优化栽培模式对水稻根-冠生长特性、水氮利用效率和产量的影响

褚光 徐冉 陈松 徐春梅 刘元辉 章秀福 王丹英

优化栽培模式对水稻根-冠生长特性、水氮利用效率和产量的影响

褚光#徐冉#陈松 徐春梅 刘元辉 章秀福 王丹英*

(中国水稻研究所 水稻生物学国家重点实验室, 杭州 311400；#共同第一作者；*通信联系人，E-mail: wangdanying@caas.cn)

【】探明优化栽培模式对水稻根冠发育以及产量与肥水利用效率的影响。以甬优1540(三系籼/粳杂交稻)为材料，设置3个处理：0N(空白)栽培模式、当地农户习惯栽培模式(对照)以及优化栽培模式。优化栽培处理两年的平均产量为11.5 t/hm2，与对照差异不显著；但其氮肥偏生产力、产谷利用率以及水分利用率较对照显著提高。与对照相比，优化栽培处理改善了水稻根系形态与生理特征，降低了根系生物量与根-冠比，提高了深根比与比根长，增加了齐穗期与灌浆中期根系活跃吸收表面积，提高了灌浆中后期根系氧化力与根系伤流液中玉米素(Z)+玉米素核苷(ZR)的浓度。此外，与对照相比，优化栽培处理显著提高了灌浆中后期剑叶净光合速率、叶片中Z+ZR含量以及籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性。优化与集成现有栽培技术，可以改善水稻根系形态与生理特征，提高地上部生理活性，进而实现肥水利用效率的提高。

水稻；产量；肥水利用效率；优化栽培；根系形态生理特征

水稻在我国国民经济和社会发展中占有十分重要的战略地位。“谷物基本自给、口粮绝对安全”将是我国长期的粮食安全目标。据预测，到2030年我国人口将达到16亿，届时我国水稻总产必须在现有基础上增加10%～15%，才能实现供需平衡[1]。然而，与发达国家相比，我国人多地少，唯有大幅提高水稻单产水平才能筑牢我国粮食安全的防线。

近30年来，为了追求更高的单产目标，我国稻农在生产中往往会大幅提高肥水资源的投入[2-4]。但肥水资源的超额投入与其低效利用带来的不仅仅是生产成本的增加，也间接诱发一系列环境问题，如稻田土壤退化、江河湖泊富营养化以及地下水污染等[5-7]。此外，过多施用化肥还会造成水稻倒伏、贪青迟熟、病虫害发生情况加重以及稻米品质变劣等[8-10]。因此，探索协同实现水稻高产与肥水高效利用的可持续发展道路，可促进农业可持续发展，提高农业综合生产能力，确保国家粮食安全。

我国科研工作者在水稻高产高效栽培理论与技术研究方面进行了长期的探索。提高种植密度、调整肥料运筹、优化灌溉模式是当前研究较多的栽培措施[11-14]。朱相成等[15]研究发现，适度增加种植密度、减少氮肥投入，不仅能获得较高的水稻产量，同时又能大幅度提高氮肥利用效率，并显著降低稻田单位面积和单位产量的温室效应。笔者[16-17]前期的研究表明，干湿交替灌溉可以减少水稻前期无效分蘖的发生，促进颖花形成和籽粒灌浆，最终提高水稻产量与水分利用效率。也有研究指出，栽培模式对水稻产量以及水分、养分利用效率有显著影响，通过优化栽培模式或者综合农艺措施，可显著提高水稻产量和资源利用效率[18-20]。因此，探究不同栽培模式下水稻产量形成以及肥水利用效率的差异，对进一步研发水稻高产高效栽培技术具有重要意义。

