張宇杰,馬 鵬,王志強,楊志遠,孫永健,馬 均

(四川農(nóng)業(yè)大學水稻研究所/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室 成都 611130)

水稻()根系發(fā)育程度與其地上部生長發(fā)育、稻谷產(chǎn)量和品質(zhì)形成密切相關。根系的外觀形態(tài)、生理活性等特征會影響其對水分、養(yǎng)分的吸收利用,而根際土壤環(huán)境的差異也會影響根系的生長發(fā)育。例如水稻對氮素的吸收取決于根系的生物學特征,若根長、根體積大和根系有效吸收面積大,則吸氮能力強;土壤中的礦質(zhì)元素也會反過來影響根的形態(tài)特征和生理活性,若土壤中氮素充足,則能顯著提高根長、根數(shù)、根體積和根系活力。我國農(nóng)業(yè)秸稈資源豐富,但存在水資源短缺、氮肥利用率低等問題,節(jié)水灌溉技術與高效施肥技術是目前我國水稻生產(chǎn)亟待解決的課題。而通過研究不同水氮耦合對水稻根際環(huán)境及根系形態(tài)的影響,可以從根-土互作角度探求適宜水稻生長的最適水氮耦合模式,以達到水氮利用效率的協(xié)同提高。

針對水稻根系在不同水勢下的生長變化已有大量研究。傳統(tǒng)的淹灌模式下,深層滲透現(xiàn)象和灌溉水田間流失現(xiàn)象嚴重,土壤養(yǎng)分溶解流失,土結構被破壞。水稻根系長期處于淹水條件下,易積累有毒物質(zhì)妨礙根系生長,產(chǎn)生黑根爛根導致減產(chǎn)。徐國偉等研究表明,輕度水分脅迫(-20 kPa)增加了主要生育期根長、根重、根表面積和根系氧化力等指標,其原因可能是由于輕度水分脅迫改善了根系通透性,使根際氧氣濃度增加,還原性物質(zhì)對根系的損傷減小,從而促進了根系的生長與養(yǎng)分吸收同化能力的提高。Wang 等認為,干旱脅迫使根系細胞形態(tài)及功能受損,抑制根系生長,降低了根長、根重、根表面積、根系氧化力等指標,且受損的根系導致地上部分生長受阻,積累供給根系的光合產(chǎn)物也相應減少,抑制了其對養(yǎng)分的吸收同化能力。秸稈還田對于水稻根系的生長也有影響。Turmel 等研究表明,秸稈還田可以減少環(huán)境污染,提高土壤養(yǎng)分,促進土壤團聚體形成,改善土壤結構并促進根系生長及地上部發(fā)育。但也有研究指出,秸稈腐解產(chǎn)生CO和化感物質(zhì)對水稻根系產(chǎn)生毒害,抑制根系生長。

前人研究大都通過單因素或二因素的試驗設計來闡明自變量與因變量間的相互關系,而在秸稈還田、水氮耦合等多因素共同作用下的根系形態(tài)建成和根際環(huán)境變化的研究甚少。為此,本研究設計了不同水分處理方式(干濕交替灌溉和淹水灌溉)、不同氮肥運籌(基肥∶蘗肥∶穗肥為7∶3∶0和3∶3∶4)和秸稈還田3 種因素,探索水分管理模式及氮肥運籌在秸稈還田條件下對水稻關鍵生育時期根際環(huán)境、根系形態(tài)、活力及還田秸稈腐解率的影響,研究不同水分管理、秸稈還田和氮素處理與水稻根系形態(tài)建成的關系,旨在為成都平原秸稈還田下水稻生長的適宜水氮耦合模式的建立提供理論與試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年4月至2020年10月在四川省成都市溫江區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學水稻研究所試驗田進行(30°43′N,103°51′E)。供試水稻品種為‘F 優(yōu)498’,中秈遲熟型雜交稻,主莖17 片葉片,5 個莖節(jié),全生育期145～152 d。試驗田土壤為沙壤土,土壤全氮1.99 g·kg,有機質(zhì)18.94 g·kg,堿解氮122.87 mg·kg,速效磷27.92 mg·kg,速效鉀87.54 mg·kg,pH 值6.11。水稻季氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 2019-2020年水稻生長季平均氣溫和降雨量Fig.1 Mean temperature and precipitation during the growth seasons of rice in 2019 and 2020

