水稻是我国最大的粮食作物。随着人口的增长和经济的发展,需要不断增加粮食产量。但另一方面,随着产量的增加,需要加大水肥资源的投入,在生产上往往出现高产、水肥利用效率低的情况。如何实现高产与水肥利用效率的协同提高,这是生产上亟待解决的问题,也是国内外研究的一个热点。植物根系既是水分和养分吸收的主要器官,又是多种激素、有机酸和氨基酸合成的重要场所,其形态和生理对地上部的生长发育、产量形成、水分和养分吸收利用均有重要作用。与地上部相比,人们对水稻根系形态生理性状及其与水分养分利用的关系了解较少。本研究分析了不同水稻品种根系形态生理的差异及其与水分养分吸收利用的关系,探讨了通过调控水稻根系形态生理、提高水分养分吸收利用效率的栽培技术。主要结果如下：1.不同水分利用效率水稻品种的根系特征及其与水分利用效率的关系节水抗旱稻品种旱优8号(杂交粳稻)和非节水抗旱稻品种陵香优18(杂交粳稻)种植于大田,自移栽后10d至成熟设置常规灌溉(CI,保持水层)和重干湿交替灌溉(AWSD)2种灌溉模式。结果表明,在CI下,2个供试品种的产量、水分利用效率、根系形态生理(根系生物量与根系氧化力)均无显著性差异。而在AWSD下,旱优8号的根系分布深,根干重、根长密度、根系氧化力、根系吸收表面积与根系活跃吸收表面积、根系与叶片中Z+ZR含量、灌浆期籽粒中蔗糖合酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉合酶的活性均要显著高于陵香优18。与CI相比,AWSD降低了陵香优18的产量,但对旱优8号产量则无显著影响。在AWSD下,旱优8号产量与水分利用效率分别较陵香优18提高9.2-13.4%与9.0-13.7%。相关分析表明,根干重与地上部干物重呈极显著正相关关系,根系氧化力、根系中Z+ZR含量与剑叶净光合速率、叶片中Z+ZR含量、灌浆期籽粒中蔗糖合酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉合酶的活性也呈极显著正相关关系。说明较好的根系性能是节水抗旱稻在AWSD下获得高产与水分高效利用的重要生理基础。2.不同氮肥利用效率水稻品种的根系特征及其与氮素吸收利用的关系以粳稻品种云氮3号、连粳7号、武运粳24与甬优2640(杂交粳稻)为材料,观察同一施氮水平(200 kg hm-2)下不同水稻品种的氮素吸收利用的差异及其与根系形态生理的关系。结果表明,在4个品种中,大穗型杂交粳稻品种甬优2640获得最高的产量与氮肥利用效率,云氮3号产量与氮肥利用效率最低。整个生育期较大的10-20cm根层根系生物量、较大的根系吸收表面积与根系活跃吸收表面、较高的叶面积指数、较高的叶片中氮代谢酶活性、抽穗期根尖细胞中较多的线粒体、高尔基体等细胞器以及灌浆期较高的根系氧化力、根系与叶片中Z+ZR的含量以及剑叶净光合速率等是甬优2640获得高产与氮肥高效利用的重要生理原因。3.轻干湿交替灌溉对水稻根系与地上部生长发育的影响以3个水稻品种武运粳24号(粳稻),扬两优6号(两系杂交籼稻)与甬优2640(杂交粳稻)为材料,种植于大田。自移栽后7 d至成熟期设置2种灌溉模式：常规灌溉(CI,保持水层)和轻干湿交替灌溉(AWMD),观察这2种灌溉模式对水稻根系与地上部生长发育的影响。结果表明：与CI相比,AWMD显著提高了水稻产量与水分利用效率,3个供试品种产量分别提高了5.34%、5.85%和6.62%,水分利用效率(产量/灌溉水量)分别提高了28.9%、25.3%和27.6%。