秸秆还田与施氮对水稻根系分泌物及氮素利用的影响研究

徐国伟，李帅，赵永芳，陈明灿，李友军

(河南科技大学农学院，河南 洛阳 471003)

水稻(Oryzasativa)是世界上最重要的粮食作物之一，在亚洲包括中国在内的粮食生产中具有十分突出的地位[1]。自1995年起，我国水稻单产稳定在6 t/hm2以上，跨入了世界先进行列[2]，这与科学技术的不断进步密不可分，但以高投入为手段的生产方式已成为提升我国粮食生产能力的重要途径，水肥(尤其是氮肥)投入量大，水肥资源利用效率低是我国目前水稻生产中的一个突出问题。我国目前水稻平均氮肥施用量为180 kg/hm2，高出世界水稻氮肥平均施用量的75%，氮肥的过量施用造成了氮素利用率大幅度下降、水稻倒伏、病虫害发生严重和稻米品质变劣，也会造成严重的环境污染[3-4]。根系是水稻养分吸收的主要器官，有关氮肥对水稻根系的影响，前人已经做了大量的研究，但就不同氮肥水平对根系分泌特性的影响缺少系统的研究。根系分泌物中的维生素、有机酸、酶、植物生长调节剂及氨基酸等物质，为植物根际微生物的生长和繁殖提供了充足的营养和能源，可以促进土壤中有机化合物的分解和矿化作用，提高土壤中有效养分的含量，从而促进了植物养分的吸收利用[5-6]。由此可见根系分泌物中离子、有机酸和氨基酸含量等与水稻养分的吸收利用均有密切关系[7]。

农作物秸秆是一种含碳丰富的能源物质，秸秆还田对保持和提高土壤肥力以及农业的可持续发展均有重要作用[8]。国内外农业科学工作者对秸秆还田在作物生长发育、养分特性、产量及品质等方面进行了众多的研究[9-13]，但是，有关在秸秆还田和不同氮肥条件下对水稻根系分泌特性的研究尚未有报道。本研究较系统的观察了在秸秆还田和不同氮肥管理条件下水稻根系分泌物及其含量的差异，分析其与氮肥吸收利用的关系，这对于丰富作物栽培理论、提高肥料利用率具有重要的理论意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地点

试验于2010-2012年在河南科技大学试验场进行盆栽试验，该地处东经111°38′58″，北纬34°25′50″，年降雨量546 mm。盆钵规格：直径 20 cm，高 25 cm，盆钵内装过筛土15 kg左右。供试品种为徐稻3号，土壤为粘壤土，土壤有机质 19.9 g/kg，速效氮 65.3 mg/kg，速效磷 5.9 mg/kg，速效钾 120.9 mg/kg。

1.2 试验设计

进行秸秆还田×氮肥管理两因素随机处理试验。-S为小麦秸秆不还田；+S为小麦秸秆还田(每盆23.5 g，相当于大田7.5 t/hm2)，还田时将秸秆切碎(3～5 cm)，均匀的混入盆中。氮肥分为3种：0N：整个生育期不施氮肥；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氢钾 (KH2PO4) 0.5 g，5月18日播种，6月10日移栽，每盆3穴，每穴2苗，共6个处理，各处理重复30盆。抽穗前盆钵内保持浅水层，抽穗后干湿交替，全生育期严格控制病、虫、草害。

表1 不同试验处理简写Table 1 Different treatments explanation

1.3 取样与测定

1.3.1取样方法 于水稻抽穗期及成熟期，剪去地上部，将盆钵内根与土倒入洗根框中(洗根框用60目金属筛网制成，长×宽×高为40 cm×30 cm×40 cm)先用流水冲净，然后用农用压缩喷雾器冲洗干净。冲洗干净的根系，取部分根按章俊德等[14]方法测定根系活力。

1.3.2氮素含量测定 分别于抽穗期及成熟期，每处理取3盆(与所普查的有效茎蘖平均数相等)，每盆的植株剪去根后，分茎鞘、叶和穗3部分烘干并粉碎，分别测定地上部分各器官的养分含量，用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测全氮[15]。以上述测定为基础，计算氮肥的利用效率：

