长期施肥方式对双季稻根系生理特性与产量的影响

石丽红 李 超 唐海明* 文 丽 李微艳 肖小平 程凯凯 刘 曲 程爱武

(1.湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；2.宁乡市农业技术推广中心，湖南 宁乡 410600)

施肥是培肥农田土壤和保持作物高产、稳产的重要农艺措施之一。采取科学合理的施肥措施有利于改善土壤理化特性和生态环境、提高土壤养分含量，使农田维持较高的生产力[1]。针对不同施肥措施对农田土壤生态、土壤生物学特性、肥力变化特征、作物生物量和产量变化等方面的影响已有很多相关的研究报道，研究结果认为有机肥配合施用化肥措施有利于改善土壤生态环境、增加土壤微生物活性和多样性，培肥土壤，可为作物生长发育和获得高产提供充足的养分来源[2-4]。

采取有机肥和秸秆还田配施化肥不仅有利于培肥土壤、改善稻田生态环境，而且有利于保证水稻高产稳产。已有研究结果表明，长期采取有机肥、秸秆还田和化肥配施有利于促进早、晚稻植株生长发育、干物质积累和提高水稻产量[5-6]。吴建富等[7]研究结果表明，有机肥配施化肥能增加水稻植株各部位的物质积累量，为水稻获得高产奠定物质基础。李娟等[8]开展不同施肥模式对水稻植株生物量研究认为，在农民习惯施氮量基础上减量配施缓释肥能增加水稻植株各生育期的总生物量和水稻产量。根系不仅是水稻吸收养分和合成多种活性物质的器官，而且与植株的衰老、物质生产、同化产物运输分配等关系密切，根系生理特性指标对其产量高低具有显著的影响。在不同施肥措施对水稻根系和植株理化特性影响方面，袁颖红等[9]指出，有机肥与化肥配施能显著增加水稻植株保护性酶活性和提高水稻产量。王佳佳等[10]研究认为，生育中后期高氧处理可显著增加水稻根系超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性。于天一等[11]开展不同冬季作物秸秆还田配施化肥处理对水稻根系酶活性研究认为，马铃薯、紫云英及油菜秸秆还田均有利于增加早、晚稻根系SOD、CAT和过氧化物酶(POD)活性。李宝珍等[12]研究结果表明，仅施用磷、钾肥处理促进了水稻植株根系生长，增加植株的根冠比；铵-硝混合施用比单施铵态氮肥或硝态氮肥更有利于增加根系的谷氨酰胺合成酶活性。李珣等[13]开展不同施氮量处理对水稻根系与氮代谢相关生理特性的研究结果认为，根系硝酸还原酶活性随施氮量的增加而增强。蒋敏等[14]研究结果表明，少量或适量氮、磷、钾化肥处理均有利于提高水稻苗期根系的体积和根系谷氨酰胺合成酶活性。王绍明[15]认为，长期施用厩肥或厩肥配施化肥均有利于培肥土壤和增加水稻产量。董春华等[16]研究结果表明，长期施用有机肥(腐熟的牛粪)能明显改善稻田土壤理化特性和培肥土壤，有利于水稻获得较高的产量。

湖南省是我国双季稻主产省，针对该区域长期的有机和无机肥配施条件下水稻叶片的理化特性和产量变化特征[17-18]的研究已有报道，但是对水稻根系理化指标的变化尚未见报道。本研究以长期(33年)大田定位试验为平台，开展有机、无机肥配施条件下双季水稻主要生育期植株地下部分理化特性和各部位生物量、水稻产量变化特征的研究，旨在探明施肥措施对水稻根系理化指标和产量的影响，以期为该区域选择培肥土壤、水稻高产稳产的施肥措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

长期定位试验田位于湖南省双季稻主产区宁乡市农技推广中心(28°07′52.55″ N，112°18′47.84″ E)，始于1986年。试验前耕层土壤(0～20 cm)基本理化特性：有机质29.39 g/kg、全氮2.01 g/kg、全磷0.59 g/kg、全钾20.6 g/kg、碱解氮144.1 mg/kg、有效磷12.87 mg/kg、速效钾33.0 mg/kg和pH 6.85。试验田的气候条件(年平均降雨量、蒸发量、平均气温和无霜期)、周年种植制度等与徐一兰等[5]和唐海明等[6]一致。