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計,共6 種水、氮、秸稈耦合模式,如表1所示。

表1 不同處理的水氮耦合模式及其秸稈還田方式Table 1 Coupling modes of water-nitrogen and straw returning modes of different treatments

水分管理設干濕交替灌溉(W1)與淹水灌溉(W2)兩種模式。干濕交替灌溉: 淺水層(1～2 cm)栽秧,移栽后5～7 d 保持淺水層以確保秧苗返青成活,返青后至孕穗前保持田間濕潤,不建立水層,土壤含水量約為飽和含水量的70%～80%,無效分蘗期夠苗曬田,孕穗期保持淺水層,抽穗至成熟期采用灌透水、自然落干至土壤水勢為-25 kPa 再灌水至淺水層,循環(huán)至收獲前7 d 斷水。傳統(tǒng)淹水灌溉: 水稻移栽后整個生育期保持淺水層(1～2 cm),無效分蘗期夠苗曬田,之后保持淺水層(觀察到田面有土壤露出便開閘放水,保持淹水狀態(tài)),收獲前7 d 斷水。

在總施N 量150 kg·hm的基礎上,氮素處理設優(yōu)化施氮(N1)和傳統(tǒng)施氮(N2)兩種模式,其氮肥運籌分別為基肥∶蘗肥∶穗肥為3∶3∶4 和基肥∶蘗肥∶穗肥為7∶3∶0,以不施氮(N0)為對照?；试谝圃郧? d 施用,蘗肥在移栽后7 d 施用,穗肥均分為促花肥和保花肥,分別在倒4 葉和倒2 葉時等量施用。氮肥為尿素(含N 46%);磷肥為過磷酸鈣(含P 12%),施用量為75 kg·hm;鉀肥為氯化鉀(含K 60%),施用量為150 kg·hm;磷、鉀肥作底肥一次性施用。

設秸稈還田和不還田兩種處理。前茬為小麥(),小麥季水、肥管理全田統(tǒng)一。秸稈還田小區(qū)在小麥收獲后將麥稈粉碎并全量翻埋還田,還田量約為5000 kg·hm,其中2019年小麥秸稈總氮量為26.62 kg·hm,2020年小麥秸稈總氮量為30.83 kg·hm。秸稈不還田小區(qū)在小麥收獲后將秸稈移出。

收集部分麥稈,風干后依照還田秸稈粉碎程度剪碎,按每袋20 g 裝入25 cm×15 cm 的40 目尼龍網(wǎng)袋中,于水稻移栽后在秸稈還田小區(qū)每小區(qū)第3 行與第7 行每行等距取3 點埋入裝有秸稈的尼龍網(wǎng)袋,深10 cm,水平放置,埋入時在袋中混入該小區(qū)原位土壤以輔助秸稈腐解,每小區(qū)共6 個,總計埋入72 個。

試驗設3 次重復,共18 個小區(qū),小區(qū)面積13.5 m,田埂用薄膜包覆,單灌單排,防止串水串肥。每年4月16日采用開放式薄膜旱育秧,5月20日進行人工移栽,5月25日埋入秸稈網(wǎng)袋。栽插密度為行距33.3 cm×株距16.7 cm。其他如病蟲草害防治等措施同當?shù)匾话愦筇锼旧a(chǎn)管理措施。

1.3 測定項目及方法

于水稻移栽后10 d、分蘗盛期、拔節(jié)期、拔節(jié)后10 d、抽穗期和成熟期每小區(qū)分別取出先前埋下的裝有秸稈的尼龍網(wǎng)袋1 袋,洗凈烘干后測定剩余秸稈重量。計算秸稈腐解率,并擬合米氏方程,其中代表秸稈腐解率,代表秸稈還田天數(shù),值代表最大秸稈腐解率,值代表達到最大秸稈腐解率的一半時所需要的天數(shù)。

