1、辽宁农业科学 2 0 2 3(1):1 82 2L i a o n i n gA g r i c u l t u r a lS c i e n c e s文章编号:1 0 0 2-1 7 2 8(2 0 2 3)0 1-0 0 1 8-0 5 d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-1 7 2 8.2 0 2 3.0 1.0 0 4生物炭基肥对水稻根系有机酸积累和氮代谢的影响*隋世江1,金丹丹1,战莘晔2,陈 玥1,包红静1,宫 亮1(1.辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所,辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 1;2.鞍山市气象局,辽宁 鞍山 1 1 4 0
2、0 4)摘要:以常规粳稻“盐丰4 7”为试材,采用盆栽的方式,设常规化肥(T 1)、生物炭基肥(T 2)和不施氮肥(C K)3个处理,研究不同肥料处理对水稻根系有机酸积累和氮代谢相关生理指标的影响,为辽河平原稻区优化水肥调控措施和减少养分流失提供科学指导。结果表明:与常规化肥相比,生物炭基肥对营养生长期植株根系有机酸含量具有显著影响,其中,苹果酸含量增加 了4.9 8倍,而草 酸和 酒石 酸 含量 分别 降 低了5 0.9 4%和4 7.2 3%;从氮代谢角度来看,生物炭基肥较常规化肥相比根系谷氨酰胺合成酶活性增加了1.3 8%,亚硝酸还原酶活性降低了1.1 6%,差异均达显著水平;进一步分析
3、得出,草酸、酒石酸含量与亚硝酸还原酶活性呈显著正相关,而总有机酸、苹果酸和水杨酸含量与各种氮代谢酶活性无显著的相关性。综上,生物炭基肥可促进水稻生育前期根系分泌大量的苹果酸,并可通过增强铵态氮的初级同化和再同化改善植株根系的氮代谢能力。关键词:水稻;有机酸;氮代谢;生物炭基肥中图分类号:S 1 4 5;S 5 1 1文献标识码:B 生物炭基肥作为一种新型肥料,既可增加作物产量,又可缓解养分流失、提升耕地质量12,其主要成分生物炭(农林废弃生物质在无氧或缺氧条件下经过亚高温裂解形成孔隙结构发达、比表面大的富炭物质)具有较强的吸附性,增强土壤养分固持能力,减少铵盐、硝酸盐等淋失,且硅、钙、锌等有效
4、组分可促进叶绿素和生长素合成,改善植株碳、氮代谢35。研究表明,施用生物炭基肥可提高水稻有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重,产量增幅达6.6 0%,并可提升稻田土壤基础肥力和养分供应水平6;生物炭基肥可有效增加早稻籽粒和地上部生物量,显著提高籽粒氮肥生理利用率1 1.8%7;生物炭基肥在一定程度上可优化水稻生育前期根系的形态特征、提高根系活力、延缓上流速率,并促进根系中生长素等物质的生物合成,从而增强营养物质的吸收和运移能力、保证植株旺盛的新陈代谢,最终实现养分高效利用和增产8。因此,生物炭基肥的广泛应用符合我国发展绿色可持续稻作的主题9。根系是水稻生长发育必不可少的器官,通过分泌有机酸、酶、
5、植物生长调节剂和氨基酸等化学物质调节养分的吸收和利用1 01 1。水稻根系生长状况及生理特性受肥料类型、肥料运筹等栽培措施的影响1 2。研究表明,有机肥能够促进水稻根系的生长发育,提高根系活力、酶活性及有机酸含量,从而实现增产1 3;施加生物炭有效了增加水稻的根长、总根面积和根冠比,并提高了根系伤流强度和吸收面积1 4;水稻根系生长受氮肥与生物炭的双重影响,育秧期添加5.0%生物炭可显著增加总根长、总表面积和总体积,生物炭添加量达1 0%时,秧苗根半径、根截面积、根表皮厚度、皮层腔面积及导管面积也会显著增加1 5,1 6;生物炭可有效增强稻田土壤的养分固持能力,提高可提取态元素含量及其有效性,
6、从而达到增产和改善植株氮代谢的目的3。前人针对不同类型肥料调节水稻根系生长和养分吸收利用方向开展了大量研究,但受区域气候条件、种植品种及农艺制度等因素的影响,研究结果和侧重方向存在较大差异。为此,本研究针对辽河平原稻区低温冷凉、养分利用效率偏低等生产实际问题,开展不同类型肥料对水稻根系生理生化特性的影响研究,探讨水稻根系氮代谢及有机酸积累对生物炭基肥的响应,以期为发展稻田高产高效栽培技术提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料和地点试验于2 0 2 0年41 0月在辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所试验基地开展,选择辽河平原稻作区广泛种植品种“盐丰4 7”为试材,该品种属于中晚熟粳*