1.2 试验设计和田间管理

试验设置4个处理：1)不施肥(CK)；2)单施化肥处理(MF)：只施化学肥料；3)秸秆还田配施化肥处理(RF)：水稻秸秆还田和40%化学肥料；4)有机和无机肥配施处理(OM)，有机肥和化肥的氮施用量分别占总氮投入量的30%和70%。早稻季生产中，MF、RF和OM的N、P2O5和K2O施用量均分别为142.5、54.0和63.0 kg/hm2；晚稻季生产中，MF、RF和OM的N、P2O5和K2O施用量均分别为157.5、43.2和81.0 kg/hm2。不同施肥处理各小区面积、所施用肥料的类型和用量、施肥比例和时期、水稻移栽密度和田间栽培管理措施等与徐一兰等[5]和唐海明等[6]一致。2018年，早稻供试品种为‘株两优120’，晚稻供试品种为‘盛泰优018’；2019年，早稻供试品种为‘株两优120’，晚稻供试品种为‘兵两优401’。

1.3 样品采集和测定方法

1.3.1样品采集

2018—2019年，在早、晚稻的主要生育期(移栽后10 d苗期、分蘖盛期、孕穗期、齐穗期和成熟期)采集植株样品。采集样品时，于各小区连续选择5穴水稻植株，以水稻根系为中心取植株周围长、宽和深分别为25、20和20 cm的土块，先用清水将土块轻轻冲洗，保证植株根系的完整性，然后用滤纸吸干根系的水分，放到冰盒中带回实验室，先测定其根系体积，然后将植株分部位(根、茎叶和穗)杀青和烘干，测定各部位的干物质重量和根冠比(根系干重/地上部分干重)。

1.3.2根系生理生化指标测定

水稻根系样品的丙二醛(MDA)和游离脯氨酸(Pro)含量，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均参考李合生[19]的方法进行测定；根系活力采用TTC法测定[19]，根体积采用排水法测定[19]，硝酸还原酶活性采用对氨基苯磺酸胺-a萘胺比色法测定[20]，谷氨酰胺合成酶根据Zhang等[21]的方法进行测定，各指标测定3次重复，计算其平均值。

1.3.3水稻产量

分别于早稻和晚稻成熟期，对各个小区水稻进行单打和单收，测定其产量。

1.4 数据统计和分析

采用Microsoft Excel 2003软件分析数据，各施肥处理间相关数据的多重分析比较均运用SAS 9.3统计软件。

2 结果与分析

2.1 根系丙二醛和游离脯氨酸含量

由图1可知，在早、晚稻整个生育期，MF、RF、OM和CK的水稻植株根系丙二醛(MDA)含量均呈现出逐渐增加的趋势。不同施肥处理间，均以RF和OM处理的根系MDA含量最低，皆显著低于CK。

在早稻的苗期、分蘖盛期和孕穗期，OM处理的根系MDA含量均显著低于MF和RF；齐穗期和成熟期，RF和OM的根系MDA含量均显著低于MF；各施肥处理根系MDA含量由高到低为：CK>MF>RF>OM。在晚稻的苗期～成熟期，RF和OM的根系MDA含量均显著低于MF处理；分蘖盛期～成熟期，各处理间根系MDA含量的差异均显著；各个施肥处理根系MDA含量由高到低为：CK>MF>OM>RF。

CK，不施肥；MF，单施化肥；RF，秸秆还田配施化肥；OM，有机、无机肥配施。SS，苗期；TS，分蘖盛期；BS，孕穗期；HS，齐穗期；MS，成熟期。不同小写字母表示同一时期各处理间的差异显著(P<0.05)。下同。CK， without fertilizer input as control; MF， chemical fertilizer alone； RF， rice straw returning and chemical fertilizer；OM， 30% organic fertilizer and 70% chemical fertilizer. SS， seedling stage; TS， tillering stage; BS， booting stage; HS， heading stage; MS， mature stage. Different lowercase letters with different fertilizer treatments at the same growth stage were indicated significantly difference at 0.05 level. The same below.图1 长期不同施肥处理对水稻根系丙二醛含量的影响Fig.1 Effects of different long-term fertilizer treatments on MDA content of rice root