于水稻移栽后10 d、分蘗盛期、拔節(jié)期、拔節(jié)后10 d、抽穗期和成熟期按平均莖蘗數(shù)在各小區(qū)選取代表性植株3 株,以稻株為中心,采用原狀土柱法,用鐵板取根器掘取長等于行距,寬等于株距,深20 cm的土柱(水稻根系主要分布在20 cm 耕層內(nèi),且集中于距土壤表面5 cm 處),分離出根系并仔細刮取依附在根系上的土壤共約50 g 作為根際土,放入4 ℃冰箱暫存。取鮮土樣用氯仿蒸餾法測定微生物量碳、氮含量;其余鮮土樣加入磷酸水溶液,經(jīng)超聲萃取、離心、過濾后得到含有機酸的待測液,用高效液相色譜法測定有機酸含量(2020年)。

取1.3.2 節(jié)中植株置于尼龍網(wǎng)袋內(nèi)在流水中浸泡并沖洗,洗凈后獲得完整根系,用Epson Expression 10000XL 掃描儀配合WinRHIZO 軟件分析測定根長、根數(shù)、根表面積、根體積等形態(tài)指標。

于水稻移栽后10 d、分蘗盛期、拔節(jié)期、拔節(jié)后10 d、抽穗期和成熟期按平均莖蘗數(shù)在各小區(qū)選取代表性植株3 株,在距離地面10 cm 處橫切掉地上部分,保證切口處平整,在每個單莖上套上裝有定量脫脂棉的塑封袋,用橡皮筋扎住袋口防止內(nèi)部傷流液流失,在整株上套上塑封袋防止外界水汽進入,測定當日17:30-次日7:30 的單莖傷流液重量,計算群體傷流強度后擬合二次方程(=++),其中值代表水稻群體根系傷流強度,值代表水稻移栽后生長天數(shù)。

式中: 12 為套袋時間(h)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016、Origin Pro 2017 進行數(shù)據(jù)處理、方程擬合和畫圖,采用SPSS 25.0 進行Tukey 檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同水氮耦合下秸稈腐解特征

經(jīng)過整個水稻季腐解,小麥秸稈累計腐解率為53.57%～56.90% (2019年)和48.84%～54.02% (2020年)。將秸稈腐解率隨秸稈還田天數(shù)變化的曲線擬合Michaelis-Menten 方程。其中值()代表秸稈腐解率,值()代表秸稈還田天數(shù),代表最大秸稈腐解率,代表達到最大秸稈腐解率的一半時所需要的天數(shù)。擬合結果良好(0.996＞＞0.978),如表2和圖2所示。

由圖2可知,秸稈還田后快速腐解,40 d 后腐解逐漸放緩。在40 d 時腐解率為W1N1S1 (40.04%～40.36%)＞W(wǎng)2N2S1 (38.97%～39.08%)＞W(wǎng)1N0S1 (36.35%～37.15%)≈W2N0S1 (36.95%～36.99%)。施氮處理下各時期腐解率均為W1N1S1＞W(wǎng)2N2S1;不施氮處理下W1N0S1 和W2N0S1 相比較,在拔節(jié)期前為W1N0S1＞W(wǎng)2N0S1,拔節(jié)之后為W2N0S1＞W(wǎng)1N0S1,且二者在施氮處理下的腐解率均高于不施氮處理。由表2中值可知,兩年間均為W2N0S1＞W(wǎng)1N0S1＞W(wǎng)2N2S1＞W(wǎng)1N1S1,表明W1N1S1 達到最大腐解率的一半時所需要的時間少于W2N2S1。

圖2 不同水氮耦合處理下水稻季秸稈腐解率隨還田天數(shù)的變化Fig.2 Changes of straw decomposition rate with returning days in rice season under different treatments of water management and nitrogen application

表2 不同水氮耦合處理下水稻季秸稈腐解率(y)隨還田天數(shù)(x)變化的米氏方程擬合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 秸稈還田下不同水氮耦合處理對水稻根際土壤有機酸總量的影響

