麦秆还田下水氮耦合对水稻根际环境及根系形态的影响*

张宇杰,马 鹏,王志强,杨志远,孙永健,马 均

(四川农业大学水稻研究所/作物生理生态及栽培四川省重点实验室 成都 611130)

水稻()根系发育程度与其地上部生长发育、稻谷产量和品质形成密切相关。根系的外观形态、生理活性等特征会影响其对水分、养分的吸收利用,而根际土壤环境的差异也会影响根系的生长发育。例如水稻对氮素的吸收取决于根系的生物学特征,若根长、根体积大和根系有效吸收面积大,则吸氮能力强;土壤中的矿质元素也会反过来影响根的形态特征和生理活性,若土壤中氮素充足,则能显著提高根长、根数、根体积和根系活力。我国农业秸秆资源丰富,但存在水资源短缺、氮肥利用率低等问题,节水灌溉技术与高效施肥技术是目前我国水稻生产亟待解决的课题。而通过研究不同水氮耦合对水稻根际环境及根系形态的影响,可以从根-土互作角度探求适宜水稻生长的最适水氮耦合模式,以达到水氮利用效率的协同提高。

针对水稻根系在不同水势下的生长变化已有大量研究。传统的淹灌模式下,深层渗透现象和灌溉水田间流失现象严重,土壤养分溶解流失,土结构被破坏。水稻根系长期处于淹水条件下,易积累有毒物质妨碍根系生长,产生黑根烂根导致减产。徐国伟等研究表明,轻度水分胁迫(-20 kPa)增加了主要生育期根长、根重、根表面积和根系氧化力等指标,其原因可能是由于轻度水分胁迫改善了根系通透性,使根际氧气浓度增加,还原性物质对根系的损伤减小,从而促进了根系的生长与养分吸收同化能力的提高。Wang 等认为,干旱胁迫使根系细胞形态及功能受损,抑制根系生长,降低了根长、根重、根表面积、根系氧化力等指标,且受损的根系导致地上部分生长受阻,积累供给根系的光合产物也相应减少,抑制了其对养分的吸收同化能力。秸秆还田对于水稻根系的生长也有影响。Turmel 等研究表明,秸秆还田可以减少环境污染,提高土壤养分,促进土壤团聚体形成,改善土壤结构并促进根系生长及地上部发育。但也有研究指出,秸秆腐解产生CO和化感物质对水稻根系产生毒害,抑制根系生长。

前人研究大都通过单因素或二因素的试验设计来阐明自变量与因变量间的相互关系,而在秸秆还田、水氮耦合等多因素共同作用下的根系形态建成和根际环境变化的研究甚少。为此,本研究设计了不同水分处理方式(干湿交替灌溉和淹水灌溉)、不同氮肥运筹(基肥∶蘖肥∶穗肥为7∶3∶0和3∶3∶4)和秸秆还田3 种因素,探索水分管理模式及氮肥运筹在秸秆还田条件下对水稻关键生育时期根际环境、根系形态、活力及还田秸秆腐解率的影响,研究不同水分管理、秸秆还田和氮素处理与水稻根系形态建成的关系,旨在为成都平原秸秆还田下水稻生长的适宜水氮耦合模式的建立提供理论与试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年4月至2020年10月在四川省成都市温江区四川农业大学水稻研究所试验田进行(30°43′N,103°51′E)。供试水稻品种为‘F 优498’,中籼迟熟型杂交稻,主茎17 片叶片,5 个茎节,全生育期145～152 d。试验田土壤为沙壤土,土壤全氮1.99 g·kg,有机质18.94 g·kg,碱解氮122.87 mg·kg,速效磷27.92 mg·kg,速效钾87.54 mg·kg,pH 值6.11。水稻季气象数据如图1所示。

图1 2019-2020年水稻生长季平均气温和降雨量Fig.1 Mean temperature and precipitation during the growth seasons of rice in 2019 and 2020