由图2可知，在早、晚稻季，随着水稻生育期的推进，MF、RF、OM和CK的植株根系游离脯氨酸(Pro)含量均呈先增加后降低的变化趋势，在齐穗期达到峰值。与CK相比，各施肥处理根系Pro含量降低5.26%～38.03%。其中，OM减少的效果要显著高于MF；与MF相比，OM和RF根系Pro含量降低23.05%～34.06%。早稻和晚稻的苗期至成熟期，RF和OM的根系Pro含量均显著低于MF和CK；MF的根系Pro含量均低于CK，但两者间差异均不显著。

图2 长期不同施肥处理对水稻根系脯氨酸含量的影响Fig.2 Effects of different long-term fertilizer treatments on proline content of rice root

2.2 根系SOD、POD和CAT活性

由图3可知，早、晚稻整个生育期，各处理的植株根系SOD活性整体呈先升高后降低的变化趋势，并于齐穗期达到峰值；MF、RF和OM的根系SOD活性比CK增加5.58%～43.77%，RF和OM的根系SOD活性比MF增加8.36%～32.05%。

早、晚稻整个生育期，MF、RF和OM的根系SOD活性均显著高于CK(图3)。早稻季，RF和MF的根系SOD活性均显著高于CK；孕穗期、齐穗期和成熟期，RF的根系SOD活性均显著高于MF。晚稻季，RF处理的根系SOD活性均显著高于OM和MF；各施肥处理间根系SOD活性由高到低均表现为：RF>OM>MF>CK。

图3 长期不同施肥处理对水稻根系SOD酶活性的影响Fig.3 Effects of different long-term fertilizer treatments on SOD activity of rice root

由图4可知，早、晚稻整个生育期，MF、RF、OM和CK植株根系POD活性整体呈先升高后降低的变化趋势，并于齐穗期达到峰值。早、晚稻整个生育期，MF、RF和OM处理的根系POD活性均显著高于CK，RF和OM的根系POD活性均显著高于MF。

图4 长期不同施肥处理对水稻根系POD酶活性的影响Fig.4 Effects of different long-term fertilizer treatments on POD activity of rice root

从苗期至成熟期，各施肥处理植株的根系POD活性由高到低，早稻为：OM>RF>MF>CK，晚稻为：RF>OM>MF>CK；OM和RF的根系POD活性均显著高于MF和CK。

由图5可知，早、晚稻整个生育期，各处理的植株根系CAT活性整体也呈先升高后降低的变化趋势，均于分蘖期达到峰值；MF、RF和OM的根系CAT活性比CK增加9.63%～67.24%，RF和OM的根系CAT活性比MF增加12.89%～43.78%。

图5 长期不同施肥处理对水稻根系CAT酶活性的影响Fig.5 Effects of different long-term fertilizer treatments on CAT activity of rice root

从苗期至成熟期，各施肥处理植株根系CAT活性由高到低，早稻为：OM>RF>MF>CK，晚稻：RF>OM>MF>CK；OM的根系CAT活性均显著高于MF和CK。

2.3 根系活力

由图6可知，在早、晚稻季，各处理的植株根系活力均呈先升高后降低的变化趋势；MF、RF和OM的根系活力均显著高于CK，RF和OM的根系活力均显著高于MF。

图6 长期不同施肥处理对水稻根系活力的影响Fig.6 Effects of different long-term fertilizer treatments on activity of rice root

早稻和晚稻的苗期至成熟期，各处理间的根系活力差异均显著；根系活力分别以OM和RF为最高，均显著高于MF和CK。

2.4 根系氮素代谢酶活性

由图7可知，早、晚稻的整个生育期，各处理的植株根系硝酸还原酶活性均呈先增加再降低的变化趋势；MF、RF和OM的根系硝酸还原酶活性均显著高于CK，RF和OM的根系硝酸还原酶活性均显著高于MF。