水稻对肥水资源的吸收利用不仅取决于土壤中资源的数量和有效性，而且极大地依赖于根系对水分、养分的吸收能力及其对多变土壤环境的适应能力[21]。通过调控水稻根系的生长，促进其对水、肥的吸收利用，是目前水稻产量与资源利用效率协同提高的一个重要途径。因此，水稻根系形态生理与高产高效的关系一直是栽培学研究的一个热点，也是争论的焦点。其核心问题是高产高效水稻应该具备何种根系形态与生理特征？能否通过栽培措施调控，改善水稻根系形态与生理特征，促进地上部生长发育，实现水稻产量与肥水利用效率的协同提升[22-25]。本研究以浙江省应用面积最大的籼粳杂交稻品种甬优1540为材料，比较了不同栽培模式间水稻根系形态与生理特征的差异，并在此基础上分析了根系与地上部之间的相互作用机制，以期从根系生长发育角度进一步阐明水稻高产与肥水高效利用的机理。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地基本情况

试验于2018－2019年在浙江省杭州市富阳区马山村进行。自2010年以来，该块试验田的种植制度均为稻-油轮作。耕层(0－20 cm)土壤为黏壤土，部分理化特性指标如表1所示。供试品种为浙江省应用面积最大的三系籼粳杂交稻甬优1540。2018年试验为5月18日播种，6月13日移栽，8月28日至8月31日齐穗，10月23日收获；2019年试验为5月20日播种，6月15日移栽，8月31日至9月2日齐穗，10月26日收获。水稻移栽至成熟期的气象数据如表2所示。

1.2 试验设计

本研究设置以下3种栽培模式处理：0N，不施氮肥栽培模式。全生育期不施氮肥。移栽前1 d施用磷、钾肥，其中磷肥用量为180 kg/hm2(以P2O5计)，钾肥用量为150 kg/hm2(以K2O计)。选择生长均匀的幼苗移栽，株行距为25 cm × 16 cm。灌溉模式与当地农户习惯保持一致，即移栽至齐穗（除中期烤田一周），田间均保持3～5 cm水层，齐穗后每隔7～8 d 灌溉一次，直至收获前5 d停止灌水。

LFP：农户习惯栽培模式(对照)。氮肥运筹与当地农户习惯一致，即基肥100 kg/hm2(纯氮，下同)，分蘖肥60 kg/hm2，穗肥40 kg/hm2，全生育期纯氮用量为200 kg/hm2。磷钾肥运筹、移栽株行距以及灌溉模式均与0N处理一致。

表1 试验地耕层土壤理化性状

表2 水稻生长期降雨量、日照时长以及平均气温的变化

Table 2. Monthly total precipitation and sunshine hours, and average temperatures during the growing seasons for rice.

六月份降雨量、日照强度以及平均气温从6月15日开始计算。

Precipitation, sunshine hours and average temperature in June were recorded from June 15 to 30.

ICM：优化栽培模式。主要采用以下3个关键栽培技术：1)减少播量，培育壮秧。与对照处理相比，在确保足够秧苗的前提条件下，每条秧板播种量较对照处理减少20%。2)增密减氮，前氮后移。与对照处理相比，ICM处理的移栽密度提高18.5%，移栽株行距为25 cm×13.5 cm；全生育期纯氮用量降低20%，为160 kg/hm2，按基肥64 kg/hm2(纯氮，下同)，分蘖肥、促花肥以及保花肥各32 kg/hm2施用。磷肥运筹与对照相同，钾肥用量较对照增加15%，且分基肥与促花肥2次等量施用。3)轻度干湿交替灌溉：全生育期参照Chu等[26]方法进行干湿交替灌溉，即田间浅水层自然落干至15 cm土层处土壤水势为−10 kPa后(用南京土壤研究所研制的土壤水分负压计监控)，灌2 cm浅层水，如此循环，直至收获。在小区进水口安装水表，用于监控灌溉水用量。

试验小区面积42 m2(7 m×6 m)，相邻2个小区间筑20 cm高、15 cm宽的田埂，并在相邻田埂间预留50 cm排水沟。试验小区采用完全随机区组排列，每处理重复3次。