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计,共6 种水、氮、秸秆耦合模式,如表1所示。

表1 不同处理的水氮耦合模式及其秸秆还田方式Table 1 Coupling modes of water-nitrogen and straw returning modes of different treatments

水分管理设干湿交替灌溉(W1)与淹水灌溉(W2)两种模式。干湿交替灌溉: 浅水层(1～2 cm)栽秧,移栽后5～7 d 保持浅水层以确保秧苗返青成活,返青后至孕穗前保持田间湿润,不建立水层,土壤含水量约为饱和含水量的70%～80%,无效分蘖期够苗晒田,孕穗期保持浅水层,抽穗至成熟期采用灌透水、自然落干至土壤水势为-25 kPa 再灌水至浅水层,循环至收获前7 d 断水。传统淹水灌溉: 水稻移栽后整个生育期保持浅水层(1～2 cm),无效分蘖期够苗晒田,之后保持浅水层(观察到田面有土壤露出便开闸放水,保持淹水状态),收获前7 d 断水。

在总施N 量150 kg·hm的基础上,氮素处理设优化施氮(N1)和传统施氮(N2)两种模式,其氮肥运筹分别为基肥∶蘖肥∶穗肥为3∶3∶4 和基肥∶蘖肥∶穗肥为7∶3∶0,以不施氮(N0)为对照。基肥在移栽前1 d 施用,蘖肥在移栽后7 d 施用,穗肥均分为促花肥和保花肥,分别在倒4 叶和倒2 叶时等量施用。氮肥为尿素(含N 46%);磷肥为过磷酸钙(含P 12%),施用量为75 kg·hm;钾肥为氯化钾(含K 60%),施用量为150 kg·hm;磷、钾肥作底肥一次性施用。

设秸秆还田和不还田两种处理。前茬为小麦(),小麦季水、肥管理全田统一。秸秆还田小区在小麦收获后将麦秆粉碎并全量翻埋还田,还田量约为5000 kg·hm,其中2019年小麦秸秆总氮量为26.62 kg·hm,2020年小麦秸秆总氮量为30.83 kg·hm。秸秆不还田小区在小麦收获后将秸秆移出。

收集部分麦秆,风干后依照还田秸秆粉碎程度剪碎,按每袋20 g 装入25 cm×15 cm 的40 目尼龙网袋中,于水稻移栽后在秸秆还田小区每小区第3 行与第7 行每行等距取3 点埋入装有秸秆的尼龙网袋,深10 cm,水平放置,埋入时在袋中混入该小区原位土壤以辅助秸秆腐解,每小区共6 个,总计埋入72 个。

试验设3 次重复,共18 个小区,小区面积13.5 m,田埂用薄膜包覆,单灌单排,防止串水串肥。每年4月16日采用开放式薄膜旱育秧,5月20日进行人工移栽,5月25日埋入秸秆网袋。栽插密度为行距33.3 cm×株距16.7 cm。其他如病虫草害防治等措施同当地一般大田水稻生产管理措施。

1.3 测定项目及方法

于水稻移栽后10 d、分蘖盛期、拔节期、拔节后10 d、抽穗期和成熟期每小区分别取出先前埋下的装有秸秆的尼龙网袋1 袋,洗净烘干后测定剩余秸秆重量。计算秸秆腐解率,并拟合米氏方程,其中代表秸秆腐解率,代表秸秆还田天数,值代表最大秸秆腐解率,值代表达到最大秸秆腐解率的一半时所需要的天数。

于水稻移栽后10 d、分蘖盛期、拔节期、拔节后10 d、抽穗期和成熟期按平均茎蘖数在各小区选取代表性植株3 株,以稻株为中心,采用原状土柱法,用铁板取根器掘取长等于行距,宽等于株距,深20 cm的土柱(水稻根系主要分布在20 cm 耕层内,且集中于距土壤表面5 cm 处),分离出根系并仔细刮取依附在根系上的土壤共约50 g 作为根际土,放入4 ℃冰箱暂存。取鲜土样用氯仿蒸馏法测定微生物量碳、氮含量;其余鲜土样加入磷酸水溶液,经超声萃取、离心、过滤后得到含有机酸的待测液,用高效液相色谱法测定有机酸含量(2020年)。

