水稻是我国种植面积最大、灌溉用水量最多的作物,全国种植面积达3000万hm^2[1]。作为一个需氧的有机体,水稻虽然有发达的通气组织以保证根系的正常需氧活动,但半水生性特点要求其生长过程中需要大量的灌溉水,因此土壤供氧状况仍是限制水稻根系生长的关键因子^[2]。长期处于淹水状态的稻田,空气很难进入到土壤中,水稻根系及微生物的呼吸作用消耗大量氧气,导致土壤中的氧浓度极低。持续的低氧环境会引起稻田还原性有毒物质的积累,根系细胞能量代谢失衡、细胞质酸化及低氧的生理生化反应,对水稻根系形态结构、根系活力和生长发育等都会产生严重影响^[3-4]。研究发现,湿润灌溉、干湿交替、好氧栽培等水分管理能通过调控根际溶氧量促进水稻生长^[5-8],诱导水稻的生理特性及改善根系的吸收功能增强其抗旱性能,达到以不牺牲光合产物积累而大幅度提高氮素利用效率的目的^[9-10]。增加根际溶氧量还能刺激土壤氮的矿化作用,且氮素形态显著影响水稻的光合速率^[11]。随着我国氮肥用量的不断增加,水稻的氮素利用率呈不断降低趋势;灌水过多、不合理的水分管理也显著增加稻田氮素损失,因此寻找提高氮肥利用率的新途径是目前急需解决的突出问题^[12]。本文通过国内外最新文献综述了稻田水分管理对水稻根际氮素形态、氮吸收利用、光合速率及其氮环境效应的影响等方面研究进展,以期为相关研究提供参考。

1 稻田水分管理对土壤和根际氮素形态的影响

氮素是生物合成氨基酸、蛋白质及其它含氮有机物的大量营养元素,在植物的生命活动中发挥极其重要的作用。NH₄⁺和NO₃^-是水稻吸收的主要氮素形态,但仅占土壤中总氮1%左右^[13]。稻田土壤环境与旱田不同,长期淹水决定了水稻根际氧浓度受到两方面的影响:一是水稻根茎通气组织的泌氧功能;二是土壤理化性质。水稻通气组织的发育受遗传基因和环境条件的影响^[14]。水稻根系自身的泌氧作用能将根际NH₄⁺氧化成NO₃^-,但根表产生的NO₃^-可立即被水稻吸收,因而稻田采集的土样中通常较难测到NO₃^-或数量极微^[15]。Kirk等^[16]发现在淹水的土壤条件下,实际上有高达15%-40%的总氮是以NO₃^-的形式被水稻吸收利用的。土壤的理化性质,如通气状况、土壤结构、孔隙度、含水量等,能够通过影响稻田"固、液、气"三相的比例调控根际氧浓度。研究表明,湿润灌溉、间歇灌溉、施用氧肥、超微气泡水灌溉、垄作免耕等田间水分管理能显著改善土壤通气条件,提高溶解氧含量^{[5-8, 17]}。根际溶氧量与土壤氧化还原电位、pH值、微生物活性及养分形态和有效性等密切相关;根际溶氧量的增加能刺激土壤提升其硝化势,提高土壤氮的矿化作用和根呼吸作用,肥料氮素和土壤有机氮矿化释放出的NH₄⁺更易被氧化成NO₃^-,使水稻处于NH₄⁺与NO₃^-混合营养中^{[15, 18]}。这将为作物提供更多的氮源和能量,有利于水稻更完全有效地利用土壤有机氮。

增加根际溶氧量还能显著提高根际氧化还原电位及根系活力,这不仅有利于根系对营养物质的吸收,还使根际土壤磷有效性增加、还原性有害物质(Fe²⁺、Mn²⁺、H₂S等)减少,为水稻生长、氮吸收代谢提供有利的外部环境^[19-20]。干湿交替及好氧栽培模式下土壤团聚体破碎释放出的闭蓄态有机物、微生物细胞溶解及渗透调节物质的分泌等都将提高基质的有效性及碳、氮矿化率^[21];还提高了有机质有效性并能抵制微生物进入半休眠状态,这也增加微生物生物量碳、氮^[18]。碳源是微生物生长繁殖的限制因素,高量的溶解性有机碳提升了微生物生物量和酶活性,随之土壤结构得到改善,碳氮有效性将进一步提高^[22]。

