養(yǎng)箱內(nèi)干濕交替循環(huán)預(yù)培養(yǎng)30天以活化土壤。隨后N0、N0.8和N1.2處理中每個根箱分別添加0、47.9和71.8 mg尿素(N 46%)作基肥；所有處理將24.4 mg氯化鉀(K2O 60%)、122.2 mg過磷酸鈣(P2O512%)溶解于10 ml水中，隨后用1 mL Eppendorf 移液器均勻添加至土壤中。以日本晴(粳稻)、揚稻6號(秈稻)為供試材料，幼苗2葉1心期移栽至根箱，人工氣候室培養(yǎng)環(huán)境如下：白天/晚上溫度控制28℃/23℃，光量子通量密度600 μmol/(m2·s)，光照周期 12 h (7:00—19:00)，每 3 天更換一次根箱位置以消除邊際效應(yīng)的影響。試驗設(shè)2個水稻品種、2種水分、3個氮水平，每個處理3次重復，共36個根箱，幼苗培養(yǎng)21天后測定根際內(nèi)外溶氧量和氧化還原電位；隨后，破壞性采集根際內(nèi)外土壤樣品和水稻植株樣品。

1.2 15NH+和15N O-短期標記培養(yǎng)試驗43

試驗Ⅱ中，采用單一15N標記培養(yǎng)方法(15NH4+或15NO3-)研究水稻根系對不同形態(tài)氮的選擇性吸收[16]。采用試驗Ⅰ根箱模擬培養(yǎng)21天后各氮水平分別設(shè)15NH4++NO3-(1∶1)、NH4++15NO3-(1∶1) 2種處理，根據(jù)田間分蘗肥施氮水平向各處理土壤均勻注射5 mL不同施氮量的15N標記NH4+或NO3-(atom 99%)，N0、N0.8和N1.2處理分別施用0、68.3和102.6 mg15NH4NO3或NH415NO3。故試驗設(shè)2個水稻品種、2種水分、3個氮水平、2個15N標記氮形態(tài)，共24個處理，每處理3次重復，共72個根箱。15N標記培養(yǎng)2 h后收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻干物重和氮素利用效率 根箱模擬培養(yǎng)21天后 (試驗Ⅰ)，隨機選取4株長勢一致的水稻幼苗，分成地下部和地上部，105℃殺青30 min，隨后75℃烘干至恒重后粉碎。水稻營養(yǎng)生長期氮素利用率以氮利用指數(shù)表征(nitrogen use index，NUI)[17]，NUI值越高，說明單位氮量所能生產(chǎn)的干物質(zhì)越多。

1.3.2 根際溶氧量和氧化還原電位 根箱模擬培養(yǎng)21天后，采用丹麥Unisense微電極系統(tǒng) (MM-METER，Unisense) 測定水稻根際內(nèi)外溶解氧含量和氧化還原電位，電極校正、測定步驟參考潘延鑫等[18]所述方法。根據(jù)Lorenzen等[19]所述的溶氧量模型，采用Fick第二擴散定律計算各處理水-土界面溶解氧凈通量。

1.3.3 土壤微生物量碳氮和硝化速率 根箱試驗水稻幼苗收獲后，將附著于根表5 mm以內(nèi)的土壤定義為根際土壤，用無菌鑷子小心剝離；兩邊室距離尼龍網(wǎng) 4 mm以外的土壤定義為非根際土壤。土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸提取方法測定[20]，以氯仿未熏蒸處理作為對照，微生物量碳、氮轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.38、0.54。土壤可溶性有機碳采用史登林等[21]所述方法測定，短期硝化速率測定采用Jones等[20]所述方法。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)、各形態(tài)氮含量和胞外酶活性 采用0.5 mol/L K2SO4(土水比1∶5)提取土壤各形態(tài)氮，浸提液中NH4+、NO3-采用流動分析儀測定，游離氨基酸采用茚三酮比色法測定，提取態(tài)總氮(extracted total N，ETN) 采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定[22]，可溶性有機氮 (extracted organic N,EON) = ETN?NH4+?NO3-。土壤pH采用電位法(土水比1∶2.5)測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；全氮采用開氏法測定；堿解氮采用擴散吸收法測定；有效磷采用鹽酸-氟化銨浸提比色法測定；速效鉀用乙酸銨浸提—火焰光度計法測定。