取1.3.2 节中植株置于尼龙网袋内在流水中浸泡并冲洗,洗净后获得完整根系,用Epson Expression 10000XL 扫描仪配合WinRHIZO 软件分析测定根长、根数、根表面积、根体积等形态指标。

于水稻移栽后10 d、分蘖盛期、拔节期、拔节后10 d、抽穗期和成熟期按平均茎蘖数在各小区选取代表性植株3 株,在距离地面10 cm 处横切掉地上部分,保证切口处平整,在每个单茎上套上装有定量脱脂棉的塑封袋,用橡皮筋扎住袋口防止内部伤流液流失,在整株上套上塑封袋防止外界水汽进入,测定当日17:30-次日7:30 的单茎伤流液重量,计算群体伤流强度后拟合二次方程(=++),其中值代表水稻群体根系伤流强度,值代表水稻移栽后生长天数。

式中: 12 为套袋时间(h)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、Origin Pro 2017 进行数据处理、方程拟合和画图,采用SPSS 25.0 进行Tukey 检验。

2 结果与分析

2.1 不同水氮耦合下秸秆腐解特征

经过整个水稻季腐解,小麦秸秆累计腐解率为53.57%～56.90% (2019年)和48.84%～54.02% (2020年)。将秸秆腐解率随秸秆还田天数变化的曲线拟合Michaelis-Menten 方程。其中值()代表秸秆腐解率,值()代表秸秆还田天数,代表最大秸秆腐解率,代表达到最大秸秆腐解率的一半时所需要的天数。拟合结果良好(0.996＞＞0.978),如表2和图2所示。

由图2可知,秸秆还田后快速腐解,40 d 后腐解逐渐放缓。在40 d 时腐解率为W1N1S1 (40.04%～40.36%)＞W2N2S1 (38.97%～39.08%)＞W1N0S1 (36.35%～37.15%)≈W2N0S1 (36.95%～36.99%)。施氮处理下各时期腐解率均为W1N1S1＞W2N2S1;不施氮处理下W1N0S1 和W2N0S1 相比较,在拔节期前为W1N0S1＞W2N0S1,拔节之后为W2N0S1＞W1N0S1,且二者在施氮处理下的腐解率均高于不施氮处理。由表2中值可知,两年间均为W2N0S1＞W1N0S1＞W2N2S1＞W1N1S1,表明W1N1S1 达到最大腐解率的一半时所需要的时间少于W2N2S1。

图2 不同水氮耦合处理下水稻季秸秆腐解率随还田天数的变化Fig.2 Changes of straw decomposition rate with returning days in rice season under different treatments of water management and nitrogen application

表2 不同水氮耦合处理下水稻季秸秆腐解率(y)随还田天数(x)变化的米氏方程拟合Table 2 Michaelis-Menten equation fitting of straw decomposition rate (y) with returning days (x) in rice season under different treatments of water management and nitrogen application

2.2 秸秆还田下不同水氮耦合处理对水稻根际土壤有机酸总量的影响

由图3可知,水稻根际土壤有机酸总量变化随生育期先增后降,在抽穗期达峰值。就水分管理而言,对比W1N0S0 和W2N0S0,根际土壤有机酸总量在移栽后10 d 时二者未见差异,分蘖盛期W1N0S0 比W2N0S0 高9.25%,拔节期W1N0S0 比W2N0S0 低3.34%,而拔节期后直到成熟期,W1N0S0 均比W2N0S0 高1.38%～8.49%。就秸秆还田而言,W2N0S1从分蘖盛期开始根际土壤有机酸总量显著高于W2N0S0,增幅为8.02%～19.51%,W1N0S1 从拔节后10 d 开始显著高于W1N0S0,增幅为9.43%～22.74%。就氮素处理而言,抽穗期W1N1S1 比W1N0S1 高2.47%,但差异不显著,其他时期显著高5.42%～23.76%;而对比W2N2S1 和W2N0S1,W2N2S1 只有在移栽后10 d 和分蘖盛期比W2N0S1 显著高10.86%～24.22%,其他时期虽然高0.35%～5.25%,但差异未达显著水平。对比W1N1S1 与W2N2S1,在移栽后10 d 和分蘖盛期时W1N1S1 比W2N2S1 低2.76%～8.29%,但在拔节期至成熟期前者高于后者3.79%～12.03%。