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

1.3.3根系分泌物中有机酸及氨基酸含量的测定 分别于抽穗期及成熟期，各材料取6穴，用自来水和蒸馏水洗净后，置于装有去离子水的烧杯(800 mL)中并封上烧杯口，每杯放1穴。在光下(光强为700～800 μmol/m2·s，冠层温度28～30℃)培养4 h，收集烧杯中的溶液，用高效液相色谱(HPLC，Waters)测定溶液中有机酸浓度。分析测定条件为：2487型紫外监测器，反相AtlantisTMdC18柱(4.6 mm×150.0 mm，5 μm)，流动相：A为20 mmol/L NaH2PO4(pH=2.7，磷酸调节)；B为乙腈；C为超纯水。流速：0.5 mL/min。柱温：37℃。紫外检测波长：248 nm。进样量：10 μL。标准有机酸(苹果酸、酒石酸、琥珀酸、柠檬酸和乳酸)购自Sigma公司。

根系分泌物中氨基酸组分经衍生后用高效液相色谱法(HPLC)测定其浓度。吸取10 μL根系分泌物提取液注入衍生小管中，加AccQ·Fluor缓冲液70 μL，边混合边加入衍生剂(购自Waters，美国) 20 μL，于55℃烘箱内保温10 min，转入微量进样小瓶中，于HPLC(Waters 2695，美国)检测。色谱条件为2695分离单元，2487型紫外监测器，Empower色谱管理系统：反相AccQ·Tag分析柱(3.9 mm×150.0 mm)；流动相A为140 mmol/L乙酸钠-17 mmol/L三乙胺(pH=4.95，磷酸调节)，B为乙腈(色谱纯)，C为超纯水。流速为1.0 mL/min，柱温37℃，紫外检测波长248 nm，进样量10 μL。

1.4 数据分析

本试验数据用SAS软件进行方差分析，SigmaPlot 10.0进行图表绘制。由于2年的试验结果趋势基本一致，因此本试验是2012年的试验结果。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻植株氮素吸收利用的影响

由表2可知，无论秸秆还田与否，随着施氮量的增加，植株吸氮量显著增加，但结实期氮素积累量及氮素利用率并非一直增加。与NN相比较，HN处理抽穗期吸氮量增加22.8%(秸秆未还田)及18.9%(秸秆还田)，但结实期氮素累积量、氮吸收利用率平均降低31.3%与17.1%；在同一氮肥处理下，秸秆还田后氮肥累积利用的各项指标均有所提高，氮素的累积量与利用率分别增加8.9%与23.6%；与HN相比较，秸秆还田后NN处理施氮量下降34.4%，但氮肥利用率显著提高。上述结果说明秸秆还田和NN能够明显提高氮肥利用效率。

表2 不同处理对水稻植株氮素吸收利用的影响Table 2 Effect of different treatments on N absorption and utilization in rice plant

注：不同小写字母表示在P<0.05水平上与对照差异显著。下同。

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

2.2 不同处理下水稻根系分泌物中有机酸的差异

不同处理明显影响水稻根系分泌物中有机酸的含量(表3)。从总体上分析，水稻根系分泌物中有机酸主要以酒石酸、乙酸、柠檬酸、草酸、苹果酸及琥珀酸为主。无论秸秆还田与否，NN提高了根系分泌物中苹果酸及琥珀酸的含量，草酸及柠檬酸的含量则随着施氮量的增加而降低，不同氮肥使用量处理对根系分泌物中乙酸的含量无显著影响，施氮增加了根系分泌物中酒石酸的含量，但氮肥施用量对其无显著影响；同一氮肥处理下，秸秆还田增加了根系分泌物中草酸、苹果酸及琥珀酸的含量，平均增加16.5%，21.0%及53.4%(P<0.05)；秸秆还田处理显著降低根系分泌物中柠檬酸的含量，平均降低19.4%，酒石酸及乙酸含量在秸秆处理间无显著变化。