1.3 取样与测定

1.3.1 根系形态与生理指标测定

分别于拔节期、齐穗期与成熟期，在各小区取3穴水稻根系样品用于测定根长、根质量等根系形态学指标，取样与测定方法，均参考Chu等[26]。参考张志良等[27]方法，分别于拔节期、齐穗期与齐穗后24 d(对应生育时期为灌浆中期)，取3穴根系测定根系总吸收表面积与根系活跃吸收表面积。分别于齐穗后12、24、36 d(对应生育期为灌浆早期、灌浆中期以及灌浆后期)，取3穴根系用于测定根系氧化力，测定方法参考Chu等[26]。与测定根系氧化力的相同时间，参照Li等[28]方法收集并提取根系伤流液，用于测定根系伤流液中Z+ZR浓度，测定方法参照Zhang等[29]。

1.3.2 地上部干物质量、剑叶净光合速率以及叶片Z+ZR含量测定

与测定根系形态指标的相同时期，考查各小区水稻茎蘖数并计算平均茎蘖数，随后按照平均茎蘖数取3穴稻株，分解为茎、叶、穗(齐穗期与成熟期)，后将其放入牛皮纸袋中，置于烘箱烘干80 h后，测定植株不同部位质量。分别于齐穗后12、24、36 d(对应生育期为灌浆早期、灌浆中期以及灌浆后期)，测定剑叶净光合速率以及叶片中Z+ZR含量，测定方法分别参照Chu等[26]以及Zhang等[29]。

1.3.3 籽粒中酶活性测定

分别于齐穗后12、24、36 d(对应生育期其为灌浆早期、灌浆中期以及灌浆后期)，取50粒籽粒，用于测定籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性，蔗糖合酶与腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性测定方法参照Yang等[30-31]。

1.3.4 考种

于成熟期，各小区按照平均茎蘖数取10穴稻株的穗子考种，测定每穗粒数、实粒数、千粒重等，并在此基础上计算结实率。

1.4 数据处理与统计方法

1.4.1 计算公式

深根比(%)=10－20 cm土层中根干质量/0－20 cm土层中根干质量×100；

氮肥偏生产力(kg/kg)=稻谷产量/施氮量；

产谷利用效率(kg/kg)=稻谷产量/植株氮素积累总量；

氮收获指数=成熟期单位面积植株穗部氮积累量/植株氮素积累总量；

水分利用效率(kg/m3)=稻谷产量/(降雨量+灌溉用水量)。

1.4.2 数据分析与绘图

采用Microsoft Excel 2017和SPSS 22.0 统计软件分析试验数据，采用Duncan(＜0.05)多重检验进行均值比较，用SigmaPlot 10.0绘图。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因素

由表3可知，0N、LFP与ICM 3个处理两年的平均产量分别为7.90、11.6、11.5 t/hm2。ICM处理下水稻产量与对照处理差异不显著。就产量构成要素而言，与对照处理相比，ICM处理显著降低了水稻单位面积穗数以及总颖花量，降幅分别为6.20%与8.35%；但较对照显著提高了结实率；千粒重在不同栽培模式间均无显著差异(表3)。

2.2 氮肥与水分利用效率

ICM处理下水稻植株总吸氮量显著低于对照，氮收获指数、氮肥偏生产力以及产谷利用率则显著高于对照，通过栽培技术的集成与优化，可以改善植株对吸收氮素的转化与利用，可将更多的氮素转化为产量；而对照处理的水稻虽然能够从土壤中吸收更多的氮素，但吸收的氮素并未能充分转化为经济产量(表3)。在2018年与2019年，ICM处理的灌溉用水量分别较对照降低了24.9%与21.3%，而水分利用效率则分别较对照增加了15.6%与14.4%(表4)。

表3不同栽培模式对水稻产量及其构成因素的影响

Table 3. Effects of different crop managements on grain yield and yield components.