图3 2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育期根际土壤有机酸总量Fig.3 Changes of total organic acids contetns in rice rhizosphere soil at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2020

2.3 秸秆还田下不同水氮耦合处理对水稻根际土壤微生物碳、氮含量的影响

由表3可知,水稻根际土壤微生物量碳(SMBC)与微生物量氮(SMBN)含量整体变化规律相似,皆为随生育期先增后降,但2019年的SMBC 含量高峰出现在抽穗期、SMBN 含量高峰出现在分蘖盛期;而2020年的SMBC 含量高峰出现在分蘖盛期、SMBN含量高峰出现在拔节后10 d。就水分管理而言,W1N0S0的SMBC 在抽穗期前均高于W2N0S0,增幅为0.25%～12.93%;而在成熟期则为W2N0S0 比W1N0S0 高2.69%～6.23%。就秸秆还田而言,在两种水分管理模式下S1 处理均提高了各生育期的SMBC 和SMBN,增幅为1.58%～31.22%,而W1N0S1 的SMBC 在抽穗期前高于W2N0S1,在成熟期低于后者。就氮素处理而言,两种氮肥运筹均提高了各生育期的SMBC、SMBN,且SMBC 含量为W1N1S1＞W2N2S1,增幅1.41%～18.79%。

表3 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育期根际土壤微生物量碳、氮含量Table 3 Changes of soil microbial biomass carbon and nitrogen contents in rice rhizosphere at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020 mg·kg-1

2.4 秸秆还田下不同水氮耦合处理对水稻根系形态的影响

由表4至表9可知,水稻根系形态各项指标变化规律均为随生育期先增后降,除群体根系总体积以外,其他指标均在抽穗期达到峰值,而群体根系总体积在拔节后10 d 达峰值。就水分管理而言,W2N0S0的单茎根长在移栽后10 d、抽穗期和成熟期比W1N0S0 显著高12.03%～50.88%,单茎根数在移栽后10 d、拔节后10 d 和成熟期显著高9.89%～51.44%;而W1N0S0 的各项群体根系指标在分蘖盛期、拔节期和抽穗期高于或显著高于W2N0S0,其中群体根长高18.53%～75.83%,群体根数高10.57%～101.33%,群体根体积高2.49%～88.24%,群体根表面积高8.91%～68.08%。就秸秆还田而言,W1N0S1 和W2N0S1 的单茎根系指标和群体根系指标在各时期都不同程度低于其秸秆不还田处理(W1N0S0 和W2N0S0)。就氮素处理而言,W1N1S1 和W2N2S1 的单茎根系指标在移栽后10 d 和分蘖盛期均低于或显著低于其不施氮处理(W1N0S1 和W2N0S1),拔节期后开始提升,至拔节后10 d 与抽穗期时二者均显著高于其不施氮处理,而二者的群体根系指标在整个生育期均显著高于其不施氮处理。对比W1N1S1 和W2N2S1,前者的单茎根长和根数在各时期均高于或显著高于后者8.27%～38.09%和2.96%～36.66%,差异在拔节期前最为显著,拔节期后差异逐渐减小;W1N1S1 的群体根系形态指标在分蘖盛期之后均低于W2N2S1,其中群体根体积低于后者11.25%～30.71%,群体根表面积低于后者4.67%～35.82%,随着生育进程推进差异逐渐减小。

表4 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育期单茎根长Table 4 Changes of rice roots length per stem at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020 m

表5 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育期单茎根数Table 5 Changes of rice roots number per stem at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020

