氮素形態對飼料桑樹幼苗生長和光合特性的影響

許 楠，張會慧，朱文旭，李 鑫，岳冰冰，金微微，王良再，孫廣玉

(東北林業大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

桑樹(Morusalba)是我國栽培最早而且用途最廣的栽培植物，依據桑樹的用途可分為蠶桑、食用桑、果桑、飼料桑和綠化桑等。桑樹葉片營養豐富，蛋白質含量與苜蓿(Medicagosativa)相仿， 比禾本科牧草高80%～100%，比豆科牧草高40%～50%[1]，桑樹葉片富含多種氨基酸且比例適宜，其中谷氨酸的含量最高。因此，桑葉是一種優良的蛋白質資源，配合桑葉飼料可提高飼料的營養價值[2]。隨著我國南桑北移策略的發展，東北地區桑樹的種植面積逐年擴大，尤其是桑樹具有耐鹽堿和干旱的特點[3-5]，在松嫩平原鹽堿土區以畜牧業為主的草原地區桑樹種植面積較大，種植桑樹的主要目的是恢復退化的草地植被，增加草地的總產量。但是，在黑龍江省西北部的鹽堿和干旱地區種植桑樹，由于春季低溫少雨，加之桑樹自身的生長特點，在7月份之前生長緩慢。為了促進桑樹生長前期的生長速率，增加桑樹的生物產量，適當增加肥料是最為有效的方法。在前期研究中，氮、磷、鉀肥可促進桑樹生長，其中最有效的是氮肥，適當增加氮肥可明顯促進桑樹生長[6]，并確定了飼料桑樹氮肥施用量。植物吸收和利用氮素形態不同，主要是銨態氮和硝態氮[7]。不同植物氮源的選擇性吸收不同，直接影響植物生長和代謝，前人對銨態氮與硝態氮的吸收量、吸收速率、吸收比例進行了大量研究，涉及水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)等農作物和白菜(Brassicarapassp.pekinensis)、生菜(Lactucasativa)、菠菜(Spinaciaoleracea)等蔬菜作物[8-10]。一般情況下，單獨供應銨態氮營養時，植物葉面積較小，葉片比面重增加，葉片氮素含量和Rubisco酶含量較高，而且單獨供應銨態氮營養的葉片光合速率比單獨供應硝態氮營養的葉片高[11]。但是，有關氮素形態對飼料桑樹生長和光合特性的影響鮮見報道。為此，本研究以飼料桑樹品種為材料，探索銨態氮和硝態氮的配比對桑樹幼苗生長和光合特性的影響，以期獲得桑樹幼苗生長期間不同形態氮素的最佳配比，為飼料桑樹的栽培提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1材料與試驗設計 試驗材料為飼料桑樹品種青龍桑。種子由黑龍江省蠶業研究所提供。

試驗采用水培法，于2011年6-8月在東北林業大學植物生理實驗室內進行。2011年6月下旬播種，選擇成熟飽滿、大小一致、顏色呈橙黃色的桑樹種子，用3.0%的NaCl溶液進行表面消毒20 min，后用無菌水洗凈，在滅菌的飽和CaSO4溶液中浸泡6 h后，置于37 ℃恒溫箱中催芽。種子露白后，將種子播種至培養基中，并進行育苗，培養苗木的基質為混勻的草炭土與蛭石，二者的比例為1∶1(V/V)，并經過高溫滅菌。桑樹種苗培養在溫度25 ℃/23 ℃(光/暗)、光照強度400 μmol·m-2·s-1、光周期12 h/12 h(光/暗)、相對濕度75%左右的人工氣候箱中，定期換水并監測pH值和溫度變化，培養25 d左右，待種子萌發的主胚根長到3 cm左右時，挑選生長較為一致的幼苗從培養基質中取出，小心洗凈根系表面的培養基質，然后移入直徑25 cm、高30 cm、體積為10 L的水培箱中培養，培養液為Hoagland營養液。為防止根系見光，水培箱用黑色避光紙包裹，用電動氣泵連續通氣，每3 d更換一次培養液。培養條件：光周期為12 h/12 h(光/暗)，光照強度為400 μmol·m-2·s-1，溫度為(25±2)℃，空氣相對濕度為70%±5%。pH值6.5±0.1，EC值1.1～1.3。待培養1周，幼苗萌發出白色新生根系后開始進行氮肥處理，按照前期研究結果[6]，以150 kg·hm-2純氮的施氮量為基礎，折合營養液中的總氮濃度為5.0 mmol·L-1，營養液采用Hoagland和Arnon營養液并稍加修改，設置5個不同的銨硝比(NH4+-N∶NO3--N，摩爾濃度比)處理，分別為0∶100、25∶75、50∶50、75∶25和100∶0。為了維持NH4+-N和NO3--N濃度及離子平衡，每天用0.1 mmol·L-1的KOH或HCl調節pH值6.5±0.1，每周更換營養液一次。微量元素配方和Hoagland營養液一致，其組成見表1。每個處理5株幼苗，3次重復。待幼苗在不同氮素營養液中培養2周后開始進行生長參數和光合參數的測定。