0N－不施用氮肥；LFP－当地农户习惯栽培；ICM－优化管理模式；表中数值为平均值±标准差（=3）；同列数据标以不同字母表示在0.05水平上差异显著（Duncan）。NS表示在0.05水平上互作不显著; *，**分别表示在0.05和0.01水平上互作显著。下同。

0N, No nitrogen application; LFP, Local farmer’s practice; ICM, Improved crop management. Values are Mean±SD (=3); Values within a column followed by different letters are significantly different at<0.05(Duncan). NS means non-significant difference at the=0.05 level. *Significant interaction at<0.05; ** Significant interaction at<0.01. The same below.

表4 不同栽培模式对水稻肥水利用效率的影响

PFPN－氮肥偏生产力；IEN－产谷利用率；WUE－水分利用效率。

PFPN, Nitrogen partial factor productivity; IEN, Internal nitrogen use efficiency; WUE, Water use efficiency.

2.3 地上部干物质量、根干质量与根-冠比

在各主要生育期，不同栽培模式间地上部干物质量均表现为LFP＞ICM＞0N，且差异均达到极显著水平(图1-A～B)。与地上部干物质量类似，在所测定的3个时期内，水稻的根干质量在不同栽培模式间也表现为LFP＞ICM＞0N，且差异也均达到极显著水平(图1-C～D)。根冠比是表征根-冠生长是否协调的重要指标。不同栽培模式下水稻根-冠比随生育进程的推进不断减小(图1-E～F)。ICM处理下水稻的根冠比在拔节期与齐穗期均显著低于对照，而在成熟期则与对照处理之间不存在显著差异。

2.4 深根比、根长密度与比根长

由图2可知，在整个生育期内ICM处理下水稻的深根比均显著高于0N与LFP处理，且差异均达到极显著水平，说明ICM可以促进根系的下扎(图2-A～B)。在拔节期与齐穗期，水稻的根长密度在不同栽培模式间表现为LFP＞ICM＞0N；在成熟期，ICM处理下根长密度与LFP无显著差异，且均显著高于0N(图2-C～D)。ICM处理下水稻的比根长在整个生育期均显著高于LFP处理(图2-E～F)。

2.5 根系吸收表面积与根系活跃吸收表面积

0N处理下水稻的根系总吸收表面积与根系活跃吸收表面积均显著低于其他2个处理(图3)。在拔节期，ICM处理下水稻的根系总吸收表面积显著低于LFP，根系活跃吸收表面积则与LFP无显著差异；在齐穗期与灌浆中期，ICM处理下水稻的根系总吸收表面积与LFP无显著差异，而根系活跃吸收表面积则显著高于LFP(图3)。

2.6 根系氧化力与剑叶净光合速率

不同栽培模式间，0N处理下水稻根系氧化力显著低于LFP与ICM。ICM处理下水稻根系氧化力在灌浆早期与LFP相比无显著差异，但在灌浆中、后期则显著高于对照(图4-A～B)。剑叶净光合速率也表现出相似的变化趋势(图4-C～D)。

JT－拔节期；HD－齐穗期；MA－成熟期。下同。

JT, Jointing stage; HD, Heading date; MA, Maturity; The same below.

图1 栽培模式对水稻地上部干物质量(A, B)、根干质量(C, D)和根-冠比(E, F)的影响

Fig. 1. Effects of different crop managements on shoot dry weight (A, B), root dry weight (C, D), root-shoot ratio (E, F) in rice.

图2 栽培模式对水稻深根比(A, B)、根长密度(C, D)和比根长(E, F)的影响

Fig. 2. Effects of different crop managements on deep root distribution(A, B), root length density(C, D) and special root length(E, F) in rice.

图3 栽培模式对水稻根系总吸收表面积(A, B)和根系活跃吸收表面积(C, D)的影响

Fig. 3. Effects of different crop managements on total absorbing surface area (A, B) and active absorbing surface area (C, D) in rice.