产量与水分利用效率的提高主要得益于灌浆期较高的根系氧化力、根系伤流液强度、根系与叶片中Z+ZR的含量、剑叶净光合速率、籽粒中较高的蔗糖合酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉合酶活性、较大的深层(10-20 cm)根系生物量、较高的分蘖成穗率与叶面积指数。表明全生育期轻干湿交替灌溉可以改善水稻根系和地上部植株的生理功能,进而提高产量与水分利用效率。4.施氮量与灌溉模式的交互作用对水稻产量与根系形态生理的影响以杂交粳稻甬优2640为材料,种植于大田。设置常规灌溉(CI)和轻干湿交替灌溉(AWMD)2种灌溉模式以及低氮(LN,120kghm-2).中氮(MN,240 kg hm-2)以及高氮(HN,360 kg hm-2)3种施氮水平,观察其对根系形态生理及水分和氮肥利用效率的影响。结果表明,灌溉方式与施氮量存在明显的互作效应。AWMD+MN组合的产量、水分和氮肥利用效率最高。AWMD+MN组合显著提高了整个生育期水稻根系生物量,特别是10-20cm根层根系生物量,并提高了灌浆期根系氧化力、根系总吸收表面积与根系活跃吸收表面积、根系与叶片中Z+ZR含量、剑叶净光合速率以及籽粒中蔗糖合酶与腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性。说明AWMD与MN的协同作用改善了根系与地上部生长,进而提高产量、水分和氮肥利用效率。5.改良技术栽培对水稻根系形态生理性状和水分养分利用效率的影响杂交粳稻常优5号种植于大田,设置3种栽培模式：不施用氮肥(0N)、当地高产栽培(对照)与改良技术栽培。改良技术栽培改良了3种栽培技术：1.增加栽插密度；2.优化氮肥管理；3.轻干湿交替灌溉。结果表明,与当地高产栽培相比,改良技术栽培产量增加17.6-18.5%,氮肥农学利用率提高67.0-69.6%,水分利用效率提高26.7-28.3%。改良技术栽培获取高产与水分养分高效利用的原因主要在于较大的产量库容和根系生物量、较高的分蘖成穗率、较长的绿叶面积持续期,抽穗期根尖细胞中较多的线粒体、高尔基体、淀粉体等细胞器、灌浆期较高的根系氧化力、根系吸收表面积与根系活跃吸收表面积、根系伤流液强度、根系与叶片中较高的细胞分裂素含量以及籽粒中蔗糖合酶以及腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性。6.纳米碳对水稻根系性状与氮素吸收利用的影响杂交粳稻甬优2640种植于大田。设置4个纳米碳施用量处理：C0,不施纳米碳；C1,施用纳米碳684 Lhm-2;C2,施用纳米碳1026 Lhm-2;C3,施用纳米碳1710 L hm-2,观察了不同纳米碳施用量对水稻根系形态生理与氮肥吸收利用的影响。结果表明：施用纳米碳可以显著提高水稻产量,以C2处理产量最高,但C2处理与C3处理的产量无显著差异。施用纳米碳可以有效提高整个生育期地上部干物重与根干重,提高灌浆期水稻根系氧化力、根系吸收表面积与根系活跃吸收表面积、根系与叶片中Z+ZR含量、剑叶净光合速率以及籽粒中蔗糖合酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性。表明纳米碳可以促进根系和地上部生长,每公顷施用纳米碳1026 L可以获得高产与氮肥高效利用。综上,根系形态生理与水稻产量及水分养分吸收利用有密切的关系；较深的根系分布、较大的根长密度、较高的根系细胞分裂素(Z+ZR)含量和较强的根系氧化力是水稻高产与水分或养分高效利用品种的重要根系性状；采用轻于湿交替灌溉、综合栽培管理模式或施用纳米碳等措施可以改善水稻根系性状和地上部植株的生理功能,进而提高产量和水分养分利用效率。