根区通气增氧对杂交水稻根系及根际土壤微生物的影响研究

肖卫华，姚帮松，张文萍，张立成,2，黄 蔚，刘祝平

(1.湖南农业大学工学院，长沙 410128；2.湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128；3.湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)

0 引 言

众所周知，根区土壤是由固、液、气三相组成，现行灌溉措施使得根区土壤得到水分的同时，必定排挤出土壤中的空气，导致根际临时缺氧或长期缺氧，但是根系和根区土壤微生物进行正常的生理活动-呼吸作用时需要消耗氧，而作物需水高峰时也是对根系功能要求最高的时候，哪怕出现临时的缺氧症都会影响根系对水肥的吸收，由于灌溉农业很难解决“水氧矛盾”问题，因此,作物根区缺氧也是灌溉农业的主要瓶颈问题[1]，因此根区通气增氧是解决因为灌溉存在“水氧矛盾”的有效途径。根系是作物最活跃的吸收器官和合成器官，根系生长和根系活力直接影响作物的生长和产量水平[2]。在植物的根区输送充足的氧气能够使植物的根系功能处于较佳状态，有利于植物根区的矿物质运移以及土壤微生物的活动，有利于作物的生长而提高自身生产力，为挖掘作物的增产潜能开辟了新的途径，但目前尚未有通过根区通气增氧措施对根际土壤微生物种群数量和纤维分解强度的影响研究。本文通过对不同通气频率在杂交稻不同生育期的根系性状、根系活力、根际土壤微生物种群数量、微生物的纤维分解强度进行了检测与分析，探究在根区通气增氧处理下不同生长阶段根际微生物种群和数量的变化规律，为优化杂交水稻的高产栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

模拟微区试验于2012年-2013年在湖南农业大学耘园实验基地的露天格田中进行，两年试验规律一致，本文采用数据2013年模拟微区试验数据。试验基地所处地理位置属亚热带季风性湿润气候区。历年平均气温为17.2 ℃，年平均无霜期280.5 d，年平均降水量1 360 mm，年平均相对湿度80%。长沙地区年日照时数达1 677 h。

1.2 试验方案

试验供试土壤为第四纪红土发育的红黄泥，肥力较好。试验供试品种为杂交水稻深优9 586，全生育期112 d。每块格田尺寸为1.5 m×6.0 m，每块格田再分3个微区，田埂高度30cm，采用PVC板封隔。按随机区组分布，每个处理设3个重复。每个微区插秧30兜，单本。施肥：采用化肥与有机肥相结合的方式，有机肥采用熟化的猪粪堆肥，每微区施用5 kg，并于移栽前一次性施加。复合肥(N:P:K为15%:10%:15%)80 g，基肥：分蘖肥的比例为6∶4。水分处理：移栽至有效分蘖临界叶龄期返青，一直保持1～3 cm浅水层，当田间群体苗数达到计划穗数的85%时，排水搁田1周左右，之后一直到灌浆期均保持1～3 cm浅水层；成熟收割前7 d断水。6月20日播种，7月2日移栽，10月12日收割。

试验设置4个处理，通气增氧处理是通过预埋在根区土壤中的管路系统，由定时开关控制定时通气，通气时间通过公式(1)估算而定，实施处理时间为移栽后一周起到收割前两周结束。根据加气增氧的频率不同分为3个处理，A1(每日8∶00和17∶00)、A2(每日8∶00)、A3(每隔一天8∶00)和常规对照CK(无增氧处理)。

(1)

式中：t为通气时间，min；N为每个气泵控制的穴数；a为横向间距，cm；b为纵向间距，cm；h为耕作层深度，cm；f为土壤孔隙度，%；Q为加气泵的排气量，L/min。

1.3 测定项目及方法

每个微区于分蘖期与齐穗期选取长势一致的植株，提取网袋(网袋移栽前预埋)连同根区土壤，采用中低压自来水小心冲洗获取根样，采用WinRHIZO根系分析系统扫描并分析根系生长特征指标，剪取距离根尖1～2 cm的白根通过氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定根系活力。分别于分蘖期、齐穗期和成熟期用土钻采取离植株10 cm，离表面1～20 cm处的带根土壤，每微区随机取4土钻，混合均匀放置无菌自封袋，快速带回实验室进行微生物种群的检测。土壤微生物细菌、真菌与放线菌数量采用稀释平板测数法测定，并且分别采用牛肉膏蛋白陈琼脂培养基、马丁氏培养基和改良高氏1号培养基培养[3]。微生物纤维分解强度采用埋棉布法测定[4]。

