劉磊 許京菊 張耗

（揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/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提高單位面積水稻產(chǎn)量已經(jīng)過時[1]。過量施肥會造成資源的不必要浪費，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制成為熱點。水稻吸收利用的氮素主要是從土體內(nèi)部通過根系進(jìn)入植株地上部，從根際環(huán)境的角度探究這一過程，對根-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，對我國水稻根際土壤、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，一般來說存在于根-土界面幾毫米以內(nèi)的地方。由于根毛和根分泌物的作用，以及較強的微生物活動，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)擴展到了所有直接受根系影響的整個土體。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?？傮w來說，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)分的測定，土壤有效養(yǎng)分也有“實際”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，需通過遷移等過程到達(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，微生物本身活動可以影響小部分生化反應(yīng)，其他反應(yīng)都是在各種相對應(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，是合成多種生長激素、有機酸和氨基酸等的場所。

根數(shù)、總根長、根冠比、根表面積、根體積、根分枝長度以及數(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：分蘗期至抽穗期迅速增長，達(dá)到發(fā)育峰值，至成熟期增長變慢或下降[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、運輸營養(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代謝產(chǎn)物（糖類、氨基酸、有機酸）和次級代謝產(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)信號分類中，第一類是根系分泌物中各種有機酸種類及含量[9]；第二類是在根系合成的激素等物質(zhì)。生長素合成和極性運輸調(diào)節(jié)了作物主根的伸長和側(cè)根的生長發(fā)育。水稻植株體內(nèi)主要可轉(zhuǎn)運的細(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)胞器對營養(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]。微生物對作物生長的影響主要包括改善作物營養(yǎng)狀況和增強作物抗性兩個方面[14]。由于作物吸收利用土壤中的有機物質(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，它們對土壤中有機物的分解以及生態(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)境對微生物產(chǎn)生影響，根際效應(yīng)就通過這種途徑得以表達(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氣，大氣中的氮氣無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源。N經(jīng)截獲、質(zhì)流（水勢梯度）和擴散（濃度梯度）等途徑最終到達(dá)作物根際，開始了細(xì)胞間的短距離運輸[16]。闡明水稻氮素吸收、轉(zhuǎn)化與利用的機理，對于實現(xiàn)氮素高效吸收利用尤為重要。

2.1 水稻對于氮素的吸收過程

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)下是被強烈抑制的，基于這個原理，銨態(tài)氮就成為了稻田土壤中主要的無機氮形式，所以研究者一般稱水稻是喜銨作物，其根系對土壤溶液中的NH4+吸收分為高親和力轉(zhuǎn)運系統(tǒng)（HATS）和低親和力轉(zhuǎn)運系統(tǒng)（LATS）兩個主動吸收過程，HATS運轉(zhuǎn)的條件是外界NH4+濃度低于1 mmol/L，而濃度大于1 mmol/L時，LATS才會發(fā)揮作用[18]。硝態(tài)氮的吸收也以主動吸收為主，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個吸氮高峰，后者則有2個吸收高峰?？傮w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養(yǎng)[20]。

2.2 水稻氮素的轉(zhuǎn)化與利用過程

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)過多種復(fù)雜過程，主要包括有機態(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態(tài)氮轉(zhuǎn)換成無機態(tài)氮（NH4+-N和NO3--N）的過程，前者不能被直接吸收利用，而后者可以。這一過程主要分為兩個階段：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）逐級分解形成簡單的氨基化合物；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，硝化作用也會隨著土壤pH的升高呈線性增長。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)氮的過程可以通過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%以上是以有機氮的形式存在，無機態(tài)氮僅占1%～2%[26]。土壤容重反映土壤的緊實情況，只有在合適的范圍內(nèi)作物才可以正常生長發(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，從而調(diào)節(jié)水稻的根際環(huán)境，并進(jìn)一步利于水稻生長發(fā)育和對氮素吸收利用。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)聚體中的有機氮、有機碳經(jīng)過分解，會暴露在空氣中，加速礦化過程，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，長期實行N、P、K平衡施肥及與有機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)聚體中有機碳的積累[27]。李菊梅等[28]通過通氣培養(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，水稻氮素吸收能力就強，硝化作用弱，水稻氮素吸收能力就相對較差[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養(yǎng)的決定性因素，且不同生育時期粗分枝根的形態(tài)對氮利用效率影響較大。根系發(fā)達(dá)，且具有較強的發(fā)根力，較長的根長，較高的根密度、根系活力，較大的根系吸收表面積以及對NH4+較強的親和力[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，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)育對低氮響應(yīng)更積極。根系分泌物中有機酸總量、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，根系分泌有機酸量增加。TAKEI等[36]研究表明，氮素營養(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3種灌溉方式的防雨棚土培試驗，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，土壤中大量有機態(tài)氮只有通過微生物的礦化轉(zhuǎn)化為無機態(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)動氮固定、硝化和反硝化等多個復(fù)雜過程，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，對于土壤磷鉀養(yǎng)分的活化或者固氮、改善作物營養(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。在對不同秈、粳稻品種根際微生物組研究過程中，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，對這些微生物群落進(jìn)行功能預(yù)測后發(fā)現(xiàn)，參與氮代謝的通路（氨化信號通路和氮呼吸信號通路）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有機氮的利用，促進(jìn)其生長[43]。今后可通過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)未來肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向，也是中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

4 存在問題與研究展望

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，根際過程是土壤過程與作物過程發(fā)生關(guān)系的橋梁。目前，對于水稻根際環(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制；2）在復(fù)雜的稻田環(huán)境下加強氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵微生物過程與機理的研究，并與相關(guān)減排過程關(guān)聯(lián)起來；3）研究栽培調(diào)控措施對根際過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)。