土壤碳、氮、磷代謝相關(guān)酶活性測定，脲酶(urease，UR)采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；蔗糖酶 (invertase，Inv)用3,5二硝基水楊酸比色法測定；酸性磷酸酶 (acid phosphatase，AP) 采用磷酸苯二鈉比色法測定；過氧化氫酶 (catalase，CAT) 采用高錳酸鉀比色法測定；β-1,4-葡萄糖苷酶 (β-1,4-glucosidase，BG) 和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶 (N-acetylβ-D-glucosaminidase，NAG) 采用對硝基苯酚比色法測定[7,23]。

1.3.5 水稻根系15NH4+/15NO3-吸收速率 水稻根系15N豐度和氮含量采用連續(xù)流動同位素比值質(zhì)譜儀偶聯(lián)碳氮元素分析儀(ANCA-MS; PDZ Europa)測定，根據(jù)外源添加的15NH4+/15NO3-豐度計算根系吸收的15N，15NH4+/15NO3-吸收速率以單位時間內(nèi)單位干物質(zhì)重根系的15N含量來計算[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件包進行數(shù)據(jù)整理和方差分析，不同處理間差異顯著性檢驗采用LSD0.05(least significant difference test)進行比較，采用Origin 8.0 進行繪圖。各指標間的相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同水氮管理對稻田基本理化性質(zhì)的影響

表1表明，與稻田基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)相比，連續(xù)5年不施氮肥 (N0) 處理土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮均顯著降低，常規(guī)淹灌 (CF) 處理pH顯著增加。稻田pH隨施氮水平增加顯著降低，且中氮 (N0.8) 和高氮 (N1.2) 處理pH、有效磷和速效鉀含量均低于不施氮肥 (N0) 處理；稻田有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量在N0.8和N1.2處理均高于N0處理。但是，N0.8和N1.2處理稻田有機質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量等肥力指標并未隨施氮水平、水分管理方式發(fā)生顯著變化。

表1 不同水氮管理模式對稻田土壤理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of different irrigation and N regimes on soil physical and chemical properties

2.2 不同水氮管理模式下水稻根際內(nèi)外氧環(huán)境變化特征

如圖1所示，水稻根際內(nèi)外溶氧量受灌溉模式、水稻品種和剖面深度影響差異明顯，但受氮水平影響較小。與CF處理相比，干濕交替 (AWD) 提高了日本晴和揚稻6號根際內(nèi)外溶氧量，且根際溶氧量在5000～40000 μm剖面深度高于非根際。CF處理下，揚稻6號非根際水-土界面(3000～?2000 μm) 溶氧量高于日本晴，2個品種根際水-土界面溶氧量呈現(xiàn)相反趨勢。AWD處理下，日本晴非根際溶氧量在0～?1000 μm 剖面深度高于揚稻6號，隨剖面深度增加揚稻6號高于日本晴；而揚稻6號根際不同剖面深度溶氧量均高于日本晴，尤其在?5000～?40000 μm。

圖1 水稻根際和非根際土壤溶氧量的剖面分布Fig. 1 Profiles of soil dissolved oxygen in root rhizospheric and non-rhizospheric soils of two rice cultivars

與CF處理相比，AWD增加了2個水稻品種根際內(nèi)外氧化還原電位。CF處理下，揚稻6號非根際水-土界面氧化還原電位在3000～?2000 μm水土界面明顯高于日本晴；N0.8、N1.2水平下?lián)P稻6號根際水-土界面氧化還原電位高于日本晴 (圖2)。AWD處理下，揚稻6號和日本晴根際內(nèi)外氧化還原電位均隨氮水平增加而逐漸增加。其中，各氮水平下日本晴非根際氧化還原電位高于揚稻6號，但其根際氧化還原電位低于揚稻6號。

圖2 水稻根際和非根際土壤氧化還原電位的剖面分布Fig. 2 Profiles of soil redox potential in root rhizospheric and non-rhizospheric soils of two rice cultivars