表1 相同施肥量(150 kg·hm-2純氮)下銨態氮和硝態氮比例的營養液組成Table 1 Nutrition compositions of hydroponics solutions with different percentage of ammonium and nitrate nitrogen

1.2測定項目和方法

1.2.1生長參數測定 選擇各處理中生長相對一致的桑樹測量單株葉片數，并測量其桑樹主干的高度以及與地面接觸處直徑，分別記為株高和地徑，測量桑樹幼苗主干上從上往下數第2～3片完全展開葉的葉片長度和寬度，并計算其葉面積。每個處理各收獲長勢均勻一致的3株待測植株，分別將根系和地上部105 ℃殺青30 min、60 ℃烘干至質量恒定后稱其干質量，即得到地下生物量和地上生物量，并計算總生物量(地下生物量和地上生物量之和)、根冠比(地下生物量/地上生物量)。

1.2.2光合參數的測定 選擇長勢相對一致的桑樹幼苗主干上的倒數第2～3片完全展開葉，利用CIRAS-1便攜式光合作用測定系統(PPsystem公司，英國)于09：00開始測定桑樹葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，測定時利用CIRAS-1自配光源和CO2鋼瓶，設置光強為800 μmol·m-2·s-1，固定系統內CO2濃度為400 μL·L-1。每處理測定重復3次，每一葉片的測定部位選擇在葉片的第3、4葉脈之間，距離主葉脈1 cm左右處。

1.3數據處理和統計方法 文中所有數據運用Excel和DPS軟件進行統計和分析，圖表中的數據為3次重復的平均值±標準誤(SE)，利用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理之間的差異。

2 結果與分析

2.1不同氮素形態配比對桑樹生長的影響 不同NH4+-N∶NO3--N比例對桑樹幼苗的生長影響不同(圖1)。隨著NH4+-N的減少，NO3--N的增加，桑樹單株葉片數、株高和根系長度均增加，其中NH4+-N∶NO3--N為50∶50和25∶75時，桑樹的株高、單株葉片數、根長等均顯著高于100∶0和75∶25(P<0.05)，單一銨態氮和硝態氮源反而降低了桑樹幼苗的各生長指標，其單株葉片數、株高、根長和葉面積分別低于NH4+-N∶NO3--N為50∶50時。說明桑樹幼苗偏好硝態氮源，但適量添加銨態氮比例對桑樹生長起促進作用。

2.2不同氮素形態配比對桑樹生物量的影響 在NH4+-N∶NO3--N為50∶50和25∶75時，桑樹幼苗葉片鮮質量和干質量均高于其他處理，并達到顯著差異水平(P<0.05)(圖2)。從根系和莖的鮮質量、干質量表現來看，NH4+-N∶NO3--N為50∶50時比其他氮素處理均高，并達到顯著差異水平。在單一NH4+-N或NO3--N情況下，葉片、根系和莖的生物量均低于NH4+-N和NO3--N配比處理。從NH4+-N和NO3--N比例來看，NH4+-N∶NO3--N為50∶50和25∶75時的桑樹葉片生物量高于其他比例，NH4+-N∶NO3--N為50∶50時的桑樹根系和莖生物量高于其他處理。