2 稻田水分管理对水稻氮吸收利用的影响调控研究 2.1 稻田水分管理对水稻氮吸收的影响

稻田土壤NH₄⁺和NO₃^-含量受到根际溶氧量的影响,且两者在根际的比例处于动态变化中。水稻对NH₄⁺的吸收主要通过NH₄⁺转运蛋白进行质膜运输,吸收一个NH₄⁺同时通过H⁺-ATPcase向外界释放一个H⁺,NH₄⁺也可以通过离子通道和自由扩散进入根细胞。水稻对NO₃^-的吸收主要通过2H⁺/1NO₃^-同向转运,也可以通过离子通道运输。无机氮被水稻吸收后,需要经过一系列的同化作用才能被水稻所利用^[13]。首先,由硝酸还原酶(Nitrate reductase,NR)催化NO₃^-还原成NO₂^-,该酶是硝酸盐同化过程的关键酶,其活性受很多因素的影响,如:硝酸盐、光、碳水化合物等。研究发现,低氧环境有利于NR活性提高,为根系细胞提供更多的NO₂^-[23];但持续低氧环境影响植物对无机态氮同化,容易造成NO₂^-在根部大量累积^[24]。虽然植株同化NO₃^-消耗的能量比同化NH₄⁺多,但在缺氧胁迫下水稻根系细胞线粒体能够以NO₂^-作为最终电子受体,氧化细胞中的还原型辅酶Ⅰ(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADH)和还原型辅酶Ⅱ(Triphosphopyridine nucleotide,NADPH)合成腺苷三磷酸(Adenosine triphosphate,ATP),故而NO₃^-对于缓解水稻低氧胁迫具有重要作用^[25-26]。Botrel等^[27]进一步研究发现,缺氧下NR活性伴随着磷酸化程度的迅速改变主要是由细胞中pH值改变引起,而非ATP及腺苷一磷酸(Adenosine monophosphate,AMP)的缺乏。除NR催化NO₃^-还原成NO₂^-的过程外,亚硝酸还原酶(Nitrite reductase,NiR)催化NO₂^-还原成NH₄⁺的过程在氮同化过程也扮演着重要的角色。但与NR不同,NiR活性在低氧环境下受到抑制^[28]。其次,水稻体内必须将NH₄⁺转化为酰胺,并进一步合成氨基酸等物质才算完成无机氮到有机氮的同化过程。此过程主要通过GS/GOGAT循环实现,主要参与的酶有谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase,GS),谷氨酸合酶(Glutamate synthase,GOGAT),这些酶的活性在不同根际氧浓度下有着不同的反映。有研究指出,增氧处理可增加水培条件下水稻根系NO₃^-、游离氨基酸和可溶性糖含量,且GS、谷草转氨酶(Aspartate transaminase,GOT)和谷丙转氨酶(Alanine aminotransferase,GPT)活性均增强^[29]。朱练峰等^[7]也得出相似的结论,研究发现增氧灌溉下水稻叶片叶绿素及可溶性蛋白含量明显上升。赵峰等^[30]发现富氧环境虽然显著增强了NR活性,但降低了水稻叶片叶绿素的含量及GS活性,不利于水稻氮素及干物质的积累。目前,不同根际氧浓度下水稻对氮转运机制的变化尚不十分的清晰,有关富氧环境对稻田土壤氮素吸收的影响仍少有报道。