2.3 不同水氮管理模式對水稻根際內(nèi)外微生物量碳氮和硝化速率的影響

CF和AWD處理下，日本晴和揚稻6號非根際微生物量碳氮均隨氮水平升高而顯著增加(表2)。與CF處理相比，AWD顯著提高了N0.8、N1.2水平2個水稻品種非根際和根際微生物量碳氮含量，但降低了其N0水平根際微生物量氮。不同的是，日本晴根際微生物量碳在N1.2水平均高于N0和N0.8水平，揚稻6號在N0.8和N1.2水平均高于N0水平；日本晴根際微生物量氮隨氮水平增加而增加，揚稻6號在N0.8水平均高于N0和N1.2水平。

表2 不同水氮管理模式下水稻根際和非根際微生物量碳氮和硝化速率Table 2 Microbial biomass C and N,and nitrification rate in rhizospheric and non-rhizospheric soils under different irrigation and N regimes

與CF相比，AWD顯著增加了日本晴和揚稻6號根際、非根際可溶性有機碳和硝化速率，且其根際硝化速率高于非根際。CF處理下日本晴和揚稻6號根際可溶性有機碳在N0水平顯著高于N0.8和N1.2。AWD下日本晴根際可溶性有機碳在N1.2水平均高于N0.8水平，其非根際可溶性有機碳在N0.8水平均高于N0和N1.2水平。無論CF、AWD處理，根際、非根際硝化速率均隨氮水平升高先增加后降低。值得注意的是，AWD處理下N0.8和N1.2水平揚稻6號根際可溶性有機碳和硝化速率均高于日本晴；無論CF、AWD處理，揚稻6號根際可溶性有機碳高于日本晴。

2.4 不同水氮管理模式對水稻根際內(nèi)外胞外酶活性和各形態(tài)氮含量的影響

表3表明，除揚稻6號根際N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶外，日本晴和揚稻6號非根際和根際脲酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均隨氮水平升高而增加。與CF相比，AWD增加了N0.8和N1.2水平2水稻品種非根際脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶、β-1,4-葡萄糖苷酶 (除 N1.2水平)和 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶等碳氮磷代謝相關(guān)酶活性，且各酶活性在N0.8和N1.2水平均高于N0水平。在N0水平，AWD降低了2水稻品種根際脲酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶，但增加了揚稻6號根際蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶以及日本晴過氧化氫酶活性。AWD也增加了N0.8和N1.2水平日本晴以及N0.8水平揚稻6號根際蔗糖酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性，其含量在N0.8水平高于N1.2水平。N0.8和N1.2水平下?lián)P稻6號根際脲酶活性高于日本晴，但N0.8水平下?lián)P稻6號根際β-1,4-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性高于日本晴。

表3 不同水氮管理模式下水稻根際和非根際胞外酶活性Table 3 The activities of extracellular enzymes in the rhizosphere andnon-rhizosphere soils under different irrigation andN regimes

表4表明，日本晴和揚稻6號根際、非根際提取態(tài)總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和游離氨基酸含量均隨氮水平升高而顯著增加(P<0.05)。與CF相比，AWD增加了N0.8、N1.2水平下2個水稻品種非根際和根際提取態(tài)總氮、硝態(tài)氮、游離氨基酸和可溶性有機氮含量，但降低了N0.8、N1.2水平日本晴和揚稻6號根際、非根際銨態(tài)氮含量。不論CF、AWD處理，N0.8、N1.2水平下日本晴和揚稻6號根際硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均較非根際明顯降低；而AWD處理揚稻6號根際銨態(tài)氮含量低于日本晴。

表4 不同水氮管理模式下水稻根際和非根際各形態(tài)氮含量Table 4 Nitrogencontents in the rhizosphere andnon-rhizosphere soils under different irrigation andN regimes

2.5 不同水氮管理模式對水稻幼苗干物重和氮吸收利用的影響

表5表明，與CF相比，AWD提高了N0、N0.8處理日本晴和揚稻6號地上部和整株干物重以及氮素利用指數(shù)(P< 0.05)；AWD提高了N0、N1.2水平下日本晴根系和整株氮累積量，且各器官氮累積量在N0.8、N1.2水平高于N0水平。相反，AWD降低了N0水平揚稻6號根系氮累積量，增加了N0.8、N1.2水平根系、地上部和整株氮累積量，且其地上部和整株氮累積量在N1.2水平高于N0.8水平。無論CF、AWD，日本晴氮素利用指數(shù)均在N0.8水平最高，均高于N0和N1.2水平；揚稻6號氮素利用指數(shù)均在N0.8和N1.2水平最高，均高于N0水平。從兩個水稻品種來看，AWD處理下N0.8和N1.2水平揚稻6號地上部和整株干物重、整株氮累積量以及氮素利用指數(shù)均高于日本晴。