利用SPSS17.0和Microsoft Excel进行试验数据的分析与作图。

2 结果与分析

2.1 根区通气增氧对根系的影响

2.1.1对根系生长特性的影响

在分蘖期的根总长、根尖数和根干重的变化规律与齐穗期的根系总根长、总表面积、总体积、根尖数和根干重都是随着增氧频率的降低先降低，再升高，但分蘖期的根总表面积、平均根系直径、根总体积的和齐穗期的平均根粗的规律恰好与之相反，如表1所示。同时可以得出通气增氧处理的杂交水稻根系的所有指标都明显优于常规对照CK。

表1 分蘖末期杂交水稻根系指标

2.1.2对根系活力的影响

由图1可得，不管是在分蘖期还是在齐穗期，对于所有增氧处理的TTC还原强度由强到弱的规律均为： A1>A2>A3>CK，说明增氧处理有利于提高杂交水稻的根系活力，且在试验设计范围内随着增氧频率的提高而增强，A1的根系TTC还原强度相比CK，在分蘖期提高了45.7%，在齐穗期提高了26.5%。

图1 不同生育期各处理的TTC还原强度

2.2 根区通气增氧对根区土壤微生物的影响

根际是指植物根系与土壤微生物之间相互作用的独特圈带，根际微生物是作物根际重要的组成部分，是土壤生态系统中最活跃的组分[5]。根区通气增氧对杂交水稻根际土壤微生物种群的影响见图2所示，在分蘖期和成熟期，细菌数量和真菌数量都是随增氧频率的降低而减低，但细菌数量在抽穗期间的规律恰好相反。抽穗期的真菌数量和分蘖期的放线菌数量的变化规律是随通气增氧频率的降低先升高，再减低，而成熟期的真菌和放线菌数量的变化规律一致，都是随频率的降低先降低，后升高。根区通气增氧处理除了真菌数量在抽穗期均低于常规对照(CK)，以及A3处理在成熟期的细菌数量和A1处理在分蘖期的放线菌数量低于CK外，其他各类微生物数量均优于CK处理。

图2 根际土壤微生物数量

分解纤维素的微生物主要是好氧细菌，微生物对纤维的分解作用是自然界生态系统碳素循环的基础，微生物的纤维分解强度从侧面反映好氧微生物的数量和活性，纤维分解释放出有机质中的氮、磷、钾、硫等有效态养分，对提高土壤肥力，改善植物的营养吸收具有重要意义[6]。根区通气增氧对根际微生物纤维分解强度的规律如表2，分蘖期和抽穗期根际土壤微生物纤维分解强度都是随通气增氧频率的降低先升高后降低，并且相比CK处理优势不明显，但是在成熟期，根际土壤微生物纤维分解强度随频率的降低，先降低后升高，且通气增氧处理均显著高于CK处理，是CK处理的1.68～2.56倍。

表2 不同生育期根际微生物纤维分解强度 %

3 结 语

作物根际氧含量影响土壤微生物的呼吸作用，影响根际土壤微生物的种群与活性，根际通气增氧可以促进土壤有机质矿化和养分的循环与转化，改善土壤理化性质，促进作物的生长。试验结果表明：根区通气增氧处理的杂交水稻根系的所有特征指标都明显优于常规对照CK处理，并且有利于提高杂交水稻的根系活力，且表征根系活力的TTC还原强度随着增氧频率的降低而减弱：A1>A2>A3>CK。根区通气增氧处理增加了根际细菌、真菌和放线菌等微生物的数量，除了抽穗期的真菌数和成熟期的细菌外，其他各类微生物数量在分蘖期、抽穗期和成熟期均优于CK处理。成熟期的根际土壤微生物纤维分解强度随通气增氧频率的降低，先降低后升高，且其强度均显著高于CK处理。

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[1] S P Bhattarai, R J Balsys, P Eichler, et al. Dynamic changes in bubble profile due to surfactant and tape orientation of emitters in drip tape during aerated water irrigation[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2015,75(5) 137-143.

[2] 杨建昌.水稻根系形态生理与产量、品质形成及养分吸收利用的关系[J].中国农业科学，2011,44(1):36-46.

[3] 王金凤,康绍忠,张富仓,等.控制性根系分区交替灌溉对玉米根区土壤微生物及作物生长的影响[J].中国农业科学，2006,39(10):2 056-2 062.

[4] 谢 东.增氧灌溉对超级稻根际土壤微生物的影响[D].长沙:湖南农业大学，2014.

[5] 贺祖宏，王相晶，向文胜.作物根际微生物与植物保护[J].世界农药，2013,(5):42-50.

[6] 李振高.土壤与微生物环境研究法[M].北京科学出版社，2008,(9):391-392.