水稻根際環(huán)境與氮素利用的關(guān)系研究進(jìn)展

劉磊 許京菊 張耗

（揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚(yáng)州225009；第一作者：2461325084＠qq.com；*通訊作者：haozhang＠yzu.edu.cn）

水稻作為世界三大糧食作物之一，在糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。在人口及耕地等多重壓力下，用提高氮肥施用量的方法來(lái)提高單位面積水稻產(chǎn)量已經(jīng)過(guò)時(shí)[1]。過(guò)量施肥會(huì)造成資源的不必要浪費(fèi)，并進(jìn)一步加重環(huán)境污染。由此，研究水稻高效吸收利用氮素機(jī)制成為熱點(diǎn)。水稻吸收利用的氮素主要是從土體內(nèi)部通過(guò)根系進(jìn)入植株地上部，從根際環(huán)境的角度探究這一過(guò)程，對(duì)根-土互作領(lǐng)域研究的開展具有重要意義。作為稻田生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的部分，土壤中的微生物也在水稻生長(zhǎng)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)水稻根際土壤、根系、微生物與氮素吸收利用關(guān)系的研究進(jìn)展情況進(jìn)行概述，以為探明水稻如何實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和氮素高效利用提供科學(xué)參考。

1 水稻根際環(huán)境

1.1 根際環(huán)境的定義及范疇

根際一詞最早源于豆科植物，可以追溯到1904年，根系對(duì)土壤微小區(qū)域的影響可以用該詞表示[2]。根際范圍除受根毛長(zhǎng)度的決定性作用外[3]，還受作物種類、年齡、土壤類型等因素的影響，一般來(lái)說(shuō)存在于根-土界面幾毫米以內(nèi)的地方。由于根毛和根分泌物的作用，以及較強(qiáng)的微生物活動(dòng)，根際土壤特性明顯與土體土壤存在差異。最近，根際的概念已經(jīng)擴(kuò)展到了所有直接受根系影響的整個(gè)土體。申建波等[4]提出“根際生命共同體（Rhizobiont）”學(xué)術(shù)思路，圍繞“根際互作與養(yǎng)分高效”這一重大科學(xué)命題，開辟植物-土壤-微生物交叉創(chuàng)新領(lǐng)域。總體來(lái)說(shuō)，植株根系與土壤緊密接觸的部分統(tǒng)稱為根際環(huán)境，各種水分、養(yǎng)分和其他物質(zhì)都需要通過(guò)根際環(huán)境進(jìn)入根系，研究具有一定的復(fù)雜性。

1.2 根際土壤

水稻不僅需要有良好的地上部“葉光合系統(tǒng)”，也同樣需要有健康的“根際土壤系統(tǒng)”[5]，二者缺一不可。土壤物理特性指標(biāo)主要包括土壤質(zhì)地、容重、團(tuán)聚體、孔隙度、結(jié)構(gòu)性、粘粒含量等。土壤孔隙度表征土壤團(tuán)聚性、透水性和松散程度，土壤團(tuán)聚體是組成完整土壤結(jié)構(gòu)的基本單元。不同的土壤物理特征參數(shù)相互聯(lián)系，相互交叉：土壤容重越小，土壤結(jié)構(gòu)和透水性能越好；團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與土壤容重成反比。土壤的化學(xué)特性主要包括pH值、養(yǎng)分含量、微量元素等。pH值在根際與非根際土壤之間有較大差異，造成這種變化的主要原因是根際、非根際陰陽(yáng)離子吸收的不平衡。土壤養(yǎng)分包括氮、磷、鉀以及速效養(yǎng)分的測(cè)定，土壤有效養(yǎng)分也有“實(shí)際”和“潛在”有效養(yǎng)分的區(qū)別，“潛在”有效養(yǎng)分存在于遠(yuǎn)離根系的土體中，需通過(guò)遷移等過(guò)程到達(dá)根際周圍才能被根系吸收。此外，土壤的生物學(xué)特性指標(biāo)主要包括有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、微生物態(tài)碳氮含量、土壤酶活性等。土壤酶在根際環(huán)境中表現(xiàn)活躍，微生物本身活動(dòng)可以影響小部分生化反應(yīng)，其他反應(yīng)都是在各種相對(duì)應(yīng)的酶參與下催化完成的[6]。