从以上分析可知，秸秆还田与NN处理有利于根系分泌物中苹果酸及琥珀酸含量的增加。

表3 结实期不同处理下根系分泌物中有机酸浓度Table 3 Concentrations of organic acid in the root exudates of rice subjected to various treatments during grain-filling mg/g DW

2.3 不同处理对根系分泌物中有机酸总量的影响

结实期不同氮肥处理下根系分泌物中有机酸总量明显存在差异(图1)，在NN处理下有机酸总量最大，与NN相比较，HN有机酸总量平均降低3.6%；秸秆还田后，有机酸总量高于秸秆未还田处理，平均高出9.3%，达显著性水平。分析表明秸秆还田与NN处理有利于根系分泌物中有机酸总量的增加。

2.4 不同处理对根系分泌物中氨基酸浓度的影响

图1 结实期不同处理对水稻根系分泌物中有机酸总量的影响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浓度在不同氮肥处理下表现不一(图2)，在NN处理下氨基酸浓度最大，与NN相比较，HN氨基酸的浓度分别降低18.9%(秸秆未还田)与19.0%(秸秆还田)；秸秆还田后，氨基酸的浓度高于秸秆未还田处理，平均高出5.8%。分析表明秸秆还田与NN处理有利于根系分泌物中氨基酸浓度的增加。

2.5 不同处理对根系活性的影响

随着施氮量的增加，根系活性先增加而后降低(图3)，与NN相比较，HN根系活性分别降低9.6%(秸秆未还田)与13.7%(秸秆还田)；秸秆还田后，根系活力高于秸秆未还田处理，平均高出20.3%，达显著性水平。分析表明秸秆还田与NN处理有利于根系活性的提高。

图2 结实期不同处理下水稻根系分泌物中氨基酸的浓度Fig.2 Amino acid concentrations in the root exudates of rice subjected to various treatments during grain-filling

图3 结实期不同处理下水稻根系活性Fig.3 Root activity of rice subjected to various treatments during grain-filling

2.6 结实期氮肥吸收利用与根系分泌物中有机酸、氨基酸含量及根系活性的相关性分析

相关性分析表明(表4)，结实期根系分泌物中有机酸总量与氮素累积量呈显著正相关，与氮素吸收利用率呈极显著正相关，与氮肥的施用量及抽穗期吸氮量无显著相关；各有机酸含量与氮素吸收利用的相关性不尽一致，其中酒石酸与氮素利用率呈显著负相关，而苹果酸和琥珀酸与结实期氮素累积量和氮素吸收利用率显著正相关(r=0.64*～0.79*)；根系分泌物中氨基酸浓度及根系活性与氮素累积量及氮肥利用效率呈极显著正相关(r=0.71**～0.92**)。从分析可知，结实期水稻氮素的高效积累及利用与根系分泌物中有机酸总量、氨基酸浓度及根系活性明显相关，同时与有机酸中苹果酸、琥珀酸的浓度密切关联。

3 讨论

3.1 秸秆还田及氮肥对根系分泌特性的影响

根系作为植物与土壤的接触面，在从土壤中吸收水分、养分的同时，通过根分泌的方式向根周围释放出各种化合物，产生根际效应，进而调控或影响植株的生长发育[16]。前人对不同氮肥水平下根系分泌特性的研究较少。常二华等[17-18]通过结实期水培试验，观察了低氮或缺氮条件对水稻根系分泌物的影响时得出：在缺氮条件下，根系分泌的有机酸总量显著降低，降低的原因主要是酒石酸、乙酸、马来酸和琥珀酸含量的显著减少；在缺磷条件下，根系分泌的有机酸总量则有明显增加，增加的原因主要是草酸、酒石酸和柠檬酸的含量显著提高。本研究表明，在0N下根系分泌有机酸含量最低，这与常二华等[17-18]研究结果一致，但根系分泌有机酸含量并非随着施氮量提高而显著增加，根系有机酸总量在NN下最大，这与常二华等[17-18]研究并不一致，主要是由于施肥方式不一致，本试验是在施氮条件下进行，而常二华等[17-18]是在缺氮条件下的结果。本研究表明，NN提高了根系分泌物中苹果酸、琥珀酸、氨基酸及有机酸总量，而高氮则抑制上述各指标的含量，这与根系活性密切相关，高氮下根系活力降低，而根系活力与植株的生长状况关系密切，根系的H+-ATPase活性能够影响植株的养分吸收，改变根系分泌的特性[18]。不同氮肥量对单一有机酸数量变化不一，其含量有增加亦有减少。如：柠檬酸随着施氮量的提高，其浓度逐渐降低，这与张俊英等[19]在大豆(Glycinemax)上的研究结果相同。

