水稻根际环境与氮素利用的关系研究进展

刘磊 许京菊 张耗

（扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州225009；第一作者：2461325084＠qq.com；*通讯作者：haozhang＠yzu.edu.cn）

水稻作为世界三大粮食作物之一，在粮食生产和经济建设中发挥着重要作用。在人口及耕地等多重压力下，用提高氮肥施用量的方法来提高单位面积水稻产量已经过时[1]。过量施肥会造成资源的不必要浪费，并进一步加重环境污染。由此，研究水稻高效吸收利用氮素机制成为热点。水稻吸收利用的氮素主要是从土体内部通过根系进入植株地上部，从根际环境的角度探究这一过程，对根-土互作领域研究的开展具有重要意义。作为稻田生态系统中最为活跃的部分，土壤中的微生物也在水稻生长等方面发挥着至关重要的作用。本文在前人研究的基础上，对我国水稻根际土壤、根系、微生物与氮素吸收利用关系的研究进展情况进行概述，以为探明水稻如何实现高产和氮素高效利用提供科学参考。

1 水稻根际环境

1.1 根际环境的定义及范畴

根际一词最早源于豆科植物，可以追溯到1904年，根系对土壤微小区域的影响可以用该词表示[2]。根际范围除受根毛长度的决定性作用外[3]，还受作物种类、年龄、土壤类型等因素的影响，一般来说存在于根-土界面几毫米以内的地方。由于根毛和根分泌物的作用，以及较强的微生物活动，根际土壤特性明显与土体土壤存在差异。最近，根际的概念已经扩展到了所有直接受根系影响的整个土体。申建波等[4]提出“根际生命共同体（Rhizobiont）”学术思路，围绕“根际互作与养分高效”这一重大科学命题，开辟植物-土壤-微生物交叉创新领域。总体来说，植株根系与土壤紧密接触的部分统称为根际环境，各种水分、养分和其他物质都需要通过根际环境进入根系，研究具有一定的复杂性。

1.2 根际土壤

水稻不仅需要有良好的地上部“叶光合系统”，也同样需要有健康的“根际土壤系统”[5]，二者缺一不可。土壤物理特性指标主要包括土壤质地、容重、团聚体、孔隙度、结构性、粘粒含量等。土壤孔隙度表征土壤团聚性、透水性和松散程度，土壤团聚体是组成完整土壤结构的基本单元。不同的土壤物理特征参数相互联系，相互交叉：土壤容重越小，土壤结构和透水性能越好；团聚体的稳定性与土壤容重成反比。土壤的化学特性主要包括pH值、养分含量、微量元素等。pH值在根际与非根际土壤之间有较大差异，造成这种变化的主要原因是根际、非根际阴阳离子吸收的不平衡。土壤养分包括氮、磷、钾以及速效养分的测定，土壤有效养分也有“实际”和“潜在”有效养分的区别，“潜在”有效养分存在于远离根系的土体中，需通过迁移等过程到达根际周围才能被根系吸收。此外，土壤的生物学特性指标主要包括有机质、腐殖质、微生物态碳氮含量、土壤酶活性等。土壤酶在根际环境中表现活跃，微生物本身活动可以影响小部分生化反应，其他反应都是在各种相对应的酶参与下催化完成的[6]。