1.3 根系生物學(xué)特征

水稻根系除了固定地上部植株外，還可以吸收土壤水分和養(yǎng)分，是合成多種生長(zhǎng)激素、有機(jī)酸和氨基酸等的場(chǎng)所。

根數(shù)、總根長(zhǎng)、根冠比、根表面積、根體積、根分枝長(zhǎng)度以及數(shù)量等指標(biāo)可以較為準(zhǔn)確地描述水稻根系形態(tài)。適宜的地下部與地上部比值（根冠比）是水稻生長(zhǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)，水稻單株根數(shù)、總根表面積、總根體積、根干物質(zhì)量等在生育期內(nèi)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)：分蘗期至抽穗期迅速增長(zhǎng)，達(dá)到發(fā)育峰值，至成熟期增長(zhǎng)變慢或下降[7-8]，由于離子態(tài)養(yǎng)分在土壤中的遷移速率和距離都很小，因此研究水稻根系形態(tài)特征具有必然性。作為根系生理特性的重要指標(biāo)，根系活力可以通過(guò)根系氧化力、根系總吸收以及活躍吸收表面積表現(xiàn)。水稻根系傷流液能夠較為準(zhǔn)確地反映根系吸收、合成、運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)以及同化能力。根系分泌物是作物根系向根際環(huán)境分泌或釋放的各類化合物的總稱，包括低分子量的初級(jí)代謝產(chǎn)物（糖類、氨基酸、有機(jī)酸）和次級(jí)代謝產(chǎn)物（酚類、類黃酮、萜類化合物），可以起到土壤和作物信息傳遞和物質(zhì)交換的作用。根系化學(xué)信號(hào)分類中，第一類是根系分泌物中各種有機(jī)酸種類及含量[9]；第二類是在根系合成的激素等物質(zhì)。生長(zhǎng)素合成和極性運(yùn)輸調(diào)節(jié)了作物主根的伸長(zhǎng)和側(cè)根的生長(zhǎng)發(fā)育。水稻植株體內(nèi)主要可轉(zhuǎn)運(yùn)的細(xì)胞分裂素為玉米素（Z）和玉米素核苷（ZR）[10]，它們主要在根系合成，可以促進(jìn)細(xì)胞分裂和延緩植株衰老。根尖是根系最活躍和敏感的部位，根尖細(xì)胞中包括線粒體、高爾基體、核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器數(shù)目可以反映根系形態(tài)和生理狀況。這些細(xì)胞器對(duì)營(yíng)養(yǎng)、水分等條件變化的響應(yīng)比上述的形態(tài)生理指標(biāo)更為敏感、迅速[11-12]。

1.4 根際微生物

土壤是微生物的“搖籃”，土壤微生物對(duì)各種外界條件（土壤類型、土壤pH值、溫度和濕度、作物中根系分泌物等）十分敏感[13]。微生物對(duì)作物生長(zhǎng)的影響主要包括改善作物營(yíng)養(yǎng)狀況和增強(qiáng)作物抗性兩個(gè)方面[14]。由于作物吸收利用土壤中的有機(jī)物質(zhì)，造成其在根際聚集，最終導(dǎo)致根際微生物數(shù)量和活性均成倍增加。根際微生物主要是由細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物和病毒等組成，細(xì)菌可占微生物總量的90%，是土壤微生物組成中最大的類群[15]。土壤細(xì)菌中具有特定生理特性類的微生物有氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、固氮菌、纖維素分解菌等，它們對(duì)土壤中有機(jī)物的分解以及生態(tài)平衡的維持發(fā)揮著主導(dǎo)作用。水稻根系能夠釋放根系分泌物，這就導(dǎo)致根際環(huán)境對(duì)微生物產(chǎn)生影響，根際效應(yīng)就通過(guò)這種途徑得以表達(dá)。根際土壤微生物的數(shù)量一般都要高于非根際土壤，這種現(xiàn)象也與根際效應(yīng)有關(guān)。