表4 结实期根系分泌的有机酸、氨基酸浓度及根系活性与施氮量、吸氮量及氮素利用率的相关性分析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

*,**: 分别表示在0.05和0.01水平上显著相关。

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

关于秸秆还田效应的研究，目前大多集中在对土壤结构和肥力的影响上[9-13]，而对于根系有机酸的研究较少。单玉华等[20]以水稻与小麦(Triticumaestivum)秸秆为材料，采用淹水培养研究了甲酸、乙酸、丙酸及丁酸在土壤中的积累及其与秸秆碳氮比、氮肥添加量的关系，结果表明随秸秆用量的增加，秸秆处理的有机酸积累均显著增多。本研究表明，秸秆还田后根系有机酸总量明显上升，这与前人的研究基本一致，但各有机酸含量表现不一，秸秆还田处理增加了根系草酸、苹果酸及琥珀酸的含量，但显著降低根系分泌物中柠檬酸的含量，酒石酸及乙酸含量在秸秆处理间无明显变化，有关秸秆处理对根系各有机酸含量的影响有待进一步研究。

3.2 根系分泌差异与养分吸收利用的关系

根系分泌物的组成和含量是植株根系生理的重要组成部分，它反映了整个植株的生理状况。前人围绕作物根系分泌物的组分鉴定、重金属毒害的缓解、化感作用、土壤理化特性及生物种群等方面进行了众多的研究[5-6,19-21]，但有关水稻根系分泌物与水分养分吸收利用关系的研究很少。有研究表明，根系分泌物中柠檬酸或琥珀酸较高的品种或增施有机肥后，籽粒中的K、Mg、Zn等营养元素相对较高，根系分泌的有机酸、氨基酸、各种离子等化学物质可能改变植株的根际环境和养分吸收状况[17-18]。本研究表明，结实期水稻氮素的高效积累及利用与根系有机酸总量、氨基酸浓度及根系活性显著正相关，同时与有机酸中苹果酸、琥珀酸的浓度密切关联。分析其原因：一是根系分泌的有机酸、氨基酸和离子等各种化学物质可以通过改变根际物理、化学及其生物学性质，提高根际土壤养分的生物有效性、促进作物的生长与肥料的利用[5]；另一方面，根系分泌的有机酸及其组分与根系激素的产生有一定关系，根系分泌的有机酸通过影响根系激素的合成或根系分泌有机酸与激素的协同作用，调节作物生长及养分吸收利用[7]，另外，中氮及秸秆还田的处理水稻根系活性较大，有利于养分的吸收，而在高氮条件下，根系活性并不高，这是由于高氮条件下根系周围NH4+浓度较高，较高的NH4+会使光合磷酸化、氧化磷酸化解偶联，并能抑制光合作用水的光解，对根系产生一定的毒害作用。有关根系分泌物与养分吸收利用的机理有待深入研究。

4 结论

结实期秸秆还田及中氮(NN)提高了水稻根系活性、根系有机酸及氨基酸的分泌。根系分泌物中有机酸总量、氨基酸浓度及根系活性与氮肥的高效利用呈显著正相关，同时有机酸中苹果酸、琥珀酸的浓度与养分吸收利用密切关联。结实期不同氮素水平及秸秆还田可以改变根系分泌物的含量和组成，从而影响养分的吸收与利用。