1.3 根系生物学特征

水稻根系除了固定地上部植株外，还可以吸收土壤水分和养分，是合成多种生长激素、有机酸和氨基酸等的场所。

根数、总根长、根冠比、根表面积、根体积、根分枝长度以及数量等指标可以较为准确地描述水稻根系形态。适宜的地下部与地上部比值（根冠比）是水稻生长协调发展的基础，水稻单株根数、总根表面积、总根体积、根干物质量等在生育期内呈现先升后降的趋势：分蘖期至抽穗期迅速增长，达到发育峰值，至成熟期增长变慢或下降[7-8]，由于离子态养分在土壤中的迁移速率和距离都很小，因此研究水稻根系形态特征具有必然性。作为根系生理特性的重要指标，根系活力可以通过根系氧化力、根系总吸收以及活跃吸收表面积表现。水稻根系伤流液能够较为准确地反映根系吸收、合成、运输营养以及同化能力。根系分泌物是作物根系向根际环境分泌或释放的各类化合物的总称，包括低分子量的初级代谢产物（糖类、氨基酸、有机酸）和次级代谢产物（酚类、类黄酮、萜类化合物），可以起到土壤和作物信息传递和物质交换的作用。根系化学信号分类中，第一类是根系分泌物中各种有机酸种类及含量[9]；第二类是在根系合成的激素等物质。生长素合成和极性运输调节了作物主根的伸长和侧根的生长发育。水稻植株体内主要可转运的细胞分裂素为玉米素（Z）和玉米素核苷（ZR）[10]，它们主要在根系合成，可以促进细胞分裂和延缓植株衰老。根尖是根系最活跃和敏感的部位，根尖细胞中包括线粒体、高尔基体、核糖体和内质网等细胞器数目可以反映根系形态和生理状况。这些细胞器对营养、水分等条件变化的响应比上述的形态生理指标更为敏感、迅速[11-12]。

1.4 根际微生物

土壤是微生物的“摇篮”，土壤微生物对各种外界条件（土壤类型、土壤pH值、温度和湿度、作物中根系分泌物等）十分敏感[13]。微生物对作物生长的影响主要包括改善作物营养状况和增强作物抗性两个方面[14]。由于作物吸收利用土壤中的有机物质，造成其在根际聚集，最终导致根际微生物数量和活性均成倍增加。根际微生物主要是由细菌、放线菌、真菌、藻类、原生动物和病毒等组成，细菌可占微生物总量的90%，是土壤微生物组成中最大的类群[15]。土壤细菌中具有特定生理特性类的微生物有氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、固氮菌、纤维素分解菌等，它们对土壤中有机物的分解以及生态平衡的维持发挥着主导作用。水稻根系能够释放根系分泌物，这就导致根际环境对微生物产生影响，根际效应就通过这种途径得以表达。根际土壤微生物的数量一般都要高于非根际土壤，这种现象也与根际效应有关。

2 水稻氮素的吸收、转化与利用

氮素是自然界中含量最多的元素，但其存在的形式主要是氮气，大气中的氮气无法被作物直接吸收和再利用。大气沉降、生物固氮和农用氮肥施入成为了土壤氮素的主要来源。N经截获、质流（水势梯度）和扩散（浓度梯度）等途径最终到达作物根际，开始了细胞间的短距离运输[16]。阐明水稻氮素吸收、转化与利用的机理，对于实现氮素高效吸收利用尤为重要。

2.1 水稻对于氮素的吸收过程

在水稻能够吸收的氮中，约20%的N被根系所利用，其余部分则被运往地上部。水稻吸收的氮素除部分以硝态氮、游离氨基酸、叶绿素等形态存在于不同器官中外，70%以上存在于不同的结构蛋白中[17]。铵盐和硝酸盐是水稻吸氮的主要形式，通常硝化作用在淹水状态下是被强烈抑制的，基于这个原理，铵态氮就成为了稻田土壤中主要的无机氮形式，所以研究者一般称水稻是喜铵作物，其根系对土壤溶液中的NH4+吸收分为高亲和力转运系统（HATS）和低亲和力转运系统（LATS）两个主动吸收过程，HATS运转的条件是外界NH4+浓度低于1 mmol/L，而浓度大于1 mmol/L时，LATS才会发挥作用[18]。硝态氮的吸收也以主动吸收为主，所消耗的能量较铵态氮高。GUO等[19]研究认为，不同灌溉方式下水稻吸收的氮素形态有所不同，常规灌溉条件下吸收的氮素形态主要为铵态氮，而在旱作条件下则以硝态氮或铵硝混合为主。水稻吸氮具有明显的阶段性：生长中期吸收的氮素占全生育期吸氮量的1/2以上。双季早、晚稻吸氮高峰不同：前者只有1个吸氮高峰，后者则有2个吸收高峰。总体上，吸氮效率与水稻基因型有关，氮素吸收效率高的品种可以从土壤中吸收更多氮素营养[20]。

