根區(qū)施氮對水稻苗期根系生長及分布的影響

胡 仁， 肖大康， 丁紫娟， 楊 朔， 李錦濤， 黃 飛， 田應(yīng)兵， 侯 俊

(長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院/濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北荊州 434025)

氮肥施用方式是影響氮素利用率的主要原因之一，傳統(tǒng)的稻田氮肥表面撒施和分次追肥方式環(huán)境污染大，養(yǎng)分利用率低[1]，而氮肥深施能夠顯著提高肥料利用率[2]。根區(qū)施肥是指將適量肥料通過一定的技術(shù)施于靠近水稻根部的位置，使肥料養(yǎng)分供應(yīng)與植物養(yǎng)分需求相匹配，達(dá)到養(yǎng)分高效利用的目的[3]。該方式與傳統(tǒng)的氮肥表面撒施相比，能夠顯著提高肥料利用率和減少氮盈余[2]。Wu等研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)撒施相比，尿素根區(qū)施用水稻增產(chǎn)27%，氮肥利用率提高33%[4]。

然而，在根區(qū)施肥條件下，根區(qū)附近養(yǎng)分濃度迅速提高，對根系存在養(yǎng)分高濃度毒害的風(fēng)險[5]。Chen等發(fā)現(xiàn)，施氮量為240 kg/hm2條件下，根區(qū)施肥(側(cè)5 cm，深10 cm)的小麥產(chǎn)量反而比撒施顯著減少10%，在其他若干低氮肥下則未減產(chǎn)[6]，這說明根區(qū)施肥通過局部提高氮濃度有可能促進(jìn)氮利用，但前提條件是不能傷害根系，否則會阻礙氮利用[7]。因此，根區(qū)施氮要考慮根系的承受能力。由于水稻苗期根系不發(fā)達(dá)，吸收養(yǎng)分能力弱，通過水稻苗期根區(qū)施氮對水稻根系的影響來豐富完善根區(qū)施肥理論值得探索。

Liu等發(fā)現(xiàn)，不同的氮肥品種對根區(qū)氮濃度產(chǎn)生不同的影響[8]。例如，控釋氮肥由于其養(yǎng)分有效供應(yīng)期長、肥料利用率高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[9]。Yang等研究發(fā)現(xiàn)，施用控釋尿素直接接觸水稻種子或者秧苗，不會對根系產(chǎn)生毒害作用，且氮用量減少33%的前提下仍能提高水稻產(chǎn)量和地上部生物量[10-11]。控釋氮肥一次性施用由于土壤氮素濃度較低反而能顯著增強(qiáng)根系活力，并提高氮素的吸收速率[12-13]。丁紫娟等研究表明，控釋尿素根區(qū)一次性施用條件下再生稻的頭季產(chǎn)量增加10%，而再生季穩(wěn)產(chǎn)，并減少稻田N2O排放45%以上[14]。根區(qū)施肥條件下控釋尿素比施常規(guī)尿素是否更利于根系生長和根系分布鮮見報道，而闡明其根系特征對根區(qū)施氮及輕簡化施肥具有重要意義。

本研究通過設(shè)置2種氮肥品種(尿素和控釋尿素)和不同施氮量(低、中和高施氮量)的盆栽試驗(yàn)研究根區(qū)施氮對水稻苗期根系生長和分布的影響，旨在為水稻精準(zhǔn)施肥提供理論依據(jù)并豐富根區(qū)施肥理論。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本概況

試驗(yàn)于2021年在長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行(30°21′N，112°09′E)，采用露天盆栽方式。供試水稻品種為揚(yáng)兩優(yōu)6號，供試塑料盆高25 cm、內(nèi)徑為19 cm，每盆裝土6 kg，土壤經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過 3 mm 篩。供試土壤為江漢平原典型潴育型水稻土，土壤pH值為6.27，土壤全氮含量為1.26 g/kg、全磷含量為0.51 g/kg、全鉀含量為9.51 g/kg、堿解氮含量為78.61 mg/kg、速效磷含量為20.75 mg/kg、速效鉀含量為95.51 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量為 22.31 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