虽然稻田水分含量影响氮素的溶解,干湿交替及好氧栽培等却能通过降低土壤氮素挥发,调控氮素在各器官间的转移,使稻穗中的氮积累量所占比例增加,提高氮收获指数和肥料氮素利用率,且增硝营养下氮同化能力的提高使水稻获得更大的生物量和籽粒产量^[31-32]。孙永健等^[33]发现,干湿交替灌溉对水稻各生育期氮代谢关键酶活性、氮素利用特征及产量存在显著或极显著的相关性,显著提高氮素干物质生产效率及稻谷生产效率。Trought等^[34]发现,低氧下NO₃^-的存在能够降低低氧环境对植物的损害,且适当增加NO₃^-的比例能够增加作物产量和氮素利用率^[35]。然而,Tan等发现与连续灌溉相比,稻田进行干湿交替处理虽然能够明显降低氮肥的渗透,但增加了氮肥淋失损失量,降低肥料氮素利用率^[36]。这可能与土壤类型、施氮水平及环境等因素有关。这些成果为今后完善水稻栽培中水-氮-氧的平衡,以及因地制宜开发新型水氮集成管理模式提供了重要的实践依据。在氧气充足的条件下,如半干旱地区,施肥时添加适量的沸石分子筛以及在干湿交替下使用包衣尿素能有效提高水稻氮肥利用率^[37]。刘艳丽等^[38]发现,干湿交替过程中土壤无机氮的含量与土壤微生物量及施肥方式也密切相关。因此,增加根际溶氧量能否保障土壤供氮的有效性及持续性仍需实践的考证。

此外,稻田水分管理影响土壤氮素存在形态,且水稻不同生长期对不同形态氮的吸收也不同。研究发现,水稻在营养生长期以吸收NH₄⁺为主,生殖生长期对NO₃^-的吸收增加^[39]。Lon等^[40]发现,水稻在生殖生长期转移至稻穗中的氮素形态以NH₄⁺为主。因此,明确水稻各生育期对不同形态氮素的选择性吸收及其氮营养贡献,对于优化水稻供氮营养,根据水稻氮营养同步需求开发新型氮肥和水氮集成管理技术都具有十分重要作用。

2.2 稻田水分管理对水稻氮吸收的调控机制研究

根际是植物、土壤和微生物相互作用的特殊区域,是植物、土壤、微生物进行物质和能量交换及信息传递的门户。根际缺氧或无氧环境下水稻根系细胞迅速从有氧呼吸切换为以乙醇发酵途径为主的无氧呼吸,ATP合成量仅为正常时3%-5%,能量严重亏缺,不利于水稻对氮的吸收^[41]。短期缺氧胁迫时,水稻根系能通过增加通气组织功能提高氧气向根尖的转运效率,减少吸收营养物质的根表面积,但提高着生在主根上的侧根数目以增加对营养物质的吸收^[42]。通过调控水分管理增加根际溶氧量可显著提高稻田氧化还原电位和硝态氮含量,这两个因素都会影响水稻的根系形态建成和氮素吸收^[43]。增加根际溶氧量对水稻氮吸收代谢有显著的促进作用,这可能是由于随着根际溶氧量增加,根系呼吸作用加强,为氮吸收提供更多的能量;也可能受增氧条件下根系形态变化的影响,主要表现为最长根增长、孔隙度减小、侧根和不定根数减少、外皮层厚壁组织细胞疏松,根系活力增强^{[6, 44]}。杨菲等^[45]发现干湿交替能明显提高根际氧浓度,增加水稻根系生物量、根毛数、根系表面积,并促进水稻4级次生侧根的发生。Jackson等^[46]发现增氧可显著提高水稻根长及其生物量,且能显著增加深层根的比例,说明增加根际氧浓度可促进根系向下层生长,提高土壤中水分和养分的有效性。富氧环境可提高水稻总根长和下层根系所占的干物质比例,且提高了根系自根基到根尖10-20cm、＞20cm部分所占的生物量比例^[47]。但根际氧浓度并非越高越好,水稻对根际溶氧量需求存在一定的阙值。研究发现水分含量达到田间持水量的70%-75%时,最有利于水稻根系生长,在此基础上增加或降低根际溶氧量,水稻的产量及相关氮代谢均会受到显著影响^[48]。总之,根系形态结构的改变必将导致水稻对土壤氮素吸收利用能力的改变,根系生物量大、直径大、空隙高度及不定根数量高的水稻品种在氮素吸收及产量上均有明显的优势,这将为今后选育理想根系品种提供重要参考。

