文 | 林夫
编辑 | 林夫
氮(N)是水稻植株必需的营养物质，也是水稻生产中最具限制性的营养物质。
土壤中的大量有机氮，除了氨基酸等少量有机氮化合物可以直接利用外，还需要通过土壤微生物的作用转化为无机氮，才能被植物吸收利用。
无机氮是水稻直接吸收的主要氮形式，但仅占土壤总氮的1%左右，主要由土壤矿化产生。
作物产量和氮素周转均可受到控制土壤氮素水平的管理策略的影响，因此土壤中的氮素供应通常是限制作物产量和粮食质量的主要因素之一。
为了获得高产，矿质氮肥的使用量不断增加，中国现在是世界上最大的化肥生产国、消费国和进口国。
然而氮素利用率呈下降趋势，氮肥的过量使用造成了严重的生态环境问题，如土壤退化、地下水污染、温室气体排放增加等。
因此寻找提高氮素利用率的新途径是亟待解决的问题，水稻是一种半水生植物，已经适应了在大雨或洪水期间在水下生存。
由于气体在水中扩散缓慢，水稻植株经常遭遇低氧(O2)和缺氧胁迫，低氧环境下土壤N分解缓慢且不完全，并经常导致有机物质的积累。
由于土壤氮矿化和硝化作用减少，反硝化作用增加，土壤氮有效性降低，根际O2条件在水田生态系统中起重要作用。
因此调节水稻土的氧条件，提高水稻对氮的利用是解决这一问题的有效途径。
好氧栽培是一种重要的农业生产方式，在水稻生产中起着至关重要的作用，这种做法旨在提高产量并减少灌溉。
不同的通气策略，如干湿交替(AWD，也称为好氧灌溉)和化学通气(水稻在分蘖期和孕穗期施用CaO2)会影响水稻的生长、根系生理和氮吸收。
而且根际O2条件对土壤氧化还原电位、pH值、离子形态和微生物活性均有影响，这些参数直接或间接地影响土壤氮的转化，以及水稻对氮的吸收和利用。
材料与方法
（一）场地描述和实验设计
盆栽试验(塑料桶，80 cm × 60 cm × 80 cm)于2017年6月至11月在中国浙江省杭州市中国水稻研究所(CNRRI)的温室(120.2°E，30.3°N，海拔11 m)进行。
温室室内温度白天维持在(32±3)℃，夜间维持在(22±3)℃，盆栽试验全程保持自然光照。
每盆添入20 kg水稻土(深度0 ~ 15 cm)，配以25 g N: P: K为15:12:15的复合肥，施肥前对土壤的主要性质进行了分析。
化学分析包括测定土壤pH值(1:1 .5水萃取)、土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷(P)、速效钾(K)、土壤重量含水量和容重(表1)。
表1
以CF(又称厌氧灌溉)处理为对照，整个生育期灌水3 ~ 5 cm，经CFA处理的水稻植株生长方式与对照组相似。
在种植水稻前，在被试盆内嵌入一个带孔的排气口，然后将通风管道连接到通风泵上。
第一次通气(由定时器控制)2 h之后，每2小时进行一次通气10分钟，通气持续一整天。
在AWD(也称为好氧灌溉)处理中，水稻植株在初次淹水后自然干燥，然后在一个循环中再次灌溉，直到收获。
两个水稻品种秀水09(常规粳稻)和春优84(杂交粳稻)作为单季稻种植，种子直接播种在塑料桶里。
发芽后，将幼苗稀疏至每桶36株(秀水09和春优84各18株)。
（二）土壤O2扩散速率的测定
用附加保护阴极的O2扩散仪(荷兰EK070 14.36)测量溶解在土壤中的O2扩散速率，将一个圆柱形铂电极插入土壤中，以测量减少表面所有O2所需的电流量。
在达到稳态后，测量充满空气的孔隙中O2的流量，以及通过电极表面的水膜。
（三）水稻叶面积、地上干物质积累量和氮积累量的测定
在分蘖期、抽穗期和成熟期测定水稻叶面积、地上干物质积累量和氮含量，每个水稻品种每次处理取样6株幼苗。
所有样品被分成绿叶、茎(秆+鞘)和穗(抽穗和成熟期)，105℃烘箱干燥30min后测定各部分干物质，80℃烘干至定重。