表6 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育期群体根长Table 6 Changes of roots length of population of rice at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020 ×106 m·hm-2

表7 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育时期群体根数Table 7 Changes of roots number of population of rice at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020 ×106 roots·hm-2

表8 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育时期群体根体积Table 8 Changes of roots volume of population of rice at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020 m3·hm-2

表9 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育期群体根表面积Table 9 Changes of roots surface area of population of rice at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020 m2·hm-2

2.5 不同水氮耦合下根系伤流强度变化

由图4可知,就水分管理而言,各生育期W1N0S0均高于或显著高于W2N0S0。就秸秆还田而言,除2019年拔节后10 d 和抽穗期外,其余时期W1N0S1的群体根系伤流强度均比W1N0S0 低或显著低2.47%～45.83%;而W2N0S1 和W2N0S0 在两年间的结果存在较大差异。就氮素处理而言,W1N1S1 和W2N2S1 的群体根系伤流强度在各时期(2019年成熟期除外)都显著高于其不施氮处理,但W2N2S1 处理下的伤流强度提升幅度随生育进程的推进出现减缓趋势,而W1N1S1 的群体伤流强度提升幅度逐步上升,在移栽后10 d 和分蘖盛期时,W1N1S1 的群体根系伤流强度比W2N2S1 显著低22.01%～29.31%,在拔节期和拔节后10 d 二者在两年间表现存在差异,在抽穗期和成熟期前者高出后者2.26%～156.35%。

图4 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻各生育期群体根系伤流强度Fig.4 Changes of root bleeding intensities of rice population at different growth stages under different treatments of water-nitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020

将群体根系伤流强度随水稻移栽天数变化的曲线拟合二次函数,其中值代表水稻群体根系伤流强度,值代表水稻移栽后生长天数,AOS 代表达到整个生育期中伤流强度最高点时的天数,值代表整个生育期中伤流强度最高值。拟合结果良好,如表10所示。

由表10可知,水稻移栽后其群体根系伤流强度不断拔升,在移栽57.6～65.8 d 根系活力最强,尔后根系开始衰老。就水分管理而言,W1N0S0 的AOS 小于W2N0S0,而值大于后者,表明虽然W1N0S0 会比W2N0S0 提前达到伤流强度最高点并开始下降,但是W1N0S0 的根系活力始终强于W2N0S0,W1 更利于水稻维持良好的根系活力。就秸秆还田而言,两年间W1N0S1 与W1N0S0 的AOS 和值变化存在差异,而W2N0S1的AOS 低于W2N0S0,且值大于后者,表明W2N0S1能促进生育前期根系活力的提高。就氮素处理而言,W1N1S1 和W2N2S1 的AOS均低于其不施氮处理但值更大,表明二者在施氮条件下均能提高根系活力;W1N1S1 的AOS 和值均大于W2N2S1,表明W1N1S1 不仅能平衡秸秆还田对根系的负效应,促进生育前期根系活力的提高,还能有效延缓根系衰老,使水稻在花后依然保持较高的根系活力水平,有效地为地上部输送养分。

表10 2019年和2020年秸秆还田下不同水氮耦合处理的水稻群体根系伤流强度(y)随生长天数(x)变化的函数拟合Table 10 Function fitting of root bleeding intensity of rice population (y) with growth days (x) under different treatments of waternitrogen coupling and straw returning in 2019 and 2020

3 讨论

3.1 不同水氮耦合对秸秆腐解的影响

小麦秸秆主要由木质素、纤维素、半纤维素等碳水化合物以及少量的蛋白质、脂肪和有机酸等有机物质组成。秸秆埋入土壤后,内部易降解的有机物质先被微生物快速吸收利用,其中可溶性碳水化合物及有机酸等物质快速释放,为微生物提供大量碳源与营养物质,促进微生物繁殖,而微生物数量增多、活性增强后,又能加速秸秆的腐解。此时秸秆腐解速度快,为快速腐解期;随着腐解时间增长,纤维素、半纤维素等易分解的组分被消耗,木质素等较难分解的组分比例变大,秸秆腐解速率也随之变慢,进入缓慢腐解期。黄晶等研究结果表明,小麦秸秆翻埋还田20 d 时腐解率为38%,随后缓慢腐解,到100 d 时腐解67.9%;黄菲等研究发现,小麦秸秆翻埋还田30 d 时腐解率在40%左右,120 d 时腐解55.4%。

