葉施15N-尿素增加棉花苗期氮素吸收利用的生理生化機制研究

李永旗， 董合林*， 李鵬程， 劉敬然， 劉愛忠， 王曉茹, 杜 軍, 李亞兵

(1 中國農業科學院棉花研究所， 棉花生物學國家重點實驗室， 河南安陽 455000； 2 河南省農業科學院園藝研究所， 河南鄭州 450002)

作物葉面施肥具有養分吸收快、 利用率高，針對性強，易于控制濃度、 增強作物抗逆能力等作用[1-3]。巨峰葡萄晚秋葉面噴施15N-尿素，紅燈甜櫻桃葉面涂抹15N-尿素、 尿素浸泡蘋果不同節位葉片[7-9]均對15N-尿素的吸收分配及利用起到了良好的促進作用[4-5]。苗期低溫，棉花根系對養分的吸收難以滿足棉花生長需求，經常給我國棉花生產造成不利影響[6]。這時葉面施肥就顯得尤為重要。本研究利用15N示蹤技術，在大田栽培條件下，于棉花苗期葉面噴施不同濃度的15N-尿素水溶液，研究棉株氮素的吸收利用情況以及葉面施氮對棉花根系吸收養分的影響，以揭示棉花葉面施氮的營養機理。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2013年在河南省安陽縣中國農業科學院棉花研究所試驗農場進行。試驗田土壤有機質含量13.7 g/kg、 全氮含量0.78 g/kg、 速效磷18 mg/kg、 速效鉀163 mg/kg。

試驗設4個棉花葉面噴施15N-尿素處理，濃度分別為0%、 0.5%、 1.0%、 2.0%，以N1、 N2、 N3、 N4表示。隨機區組設計，3次重復，小區面積為43.2 m2。棉花葉面噴施15N-尿素分別于5月29日、 6月5日和6月12日進行3次，噴液量為375 kg/hm2(即N1、 N2、 N3、 N4的噴氮量分別為0、 0.872、 1.744、 3.488 kg/hm2)。供試品種為中棉所79，播種期為4月23日，采用地膜覆蓋種植方式，棉花行距80 cm、 株距23.8 cm、 密度52500株/hm2。

1.2 樣品采集與測定方法

5月29日，早上8：00按試驗設計對每個小區分別噴施15N-尿素溶液，并于噴施后2、 4、 6、 8、 12、 24、 48、 96、 168 h隨機取2株棉花，棉株樣品經清水→洗滌劑→清水→1%HCl和三次去離子水沖洗后，立即在105℃下殺青30 min，于65℃烘干，然后稱重、 粉碎，測定棉株全氮和15N含量。

6月19日(即第3次噴施15N-尿素后一周),對各小區隨機取棉株倒3葉，并測定葉綠素含量、 硝酸還原酶(NR)活性、 谷氨酰胺合成酶(GS)活性。每小區隨機選取3棵長勢一致的棉株，用LC Pro-SD全自動便攜式光合儀測定光合速率，然后測量株高與葉面積。按照上述試驗的處理方法測定棉株地上部與地下部的全氮和15N含量。

棉株樣品用濃H2SO4-混合加速劑消煮，半微量凱氏法測定全氮[10]；使用ZHT-03超精度同位素質譜儀測定15N豐度；丙酮乙醇混合液法測定葉綠素含量[11]；參照李合生[12]離體法測定硝酸還原酶的活性；參照Lin等[13-15]的方法測定谷氨酰胺合成酶的活性。

1.3 數據計算及分析

15N質量豐度(15N g/100g, N)=100×15N豐度×15/[15N豐度×15+(1-15N豐度)×14]；

植株15N含量(mg/g)=植株N含量(%)×植株15N質量豐度/10；

氮素平均吸收速率[mg/(g·h)]=(t2植株15N含量-t1植株15N含量)/肥料15N質量豐度/(t2-t1)；

噴施尿素15N量=噴施尿素量×尿素含氮量×尿素15N質量豐度；

葉面15N利用率(%)=植株15N量(g)/噴施尿素15N量(g)×100；

根系吸收N量(mg/株)=植株總N量(mg/株)-葉面吸收15N量(mg/株)

數據采用Microsoft excel處理，用SAS軟件進行方差分析，用Duncan法進行平均數的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 葉面噴施15N-尿素對棉花氮素吸收利用的影響

圖1 噴施尿素后棉株15N含量Fig.1 15N contents of cotton plants in different hours after urea spraying

各時間點的吸收速率大多以N3處理吸收速率最高，這與圖1中各時間點棉花植株內的15N含量變化趨勢一致。而N4處理在各時間點低于N3處理，可能是N4尿素濃度偏高，對葉片造成傷害，從而影響了葉片對氮素的吸收。

圖3表明，隨葉面噴施尿素濃度的提高，葉面噴施氮素的利用率逐漸降低，尿素噴施濃度0.5%(N2)和1%(N3)兩處理的氮肥利用率分別為80%和72%，而噴施濃度為2%(N4)時，其氮肥利用率只有26%。N3處理與N2處理差異不顯著，N4處理顯著低于N2、 N3處理。

圖2 噴后不同時間氮素的平均吸收速率 [mg/(g·h)]Fig.2 Average N absorption rate in different hourse after spraying