然后称重，磨成粉末，消化后用凯氏定氮法测定总氮，通过将N浓度乘以植物地上干物质来计算N吸收量，氮利用效率(NUE)表示为全株干物质与氮积累的关系。
（四）水稻叶片叶绿素含量的测定
分蘖期和抽穗期的水稻叶片被收获，浸泡在液氮中，然后冻干，叶片叶绿素含量(mg/g)通过0.1 g叶组织80%*酮丙**提取物测定。
（五）水稻叶片硝酸还原酶活性的测定
在分蘖和抽穗期，通过分光光度法测定叶片的亚硝酸盐生产能力来测定NRA。
取一定量的组织用含1mmol /L EDTA、10mmol /L半胱氨酸和25mmol /L磷酸钾的5ml磷酸盐缓冲液(pH 7.5)匀浆，通过4层粗棉布。
然后在0-4℃下，25 000 ug离心20分钟，样品通过玻璃棉后，在上清液(0.2 mL)中加入0.5 mL磷酸盐缓冲液(pH 7.5)、0.4 mL烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH) (2 mmol/L)和0.7 mL蒸馏水，在30℃下孵育15 min。
快速加入1 mL磺胺终止反应，再加入1 mL萘乙二胺试剂，90 min后在540 nm处记录吸光度，通过硝酸钠标准曲线计算酶活性。
（六）统计分析
使用SPSS/STAT统计分析软件包对数据进行分析，报告了每次测量的平均值和标准偏差。
各品种不同O2处理(CF、AWD和CFA)进行单因素方差分析，并在0.05水平上进行最小显著差异检验。
利用Pearson相关系数(r)确定水稻全氮积累量与土壤硝化速率和AOB丰度之间的相关性。
结果
（一）土壤氧扩散速率
土壤O2扩散速率在不同处理间存在差异(图1)，水稻生长早期(移栽后0 ~ 20 d)，不同处理间差异不显著(P < 0.05)。
但在20 d后，与对照(CF)相比，AWD和CFA处理的土壤O2扩散速率显著增加，在整个生育期，CF处理土壤O2扩散速率持续下降，而AWD和CFA处理土壤O2扩散速率呈波动趋势。
（二）水稻叶面积与干物质积累
两个品种在分蘖期和抽穗期的单山叶面积与CF处理相比均显著增加(表2)。
表2
秀水09在分蘖期和抽穗期的单山叶面积分别增加22.50%和6.71%，春优84在分蘖期和抽穗期的单山叶面积分别增加5.41%和4.85%。
分蘖期，不同土壤O2条件下的总干物质积累量无显著差异(P > 0.05)。
抽穗期，AWD处理显著提高了2个品种的总干物质积累量，其中秀水09和春优84分别提高了22.60%和18.90%。
两个品种的生物量在CFA处理下也比对照有所增加，成熟期不同土壤氧条件下，秀水09表现出与抽穗期相同的变化趋势。
与对照相比，AWD和CFA处理的干物质积累量分别增加了33.56%和16.23%。
但春优84与秀水09的趋势不同。
干物质积累量以AWD处理最低，比对照低2.54%，与对照组相比，CFA治疗增加了2.49%。
（三）叶绿素含量
AWD和CFA处理的叶绿素含量均有所增加(图2)，分蘖期(图2- a)， AWD和CFA处理的秀水09叶绿素含量分别比CF处理提高了10.98%和25.10%，春油84的叶绿素含量分别提高了8.17%和25.00%。
图2- a|b
抽穗期(图2-B)， AWD和CFA处理也导致了叶绿素含量的增加，在AWD和CFA处理下，秀水09的增幅分别为11.70%和11.59%，春油84的增幅分别为8.70%和7.61%。
（四）水稻叶NRA
在分蘖期(图3-A)， AWD处理显著提高了两个品种的叶片NRAs，两个品种的NRAs均为AWD > CFA > CF。
与CF处理相比，AWD处理的秀水09叶片NRA提高了91.12%，春优84叶片NRA提高了61.81%。
抽穗期(图2)AWD处理显著提高了春优84的NRA，比对照提高了59.63%。
(图3-A)