EF－灌浆早期；MG－灌浆中期；LG－灌浆后期。

EG, Early grain filling; MG, Mid-grain filling; LF, Late grain filling.

图4 不同栽培模式下水稻在不同生育时期的根系氧化力(A, B)与剑叶净光合速率(C, D)

Fig. 4. Effects of different crop managements on root oxidation activity(A, B) and flag leaf photosynthetic rate(C, D) in rice.

2.7 根系伤流液与叶片中Z+ZR浓度/含量

不同栽培模式间，0N处理下水稻根系伤流液中Z+ZR的浓度显著低于LFP与ICM。ICM处理下水稻根系伤流液中Z+ZR的浓度在灌浆早期与LFP相比无显著差异，而在灌浆中、后期则显著高于LFP(图5-A～B)。叶片中Z+ZR含量在整个灌浆期也表现出相似的变化趋势(图5-C～D)。

2.8 籽粒酶活性

随着灌浆进程的推进，不同栽培模式下水稻籽粒中蔗糖合酶的活性均呈逐步下降的趋势(表5)。不同栽培模式间，0N处理下水稻籽粒中蔗糖合酶的活性显著低于LFP与ICM。ICM处理下水稻籽粒中蔗糖合酶的活性在灌浆早期与LFP相比无显著差异，而在灌浆中期与灌浆后期则显著高于LFP(表5)。灌浆期籽粒中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性的变化趋势与蔗糖合酶一致(表5)。

EF－灌浆早期；MG－灌浆中期；LG－灌浆后期。

Fig. 5. Effects of different crop managements on concentration of Z+ZR in root bleeding sap(A, B) and concentration of Z+ZR in leaves(C, D) in rice.

2.9 相关分析

相关分析表明，在不同栽培模式下，灌浆期水稻根系氧化力、根系伤流液中Z+ZR浓度与剑叶净光合速率、叶片中Z+ZR含量以及籽粒中蔗糖合酶与腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性均呈极显著正相关(表6)。

表5 栽培模式对水稻籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径灌浆酶活性的影响

EG, Early grain filling period; MG, Mid-grain filling period; LG, Late grain filling period.

表6 水稻根-冠部分生理指标的相关性

**，表示在0.01 水平上显著相关。

**, Significantly correlated at 0.01 level.

3 讨论

水稻根系不仅具有固定地上部植株、从土壤中汲取水分与养分资源的功能，而且还是多种生理调控物质合成的重要场所。前人研究指出，水稻根系的形态和生理特征与其地上部生长发育、产量形成以及肥水利用均有紧密的联系[21]。本研究中，与对照相比，优化栽培处理改善了水稻根系形态与生理特征。例如，降低了根系生物量与根-冠比，避免根系冗余生长；增加了深根比，促进根系下扎；提高了比根长，增加了齐穗期与灌浆中期根系活跃吸收表面积；改善了灌浆中后期根系代谢活性(根系氧化力与根系伤流液中Z+ZR浓度)。

根系生物量是最重要的根系形态学指标，反映了根系的发达程度[21, 26, 32]。较多研究结果显示，高产或超高产水稻品种往往具有根量大、根系分布广、扎根深等共性特点[33-34]。但也有研究者认为庞大根系的建成需要消耗大量的光合产物。特别是在灌浆期，庞大的根系甚至会与地上部竞争光合产物，导致不能充分灌浆[35-37]。也有研究者指出，根系冗余生长(其主要特点是根量过大或根冠比过大)，会造成根系过多地消耗地上部光合产物[37]。本研究中，与对照相比，优化栽培处理显著降低了主要生育期水稻的根系生物量与根-冠比(成熟期除外)，显著提高了比根长以及生育中后期根系活跃吸收表面积，但最终产量则与对照无显著差异，说明当地农户习惯栽培模式的根系可能存在冗余生长的现象，而优化栽培则可减少根系的无效生长，将更多的肥水资源集中至地上部，进而获得高产。