NH₄⁺和NO₃^-在氮吸收利用途径、对水稻生长发育等方面影响不同,但两种形态氮共同影响水稻的氮吸收代谢过程^[49]。NH₄⁺能够刺激根系通气组织的形成,NO₃^-能够刺激侧根的生长、增加最长根长^[49-50]。水稻作为喜铵作物,在缺氧的情况下更易于吸收NO₃^-,其原因是NO₃^-作为电子受体参与了线粒体的氧化磷酸化,为缺氧环境下根系功能的正常发挥提供能量物质^[51]。此外,养分离子间的相互作用也可能是增加根际溶氧量促进水稻氮吸收代谢的原因之一。与单一氮源相比,增氧条件下根际铵硝混合营养对水稻生长更具优势,可提高氮素积累和细胞分裂素含量^[52-53]。根际NO₃^-含量的增加能促进NH₄⁺的吸收,并提高GS和NR活性^[54-55],使吸收的NH₄⁺被水稻快速同化利用,增加水稻对氮素的吸收及向地上部的运输。Kronzucker等^[51]发现,NO₃^-的存在能增强NH₄⁺的细胞质膜运输、细胞质积累及代谢;而NO₃^-的质膜运输、细胞质积累及代谢受到NH₄⁺的明显抑制。增氧作用还能缓解水稻生长后期叶片叶绿素含量下降,提高剑叶超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和过氧化物酶(Peroxidase,POD)含量,降低丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量^[7],且能有效延缓叶片衰老,使齐穗后叶片光合作用对穗部干物质积累贡献增大,提高弱势粒灌浆度和结实率^{[5, 56]},这些也有利于水稻氮积累提高。总之,水稻在根系生长发育、氮代谢过程中存在根际溶氧量和氮形态的互作效应。因此,加强根际低氧、常规和高氧环境下不同氮素营养对水稻生物量、根系特征和氮积累的影响研究,将为不同根际氧环境下水稻高产栽培和氮肥运筹提供理论参考。

2.3 稻田水分管理对水稻光合速率的调控研究

已经证明作物产量与以下3个因素有关:1) 光能吸收率;2) 光能利用率;3) 收获指数。通过多年的高产育种和养分资源管理研究,水稻的收获指数、作物种植密度和栽培方式已趋于最佳化,因此很难再通过提高收获指数及光能吸收率来增加作物产量。Ainsworth 和 Long 通过FACE(Free-air CO₂Enrichment)模拟大气CO₂ 升高,发现提高光合速率能显著增加作物产量^[57],且在水分胁迫下增产更为显著^[58]。高氮条件下作物的氮素利用率和光合氮素利用率(叶片光合速率/氮含量)呈现同时降低的趋势^[59],且提高水稻关键生育期叶片光合氮素利用率将有助于提高作物的氮素利用率和产量^[60]。稻田水分含量显著影响土壤及根际的氮素存在形态,且氮水平、氮形态也能通过影响叶片氮素含量、CO₂ 传输能力、Rubisco酶(1,5-二磷酸核酮糖梭化酶/氧化酶)对CO₂的亲和能力、光呼吸过程等影响植物的光合速率。氮素是形成叶绿素和Rubisco酶的重要组成部分^[61]。Rubisco酶及叶绿素含量均与叶片氮素具有良好的相关性^[62],提高叶片氮素含量将显著增加光合速率^[61]。叶片氮素含量增加还能提高叶片气孔导度和叶肉导度,增加CO₂ 传输能力^[63]。但当氮肥供应过量时,叶片变厚,叶绿体变大,CO₂ 传输能力的增加不能与Rubisco酶增加保持同步,造成Rubisco酶活性降低是水稻光合氮素利用率降低的主要原因^[64]。氮素形态也影响Rubisco酶对CO₂ 的亲和能力及光合速率,研究发现供铵营养叶片的光合速率比供硝营养叶片高^[11]。Guo等^[11]通过测定CO₂ 补偿点(Г^*)发现,单一供应NH₄⁺时Rubisco酶对CO₂ 的亲和能力较NO₃^-高。水稻叶面积较小、叶片比面重较大、叶片氮素和Rubisco酶含量较高、叶绿体体积较大等特征都会导致供NH₄⁺营养叶片光合速率比供NO₃^-营养高^[65-68]。此外,NO₃^-在同化过程中所消耗的能量要高于NH₄⁺,这也会造成铵硝营养之间光合速率的差异^[69]。