由圖3可知,水稻根際土壤有機酸總量變化隨生育期先增后降,在抽穗期達峰值。就水分管理而言,對比W1N0S0 和W2N0S0,根際土壤有機酸總量在移栽后10 d 時二者未見差異,分蘗盛期W1N0S0 比W2N0S0 高9.25%,拔節(jié)期W1N0S0 比W2N0S0 低3.34%,而拔節(jié)期后直到成熟期,W1N0S0 均比W2N0S0 高1.38%～8.49%。就秸稈還田而言,W2N0S1從分蘗盛期開始根際土壤有機酸總量顯著高于W2N0S0,增幅為8.02%～19.51%,W1N0S1 從拔節(jié)后10 d 開始顯著高于W1N0S0,增幅為9.43%～22.74%。就氮素處理而言,抽穗期W1N1S1 比W1N0S1 高2.47%,但差異不顯著,其他時期顯著高5.42%～23.76%;而對比W2N2S1 和W2N0S1,W2N2S1 只有在移栽后10 d 和分蘗盛期比W2N0S1 顯著高10.86%～24.22%,其他時期雖然高0.35%～5.25%,但差異未達顯著水平。對比W1N1S1 與W2N2S1,在移栽后10 d 和分蘗盛期時W1N1S1 比W2N2S1 低2.76%～8.29%,但在拔節(jié)期至成熟期前者高于后者3.79%～12.03%。

圖3 2020年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育期根際土壤有機酸總量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 秸稈還田下不同水氮耦合處理對水稻根際土壤微生物碳、氮含量的影響

由表3可知,水稻根際土壤微生物量碳(SMBC)與微生物量氮(SMBN)含量整體變化規(guī)律相似,皆為隨生育期先增后降,但2019年的SMBC 含量高峰出現(xiàn)在抽穗期、SMBN 含量高峰出現(xiàn)在分蘗盛期;而2020年的SMBC 含量高峰出現(xiàn)在分蘗盛期、SMBN含量高峰出現(xiàn)在拔節(jié)后10 d。就水分管理而言,W1N0S0的SMBC 在抽穗期前均高于W2N0S0,增幅為0.25%～12.93%;而在成熟期則為W2N0S0 比W1N0S0 高2.69%～6.23%。就秸稈還田而言,在兩種水分管理模式下S1 處理均提高了各生育期的SMBC 和SMBN,增幅為1.58%～31.22%,而W1N0S1 的SMBC 在抽穗期前高于W2N0S1,在成熟期低于后者。就氮素處理而言,兩種氮肥運籌均提高了各生育期的SMBC、SMBN,且SMBC 含量為W1N1S1＞W(wǎng)2N2S1,增幅1.41%～18.79%。

表3 2019年和2020年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育期根際土壤微生物量碳、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 秸稈還田下不同水氮耦合處理對水稻根系形態(tài)的影響

由表4至表9可知,水稻根系形態(tài)各項指標變化規(guī)律均為隨生育期先增后降,除群體根系總體積以外,其他指標均在抽穗期達到峰值,而群體根系總體積在拔節(jié)后10 d 達峰值。就水分管理而言,W2N0S0的單莖根長在移栽后10 d、抽穗期和成熟期比W1N0S0 顯著高12.03%～50.88%,單莖根數(shù)在移栽后10 d、拔節(jié)后10 d 和成熟期顯著高9.89%～51.44%;而W1N0S0 的各項群體根系指標在分蘗盛期、拔節(jié)期和抽穗期高于或顯著高于W2N0S0,其中群體根長高18.53%～75.83%,群體根數(shù)高10.57%～101.33%,群體根體積高2.49%～88.24%,群體根表面積高8.91%～68.08%。就秸稈還田而言,W1N0S1 和W2N0S1 的單莖根系指標和群體根系指標在各時期都不同程度低于其秸稈不還田處理(W1N0S0 和W2N0S0)。就氮素處理而言,W1N1S1 和W2N2S1 的單莖根系指標在移栽后10 d 和分蘗盛期均低于或顯著低于其不施氮處理(W1N0S1 和W2N0S1),拔節(jié)期后開始提升,至拔節(jié)后10 d 與抽穗期時二者均顯著高于其不施氮處理,而二者的群體根系指標在整個生育期均顯著高于其不施氮處理。對比W1N1S1 和W2N2S1,前者的單莖根長和根數(shù)在各時期均高于或顯著高于后者8.27%～38.09%和2.96%～36.66%,差異在拔節(jié)期前最為顯著,拔節(jié)期后差異逐漸減小;W1N1S1 的群體根系形態(tài)指標在分蘗盛期之后均低于W2N2S1,其中群體根體積低于后者11.25%～30.71%,群體根表面積低于后者4.67%～35.82%,隨著生育進程推進差異逐漸減小。