表5 不同水氮管理模式下水稻干物重、氮累積和氮素利用指數(shù)Table 5 Accumulation of N,dry matter,and N utilization index of rice under different irrigation and N regimes

15N短期標記培養(yǎng)試驗結(jié)果(圖3)表明，水稻對根際NH4+的吸收速率遠高于NO3-，且其吸收速率受水稻品種、氮水平和水分管理模式影響。與CF相比，AWD提高了N0.8和N1.2水平下日本晴和揚稻6號根系NH4+和NO3-吸收速率。CF、AWD條件下N0.8和N1.2，氮水平對日本晴NH4+和NO3-吸收速率無顯著影響，但揚稻6號根系NH4+和NO3-吸收速率隨氮水平增加而增加；且揚稻6號根系NH4+吸收速率在N0.8和N1.2水平顯著高于日本晴。

圖3 不同水氮管理模式下水稻根系15NH4+和15NO3?吸收速率Fig. 3 15NH4+ and 15NO3? uptake rates of rice under different irrigation and N regimes

2.6 各指標間相關(guān)性分析

水稻營養(yǎng)生長期干物質(zhì)累積和氮利用指數(shù)與根際微生物量碳、可溶性有機碳氮、硝化速率、有機質(zhì)、各形態(tài)氮以及15NH4+和15NO3-吸收速率顯著正相關(guān)(圖4，P< 0.05)，但與土壤pH和有效磷顯著負相關(guān)。值得注意的是，水稻干物質(zhì)累積和氮利用指數(shù)與根際土壤微生物量氮、銨態(tài)氮、全氮和速效鉀均無顯著相關(guān)關(guān)系；根際微生物量氮與可溶性有機碳、可溶性有機氮顯著正相關(guān)，但與土壤其他理化性質(zhì)無顯著相關(guān)性。

圖4 各指標間相關(guān)性矩陣分析Fig. 4 Correlation matrix analysis among the different indicators

3 討論

3.1 不同水氮管理下水稻根際內(nèi)外氧環(huán)境變化特征

基于Unisense微電極原位測定技術(shù)，本研究發(fā)現(xiàn)水稻根室和邊室溶氧量受灌溉模式、水稻品種和剖面深度影響差異明顯，但受氮水平影響較小。與CF處理相比，AWD處理明顯提高了水稻根室和邊室溶氧量，其根室溶氧量在?5000～?40000 μm剖面深度明顯高于邊室，且揚稻6號高于日本晴。采用Fick第二擴散定律對各處理水-土界面溶解氧凈通量進行計算，發(fā)現(xiàn)AWD處理揚稻6號根際內(nèi)外溶解氧凈通量均高于日本晴。以中氮水平(N0.8)為例，揚稻6號和日本晴邊室、根室溶解氧凈通量分別為?0.280和?0.041 nmol/(cm3?s)、?0.104 和?0.031 nmol/(cm3?s)(負值代表凈消耗)。揚稻6號根際水-土界面較高的溶氧量消耗速率表明，AWD不僅明顯增加其稻田溶解氧含量，也有利于維持較強的微生物呼吸或者氧化還原作用，其較高的氧化還原電位也間接證明了這一觀點。