缺氮影响叶片叶绿素的合成及氮素含量;水分亏缺影响氮素的溶解,并通过调控Rubisco酶对CO₂的亲和能力影响叶片的光合速率^[70]。研究表明水分胁迫能通过诱导气孔关闭防止叶片水分的过度散失,但阻止了外界CO₂ 向叶绿体的传输^[71]。丁雷等^[72]发现,叶片水势的降低增加了叶片内CO₂传输的阻力,且气孔关闭导致的叶绿体内CO₂浓度降低是限制光合作用的最主要因素。与NO₃^-相比,干旱地区及温室模拟水分胁迫试验发现供NH₄⁺营养水稻表现出较好的生长状况和较高的光合速率及羧化效率^[68]。与非水分胁迫相比,供NH₄⁺营养水稻叶片能保持较高的羧化效率(CE)、气孔导度( G_s)、细胞间隙CO₂ 浓度(C_i)及叶绿素a、叶绿素b含量,这些指标都与水稻光合速率紧密相关,可能在一定程度上解释NH₄⁺提高水稻抗旱性能的机理^[73]。李勇研究发现,供NH₄⁺营养水稻根系水通道蛋白OsPIPIS基因表达量高于供NO₃^-营养,且前者水通道蛋白运输CO₂ 的能力强于后者^[74]。目前,人们对NH₄⁺提高水稻抗旱性能以及水氮互作提高水稻氮素利用率的光合生理调控机制仍不十分清楚。虽然氮肥的施用能够显著提高作物产量,但是作物产量并不能与肥料施用量保持同步增长。因此,通过分析光合作用和光合氮素利用率的限制因素、以及氮素形态如何影响水分胁迫对水稻光合作用的抑制作用,探索和研究提高光合作用和光合氮素利用率的有效途径,将为提高高氮营养下的水稻单产及节水栽培提供更多的理论支持。

3 稻田水分管理对氮素环境效应的影响

氮素利用率是决定氮肥增产效果的主要因素,受氮肥用量、施肥方法、水分管理等因素影响。长期淹水种植使稻田氮矿化速率极慢,还田秸秆等有机质分解不充分,导致土壤积累大量的酚醛木质素化合物,降低氮素有效性^[75],这将阻碍水稻对土壤背景氮的吸收但对肥料氮吸收没有影响,加重水稻生产对肥料的依赖。以南太湖流域淹灌稻田为例,淹灌稻田中氮挥发、径流、淋失等途径是造成氮肥利用率低的主要原因,三者氮损失量分别占施氮量的20%-40%、1.4%-6.3%及1.0%-1.9%^[76]。稻田氮素损失受温度、水分、氮源、pH 值、C/N、氧化还原电位等诸多因素影响,其中土壤持水量能够很好的反映土壤溶解氧的状况,因而通过调控稻田水分含量将影响稻田氮素损失。在稻田生态系统中,CH₄ 是造成全球温室效应的主要气体。Liesack等^[77]指出,稻田产生的CH₄大约有高达36%-80%在根际微氧区域被甲烷氧化细菌消耗,因此根际生物氧化在控制稻田温室气体排放过程中具有非常重要的作用^[78]。甲烷氧化菌是一种严格的好氧菌,而产生CH₄、N₂O等温室气体的甲烷细菌、反硝化细菌大部分都属于厌氧菌^[79]。稻田持续淹水导致土壤缺氧,抑制甲烷氧化菌的活性。当频繁干湿交替及增加根际溶氧量后土壤的氧化还原电位增加,土壤微生物群落结构发生变化,甲烷氧化菌等好氧微生物活性显著增加,可抑制温室气体的产生。李香兰等^[80]发现,稻田持续淹水处理CH₄排放量是烤田处理的12-20倍。因此通过适宜的水分管理改善根系氮素、溶氧量状况,可能会降低甲烷细菌、反硝化细菌等厌氧微生物的数量和活性,减少CH₄、N₂O等温室气体的生成。