盆栽試驗(yàn)采用氮肥品種×氮肥用量2因素隨機(jī)試驗(yàn)。氮肥品種為普通尿素(conventional urea，N≥46%)和包膜控釋尿素(controlled-release urea，CRU，N≥43%，由國家緩/控釋肥研究中心提供，釋放期120 d)。氮肥用量設(shè)3個水平，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)，各處理設(shè)置3次重復(fù)。所有處理的P2O5(過磷酸鈣，P2O5≥12%)和K2O(氯化鉀，K2O≥60%)用量分別為 0.49 g/穴和 0.65 g/穴，全部作基肥插秧前一次施用。氮素采用根區(qū)施肥方法，即在移栽好秧苗的盆內(nèi)，用內(nèi)徑為 2 cm 的空心鋼管在距水稻植株5 cm處垂直壓入 5 cm，將氮肥沿鋼管內(nèi)壁倒入底部，迅速拔出鋼管并用泥漿將洞穴填實(shí)，保證所有處理施肥位置一致[14]。水稻各處理氮肥施用方式和施氮量見表1。

試驗(yàn)于2021年6月2日移栽(秧齡為25 d)并布置施肥試驗(yàn)，每盆1穴，每穴2株，分別在布置試驗(yàn)后10、20、30 d取樣，采用破壞性取樣方式。取樣時，每個處理取樣6盆，3盆用于研究整根系生長發(fā)育狀況，3盆用于研究根系分布特點(diǎn)。

表1 一次性根區(qū)施氮盆栽方案

1.3 測試項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系形態(tài)測定 分別在移栽后10、20、30 d，每個處理取樣3穴。將土柱從盆中完整取出，洗根時先用流水緩慢沖洗，然后用農(nóng)用壓縮噴霧器沖洗干凈。用根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO)對根系形態(tài)進(jìn)行分析。將根及地上部鮮樣放置于恒溫箱內(nèi)，105 ℃ 下殺青 30 min，70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱量根系和地上部干質(zhì)量，計算根冠比。

1.3.2 根系分布測定 分別在移栽后10、20、30 d，每個處理取樣3穴。將土柱從盆中完整取出，從上至下切分為4個土層(0～5、5～10、10～15、15～20 cm)，分別挑取不同土層中所有根系，沖洗干凈，將根系放置于恒溫箱內(nèi)105 ℃下殺青 30 min，70 ℃ 下烘干至恒質(zhì)量，稱量不同土層下根系干質(zhì)量[16]。

1.3.3 根系吸收面積測定 分別在移栽后10、20、30 d，每個處理取樣3穴，采用甲烯藍(lán)吸附法測定根系總吸收面積和活躍吸收面積[17]。

1.3.4 苗期葉片生理特性的測定 分別在移栽后20、30 d取水稻地上部完全展開葉片，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量，采用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用過氧化氫紫外分光光度法測定過氧化氫酶(CAT)活性[17]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，SPSS 26.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)間的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)施氮對水稻苗期根系生物量的影響

由圖1可知，根系生物量隨著生育進(jìn)程逐漸增大。移栽后10 d，UL處理的根系生物量比UH顯著提高了80%，其余處理沒有顯著性差異。移栽后 20 d 和30 d根系生物量變化具有相同的趨勢，即根區(qū)施尿素處理的根系生物量隨著施氮量的增加而減少，而根區(qū)施控釋尿素處理的根系生物量則隨著施氮量的增加而增大。其中移栽后30 d，與CK相比，UH處理的根系生物量顯著降低28.08%(P<0.05)，而CRUH處理的根系生物量顯著提高34.95%(P<0.05)。方差分析結(jié)果表明，移栽后 30 d 氮肥品種及施氮量對根系生物量均有極顯著影響(P<0.05)。