表4 2019年和2020年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育期單莖根長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年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育期單莖根數(shù)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年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育期群體根長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年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育時期群體根數(shù)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年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育時期群體根體積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年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育期群體根表面積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傷流強度變化

由圖4可知,就水分管理而言,各生育期W1N0S0均高于或顯著高于W2N0S0。就秸稈還田而言,除2019年拔節(jié)后10 d 和抽穗期外,其余時期W1N0S1的群體根系傷流強度均比W1N0S0 低或顯著低2.47%～45.83%;而W2N0S1 和W2N0S0 在兩年間的結果存在較大差異。就氮素處理而言,W1N1S1 和W2N2S1 的群體根系傷流強度在各時期(2019年成熟期除外)都顯著高于其不施氮處理,但W2N2S1 處理下的傷流強度提升幅度隨生育進程的推進出現(xiàn)減緩趨勢,而W1N1S1 的群體傷流強度提升幅度逐步上升,在移栽后10 d 和分蘗盛期時,W1N1S1 的群體根系傷流強度比W2N2S1 顯著低22.01%～29.31%,在拔節(jié)期和拔節(jié)后10 d 二者在兩年間表現(xiàn)存在差異,在抽穗期和成熟期前者高出后者2.26%～156.35%。

圖4 2019年和2020年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻各生育期群體根系傷流強度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

將群體根系傷流強度隨水稻移栽天數(shù)變化的曲線擬合二次函數(shù),其中值代表水稻群體根系傷流強度,值代表水稻移栽后生長天數(shù),AOS 代表達到整個生育期中傷流強度最高點時的天數(shù),值代表整個生育期中傷流強度最高值。擬合結果良好,如表10所示。

由表10可知,水稻移栽后其群體根系傷流強度不斷拔升,在移栽57.6～65.8 d 根系活力最強,爾后根系開始衰老。就水分管理而言,W1N0S0 的AOS 小于W2N0S0,而值大于后者,表明雖然W1N0S0 會比W2N0S0 提前達到傷流強度最高點并開始下降,但是W1N0S0 的根系活力始終強于W2N0S0,W1 更利于水稻維持良好的根系活力。就秸稈還田而言,兩年間W1N0S1 與W1N0S0 的AOS 和值變化存在差異,而W2N0S1的AOS 低于W2N0S0,且值大于后者,表明W2N0S1能促進生育前期根系活力的提高。就氮素處理而言,W1N1S1 和W2N2S1 的AOS均低于其不施氮處理但值更大,表明二者在施氮條件下均能提高根系活力;W1N1S1 的AOS 和值均大于W2N2S1,表明W1N1S1 不僅能平衡秸稈還田對根系的負效應,促進生育前期根系活力的提高,還能有效延緩根系衰老,使水稻在花后依然保持較高的根系活力水平,有效地為地上部輸送養(yǎng)分。

表10 2019年和2020年秸稈還田下不同水氮耦合處理的水稻群體根系傷流強度(y)隨生長天數(shù)(x)變化的函數(shù)擬合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 討論

3.1 不同水氮耦合對秸稈腐解的影響

小麥秸稈主要由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等碳水化合物以及少量的蛋白質(zhì)、脂肪和有機酸等有機物質(zhì)組成。秸稈埋入土壤后,內(nèi)部易降解的有機物質(zhì)先被微生物快速吸收利用,其中可溶性碳水化合物及有機酸等物質(zhì)快速釋放,為微生物提供大量碳源與營養(yǎng)物質(zhì),促進微生物繁殖,而微生物數(shù)量增多、活性增強后,又能加速秸稈的腐解。此時秸稈腐解速度快,為快速腐解期;隨著腐解時間增長,纖維素、半纖維素等易分解的組分被消耗,木質(zhì)素等較難分解的組分比例變大,秸稈腐解速率也隨之變慢,進入緩慢腐解期。黃晶等研究結果表明,小麥秸稈翻埋還田20 d 時腐解率為38%,隨后緩慢腐解,到100 d 時腐解67.9%;黃菲等研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈翻埋還田30 d 時腐解率在40%左右,120 d 時腐解55.4%。