图7 长期不同施肥处理对水稻根系硝酸还原酶的影响Fig.7 Effects of different long-term fertilizer treatments on nitrate reductase activity of rice root

早稻和晚稻的苗期至成熟期，各处理间根系硝酸还原酶活性的差异均显著；根系硝酸还原酶活性分别以OM和RF为最高，均显著高于MF和CK。

由图8可知，早、晚稻的整个生育期，各处理的植株根系谷氨酰胺合成酶活性均呈先升高后降低的变化趋势，均于齐穗期达到峰值；MF、RF和OM根系谷氨酰胺合成酶活性比CK增加17.08%～67.66%，RF和OM根系的谷氨酰胺合成酶活性比MF增加8.84%～39.17%。

图8 长期不同施肥处理对水稻根系谷氨酰胺合成酶的影响Fig.8 Effects of different long-term fertilizer treatments on glutamine synthetase activity of rice root

在早、晚稻季，MF、RF和OM的根系硝酸还原酶活性均显著高于CK；分蘖盛期至成熟期，RF和OM的根系硝酸还原酶活性均显著高于MF。

2.5 植株不同部位生物量

由表1可知，不同施肥处理对水稻成熟期植株干物质积累量均有显著影响。早稻成熟期，MF、RF和OM的水稻根体积、根系干重和茎叶干重均显著高于CK；RF和OM的植株根体积和干重均显著高于MF；各处理间植株的根冠比均无显著差异。

表1 长期不同施肥处理对水稻植株不同部位干物质积累量的影响Table 1 Effects of different long-term fertilizer treatments on dry matter accumulation in different part of rice plant

晚稻成熟期，MF、RF和OM的水稻根体积、根系干重和茎叶干重均显著高于CK；RF和OM的植株根体积和干重均显著高于MF；RF和OM的植株根冠比均显著高于CK。

2.6 产量

由图9可知，在2个年份中，MF、RF和OM的早稻产量均显著高于CK，比CK增加2 967.6～3 912.4 kg/hm2；RF和OM的早稻产量均显著高于MF，比MF增加435.9～1 143.2 kg/hm2。各施肥处理间早稻产量由高到低为：OM>RF>MF>CK。

图9 长期不同施肥处理对早稻(a)和晚稻(b)产量的影响Fig.9 Effects of different long-term fertilizer treatments on grain yield of early rice (a) and late rice (b)

MF、RF和OM的晚稻产量均显著高于CK，比CK增加3 092.1～3 479.5 kg/hm2，但MF、RF和OM的晚稻产量均无显著差异；RF和OM的晚稻产量均高于MF，比MF增加119.8～387.4 kg/hm2。不同施肥处理间晚稻产量由高到低为：RF>OM>MF>CK。

3 讨 论

3.1 长期施肥与植株根系生理特性

丙二醛和游离脯氨酸含量均是体现植物受逆境胁迫程度高低的重要指标[22-23]； SOD、POD和CAT是植物体内活性氧清除系统，在植物遭受逆境胁迫时起着重要的保护作用[24]。已有研究认为，不同的生态环境条件下通过影响植物体内渗透调节物质(游离脯氨酸)和细胞膜质过氧化产物(丙二醛)，进而对植物体造成不利影响；但同时，植株能启动体内的保护性酶系统，有效地清除体内活性氧，避免或减缓外界环境变化所造成的伤害[22-23]。水稻根系活力和氮素代谢酶活性(硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶)可通过调节植株对土壤养分吸收利用能力，为植株干物质积累提供能量来源，从而影响水稻产量形成[6]。蒋敏等[14]研究结果表明，适量施肥有利于提高水稻根系硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性。本研究结果表明，与无肥对照(CK)相比，长期秸杆还田和有机、无机肥配施处理(RF和OM)均有利于增强水稻根系保护性酶(SOD、POD和CAT)活性、降低渗透调节物质(Pro)含量，减轻细胞遭受胁迫程度，提高水稻根系活力和氮素代谢酶活性(硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶)。可能是因为长期施用有机肥和秸秆还田能显著改善稻田土壤物理结构和生态环境、增加土壤养分含量[25]，同时所施用的化肥能为水稻根系生长提供相应的速效养分来源，促进根系的生长和生理活动，使根系保护性酶活性保持较高的水平，有利于清除或减轻渗透调节物质(Pro)对植株的不利影响，增强植株根系的生理活动、对土壤养分的吸收利用和光合产物的制造，增加植株各部位干物质积累，为水稻高产提供了充足的营养物质来源[11]。