2.2 根區(qū)施氮對水稻苗期根系形態(tài)指標(biāo)的影響

根系形態(tài)指標(biāo)反映了根系發(fā)育及功能發(fā)揮的情況，其主要包括總根長、總根表面積、總根體積和平均直徑。由表2可知，移栽后10 d，所有處理的總根長、總根表面積、總根體積和平均直徑均沒有顯著性差異；移栽后20 d和30 d開始出現(xiàn)顯著性差異，并具有相似的趨勢。根區(qū)施尿素處理的總根長、總根表面積、總根體積和平均直徑隨著施氮量的增加而降低，根區(qū)施控釋尿素處理的相應(yīng)指標(biāo)隨著施氮量的增加而增大或保持穩(wěn)定，其中移栽后 20 d，與CK相比，UH處理的總根長和總根表面積顯著降低了29.60%和46.20%(P<0.05)；而CRUH處理的總根長和總根表面積顯著提高了27.14%和34.18%(P<0.05)。移栽后30 d，與CK相比，UL和CRUH處理總根長、總根表面積、總根體積和平均直徑分別顯著提高了67.22%、137.02%、113.92%、7.53%和70.22%、104.72%、83.61%、13.98%；UH處理的總根長比CK顯著降低了22.66%(P<0.05)。

表2 不同氮肥品種及濃度對幼苗期水稻根系形態(tài)指標(biāo)的影響

2.3 根區(qū)施氮對水稻苗期根系吸收面積的影響

根系總吸收面積能夠有效反映根系吸收水分和養(yǎng)分能力，而根系活躍吸收面積可作為根系活力的評價指標(biāo)之一。根系總吸收面積和活躍吸收面積隨著生育進(jìn)程逐漸增大(圖2)。移栽后10 d，UL處理下的根系總吸收面積與其他處理相比顯著提高20.17%～34.42%(P<0.05)。移栽后20 d和30 d，根區(qū)施尿素處理的總吸收面積隨著施氮量的增加而減少，而根區(qū)施控釋尿素處理總吸收面積隨著施氮量的增加而增大。移栽后20 d，CRUH處理下的總吸收面積與CK相比顯著提高了48.82%。移栽后30 d，與CK相比，UH處理的總吸收面積顯著降低28.08%(P<0.05)，而CRUH處理的總吸收面積顯著提高了42.49%(P<0.05)。方差分析結(jié)果表明，移栽后30 d氮肥品種、施氮量及二者交互作用對總吸收面積均有顯著影響(P<0.05)。

由圖3可知，活躍吸收面積變化趨勢與總吸收面積相似，且不同時期變化趨勢一致，即根區(qū)施尿素處理的活躍吸收面積隨施氮量增加而降低，而施用控釋尿素處理的活躍吸收面積隨施氮量增加而增大。其中，移栽后30 d，與CK相比，UH處理的活躍吸收面積降低42.49%(P<0.05)，CRUH處理的活躍吸收面積則提高了36.69%(P<0.05)。

綜上，根區(qū)施用高濃度尿素抑制苗期水稻根系吸收面積的增加，而根區(qū)施高濃度控釋尿素對根系吸收面積的增加起促進(jìn)作用。

2.4 根區(qū)施氮對水稻苗期水稻根系分布的影響

如圖4所示，移栽后10 d根系主要分布在0～5 cm 的土層且處理間無顯著差異。移栽后20 d，0～5 cm和5～10 cm土層根系生物量表現(xiàn)為CRUH>CRUM=UL>CRUL=UM>CK=UH，其中CRUH處理下0～5 cm土層根系生物量比CK顯著增加70.56%(P<0.05)。移栽后30 d，0～5 cm和5～10 cm土層根系生物量表現(xiàn)為CRUH>CRUM>CRUL>UM=UL>UH=CK，其中CRUH處理下 0～5 cm和5～10 cm土層根系生物量分別比CK顯著增加53.15%和73.40%(P<0.05)；10～15 cm土層根系生物量表現(xiàn)為CRUH>CRUM=CRUL=UH=UM=UL>CK，CRUH處理的10～15 cm土層根系生物量比CK顯著增加81.28%(P<0.05)；各處理間15～20 cm土層根系生物量差異不顯著。