除水分外，稻田溶氧量還與水稻品種、根系泌氧能力和氧氣消耗速率密切相關(guān)。與低產(chǎn)水稻品種相比，高產(chǎn)水稻品種可通過維持較強的根系徑向泌氧屏障作用[24]和根系通氣組織發(fā)育[25]，進而為根系生長提供更充足的氧氣。本研究中，揚稻6號較日本晴具有更高的生物量和根際溶氧量水平，而后者有利于增強根際硝化速率。相關(guān)性分析表明水稻生物量與根際溶氧量誘導的硝化速率顯著正相關(guān)，也進一步驗證了前人的研究。這可能由于硝化速率促進了根際土壤氮轉(zhuǎn)化和氮吸收，且適當增加環(huán)境中NO3-含量有利于促進水稻生長和氮素利用率[8]。作為形成水稻干物質(zhì)的主要途徑，葉片光合作用釋放的氧氣可經(jīng)由葉鞘和莖稈通氣組織輸送到根系[26]。與CF相比，AWD灌溉能通過減小葉基角和增加葉長改善水稻冠層結(jié)構(gòu)，提高群體透光率和光合速率，促進水稻生長[8,27]。因此，我們推測揚稻6號較高的干物質(zhì)量也可能與其根系泌氧能力和葉片光合產(chǎn)氧能力緊密相關(guān)。

3.2 不同水氮管理對稻田可溶性有機碳、微生物量碳氮及其相關(guān)酶活性的影響

可溶性有機碳是土壤中易氧化碳源，可作為衡量微生物量、有機碳礦化和土壤呼吸作用的重要指標[28-29]。本研究中，CF處理日本晴根際可溶性有機碳含量與非根際無明顯差異，但其微生物量碳明顯高于非根際土壤；AWD處理下2個水稻品種土壤微生物量碳、可溶性有機碳在根際與非根際無顯著差異。除了受根系分泌物的影響外，這可能與不同灌溉模式下土壤微生物活性和可溶性有機碳的有效性有關(guān)。CF處理高含水量條件有利于可溶性有機碳的擴散和根際微生物量碳增加；AWD處理則不利于可溶性有機碳擴散，可顯著降低土壤有機質(zhì)礦化作用和微生物活性[30]。不同的是，中高氮水平下日本晴根際微生物量氮低于非根際，但揚稻6號根際和非根際土壤無明顯差異。與粳稻相比，有研究指出秈稻可通過招募根際特異性微生物類群將有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮供水稻根系吸收，提高水稻氮利用效率[31]。我們分析這可能與不同品種水稻和微生物對根際有機氮的競爭吸收有關(guān)，但其調(diào)控機制仍有待進一步研究。與CF處理相比，頻繁干濕交替可通過調(diào)控有機質(zhì)礦化速率和微生物活性[32]提高土壤可溶性有機碳水平，本研究也得出類似的結(jié)論。此外，AWD較CF處理有利于水稻地上部光合產(chǎn)物向土壤傳輸、累積[33]，還可通過提高可溶性有機碳并抵制微生物進入半休眠狀態(tài)[34]，進而提升中氮和高氮水平2個水稻品種土壤微生物量碳氮。相應(yīng)地，中高氮水平日本晴和揚稻6號非根際碳氮代謝相關(guān)酶活性在AWD處理中也明顯增加，且其微生物量碳氮和相關(guān)酶活性在中高氮水平均明顯高于低氮水平。本研究中由于根袋的限制作用，根系分泌物對中高氮水平非根際可溶性有機碳和微生物量碳氮的影響有限。我們分析其可溶性有機碳增加主要受AWD刺激調(diào)控，且增施氮肥能改善土壤環(huán)境和提高土壤肥力[35]，二者均為微生物提供了可直接利用的碳/氮源。不同的是，AWD雖然明顯增加了中高氮水平日本晴和中氮水平揚稻6號根際碳氮代謝相關(guān)酶活性，但其相關(guān)酶活性在中氮水平明顯高于高氮水平。蔡曉紅等[36]則指出與CF相比，輕度AWD能顯著提高土壤微生物量碳和酶活性，但重度AWD降低了土壤酶活性及微生物數(shù)量。這也表明氮肥和灌溉模式對微生物量和酶活性的影響具有交互效應(yīng)，合理施氮和灌溉模式耦合有利于提高根際微生物數(shù)量及酶活性。