圖3 不同處理的15N利用率Fig.3 15N use efficiency of different treatments

2.1.3 葉施15N-尿素對棉花根系氮素吸收的影響 由表1可知，N2、 N3處理棉花全株根系吸收的氮量顯著高于未噴施尿素的N1處理，表明葉面噴施0.5%、 1%濃度的尿素能顯著促進棉花根系對于氮素的吸收。N2、 N3處理根系吸收的被運輸到地上部分的氮量顯著高于N1，而用于自身生長發育的氮量則變化不顯著。綜上所述，N2、 N3處理，葉面吸收顯著促進了根系氮素吸收，且根系吸收的氮很快被轉運到地上部分、 供植株吸收利用。

葉面噴施不同濃度的15N尿素時，在根部也檢測到了15N含量，這表明葉面噴施的氮素很快被葉片吸收利用，并有少量被運輸到根部。所以葉面吸收與根系吸收是相互影響的。

表1 棉株根部、 地上部及全株中通過根系吸收的氮量 (mg/plant)

2.2 葉面噴施15N-尿素對棉株生理生化指標的影響

表2 棉株葉綠素含量、 硝酸還原酶(NR)和谷胺酰胺合成酶(GS)活性Table 2 The chlorophyll content and the activities of nitrite reductase and glutamine synthetase of cotton

由表3可知，凈光合速率與葉片含水量、 蒸騰速率、 氣孔導度的變化趨勢一致，都隨噴施濃度的升高逐漸升高。葉面施氮改善了棉株的水分代謝，促進了蒸騰作用，增大了氣孔的開放，促進葉片的二氧化碳濃度升高，從而促進了凈光合速率的升高。但葉面施氮改善了棉株的氮素營養，加快了光合作用中暗反應過程，棉株對二氧化碳的利用量大于吸收量，造成了胞間二氧化碳濃度隨噴施濃度的提高而降低。因此，葉面施氮主要是通過改善棉株氮素營養，調節蒸騰作用和氣孔開放程度，進而促進光合作用。

2.3 葉施15N-尿素對棉花農藝性狀及產量的影響

由表4可知，各處理棉花的株高、 葉面積、 總生物量的變化趨勢一致，即先升高后降低，根冠比無明顯的變化趨勢。與對照相比，N2處理株高、 根冠比沒有顯著變化，但其總生物量、 葉面積卻顯著提高，這表明棉株可以快速吸收噴施的氮素，用于改善葉片的氮素營養，促進其生長。N3處理顯著提高了棉花的株高、 總生物量、 葉面積，表明葉面噴施適當濃度的氮素，可以從整體上改善棉花的氮素營養，增加葉面積，提高株高，進而增加生物積累量，促進其生長。

表3 不同處理棉花葉片含水量及光合效率指標測定值

表4 棉株農藝性狀測定值與產量

綜上所述，葉面噴施適當濃度的尿素可以顯著提高棉花的株高、 葉面積，從而塑造合適的棉花株型，促進光合作用，進而促進棉花的生長發育。且在苗期噴施1%濃度的尿素溶液時，其作用最為顯著。葉面施氮主要是通過促進棉花株高、 干物質重、 葉面積等農藝性狀指標的提高，來促進棉株的生長。

由圖4可知，隨葉面噴施尿素濃度的提高，籽棉產量先升高后降低。N2、 N3處理籽棉產量顯著高于N1，N4處理籽棉產量變化不顯著。且尿素的噴施濃度為0.5%、 1%時，其籽棉產量分別提高了4.5%、 5.5%。綜上所述，苗期葉面噴施適當濃度的尿素可以顯著提高籽棉的產量。尿素的噴施濃度為1%時，其效果最佳。

3 討論與結論

尿素是中性肥料，吸收速率高于硝鹽和銨鹽，葉面噴施對作物危害少，已廣泛應用于生產。但是在棉花上最佳噴施濃度研究結果卻不盡相同。本研究結果表明，苗期棉花葉面噴施濃度為1%時，其吸收峰值最高，吸收速率也最大，肥料利用率較高，對根系氮素吸收的促進作用也最大，是棉花苗期葉面噴施尿素的適宜濃度。秦亞平等[16]報道，江漢平原棉花鈴期葉面噴施8%尿素液，可以促進秋桃增多，防止早衰，明顯提高產量。因棉花苗期葉片角質層比較薄，對尿素的耐受力較弱[17]，所以本研究的最適濃度有所降低。這也表明了在不同生育時期，棉花葉面噴施氮肥的最佳濃度有所不同。

養分葉面噴施可以明顯提高作物的光合代謝能力。李慧[23]在新疆棉區的研究表明，噴施葉面肥后棉花生長進程加快, 葉片增多, 蕾數增加。本研究結果中，葉面施氮可以增強硝酸還原酶、 谷氨酰胺合成酶活性，提高葉綠素含量，增加葉面積，促進光合作用，有利于棉花后期的高產。因此，棉花早期葉面噴施1%的尿素不僅可以彌補棉花苗期由于根系發育緩慢而造成的氮素吸收不足， 而且可以促進根系的氮素洗漱完后和向上運轉，促進植物生長、 提高氮素利用率，是值得推薦的增產措施。

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