7、收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 9基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(X D A 2 8 0 9 0 3 0 0)作者简介:隋世江(1 9 7 8-),男,助理研究员,研究方向为农业资源利用。E-m a i l:m y 0 7 0 81 6 3.c o m通讯作者:宫亮(1 9 8 1-),男,研究员,研究方向为农业资源利用。E-m a i l:g o n g l i a n g 1 9 0 0s i n a.c o m第1期 隋世江等:生物炭基肥对水稻根系有机酸积累和氮代谢的影响稻,全生育期1 6 0d,主茎1 51 6片叶,株型松散适中,分蘖力强。供试土壤为盐渍型水稻土,其基本理
8、化性质为:有 机 质 含 量2 8.2 3 g/k g,全 氮1.4 6g/k g,碱 解 氮0.1 2m g/k g,全磷2.4 0g/k g,有效磷1 1 5.3 3m g/k g,全钾3 8.8 6g/k g,速效钾2 2 7.5 0m g/k g,p H7.4 3。试验区气象数据由辽宁省气象局(L i a o n i n gM e t e o r o-l o g i c a lB u r e a u)提供,具有真实性和可靠性。如图1所示,移栽至取样期间日最高气温1 6.83 0.2,日最低气温1 2.52 2.7,日平均温度1 4.72 5.7,且均保持较稳定的水平;水稻营养生长期总降
9、水量为4 3.9mm,主要集中在移栽后2 0d内;移栽至取样期总日照时数为3 6 3.6h,不同阶段日照长短波动较大,其中返青期(5月2 2日至6月8日)日照时间相对充足,试验区气候条件总体能够满足水稻的生长发育。1.2 试验设计采用盆栽的方式,共设3种处理:(1)常规化肥(T 1):氮肥用量为1.7 3g/p o t(相当于大田2 6 0k g/h m2),磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)用量均为0.5 1g/p o t(相当于大田9 0k g/h m2),供试肥料N、P2O5、K2O分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾;(2)生物炭基肥(T 2):供试肥料由沈阳农业大学研制(委托沈阳隆泰生物工程有
10、限公司生产),N、P2O5、K2O质量比为2 481 0,且含1 0%生物炭(水稻秸秆经4 5 0高温无氧条件裂解制备而成,直径2mm,p H8.9),施用量为3.9 9g/p o t(相当于大田6 0 0k g/h m2),磷肥(P2O5)、钾肥(K2O)用量与T 1处理相同(使用化肥进行调节);(3)空白对照(C K):不施氮肥,正常施用磷、钾肥(施用量同T 1处理),所有肥料均作底肥一次性施入。盆栽规格为:内径2 8c m,高2 4c m,每盆装风干土1 5k g,随机排列,每盆3穴,每穴2株秧苗,每种处理1 0盆。采用大棚旱育秧,插秧苗龄为4叶1心期,单独排灌,保持浅水层。2 0 2
11、0年4月7日育苗,5月2 2日移栽,1 0月1 1日收获,田间管理及病虫害防治与当地相一致。1.3 测定项目与方法1.3.1 样品采集 在拔节期(2 0 2 0年7月9日)采集新鲜水稻根系,每种处理3次重复,清洗干净后用滤纸吸干表面水分,液氮固定后送至8 0超低温冰箱保存待测。1.3.2 可溶 性 蛋 白 含 量 及 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 采 用M o d e f i e dB r a f o r d生化试剂盒测定可溶性蛋白含量1 7;采用离体法测定硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性1 81 9,亚硝酸还原酶和谷氨酸合成酶活性使用生化试剂盒测定(购自苏州科铭生物技术有限公司)。1.3.3