本試驗結果表明,小麥秸稈還田40 d 時,整體腐解率為36.35%～40.36%,隨后腐解速率放緩,至還田110 d 時,整體腐解率為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%,表明小麥秸稈在翻埋還田40 d 內(nèi)為快速腐解期,后進入緩慢腐解期,與黃菲等研究結果一致。在不施氮下,干濕交替灌溉能促進拔節(jié)前的秸稈腐解,拔節(jié)后則為淹水灌溉的秸稈腐解更快;對比干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮和淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮這兩種水氮耦合模式,前者的秸稈腐解速率在各時期均為最高。從理論上講,小麥秸稈C/N 比較大,自身氮素含量低,秸稈腐解過程中會與水稻爭氮,為提高腐解速率應增加氮肥用量或者提高前期氮肥比例。在本試驗處理中,優(yōu)化施氮模式和傳統(tǒng)施氮模式比不施氮處理均提升了秸稈腐解速率,但是傳統(tǒng)施氮模式耦合淹水灌溉的秸稈腐解速率在各時期均不及優(yōu)化施氮模式耦合干濕交替灌溉,這表明在秸稈腐解前期,合適的水分管理模式比氮肥施用模式更能有效提高秸稈腐解速率;而在秸稈腐解后期,氮肥施用模式比水分管理模式對秸稈腐解的影響更大。曾莉等研究也發(fā)現(xiàn),在不同氮肥施用量下,小麥秸稈在還田前兩周的腐解率幾乎無差異,其原因可能是小麥秸稈腐解首先消耗自身氮素和土壤殘留氮素,待可利用氮素消耗殆盡后,外源氮素才成為秸稈腐解的限制因素。本試驗結果表明,干濕交替灌溉為土壤提供了充足的氧氣,提高了微生物活性,利于還田秸稈前期腐解;而優(yōu)化施氮模式的氮肥后移保證了在水稻生育中后期土壤中依然有外源氮素補給,利于秸稈后期腐解。干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式下的秸稈在各時期腐解率均為最高,且腐解率的增速也最快。

3.2 不同水氮耦合協(xié)同秸稈還田對根際環(huán)境及根系形態(tài)的影響

小麥秸稈雖然能為土壤微生物提供充足的碳源,而微生物腐解秸稈又需要消耗氮素,會造成土壤中氮素匱乏,不利于水稻前期的根系發(fā)育。吳林坤等研究發(fā)現(xiàn),植物的根系分泌物可以分為高分子量的黏膠和低分子量的有機酸等物質(zhì),其中有機酸可以調(diào)節(jié)根細胞的通透性,提高根系對養(yǎng)分的吸收。前人研究表明,土壤微生物量與土壤酶活性較其他土壤性質(zhì)能更迅速地響應水肥管理、種植模式以及土地利用方式的變化。劉建國等研究發(fā)現(xiàn),隨著還田年限的增加,土壤微生物總量呈先減少后增加的趨勢,長期秸稈還田使土壤生物性狀趨于好轉,生物多樣性提高。秸稈腐解產(chǎn)生的氮素碳素可以供給微生物繁殖,而繁殖后的微生物又可提高秸稈腐解速率,促進秸稈養(yǎng)分的釋放。楊菲等認為,干濕交替灌溉能給水稻提供一個“超越補償效應”,經(jīng)干濕交替灌溉的水稻能利用水分脅迫誘導復水后使根系生長能力和生理功能超越正常狀態(tài)。