2 水稻氮素的吸收、轉(zhuǎn)化與利用

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?dú)?，大氣中的氮?dú)鉄o(wú)法被作物直接吸收和再利用。大氣沉降、生物固氮和農(nóng)用氮肥施入成為了土壤氮素的主要來(lái)源。N經(jīng)截獲、質(zhì)流（水勢(shì)梯度）和擴(kuò)散（濃度梯度）等途徑最終到達(dá)作物根際，開始了細(xì)胞間的短距離運(yùn)輸[16]。闡明水稻氮素吸收、轉(zhuǎn)化與利用的機(jī)理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)氮素高效吸收利用尤為重要。

2.1 水稻對(duì)于氮素的吸收過(guò)程

在水稻能夠吸收的氮中，約20%的N被根系所利用，其余部分則被運(yùn)往地上部。水稻吸收的氮素除部分以硝態(tài)氮、游離氨基酸、葉綠素等形態(tài)存在于不同器官中外，70%以上存在于不同的結(jié)構(gòu)蛋白中[17]。銨鹽和硝酸鹽是水稻吸氮的主要形式，通常硝化作用在淹水狀態(tài)下是被強(qiáng)烈抑制的，基于這個(gè)原理，銨態(tài)氮就成為了稻田土壤中主要的無(wú)機(jī)氮形式，所以研究者一般稱水稻是喜銨作物，其根系對(duì)土壤溶液中的NH4+吸收分為高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（HATS）和低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（LATS）兩個(gè)主動(dòng)吸收過(guò)程，HATS運(yùn)轉(zhuǎn)的條件是外界NH4+濃度低于1 mmol/L，而濃度大于1 mmol/L時(shí)，LATS才會(huì)發(fā)揮作用[18]。硝態(tài)氮的吸收也以主動(dòng)吸收為主，所消耗的能量較銨態(tài)氮高。GUO等[19]研究認(rèn)為，不同灌溉方式下水稻吸收的氮素形態(tài)有所不同，常規(guī)灌溉條件下吸收的氮素形態(tài)主要為銨態(tài)氮，而在旱作條件下則以硝態(tài)氮或銨硝混合為主。水稻吸氮具有明顯的階段性：生長(zhǎng)中期吸收的氮素占全生育期吸氮量的1/2以上。雙季早、晚稻吸氮高峰不同：前者只有1個(gè)吸氮高峰，后者則有2個(gè)吸收高峰。總體上，吸氮效率與水稻基因型有關(guān)，氮素吸收效率高的品種可以從土壤中吸收更多氮素營(yíng)養(yǎng)[20]。

2.2 水稻氮素的轉(zhuǎn)化與利用過(guò)程

土壤中的氮素轉(zhuǎn)化是使土壤中的含氮物質(zhì)發(fā)生形態(tài)或狀態(tài)的變化，需經(jīng)過(guò)多種復(fù)雜過(guò)程，主要包括有機(jī)態(tài)氮的礦化和礦質(zhì)態(tài)氮的生物固定、銨的黏土礦物固定-釋放、銨的吸附和解吸、氮硝化-反硝化以及氨的揮發(fā)等[21]。土壤氮礦化是在土壤微生物的參與下將土壤中有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)換成無(wú)機(jī)態(tài)氮（NH4+-N和NO3--N）的過(guò)程，前者不能被直接吸收利用，而后者可以。這一過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：首先進(jìn)行氨基化階段，在土壤微生物水解酶的作用下，各種復(fù)雜的含氮化合物（蛋白質(zhì)、氨基糖及氨基酸等）逐級(jí)分解形成簡(jiǎn)單的氨基化合物；第二階段為氨化階段，上一階段產(chǎn)生的化合物在微生物影響下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氨，部分氨仍會(huì)轉(zhuǎn)換成硝態(tài)氮或迅速氧化為亞硝態(tài)氮。生物因素、環(huán)境因素、土壤基本理化性質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地及土壤pH）和人為因素等是影響土壤氮素礦化的主要方面。土壤基本理化性質(zhì)中，pH升高能夠促進(jìn)土壤氮素的礦化，硝化作用也會(huì)隨著土壤pH的升高呈線性增長(zhǎng)。水稻根系的通氣組織非常發(fā)達(dá)，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過(guò)程可以通過(guò)根際的泌氧以及根際土壤中的硝化菌類的一系列生理代謝完成[22-23]。