2.5 根區(qū)施氮對水稻苗期地上部的影響

如表3所示，施氮能夠促進(jìn)水稻地上部的生長。移栽后20 d，各根區(qū)施氮處理的地上部生物量均高于CK，增幅為21.93%～64.04%，但是水稻地上部生物量并不是隨著施氮量的增加而增加的，如移栽后30 d，UH處理下地上部生物量最低，僅為 11.22 g/穴，說明根區(qū)施高濃度尿素不利于水稻地上部干物質(zhì)累積。就根冠比而言，移栽后20 d和 30 d，UH的根冠比分別為0.14和0.13(表3)，均低于或者顯著低于其他施氮處理(UL、UM、CRUL、CRUM和CRUH)，僅與CK相當(dāng)，表明根區(qū)施高濃度尿素抑制根系生長而導(dǎo)致根冠比降低。

表3 不同氮肥品種及濃度對水稻地上部生物量和根冠比的影響

2.6 根區(qū)施氮對水稻葉片MDA含量、SOD活性和CAT活性的影響

由表4可知，移栽后20 d和30 d，根區(qū)施同一氮肥品種，MDA含量、SOD活性和CAT活性隨著施氮量的增加先減小后增大，其中移栽后20 d，UH處理SOD活性比UM顯著提高了11.60%(P<0.05)。移栽后30 d，UH處理MDA含量和SOD活性比UM分別顯著增加了37.45%和24.74%(P<0.05)，表明根區(qū)施高濃度尿素膜脂受損程度最大。

3 討論與結(jié)論

3.1 根區(qū)施氮對水稻苗期根系生物量、吸收面積、分布及根冠比的影響

在水稻苗期生長發(fā)育過程中，適宜的根區(qū)氮素濃度有助于塑造良好的根系構(gòu)型，提高根系活力，促進(jìn)根系向下延伸[18]。在本研究中移栽后10 d，不同處理下根系生物量、形態(tài)特征分布沒有出現(xiàn)明顯的差異，這是因?yàn)樵谝圃猿跗谒居酌绨l(fā)新根的能力較弱，需要適應(yīng)期[19]， 根區(qū)氮素濃度對試驗(yàn)影響較小。移栽后20 d和30 d根區(qū)施尿素處理的根系生物量隨著施氮量的增加而減少，其中UH處理下的根系生物量最小，這與尿素施用后水解速率有關(guān)。張璐等研究發(fā)現(xiàn)，尿素培養(yǎng)至28 d后土壤銨態(tài)氮釋放率達(dá)總釋放率的74.67%，一次性集中施用高濃度尿素導(dǎo)致局部銨態(tài)氮濃度過高，根系失水萎蔫[20]，且施氮濃度越高對根系影響越大[21]。根區(qū)施控釋尿素處理根系生物量、吸收面積隨著施氮量的增加而增大或保持穩(wěn)定，這與控釋尿素養(yǎng)分釋放緩慢有關(guān)[22]，施用控釋尿素導(dǎo)致根區(qū)氮素濃度處于較低狀態(tài)。吳宇等發(fā)現(xiàn)低氮處理可顯著提高水稻根系生物量、根系長度及根體積[23]。本研究的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了前人的研究。

表4 不同施氮肥品種及濃度對水稻葉片SOD、CAT活性和MDA含量的影響

根系總吸收面積和活躍吸收面積分別反映了植物根系與土壤接觸面的大小和植物根系吸收養(yǎng)分能力的強(qiáng)弱[24]。在本研究中根系總吸收面積和活躍吸收面積隨著移栽天數(shù)推移而不斷增加，這與水稻根毛的增加有關(guān)，根毛的增加促使根系吸收面積增大[25]，而根毛也受到氮素調(diào)控[26]。由本研究結(jié)果可以看出，根區(qū)施高濃度尿素處理抑制根系總吸收/活躍吸收面積增加，而根區(qū)施控釋尿素?zé)o此現(xiàn)象，這可能與氮肥品種有關(guān)，施用控釋尿素能夠滿足根區(qū)附近持續(xù)氮供應(yīng)。鄭圣先等通過田間試驗(yàn)結(jié)果也證明了施用控釋氮肥能明顯增加水稻根系總吸收面積，尤其在水稻抽穗期至成熟期根系衰老，通過增加根系吸收面積促進(jìn)氮素積累[27]。