值得注意的是根际溶氧量增加造成的土壤中NO₃^-含量增加,也为反硝化作用提供大量的底物,目前我们对其是否易导致氮淋失和N₂O、CH₄ 等温室气体的排放增加还不清楚。相对于高溶氧量,Guo等^[81]研究发现,淤泥中的低溶氧量更有利于硝化作用和反硝化作用的发生,且淤泥中氮的损失量更大。Reddy 等通过有氧-厌氧交替循环试验发现,提高交替频率能够使土壤的氧化还原电位降低到足够水平以诱导土壤中的反硝化作用,反而增大了氮素的损失^[82]。由于稻田生态系统及水稻对氮素吸收具有一定的特殊性,增加土壤溶氧量是否会引起更多氮素流失仍需我们展开相关研究。

4 问题与展望

当前我国水稻氮素生产力偏低,通过合理的水氮互作改善土壤理化性状及养分有效性,提高水稻产量和氮素利用效率,将是解决这一问题的有效途径。人们已知道水稻不同生育期对不同形态氮素的需求、吸收能力不同^[39-40],且增加根际溶氧量显著影响土壤中NH₄⁺和NO₃^-的存在形态及比例,后者对水稻的生理代谢作用已引起人们的普遍重视。然而在实际的水稻生产过程中,人们却往往忽视了不同形态氮肥的合理配施,导致氮肥施用与水稻需求不能保持同步,大量"无效态"氮肥的施入及其损失造成巨大的资源浪费。

氮素生理利用率与光合作用紧密相关,水稻氮肥利用率的降低必然与植物光合氮素利用率的降低有关。张云桥等^[83]发现,高氮效水稻品种的叶绿素含量较低,但光合速率下降却不明显;且氮高效水稻基因型在各生育期均具有理想的株型、叶面积指数、光合势和群体生长速率来协调其氮素高效吸收利用^[84]。当前有关水稻光合同化物的形成与利用、氮素在体内运输和转运、籽粒充实等对于根际氧浓度的响应,以及相关吸收和转运蛋白的表达调控机制等方面报道较少。因此,加强这些方面的研究能够更好完善水稻氧营养代谢机制,将为高氮效水稻品种选育提供更好的参考价值。

基于以上的分析,可以认为稻田生态系统中水稻氮素利用需要从以下几方面进行深入研究:

(1) 合理的水分管理能促进水稻氮素吸收,提高氮素利用率。因此,通过控制稻田水氮互作协调土壤水-肥-气的平衡,根据影响氮肥利用率和光合作用的限制因素探索和开发新型水氮集成管理技术,将有利于构建理想水稻根系、健康稻田环境,提高水稻产量和氮素利用效率。

(2) 氮水平、氮形态能通过调控叶片光合速率影响水稻的生长发育及氮素利用率。加强水氮互作对水稻不同生育期光合速率的影响研究,明确光合氮素利用率与根际氮形态特征及溶氧量的响应关系,这将为我们全面阐述水氮互作提高水稻氮肥利用率的光合生理本质奠定基础。

(3) 当前根际氧调控根系吸收特性的相关研究较少,进一步揭示不同根际氧浓度下水稻根系功能与养分利用间的内在联系是根际氧研究的发展趋势。水稻根系及植株的衰老主要受激素调控,明确根际氧与激素在延缓衰老中的互作机制,进而阐述溶氧量调控根系生长发育和生理功能的机理,提高根系机能并带动外界营养的高利用率以及光合产物的转运效率,对于水稻后期产量潜能的发挥和超高产栽培都具有重要科学意义。