與CF相比，AWD不僅明顯提高了日本晴和揚稻6號根際內(nèi)外土壤硝化速率和NO3-濃度，還提高了調(diào)節(jié)有機氮向無機氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶活性[25,37]，如β-1,4-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶，進而提高有機氮礦化效率和無機氮水平。不論CF、AWD，中高氮水平下日本晴和揚稻6號根際NH4+和NO3-含量均較非根際土壤明顯降低，這可能與水稻根系對NH4-的吸收有關(guān)。15N同位素示蹤試驗表明揚稻6號根系對NH4+的吸收速率明顯高于日本晴，這也造成前者根際NH4+濃度明顯低于后者。值得注意的是，雖然日本晴和揚稻6號非根際土壤NH4+含量大于根際，但AWD模式下二者根際硝化速率分別是非根際的3.78和3.82倍，表明該環(huán)境下NH4+濃度不是影響硝化速率的關(guān)鍵限制因子。相關(guān)性分析表明水稻根際硝化速率與干物質(zhì)重和氮利用指數(shù)顯著正相關(guān)，但與微生物量氮和全氮無顯著相關(guān)性(P> 0.05)。表明在當前施氮水平下灌溉模式及其誘導的根際溶氧量可能是影響硝化作用和水稻生長的主要因子。

3.3 不同水氮管理對水稻生長、氮吸收利用的影響及其調(diào)控機制

適宜的水氮耦合可通過“以水調(diào)氮、以水控氧”調(diào)控稻田根際溶氧量，促進良好根系形態(tài)構(gòu)建、氮形態(tài)轉(zhuǎn)化以及光合產(chǎn)物“源-庫”分配平衡，提高水稻產(chǎn)量形成和氮素利用效率[38]。與CF相比，AWD明顯提高了日本晴地下部生物量，這與陸大克等[39]的研究結(jié)果一致，但對揚稻6號則無明顯影響。董桂春等[40]發(fā)現(xiàn)，影響水稻生物量的主要根系性狀在不同穗型品種間具有顯著差異，日本晴為每株不定根數(shù)，揚稻6號為每株不定根數(shù)、每株根干重、每株不定根長。表明水稻根系生長可能受到品種遺傳背景和環(huán)境條件的共同影響。但是，AWD明顯提高了各施氮水平日本晴和揚稻6號地上部、整株生物量、整株氮累積量及氮利用指數(shù)(P< 0.05)。這可能與AWD調(diào)控的稻田根際氧環(huán)境變化特征緊密相關(guān)，增加根際溶氧量可增加根系可溶性糖、蛋白質(zhì)含量和呼吸強度，為根部生理活動提供能量[41]，進而促進養(yǎng)分吸收。同時，AWD模式下稻田硝化作用增強，速效氮由淹水時的NH4+為主變成干濕交替時的NH4++NO3-為主。張亞麗等[42]指出增加根系溶氧量導致水稻根系對NH4+的親和力顯著高于NO3-。我們前期研究也發(fā)現(xiàn)增加根系溶氧量可顯著增加水稻NH4+吸收，且NH4+吸收后受谷氨酸脫氫酶調(diào)控的氨基酸代謝增強，可能是水稻生長和氮利用效率提高的主要原因[13]。雖然日本晴和揚稻6號水稻根系形態(tài)構(gòu)建對AWD響應(yīng)不同，但AWD誘導的良好根際氧環(huán)境有利于養(yǎng)分的吸收。本研究中日本晴和揚稻6號較高的15NH4+吸收速率也證明了這一觀點。

值得注意的是，水稻地上部和整株生物量、氮累積量以及水稻氮素利用指數(shù)在不同水稻品種間呈現(xiàn)明顯的基因型差異，揚稻6號水稻品種上述各參數(shù)在中氮和高氮水平顯著高于日本晴。相關(guān)性分析表明水稻生物量和氮素利用指數(shù)與根際硝化強度、微生物生物量碳和可溶性有機碳等理化指標顯著正相關(guān)。李奕林等[43]發(fā)現(xiàn)秈稻根際硝化強度在中高氮水平下顯著高于粳稻。這表明水稻根際硝化作用增強可能在水稻生長和氮素利用方面發(fā)揮重要作用，下一階段應(yīng)加強其作用機制研究。

4 結(jié)論

干濕交替灌溉明顯增加了水稻根際內(nèi)、外溶氧量和氧化還原電位，良好的稻田氧環(huán)境增強了根際硝化作用，促進了氮形態(tài)轉(zhuǎn)化，進而增加了土壤碳、氮的有效性，提高水稻對NH4+和NO3-(尤其是NH4+)的吸收，進而提高水稻干物質(zhì)累積和氮素利用效率。