本试验结果表明,小麦秸秆还田40 d 时,整体腐解率为36.35%～40.36%,随后腐解速率放缓,至还田110 d 时,整体腐解率为48.84%～56.90%。前40 d日均腐解0.91%～1.01%,而后70 d日均腐解0.18%～0.28%,表明小麦秸秆在翻埋还田40 d 内为快速腐解期,后进入缓慢腐解期,与黄菲等研究结果一致。在不施氮下,干湿交替灌溉能促进拔节前的秸秆腐解,拔节后则为淹水灌溉的秸秆腐解更快;对比干湿交替灌溉耦合优化施氮和淹水灌溉耦合传统施氮这两种水氮耦合模式,前者的秸秆腐解速率在各时期均为最高。从理论上讲,小麦秸秆C/N 比较大,自身氮素含量低,秸秆腐解过程中会与水稻争氮,为提高腐解速率应增加氮肥用量或者提高前期氮肥比例。在本试验处理中,优化施氮模式和传统施氮模式比不施氮处理均提升了秸秆腐解速率,但是传统施氮模式耦合淹水灌溉的秸秆腐解速率在各时期均不及优化施氮模式耦合干湿交替灌溉,这表明在秸秆腐解前期,合适的水分管理模式比氮肥施用模式更能有效提高秸秆腐解速率;而在秸秆腐解后期,氮肥施用模式比水分管理模式对秸秆腐解的影响更大。曾莉等研究也发现,在不同氮肥施用量下,小麦秸秆在还田前两周的腐解率几乎无差异,其原因可能是小麦秸秆腐解首先消耗自身氮素和土壤残留氮素,待可利用氮素消耗殆尽后,外源氮素才成为秸秆腐解的限制因素。本试验结果表明,干湿交替灌溉为土壤提供了充足的氧气,提高了微生物活性,利于还田秸秆前期腐解;而优化施氮模式的氮肥后移保证了在水稻生育中后期土壤中依然有外源氮素补给,利于秸秆后期腐解。干湿交替灌溉耦合优化施氮模式下的秸秆在各时期腐解率均为最高,且腐解率的增速也最快。

3.2 不同水氮耦合协同秸秆还田对根际环境及根系形态的影响

小麦秸秆虽然能为土壤微生物提供充足的碳源,而微生物腐解秸秆又需要消耗氮素,会造成土壤中氮素匮乏,不利于水稻前期的根系发育。吴林坤等研究发现,植物的根系分泌物可以分为高分子量的黏胶和低分子量的有机酸等物质,其中有机酸可以调节根细胞的通透性,提高根系对养分的吸收。前人研究表明,土壤微生物量与土壤酶活性较其他土壤性质能更迅速地响应水肥管理、种植模式以及土地利用方式的变化。刘建国等研究发现,随着还田年限的增加,土壤微生物总量呈先减少后增加的趋势,长期秸秆还田使土壤生物性状趋于好转,生物多样性提高。秸秆腐解产生的氮素碳素可以供给微生物繁殖,而繁殖后的微生物又可提高秸秆腐解速率,促进秸秆养分的释放。杨菲等认为,干湿交替灌溉能给水稻提供一个“超越补偿效应”,经干湿交替灌溉的水稻能利用水分胁迫诱导复水后使根系生长能力和生理功能超越正常状态。