桑樹幼苗在NH4+-N∶NO3--N為50∶50時地上生物量與地下生物量分別達到最高(2.85和0.993 g·株-1)，總生物量由高到低依次為50∶50、25∶75、75∶25、0 ∶100、100∶0(表2)。青龍桑幼苗根冠比在NH4+-N∶NO3--N為100∶0處理時最大，在75∶25和0∶100處理下與100∶0時差異不顯著(P>0.05)，在50∶50時最小，分別比前兩者降低了27.3%與24.9%。地徑在NH4+-N∶NO3--N為25∶75時最大，約為100∶0和0∶100處理的2倍，且差異顯著(P<0.05)。

圖1 氮素形態配比對桑樹的株高、根長、單株葉片數和葉面積的影響Fig.1 Effects of different N sources on the plant height, root length, leaf number and leaf area of mulberry seedlings

圖2 氮素形態配比對桑樹的葉片、莖和根系的干質量和鮮質量的影響Fig.2 Effects of different N sources on the fresh and dry of leaf, stem and root of mulberry seedlings

表2 不同氮素形態配比對桑樹生物量的影響Table 2 Effects of different N sources on the fresh and dry leaf, stem and root biomass of mulberry seedlings

2.3不同氮素形態配比對桑樹幼苗光合參數的影響 光合作用是植物生長的基礎，在不同NH4+-N∶NO3--N條件下，以25∶75時的桑樹幼苗葉片Pn分別比100∶0、75∶25、50∶50和0∶100處理高204.5%、36.7%、21.8%和91.4%，而且Gs、WUE和Tr也比其他處理高。在只有銨態氮或硝態氮的情況下，Pn、Tr和WUE均比銨態氮和硝態氮配比處理的低，但是銨態氮和硝態氮處理相比較，硝態氮處理的光合參數高于銨態氮(表3)。

表3 不同氮素形態配比對桑樹葉片光合指標的影響Table 3 Effects of different N sources on photosynthetic characteristics of mulberry seedlings

為了進一步分析桑樹葉片Pn對氮素形態的響應，測定了Pn與光強(Pn-PAR)響應曲線(圖3)，并以光合擬合方程來擬合不同氮素形態條件下的Pn-PAR曲線，通過擬合方程可以計算出表觀光合量子效率(Apparent QuantumYield,AQY)、光飽和點(LSP)、光補償點(LCP)和暗呼吸速率(Rd)(表4)。銨態氮和硝態氮配比為25∶75時的AQY均高于其他處理，而在單施銨態氮或硝態氮的情況下，AQY值明顯比銨態氮和硝態氮配比處理的低。同時，銨態氮和硝態氮配比處理的LCP明顯低于單施銨態氮和硝態氮處理，不同氮素形態及其配比處理的Rd沒有顯著變化(表4)。以上說明合理的銨態氮和硝態氮配比可明顯提高桑樹對光能的利用能力。

圖3 不同氮素形態配比處理的凈光合速率和光強的響應曲線Fig.3 Effects of NH4+-N∶NO3--N on Pn-PAR curve of mulberry seedlings

表4 不同氮素形態配比對桑樹葉片光合指標的影響Table 4 Effects of different N sources on photosynthetic characteristics of mulberry seedlings