2.2 水稻氮素的转化与利用过程

土壤中的氮素转化是使土壤中的含氮物质发生形态或状态的变化，需经过多种复杂过程，主要包括有机态氮的矿化和矿质态氮的生物固定、铵的黏土矿物固定-释放、铵的吸附和解吸、氮硝化-反硝化以及氨的挥发等[21]。土壤氮矿化是在土壤微生物的参与下将土壤中有机态氮转换成无机态氮（NH4+-N和NO3--N）的过程，前者不能被直接吸收利用，而后者可以。这一过程主要分为两个阶段：首先进行氨基化阶段，在土壤微生物水解酶的作用下，各种复杂的含氮化合物（蛋白质、氨基糖及氨基酸等）逐级分解形成简单的氨基化合物；第二阶段为氨化阶段，上一阶段产生的化合物在微生物影响下进一步转化为氨，部分氨仍会转换成硝态氮或迅速氧化为亚硝态氮。生物因素、环境因素、土壤基本理化性质（有机质、土壤质地及土壤pH）和人为因素等是影响土壤氮素矿化的主要方面。土壤基本理化性质中，pH升高能够促进土壤氮素的矿化，硝化作用也会随着土壤pH的升高呈线性增长。水稻根系的通气组织非常发达，铵态氮转化为硝态氮的过程可以通过根际的泌氧以及根际土壤中的硝化菌类的一系列生理代谢完成[22-23]。

3 根际环境与氮素利用

根际环境决定着土壤中氮素的供应强度和有效性[24]，处于根际微域环境中的氮才能被水稻根系直接吸收利用。因此，研究根际环境可为研究水稻氮素吸收利用提供可靠支撑[25]。

3.1 土壤理化特性与氮素利用

土壤中的氮90%以上是以有机氮的形式存在，无机态氮仅占1%～2%[26]。土壤容重反映土壤的紧实情况，只有在合适的范围内作物才可以正常生长发育。适当的透水性有利于改善土壤的通气状况，促进微生物分解活动，从而调节水稻的根际环境，并进一步利于水稻生长发育和对氮素吸收利用。土壤团聚体的分解和形成都与氮素利用有关，存留在团聚体中的有机氮、有机碳经过分解，会暴露在空气中，加速矿化过程，最终导致土壤氮素、碳素的流失。提高土壤团聚体含量及其稳定性的方法很多，免耕处理、秸秆还田等栽培措施结合生育期施肥有明显促进作用，这些措施不仅可以促进大团聚体形成，还能更深一步提高土壤大团聚体中有机碳的氧化稳定性及全氮含量，最终提高土壤固碳固氮能力。有研究表明，长期实行N、P、K平衡施肥及与有机肥配施有利于洞庭湖平原红壤性水稻土稳性团粒结构的形成及大团聚体中有机碳的积累[27]。李菊梅等[28]通过通气培养法研究发现，不同土层的可矿化氮都与土壤有机质、全氮含量高度正相关，而根际土壤矿质氮含量与水稻氮素吸收效率呈极显著正相关[29]，根际土壤硝化作用强，水稻氮素吸收能力就强，硝化作用弱，水稻氮素吸收能力就相对较差[30]。由于土壤养分含量、根系分泌物和根际与非根际微生物群落等差异，根际与非根际土壤的氮素含量及转化过程差异很大。土壤氮、磷、钾等养分的循环与转化是在土壤酶的推动作用下完成，不同作物种类、不同类型土壤其物理结构、基础肥力、化学性质、微生物量及酶活性也存在明显不同。