本试验结果表明,就根际环境而言,在不同水分管理模式下干湿交替灌溉能提高成熟期前的根际土壤微生物碳、氮含量,而成熟期时其表现不如淹水灌溉,这可能是由于干湿交替导致颗粒有机碳随着土壤团聚体的破坏而释放,为土壤中的微生物提供了更多碳源,从而提高了根际土壤中的微生物量碳、氮含量,但是随着干湿交替次数的增多,在成熟期时土壤团聚体裂解,其对水分及养分的固持能力反而有所下降,导致微生物活性降低。秸秆还田能提高根际土壤中微生物活性与有机酸总量,该提升效果随着还田时间的增长而增加,且在生育后期干湿交替灌溉更能促进秸秆中有机酸的释放。施用氮肥后微生物量碳、氮含量与有机酸总量都有提升,且干湿交替灌溉耦合优化施氮模式的微生物量碳在整个生育期都高于淹水灌溉耦合传统施氮模式,而有机酸总量虽然在生育前期为淹水灌溉耦合传统施氮模式高于干湿交替灌溉耦合优化施氮模式,但是随着生育进程的推进,干湿交替灌溉耦合优化施氮模式有机酸总量持续提升并从拔节期开始便高于淹水灌溉耦合传统施氮模式,这说明干湿交替灌溉耦合优化施氮模式能在整个生育期稳定促进根际土壤养分有效性的提升,增加根系对养分的吸收,从而保证地上部植株正常生长。

就根系形态发育而言,淹水灌溉利于单茎根长与根数的发育,而干湿交替灌溉可以促进群体根系生长、增强群体根系伤流强度,这可能是因为干湿交替灌溉改善了土壤通透性,增强根系激素合成能力与根系活性,并促进了水稻分蘖。在不施氮时,秸秆还田会抑制根系发育,可能是由于秸秆还田后土壤微生物与根系一起争夺氮素,根系无法吸收足够的养分以维持发育,生长缓慢,活性逐渐减弱,导致分蘖减少并产生僵苗现象,而瘦弱的根系更无法有效吸收利用养分,在生育期内产生恶性循环,导致单茎根系形态指标与群体根系形态指标都明显下降。施用氮素可以平衡秸秆对根系发育的负效应,且在分蘖盛期开始促进单茎根系的生长,并通过提高茎蘖数来获得更高的群体根系形态指标。淹水灌溉耦合传统施氮模式虽然在单茎根系发育上弱于干湿交替灌溉耦合优化施氮模式,但是因为传统施肥模式的基肥施用量大,水稻茎蘖数高,所以拥有更为庞大的群体根系系统;优化施氮模式则具有更高的根际土壤微生物活性,可以促进还田秸秆更快的腐解;且其3∶3∶4 的氮素运筹既注重了前期的氮素营养,又在后期及时为土壤补充外源氮素营养,提高了根际土壤有机酸含量,而低分子有机酸可以与土壤中的金属离子竞争吸附点位,缓解金属离子对根系的胁迫作用;酸化的土壤也可以提高养分的生物有效性,促进根系对养分的吸收利用;同时,在生育后期高含量的有机酸也可以在根尖细胞的表面形成包裹,防止细胞失水,维持根系功能,延缓根系衰老。所以干湿交替灌溉耦合优化施氮模式在花后依然能维持较高的根系活力水平,为水稻地上部发育保证了长期和充足的养分供给。

4 结论

秸秆还田能提升整个水稻生育期的根际土壤微生物量碳、氮含量,并提升分蘖盛期后的根际土壤有机酸总量,但如果不能及时补充外源氮素,秸秆腐解反而会抑制根系形态的发育。干湿交替灌溉耦合优化施氮模式为秸秆还田条件下的最适水氮耦合模式,该水氮耦合可有效促进各时期下的秸秆腐解,协同提升根际土壤有机酸总量与微生物量碳、氮含量,而根际环境中活跃的微生物又能进一步促进秸秆腐解释放养分,充分发挥秸秆还田优势。养分与氧气充足的根际环境保证了水稻群体根长、根数、根体积和根表面积等根系形态指标的稳定增长,促进建成更庞大发达的根系系统,并有效延缓根系衰老,使水稻全生育期都维持较高的根系活力,更利于水稻高产优质高效栽培。