前人针对根系分布特征与产量以及肥水利用效率的关系开展了大量研究，指出发达的深层根系对于水稻高产的形成以及资源的高效利用至关重要[26, 33, 38]。我们早期的研究认为，栽培措施是调控水稻根系分布的关键。例如，干湿交替灌溉改善根系构型，提高根系在深层土壤中的占比，驱动根系从深层土壤中汲取更多的水分，进而保持较高的植株水势，从而实现稳产节水增效[16, 26]。我们也观察到优化栽培处理可较当地农户习惯栽培显著提高了深根比，促进根系下扎以构建“根深叶茂”的群体结构，从而实现产量与肥水利用效率的协同提升。

根系氧化力直接反映了水稻根系生理活性，较高的根系氧化力可以提高水稻从土壤中吸收肥水资源的能力[39]。反式玉米素型细胞分裂素(Z+ZR)主要由根系合成，经木质部随着蒸腾流转运至地上部并在那里产生作用[40]。根系伤流液中Z+ZR浓度或根系Z+ZR含量水平对分蘖发生、颖花形成与籽粒灌浆等生长发育过程都有着重要的调控作用。例如，大穗型超级稻品种弱势粒充实不良就与其灌浆中后期根系Z+ZR含量的迅速下降有关[41]；而通过采用适当的栽培措施提高根系伤流液中Z+ZR浓度水平则可有效改善籽粒灌浆，提高结实率与粒重[20, 28]。本研究中，我们观察到优化栽培模式下灌浆中后期根系氧化力以及根系伤流液中Z+ZR的浓度显著高于对照处理，说明优化栽培模式可以提高生育后期水稻根系代谢活性，为籽粒灌浆、肥水资源的高效利用以及产量形成提供了充分的生理保障。

根-冠之间的协调发展，不仅可以强化根系对土壤中肥水资源的吸收能力，更有利于改善植株生理活性，延缓植株衰老，从而促进水稻高产的形成以及资源的高效利用[21, 32]。本研究发现灌浆期水稻根系生理活性指标与叶片光合能力、籽粒淀粉合成能力等密切相关。说明优化栽培模式不仅促进了根系生长，也有利于其他生理过程，这是在优化栽培模式下获得高产与肥水高效利用的重要生理基础。

如何通过栽培措施的集成与优化，改善水稻根-冠生长发育，协同实现水稻高产与肥水高效利用？这既是水稻栽培学研究的一个焦点问题，也是一个难点。本研究发现以下关键栽培技术有助于培育健壮根系、协同提高水稻产量与肥水利用效率：

1）增密减氮、前氮后移。本研究中ICM的栽插密度较LHY提高了18.5%，施氮量减少了20%，且前期施氮量(基肥+分蘖肥)占比由80%降为60%，提高了后期氮肥施用比例。ICM处理的最终产量与LHY并无显著差异，而氮肥利用效率则显著提高，说明ICM实现了水稻稳产与高效的协同。在减少前期氮肥投入的同时，提高栽插密度，确保群体拥有足够的有效穗数。我们早期研究指出，前氮后移可以提高水稻茎蘖成穗率，将根系吸收的肥水资源更多的集中到有效分蘖中去，进而实现高产高效[20]。

2）轻度干湿交替灌溉。本研究中ICM处理采用的灌溉模式为轻度干湿交替灌溉。在该种灌溉模式下，ICM处理的灌溉用水量较对照减少了12.5%，水分利用效率提高了5个百分点。轻度干湿交替灌溉，是指通过在土壤中安插土壤负压计，将土壤落干程度控制在一定范围内，确保植株水分状况不受负面影响。该项技术在节省灌溉水资源的同时，可以提高减少前期无效生长、促进大穗形成、提高库容强度以及改善籽粒灌浆[42]。