3.2 根系特征与氮素利用

根系是作物立足之本，水稻根系特征在提高水稻氮素利用率方面的作用备受重视[31]。根系形态参数是高效吸收和利用氮素营养的决定性因素，且不同生育时期粗分枝根的形态对氮利用效率影响较大。根系发达，且具有较强的发根力，较长的根长，较高的根密度、根系活力，较大的根系吸收表面积以及对NH4+较强的亲和力[32-33]，这些都是水稻根系高效利用氮素的特征表现。在选育高产高效水稻品种时，更深的根分布和更高的根活力（尤其是在低氮条件下）可以作为一种衡量标准。氮素吸收能力强的水稻品种通常根系通气组织发达，根系吸收面积和氧化还原力优势明显。籼粳杂交稻在低氮水平下氮素吸收效率高，主要是由于其根系生物量形成和通气组织发育对低氮响应更积极。根系分泌物中有机酸总量、氨基酸浓度与氮素利用效率呈显著正相关[34]。徐国伟等[35]研究认为，在轻度水分胁迫和适量施氮条件下，根系细胞完整，核膜清楚，根系氧化力提高，根系分泌有机酸量增加。TAKEI等[36]研究表明，氮素营养水平调控着根系中激素的合成，促进养分吸收，延缓植株衰老。研究者通过3种灌溉方式的防雨棚土培试验，探讨了根系合成的激素与氮素利用的关系，结果表明，水稻根系合成的玉米素、玉米素核苷和生长素及叶片中氮代谢酶活性与氮肥吸收利用率呈显著或极显著正相关关系，而脱落酸含量则与氮肥吸收利用率呈极显著负相关关系[37]。水稻地上部以及根系氮代谢酶活性与水稻氮素吸收能力呈正相关[38]。分蘖期根尖细胞中高尔基体和线粒体数目与根干物质量、根系氧化力以及分蘖数目呈显著或极显著正相关[39]，这也表明根尖超微结构与氮代谢密切相关。

3.3 根际微生物与氮素利用

土壤微生物的矿化作用不可忽略，土壤中大量有机态氮只有通过微生物的矿化转化为无机态氮才能被吸收利用。稻田生态系统中参与氮循环的功能微生物驱动氮固定、硝化和反硝化等多个复杂过程，维持着氮素收支平衡，是调节土壤氮素供给、转化和流失的重要途径。

根际微生物，例如丛枝菌根真菌、根瘤菌、解磷解钾细菌等，对于土壤磷钾养分的活化或者固氮、改善作物营养状况、提高作物产量和品质等方面有不可替代的作用[40]。不同类型的土壤细菌反映不同的氮素供应状况：硝化及反硝化细菌数量反映了土壤硝态氮的供应状况；氨化细菌的数量直接反映了氨化作用的强度；固氮菌含量反映土壤固氮能力的高低。联合固氮菌的主要宿主是粮食作物（水稻、玉米、小麦）。袁梅等[41]从8个湖南水稻植株样品中分离到19种内生固氮菌。靳海洋等[42]等采用稀释平板法和富集纯化法从土壤中分离到可培养固氮菌株，为稻田生物固氮能力的微生物调控提供菌种资源。在对不同籼、粳稻品种根际微生物组研究过程中，发现两者在微生物群落方面有差异：籼稻比粳稻根际富集了更多参与氮代谢的微生物群落，对这些微生物群落进行功能预测后发现，参与氮代谢的通路（氨化信号通路和氮呼吸信号通路）被富集，在籼稻品种中接种籼稻根际特异富集的微生物群体可以提高籼稻对有机氮的利用，促进其生长[43]。今后可通过在分子层面探究根际微生物，从而提高水稻氮素高效吸收。微生物肥料将成为引领未来肥料产业发展的新方向，也是中国农业可持续发展的必然选择。

4 存在问题与研究展望

根际是作物和土壤环境物质和能量交换最剧烈的区域，根际过程是土壤过程与作物过程发生关系的桥梁。目前，对于水稻根际环境与养分高效利用的关系研究还不够系统和深入。建议今后从以下3个方面深入研究：1）系统开展水稻养分尤其是氮素吸收利用的全过程研究，包括根际氮转化、植株根系吸氮、植株内氮分配与利用等，从植株-土壤整体水平研究养分高效利用的生理生化机制；2）在复杂的稻田环境下加强氮素转化关键微生物过程与机理的研究，并与相关减排过程关联起来；3）研究栽培调控措施对根际过程和氮素高效利用的影响，提出相应的栽培调控途径和关键技术。