3 討論

桑樹主要分布在東北地區的山區半山區地帶[12]，將其納入栽培作物進行管理只有30多年的歷史，主要作為養蠶的飼料，少部分桑樹作為果桑和綠化樹種。桑樹營養價值和紫花苜蓿相似，且其產量高于紫花苜蓿，因此，桑樹作為飼料在黑龍江省得到了迅速發展，主要分布在黑龍江省西北部干旱半干旱的鹽堿地區，但栽培管理比較粗放。在春季桑樹生長較慢的時期，人們利用氮肥來促進桑樹的生長，但是，人們對飼料桑樹氮肥用量、施用時期、氮肥種類及其配比卻了解甚少，只是認為增施氮肥可促進桑樹生長，導致桑樹的氮肥管理非常粗放。在前期研究中，確定了桑樹氮肥的施肥量為150 kg·hm-2[6]，在此基礎上，本試驗進一步研究氮素的形態對桑樹生長和光合特性的影響。結果表明，單一銨態氮源和單一硝態氮源桑樹生長指標和生物量均低于銨態氮和硝態氮配合施用。從桑樹生長的形態上看，單一銨態氮為氮源，即全銨營養條件下，桑樹幼苗生長較為緩慢，株型矮小、葉片小，根系發黑，根短而細，而且葉面積、生物量和凈光合速率均顯著低于其他處理，說明純銨營養明顯減緩了桑樹的生長，這一結果同在挪威云杉(Piceaabics)和歐洲赤松(Pinussylvestris)的研究結果相似[13]。Raab和Terry[14]對甜菜(Betavulgaris)研究發現，全銨營養情況下，地上部分受抑制的程度大于根系，并在蓖麻(Ricinuscommunis)、大麥(Triticumaestivum)和黃瓜(Cucumissativus)獲得相同的結果，而且銨態氮主要降低部分葉片的生長，尤其是降低葉片的擴展，但不會影響到葉芽的生長。

當銨態氮和硝態氮配合施用時，尤其是試驗中濃度配比為50∶50和25∶75時，桑樹幼苗株型舒展，葉色濃綠，根系呈現白色，根長而粗，葉面積、生物量和凈光合速率等均高于其他處理，說明以硝態氮為主的前提下，施適量的銨態氮對桑樹生長有促進作用。這一結果同白菜和棉花(Gossypiumsp.)上的結果相似[15]。在全硝營養條件下，桑樹葉片質薄且水潤，葉片對氮素營養會產生生物稀釋作用，葉片水分含量較高，容易發生傾倒現象，這與植物的硝態氮代謝密切相關，植物對硝態氮的吸收利用較銨態氮需更多的光合能量[16]。本研究中，銨態氮和硝態氮混合營養與單一氮素營養相比較，適當的NH4+-N∶NO3--N比例能夠有效地提高桑樹幼苗葉片凈光合速率，促進桑樹生長。NH4+-N和NO3--N比例為25∶75時，桑樹葉片凈光合速率和氣孔導度最大，這與夏枯草(Spicaprunellae)獲得的結果相似[17]。氮素是植物必需的營養元素，而植物吸收和利用氮素的形態有很大差異，不同植物或同一植物在不同生育時期對氮素的吸收量也是不同的。單獨對植物供應NH4+-N營養會抑制植物對K+和Ca2+的吸收，使植物體內產生銨毒害現象，限制植物的生長[18]；而單獨對植物供應NO3--N營養容易引起植物根際pH值升高，限制其他礦質養分的吸收和利用[19]。曹翠玲和李生秀[20]發現，小麥生長在NH4+-N和NO3--N比例為50∶50的營養液中，小麥葉片葉綠素含量最高，而且兩種形態氮素單獨施用時最低。結合前人和本研究結果，NH4+-N和NO3--N比例為25∶75時桑樹生長量和光合能力最高。一方面，根系生長和葉面積是反映植物生長強弱的重要指標，NH4+-N和NO3--N配比為25∶75時有利于根系生長，可有效提高其對土壤養分的吸收和轉化，減輕銨毒害[21]；另一方面，NO3--N比例高時可促進細胞的伸長，有利于光合物質運輸[22]，有利于葉面積增大，葉綠素含量提高，有利于同化產物的形成和累積[23]。同時在溶液培養條件下，銨態氮不會很快轉化為硝態氮，既避免了單一銨態氮供給下陽離子吸收的減少，也避免了土壤栽培中的NO3--N易淋失而造成的氮素利用率低的問題，比單一硝態氮能節省更多的能量，增加磷的吸收和側根生長。所以，NH4+-N和NO3--N適當的配比，桑樹生長最好。

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