3 根際環(huán)境與氮素利用

根際環(huán)境決定著土壤中氮素的供應(yīng)強(qiáng)度和有效性[24]，處于根際微域環(huán)境中的氮才能被水稻根系直接吸收利用。因此，研究根際環(huán)境可為研究水稻氮素吸收利用提供可靠支撐[25]。

3.1 土壤理化特性與氮素利用

土壤中的氮90%以上是以有機(jī)氮的形式存在，無(wú)機(jī)態(tài)氮僅占1%～2%[26]。土壤容重反映土壤的緊實(shí)情況，只有在合適的范圍內(nèi)作物才可以正常生長(zhǎng)發(fā)育。適當(dāng)?shù)耐杆杂欣诟纳仆寥赖耐鉅顩r，促進(jìn)微生物分解活動(dòng)，從而調(diào)節(jié)水稻的根際環(huán)境，并進(jìn)一步利于水稻生長(zhǎng)發(fā)育和對(duì)氮素吸收利用。土壤團(tuán)聚體的分解和形成都與氮素利用有關(guān)，存留在團(tuán)聚體中的有機(jī)氮、有機(jī)碳經(jīng)過(guò)分解，會(huì)暴露在空氣中，加速礦化過(guò)程，最終導(dǎo)致土壤氮素、碳素的流失。提高土壤團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性的方法很多，免耕處理、秸稈還田等栽培措施結(jié)合生育期施肥有明顯促進(jìn)作用，這些措施不僅可以促進(jìn)大團(tuán)聚體形成，還能更深一步提高土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性及全氮含量，最終提高土壤固碳固氮能力。有研究表明，長(zhǎng)期實(shí)行N、P、K平衡施肥及與有機(jī)肥配施有利于洞庭湖平原紅壤性水稻土穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成及大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的積累[27]。李菊梅等[28]通過(guò)通氣培養(yǎng)法研究發(fā)現(xiàn)，不同土層的可礦化氮都與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量高度正相關(guān)，而根際土壤礦質(zhì)氮含量與水稻氮素吸收效率呈極顯著正相關(guān)[29]，根際土壤硝化作用強(qiáng)，水稻氮素吸收能力就強(qiáng)，硝化作用弱，水稻氮素吸收能力就相對(duì)較差[30]。由于土壤養(yǎng)分含量、根系分泌物和根際與非根際微生物群落等差異，根際與非根際土壤的氮素含量及轉(zhuǎn)化過(guò)程差異很大。土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化是在土壤酶的推動(dòng)作用下完成，不同作物種類、不同類型土壤其物理結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)肥力、化學(xué)性質(zhì)、微生物量及酶活性也存在明顯不同。

3.2 根系特征與氮素利用

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備受重視[31]。根系形態(tài)參數(shù)是高效吸收和利用氮素營(yíng)養(yǎng)的決定性因素，且不同生育時(shí)期粗分枝根的形態(tài)對(duì)氮利用效率影響較大。根系發(fā)達(dá)，且具有較強(qiáng)的發(fā)根力，較長(zhǎng)的根長(zhǎng)，較高的根密度、根系活力，較大的根系吸收表面積以及對(duì)NH4+較強(qiáng)的親和力[32-33]，這些都是水稻根系高效利用氮素的特征表現(xiàn)。在選育高產(chǎn)高效水稻品種時(shí)，更深的根分布和更高的根活力（尤其是在低氮條件下）可以作為一種衡量標(biāo)準(zhǔn)。氮素吸收能力強(qiáng)的水稻品種通常根系通氣組織發(fā)達(dá)，根系吸收面積和氧化還原力優(yōu)勢(shì)明顯。秈粳雜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氣組織發(fā)育對(duì)低氮響應(yīng)更積極。根系分泌物中有機(jī)酸總量、氨基酸濃度與氮素利用效率呈顯著正相關(guān)[34]。徐國(guó)偉等[35]研究認(rèn)為，在輕度水分脅迫和適量施氮條件下，根系細(xì)胞完整，核膜清楚，根系氧化力提高，根系分泌有機(jī)酸量增加。TAKEI等[36]研究表明，氮素營(yíng)養(yǎng)水平調(diào)控著根系中激素的合成，促進(jìn)養(yǎng)分吸收，延緩植株衰老。研究者通過(guò)3種灌溉方式的防雨棚土培試驗(yàn)，探討了根系合成的激素與氮素利用的關(guān)系，結(jié)果表明，水稻根系合成的玉米素、玉米素核苷和生長(zhǎng)素及葉片中氮代謝酶活性與氮肥吸收利用率呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，而脫落酸含量則與氮肥吸收利用率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[37]。水稻地上部以及根系氮代謝酶活性與水稻氮素吸收能力呈正相關(guān)[38]。分蘗期根尖細(xì)胞中高爾基體和線粒體數(shù)目與根干物質(zhì)量、根系氧化力以及分蘗數(shù)目呈顯著或極顯著正相關(guān)[39]，這也表明根尖超微結(jié)構(gòu)與氮代謝密切相關(guān)。