根系在土壤中的空間分布情況與固定植株能力的大小和其吸收水分和肥料的能力密切相關(guān)[24]，良好的根系形態(tài)分布會促進(jìn)作物的生長發(fā)育，提高其對養(yǎng)分的吸收和利用。試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同處理0～5 cm土層根系所占比重均最大，而根系對養(yǎng)分的吸收也主要集中在這一土層，這與孫浩燕等的研究結(jié)果[16]一致。隨著根系向下伸長，逐漸分布于10 cm以下土層，進(jìn)一步增產(chǎn)也需要發(fā)揮這部分根系的潛能[28]。本研究結(jié)果表明，施用控釋尿素能滿足10～15 cm土層根系對土壤中氮素的需求，在避免燒苗的前提下發(fā)揮了根區(qū)施肥的作用。根區(qū)施肥通過集中供氮來滿足作物生長[2-3]，而控釋氮肥氮素的釋放緩慢，保證了適度的氮素供應(yīng)而與根區(qū)施尿素相比更利于10～15 cm土層根系生長。

根冠比可作為控制與協(xié)調(diào)地上部生長發(fā)育的參數(shù)，合理的根冠比意味著水稻地上部和根系協(xié)同生長[29]。苗期以促進(jìn)水稻根系生長為主[30]，而楊貴羽等通過對冬小麥的研究得出，苗期根冠比較大，有利于促進(jìn)冬小麥生育后期冠層生物量的累積[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，在同一施氮水平下，根區(qū)施控釋尿素下的根冠比要高于普通尿素。此外，彭玉等也認(rèn)為，與常規(guī)氮肥相比控釋尿素更有利于增大水稻根冠比[32]。

3.2 根區(qū)施氮對水稻葉片MDA含量和酶活性的影響

作物膜脂過氧化作用及抗氧化酶系統(tǒng)活性的變化已經(jīng)廣泛用于作物對氮肥響應(yīng)機(jī)理的研究[33]，MDA作為膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量高低代表了膜脂過氧化水平，同時，植株體內(nèi)會產(chǎn)生抗氧化酶(如SOD和CAT)以減輕活性氧(reactive oxygen species，簡稱ROS)對植株的傷害。在本研究中，UH處理下葉片中MDA含量最高，表明根區(qū)施高濃度尿素對水稻生長產(chǎn)生了逆境脅迫。而UH處理的SOD和CAT活性也相應(yīng)高于其他處理，聶軍等通過一次基施控釋尿素發(fā)現(xiàn)，在孕穗至抽穗期間水稻葉片中MDA含量較尿素處理顯著降低，而抗氧化酶(SOD和POD)活性顯著上升[34]，本研究結(jié)果與之不盡相同。筆者認(rèn)為，根區(qū)施高濃度尿素使植物體受到氧化脅迫，植株內(nèi)活性氧水平上升導(dǎo)致MDA含量增加，為了清除產(chǎn)生的活性氧，葉片中SOD和CAT活性會相應(yīng)顯著增加并維持在較高的狀態(tài)[35]，以緩解逆境對植物的傷害。

根區(qū)施尿素條件下根系生物量、總根表面積、總根體積、平均直徑、總吸收面積、活躍吸收面積和根冠比均隨著施氮量的增加而降低，施用控釋尿素條件下的相應(yīng)指標(biāo)隨著施氮量的增加而增加或保持穩(wěn)定。此外，根區(qū)施控釋尿素處理有利于構(gòu)建良好的根系形態(tài)。因此，根區(qū)施肥條件下施用低、中量的普通尿素可以促進(jìn)水稻苗期根系生長但高施氮量抑制根系生長，而控釋尿素根區(qū)施用則無此風(fēng)險且不同施氮量均能促進(jìn)根系生長，是較為安全的氮肥品種，建議作為水稻根區(qū)施氮的主推產(chǎn)品。