本試驗結果表明,就根際環(huán)境而言,在不同水分管理模式下干濕交替灌溉能提高成熟期前的根際土壤微生物碳、氮含量,而成熟期時其表現(xiàn)不如淹水灌溉,這可能是由于干濕交替導致顆粒有機碳隨著土壤團聚體的破壞而釋放,為土壤中的微生物提供了更多碳源,從而提高了根際土壤中的微生物量碳、氮含量,但是隨著干濕交替次數(shù)的增多,在成熟期時土壤團聚體裂解,其對水分及養(yǎng)分的固持能力反而有所下降,導致微生物活性降低。秸稈還田能提高根際土壤中微生物活性與有機酸總量,該提升效果隨著還田時間的增長而增加,且在生育后期干濕交替灌溉更能促進秸稈中有機酸的釋放。施用氮肥后微生物量碳、氮含量與有機酸總量都有提升,且干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式的微生物量碳在整個生育期都高于淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式,而有機酸總量雖然在生育前期為淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式高于干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式,但是隨著生育進程的推進,干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式有機酸總量持續(xù)提升并從拔節(jié)期開始便高于淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式,這說明干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式能在整個生育期穩(wěn)定促進根際土壤養(yǎng)分有效性的提升,增加根系對養(yǎng)分的吸收,從而保證地上部植株正常生長。

就根系形態(tài)發(fā)育而言,淹水灌溉利于單莖根長與根數(shù)的發(fā)育,而干濕交替灌溉可以促進群體根系生長、增強群體根系傷流強度,這可能是因為干濕交替灌溉改善了土壤通透性,增強根系激素合成能力與根系活性,并促進了水稻分蘗。在不施氮時,秸稈還田會抑制根系發(fā)育,可能是由于秸稈還田后土壤微生物與根系一起爭奪氮素,根系無法吸收足夠的養(yǎng)分以維持發(fā)育,生長緩慢,活性逐漸減弱,導致分蘗減少并產(chǎn)生僵苗現(xiàn)象,而瘦弱的根系更無法有效吸收利用養(yǎng)分,在生育期內(nèi)產(chǎn)生惡性循環(huán),導致單莖根系形態(tài)指標與群體根系形態(tài)指標都明顯下降。施用氮素可以平衡秸稈對根系發(fā)育的負效應,且在分蘗盛期開始促進單莖根系的生長,并通過提高莖蘗數(shù)來獲得更高的群體根系形態(tài)指標。淹水灌溉耦合傳統(tǒng)施氮模式雖然在單莖根系發(fā)育上弱于干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式,但是因為傳統(tǒng)施肥模式的基肥施用量大,水稻莖蘗數(shù)高,所以擁有更為龐大的群體根系系統(tǒng);優(yōu)化施氮模式則具有更高的根際土壤微生物活性,可以促進還田秸稈更快的腐解;且其3∶3∶4 的氮素運籌既注重了前期的氮素營養(yǎng),又在后期及時為土壤補充外源氮素營養(yǎng),提高了根際土壤有機酸含量,而低分子有機酸可以與土壤中的金屬離子競爭吸附點位,緩解金屬離子對根系的脅迫作用;酸化的土壤也可以提高養(yǎng)分的生物有效性,促進根系對養(yǎng)分的吸收利用;同時,在生育后期高含量的有機酸也可以在根尖細胞的表面形成包裹,防止細胞失水,維持根系功能,延緩根系衰老。所以干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式在花后依然能維持較高的根系活力水平,為水稻地上部發(fā)育保證了長期和充足的養(yǎng)分供給。

4 結論

秸稈還田能提升整個水稻生育期的根際土壤微生物量碳、氮含量,并提升分蘗盛期后的根際土壤有機酸總量,但如果不能及時補充外源氮素,秸稈腐解反而會抑制根系形態(tài)的發(fā)育。干濕交替灌溉耦合優(yōu)化施氮模式為秸稈還田條件下的最適水氮耦合模式,該水氮耦合可有效促進各時期下的秸稈腐解,協(xié)同提升根際土壤有機酸總量與微生物量碳、氮含量,而根際環(huán)境中活躍的微生物又能進一步促進秸稈腐解釋放養(yǎng)分,充分發(fā)揮秸稈還田優(yōu)勢。養(yǎng)分與氧氣充足的根際環(huán)境保證了水稻群體根長、根數(shù)、根體積和根表面積等根系形態(tài)指標的穩(wěn)定增長,促進建成更龐大發(fā)達的根系系統(tǒng),并有效延緩根系衰老,使水稻全生育期都維持較高的根系活力,更利于水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培。