（五）土壤呼吸和微生物生物量
与CF处理相比，AWD处理在水稻全生育期土壤呼吸明显增加，而CFA处理在成熟期土壤呼吸明显减少(图4-A)。
分蘖期，AWD处理土壤呼吸比CF处理增加了51.12%，而AWD与CFA处理间差异不显著(P > 0.05)。
抽穗期，AWD和CFA处理的土壤呼吸量均高于CF处理，在成熟期，AWD处理也高于CF处理。
如图4-B所示，土壤MBC随着水稻生长的进展而增加，在成熟期达到峰值。不同土壤O2条件下，土壤MBC的增加幅度不同。
在成熟期比分蘖期增加了127.0%，以CFA处理的增幅最大。
分蘖期，AWD处理土壤MBC略高于CF和CFA处理，而CF和CFA处理间差异不显著，抽穗期和成熟期，CFA处理比CF处理分别高15.11%和6.39%。
讨论
本研究结果表明，增加土壤氧气条件有利于水稻生长和土壤氮的吸收和利用。
在谷类作物中，水稻是独特的，因为它可以形成一个发达的通气系统，使根和根际被氧化，从而减轻大部分缺氧胁迫。
然而，水稻土壤通常在水稻生长季节的特定时期被淹没，土壤和植物根系中的微生物呼吸作用会迅速消耗土壤中的O2含量，淹水的植物根系会迅速由好氧变为缺氧。
因此根际O2含量是限制水稻根系生长的关键因素，持续的缺氧环境会导致水田中还原性有毒物质的积累。
水田不同的曝气方式可以增强根系生理功能，促进氮素的吸收和利用)，Rejesus(2011)报道，间歇灌溉比漫灌更有利于叶面积指数的形成和产量的提高。
Belder(2004)报道CF抑制水稻生长，显著降低干物质积累，最终产量降低46.46%，然而这些发现被认为是由土壤湿度条件引起的。
事实上，AWD和CF处理对水稻生长的影响是土壤氧条件差异的结果，洪水条件下的植物表现出与水缺氧时相似的症状，在这项研究中也发现了类似的结果。
在分蘖期和抽穗期，两个品种的叶面积在CFA处理下均有所增加(表2)，由于盆栽试验与田间试验不同，需要一段时间才能使洪水干涸。
AWD处理的两个品种的干物质积累在整个生育期均不表现出优势，AWD处理对两个品种叶面积的影响也不确定。
但两种处理仍能促进抽穗期干物质积累，由于AWD和CFA处理的叶绿素含量(图2)和NRA(图3)更高，因此AWD和CFA处理的植株N浓度和积累量往往高于CF处理(表3和4)。
叶绿素含量的增加有利于光合作用和水稻生长，叶片N与叶绿素含量之间呈强线性关系。
硝酸还原酶(NR)是作物吸收NO3 -的关键酶，其活性强烈依赖于NO3 -浓度。相对较高的NRA意味着水稻生长良好，可以从水稻土中吸收更多的氮。
由于氮素利用效率与水稻生物量积累和氮素吸收积累有关，而不同O2条件对这两个指标的影响并不完全一致，因此不同O2条件下水稻的氮素利用效率并不明显(表5)。
表--5
参考文献
1.Belder P, Bouman B A M, Cabangon R, Lu G, Quilang E J P, Li Y H, Spiertz J H J, Tuong T P. 2004. 亚洲典型低地条件下节水灌溉对水稻产量和水分利用的影响. Agric Water Manage, 65(3): 193–210.
2.Bhat A K. 2013. 保护土壤生态系统微生物多样性:可持续生产力的关键. Int J Curr Microbiol Appl Sci, 2(8): 85–101.
3.Brady N C. 2002. 土壤的性质和特性. J Range Manage, 5(6): 333.
4.Bremner J M. 1960. 凯氏定氮法测定土壤中的氮. J Agric Sci, 55(1): 11–33.
5.Cai Z C. 2002. 硝态氮对水稻土铵态氮转化的影响. Nutr Cycl Agroecosys, 63(2): 267–274.