12、 有机酸含量 采用酸碱滴定法测定水稻根系总有机酸含量2 0;利用高效液相色谱技术测定草酸、酒石酸、苹果酸和水杨酸含量2 12 2。1.4 数据分析使用M i c r o s o f t e x c e l 2 0 1 0进行数据整理、表格制作,采用S P S S2 1.0(C h i c a g o,U S A)软件进行方差分析、相关分析及显著性检验,运用O r i g i n8.0软件绘图。2 结果与分析2.1 生物炭基肥对水稻根系有机酸积累的影响不同类型肥料对水稻营养生长期根系有机酸分泌具有显著影响(P0.0 5),生物炭基肥处理植株根系苹果酸含量高达5 9 2.1 5g/gFW,较常规处
13、理增加4.9 8倍(图2-d);然 而,该 处 理 下 草 酸 和 酒 石 酸 的 含 量 仅 为3 3.9 5g/gFW和2 7.4 4g/gFW,较常规化肥处理分别降低了5 0.9 4%和4 7.2 3%(P0.0 5,图2-b和图2-c);两种肥料处理对植株根系总有机酸和水杨酸含量的影响未达显著水平(图2-a和图2-e)。由此可见,生物炭基肥可有效增加移栽至拔节期水稻根系中苹果酸含量,但显著抑制了草酸和酒石酸的分泌。2.2 生物炭基肥对水稻根系氮代谢关键酶活性的影响由图3可知,常规化肥处理植株根系硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶活性及可溶性蛋白含量与空白对照组未达显
14、著差异水平,即施用氮肥不能明显改善水稻生育前期根系的生理生化代谢能力;生物炭基肥处理下植株根系亚硝酸还原酶活性较常规化肥相比降低了1.1 6%(图3-b,P0.0 5),谷氨酸合成酶活性增加了1.3 8%(图3-d,P0.0 5),而硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶活性和可溶性蛋白含量较其他处理无显著变化,说明生物炭肥限制了水稻营养生长期根系中亚硝酸盐还原成铵态氮,但可通过增强铵态氮的初级同化和再同化改善植株根系氮代谢能力。图1 试验区温度、降水及日照时数F i g u r e1 T e m p e r a t u r e,p r e c i p i t a t i o na n ds u n s
15、h i n eh o u r s i nt h e t e s t f i e l d91辽 宁 农 业 科 学 2 0 2 3年 注:1.C K:不施氮,T 1:常规化肥,T 2:生物炭基肥;2.不同小写字母表示处理间差异显著(P0.0 5)图2 生物炭基肥对水稻根系有机酸含量的影响F i g u r e2 E f f e c t so fb i o c h a r-b a s e df e r t i l i z e ro no r g a n i ca c i dc o n t e n t i nt h er i c er o o t s 注:1.C K:不施氮,T 1:常规化肥,T 2
16、:生物炭基肥;2.不同小写字母表示处理间差异显著(P0.0 5)图3 生物炭基肥对水稻根系氮代谢关键酶活性的影响F i g u r e3 E f f e c t so fb i o c h a r-b a s e df e r t i l i z e ro nt h e e n z y m ea c t i v i t i e so fn i t r o g e nm e t a b o l i s mi nt h er i c er o o t s2.3 水稻根系有机酸分泌与氮代谢的关系如表1所示,水稻营养生长期根系有机酸含量与氮代谢关键酶活性、可溶性蛋白浓度具有一定的相关性,其中草酸、酒石酸含量与亚硝酸还原酶活性呈显著正相关(P0.0 5),而总有机酸、苹果酸和水杨酸含量与各种氮代谢酶活性无显著的相关性;此外,苹果酸含量与可溶性蛋白浓度呈显著负相关(P0.0 5),总有机酸、草酸、酒石酸和水杨酸含量与可溶性蛋白浓度的相关性不显著。由此可见,草酸和酒石酸的大量分泌可有效改善水稻营养生长期根系的氮代谢能力,而苹果酸分泌过多会抑制植株根系可溶性蛋白的积累。02第1期 隋世江等:生物炭基肥