3.3 根際微生物與氮素利用

土壤微生物的礦化作用不可忽略，土壤中大量有機(jī)態(tài)氮只有通過(guò)微生物的礦化轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)氮才能被吸收利用。稻田生態(tài)系統(tǒng)中參與氮循環(huán)的功能微生物驅(qū)動(dòng)氮固定、硝化和反硝化等多個(gè)復(fù)雜過(guò)程，維持著氮素收支平衡，是調(diào)節(jié)土壤氮素供給、轉(zhuǎn)化和流失的重要途徑。

根際微生物，例如叢枝菌根真菌、根瘤菌、解磷解鉀細(xì)菌等，對(duì)于土壤磷鉀養(yǎng)分的活化或者固氮、改善作物營(yíng)養(yǎng)狀況、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)等方面有不可替代的作用[40]。不同類型的土壤細(xì)菌反映不同的氮素供應(yīng)狀況：硝化及反硝化細(xì)菌數(shù)量反映了土壤硝態(tài)氮的供應(yīng)狀況；氨化細(xì)菌的數(shù)量直接反映了氨化作用的強(qiáng)度；固氮菌含量反映土壤固氮能力的高低。聯(lián)合固氮菌的主要宿主是糧食作物（水稻、玉米、小麥）。袁梅等[41]從8個(gè)湖南水稻植株樣品中分離到19種內(nèi)生固氮菌。靳海洋等[42]等采用稀釋平板法和富集純化法從土壤中分離到可培養(yǎng)固氮菌株，為稻田生物固氮能力的微生物調(diào)控提供菌種資源。在對(duì)不同秈、粳稻品種根際微生物組研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)兩者在微生物群落方面有差異：秈稻比粳稻根際富集了更多參與氮代謝的微生物群落，對(duì)這些微生物群落進(jìn)行功能預(yù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，參與氮代謝的通路（氨化信號(hào)通路和氮呼吸信號(hào)通路）被富集，在秈稻品種中接種秈稻根際特異富集的微生物群體可以提高秈稻對(duì)有機(jī)氮的利用，促進(jìn)其生長(zhǎng)[43]。今后可通過(guò)在分子層面探究根際微生物，從而提高水稻氮素高效吸收。微生物肥料將成為引領(lǐng)未來(lái)肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向，也是中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

4 存在問(wèn)題與研究展望

根際是作物和土壤環(huán)境物質(zhì)和能量交換最劇烈的區(qū)域，根際過(guò)程是土壤過(guò)程與作物過(guò)程發(fā)生關(guān)系的橋梁。目前，對(duì)于水稻根際環(huán)境與養(yǎng)分高效利用的關(guān)系研究還不夠系統(tǒng)和深入。建議今后從以下3個(gè)方面深入研究：1）系統(tǒng)開展水稻養(yǎng)分尤其是氮素吸收利用的全過(guò)程研究，包括根際氮轉(zhuǎn)化、植株根系吸氮、植株內(nèi)氮分配與利用等，從植株-土壤整體水平研究養(yǎng)分高效利用的生理生化機(jī)制；2）在復(fù)雜的稻田環(huán)境下加強(qiáng)氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵微生物過(guò)程與機(jī)理的研究，并與相關(guān)減排過(guò)程關(guān)聯(lián)起來(lái)；3）研究栽培調(diào)控措施對(duì)根際過(guò)程和氮素高效利用的影響，提出相應(yīng)的栽培調(diào)控途徑和關(guān)鍵技術(shù)。