单独施用化肥(MF)处理对于提高水稻根系保护性酶，氮素代谢酶活性和根系活力的效果均低于有机、无机肥配施(OM)和秸秆还田配施化肥处理(RF)，这可能是由于在长期采取单独施用化肥条件下，稻田土壤物理结构、生态环境和土壤养分等方面的指标低于有机肥、秸秆还田配施化肥处理[25]，且水稻收获时所带走的稻谷降低了土壤养分含量，其土壤养分和群落生物多样性、留于土壤中的根茬量均较低，影响水稻根系活力[26]、保护性酶[11,24]和氮素代谢酶(硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶)活性[12-13]和对土壤养分的吸收利用，最终影响水稻植株干物质积累和分配。但MF对于增强根系保护性酶活性、根系活力和氮素代谢酶活性的效果均高于CK，这可能是由于在长期采取单独施用化肥条件下能为植株根系生长提供相应的营养物质，维持正常的生理活动。

3.2 长期施肥与植株各部位生物量、水稻产量

已有研究认为，土壤养分、微生物多样性、水稻植株生物量和理化特性及产量等均与施肥措施关系密切；在不同的施肥措施中，以有机、无机肥配施(OM)和秸秆还田配施化肥措施(RF)对于提高稻田土壤肥力水平、改善土壤生态环境、增加水稻植株各部位生物量和产量的效果为最好[15-16,27]。本研究结果认为，有机、无机肥配施(OM)和秸秆还田配施化肥措施(RF)对于增加水稻植株干物质积累和产量的效果为最高，其次是单独施用化学肥料处理(MF)，CK的效果最低。其原因可能是由于在长期采取有机、无机肥配施有利于降低土壤容重、增加土壤微生物多样性和土壤养分含量[5,25]，为水稻根系生长和生理活动提供良好的土壤生态环境、全面均衡的速效和缓效养分；另一方面，有机和无机肥配施能明显改善植株根系活力、保护性酶和氮素代谢酶活性等生理特性，增强根系对土壤养分的吸收利用，为植株生长和干物质积累提供充足的养分和光合产物来源，有利于增加植株各部位干物质积累量，扩大植株的“库”和“源”，为水稻获得高产奠定物质保障，这与高菊生等[4]和徐一兰等[5]的研究结果相近。

与长期采取有机、无机肥配施措施相比，长期单独施用化肥处理虽然改善了稻田土壤部分理化特性[25]，但由于其培肥土壤、改善植株根系生理特性(根系活力、保护性酶和氮素代谢酶)的效果比有机、无机肥配施处理差，进而影响植株干物质积累及分配，水稻产量低于有机、无机肥配施处理。在长期无肥条件下，由于稻田土壤的物理结构和生态环境、土壤养分含量等均低于其他施肥处理，对植株根系的生理特性(保护性酶活性、根系活力和氮素代谢酶活性)和养分吸收等具有一定的不利影响，进而影响植株的干物质积累和产量。

4 结 论

早、晚稻的整个生育期，施用有机肥、秸秆还田配施化肥措施均能显著增加植株根系SOD、POD与CAT活性、根系活力、根系氮素代谢酶活性(硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶)，降低根系丙二醛和游离脯氨酸的积累；改善植株各部位生物量，增加植株的根系和茎叶干重。不同施肥处理的早稻产量由高到低为：有机、无机肥配施(OM)>秸秆还田配施化肥(RF)>单施化肥(MF)>不施肥(CK)；晚稻产量由高到低为：秸秆还田配施化肥(RF)>有机、无机肥配施(OM)>单施化肥(MF)>不施肥(CK)。因此，在湖南省双季稻生产中，长期采取有机肥、秸秆还田配合施用化肥措施有利于提高水稻植株根系保护性酶活性和产量。