3）优化钾肥运筹。合理施用钾肥是水稻高产高效栽培中的一个重要环节。但在实际生产中，稻农往往忽视钾肥的施用，不施钾肥或施用不合理的现象普遍存在[43]。本研究中，与对照栽培模式相比，优化栽培模式增加了15%的钾肥用量，且在生育中后期增加了一次钾肥施用。以往研究表明，增加钾肥用量或提高生育后期钾肥施用比例，有利于促进光合产物向籽粒运输、提升籽粒中淀粉合成能力、增强植株抗逆性以及改善稻米品质[44-45]。我们推测，优化栽培模式下水稻产量与肥水利用效率的提升，可能与钾肥运筹的优化有关。

值得一提的是，本研究主要分析了优化栽培模式(ICM)对水稻根冠生长的影响。但应当指出，本研究并未对该栽培技术体系中的单个栽培技术(如：增密减氮、前氮后移、干湿交替灌溉、优化钾肥运筹等)对水稻根冠生长发育的影响进行深入的分析。因此，未来研究的重点应放在逐个解析优化栽培模式中单项栽培技术对水稻根冠发育的调控效应及调控原理。

4 结论

与农户习惯栽培，优化栽培在减少水肥资源投入的条件下获得相似的产量水平以及较高的水、氮利用效率。通过栽培技术的集成与优化，可以显著改善水稻根系形态特征(减少根系冗余生长、促进根系下扎、增加根系活跃吸收表面积)、提高生育中后期根系代谢活性(提高根系氧化力与根系伤流液中Z+ZR浓度)，促进地上部生长发育(提高剑叶净光合速率、叶片中Z+ZR含量以及籽粒中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性)，进而获得高产与肥水高效利用。

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Effects of Improved Crop Management on Growth Characteristic of Root and Shoot, Water and Nitrogen Use Efficiency, and Grain Yield in Rice

CHU Guang#, XU Ran#, CHEN Song, XU Chunmei, LIU Yuanhui, ZHANG Xiufu, WANG Danying*

(State Key Laboratory of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Hangzhou 311400, China; These authors contributed equally to the work; Corresponding author, E-mail:)

【】This study aims to determine if an improved root system under improved crop management (ICM) could promote shoot growth, physiological processes, and consequently contribute to an increase in grain yield and nitrogen and/or water use efficiency.【】Anhybrid rice cultivar Yongyou 1540 was field grown. at zero nitrogen level under local farmers’ practice (LFP) and ICM in Hangzhou in 2018 and 2019. 【】The grain yield was 11.5 t/hm2under ICM, insignificantly different from that under ICM and LFP. Compared to LFP, ICM significantly increased both nitrogen use efficiency (NUE) and water use efficiency (WUE), and improved several root morphological and physiological traits. For instance, ICM significantly reduced root dry weight and root-shoot ratio, increased root dry weight in 10–20 cm soil layer, specific root length, active absorbing surface area at heading and mid-grain filling period, and root oxidation activity and concentration of Z+ZR in root-bleeding sap at mid- and late-grain filling periods compared to LFP. Furthermore, ICM significantly increased flag leaf photosynthetic rate, concentration of Z+ZR in leaves, activities of enzymes involved in sucrose-to-starch conversion in grains at mid- and late-grain filling periods compared to LFP.【】Improved root morphological and physiological traits under ICM promote shoot growth, physiological processes, and consequently, contribute to an increases in water and nitrogen use efficiency.

rice; grain yield; nitrogen and water use efficiency; improved crop management; root morpho-physiological traits

10.16819/j.1001-7216.2021.201213

2020-12-16；

2021-03-17。

国家自然科学基金资助项目(32101825)；浙江省自然科学基金资助项目(LQ19C130008)；浙江省 “三农六方”项目(2020SNLF011)；国家水稻产业技术体系项目(CARS-01)。