氮素形態對煙苗根系生長及碳、氮積累的影響

邢 瑤，孫澤東，陳 樂，馬興華*，張本強，鄭成鵬

氮素形態對煙苗根系生長及碳、氮積累的影響

邢 瑤1，孫澤東1，陳 樂2，馬興華1*，張本強3，鄭成鵬4

（1.中國農業科學院煙草研究所，農業部煙草生物學與加工重點實驗室，青島 266101；2.云南省煙草公司紅河州公司，云南紅河 652399，3.山東中煙工業有限責任公司，濟南 250014；4.山東臨沂煙草有限公司，山東 臨沂 276000）

為探討烤煙幼苗生長、根系發育及碳氮積累對不同氮素形態的響應，選用烤煙品種NC55，在水培條件下設置相同氮濃度的全銨（NH4+∶NO3-=100∶0）、銨硝各半（NH4+∶NO3-=50∶50）和全硝（NH4+∶NO3-=0∶100）3個處理，測定不同處理的干物質積累、根系形態、煙株碳氮含量及碳氮積累量。結果表明，地上部分生物量和總生物量在不同處理時間均表現為全硝處理＞銨硝各半處理＞全銨處理。處理后7 d和14 d，根系生物量、總長度、總體積、總表面積以及各器官的碳、氮積累量和總氮積累量表現為全硝處理＞銨硝各半處理＞全銨處理；處理后21 d，上述指標表現為銨硝各半處理＞全硝處理＞全銨處理。銨態氮肥作為單一氮源抑制了烤煙生長，硝態氮肥有利于地上部生長和碳積累，但長時間作為單一氮源根系生長緩慢，銨硝混合態氮素更有利于根系的生長發育和碳氮積累。

烤煙；氮素形態；根系形態；碳積累量；氮積累量

氮是植物生長發育的必需元素，也是植物體許多物質的組成成分［1］。植物根系從土壤中吸收氮的主要形式是銨態氮和硝態氮［2］，已有研究證明，大多數根系吸收銨態氮伴隨著H+的排出，使根際土壤酸化，而吸收硝態氮則相反，且植物對硝態氮的吸收利用消耗更多能量［3-4］。這些差異造成氮素形態對植物生長發育的影響不同。氮素形態對植物生長發育的影響在水稻［5-6］、大麥［7］、小麥［8］、玉米［9］和蔬菜［10-12］等作物研究較多，但因研究對象不同結論不盡相同。有研究認為，施用銨硝混合態氮素的煙株生物性狀最佳，經濟效益和煙葉化學成分最優［13-14］。根系不僅是植物養分吸收的器官，也是物質合成的場所，對植物地上部的生長尤為重要。同時，碳氮代謝直接或間接地影響煙葉中各種化學成分含量及比例［15］。因此研究氮素形態對根系生長發育及植株碳氮積累的影響對提高烤煙產量和品質具有重要意義。

本文以烤煙品種NC55為供試材料，通過供給不同氮素形態的培養液試驗，研究烤煙根系的形態差異以及植株的碳氮積累差異，以揭示氮素形態對烤煙根系發育和烤煙生長的影響，為生產上合理配置氮肥種類，實現烤煙優質適產的目標提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為NC55，由國家農作物種質資源平臺煙草種質資源子平臺提供。

1.2 試驗設計

將包衣種子播種于塑料培養盒中，基質為消毒的石英砂，培養液為全素營養液（N以NH4NO3形式加入）。待幼苗長至6葉1心期時，選擇長勢一致的煙苗，洗凈根部砂粒，移栽于500 m L的塑料容器中（深約10 cm），塑料容器上覆蓋具孔蓋板，每個容器1株，植株根莖結合部位用海綿包裹，固定在蓋板上。先用1/4全素營養液（N以NH4NO3形式加入）培養3 d后，使煙苗適應水培環境，再用1/4無氮營養液培養2 d，然后用不同形態的氮素處理。所有煙苗放置于同一溫室中，溫室溫度控制在25～28 ℃/18～20 ℃（光/暗），光照周期為12 h/12 h（光/暗）。全素營養液的成分為：N 4.0 mmol/L、M g 1.2 mmol/L、P 0.6 mmol/L、K 2.5 mmol/L、Ca 2.0 mmol/L、Fe（Fe-EDTA）30.00 μmol/L、B 10.00 μmol/L、Mn 1.00 μmol/L、Cu 0.10 μmol/L、Zn 0.50 μmol/L、Mo 0.05 μmol/L。在總氮量保持一致的條件下，根據氮素形態的不同，設置3個處理，即43每個處理20株，每次采集5株。每3天更換1次營養液，并用0.1 mol/L的NaOH調節pH在6.8～7.0之間。煙苗自培養0 d開始，每7 d進行取樣測定。

1.3 測定項目和方法

采集的煙苗用蒸餾水沖洗干凈后將樣品按根、莖、葉分樣，稱鮮重，進行根系掃描分析，然后70 ℃烘干至恒重，稱重后粉粹，過100目篩，用于測定總氮、總碳含量。

根系掃描采用EPSON Perfection V700 Photo（分辨率為6400*9600 dpi）。掃描時將根系放入特制的透明托盤內，加入一定量水便于分散根系避免纏繞。掃描后保存圖像，采用WinRHIZO Pro 2012b分析程序對圖像進行分析。總氮、總碳含量采用碳氮硫元素分析儀（Elementar vario PYRO cube， Germany）測定。植株的氮（碳）積累量為含氮（碳）量與干物質量的乘積。

用Excel 2007軟件進行數據整理和作圖，用SAS 9.2數據分析軟件進行統計分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗（α=0.05）。

2 結 果

2.1 氮素形態對烤煙NC55生物量的影響

如表1所示，在處理后7 d和14 d，烤煙根系生物量均表現為T3＞T2＞T1；處理后21 d，T3和T2的根系生物量顯著高于T1，且T3的根系生物量比T2低16.3%，而且在處理后期T1的根系顏色變褐。由表1還可以看出，處理后7 d，T3的地上部生物量和總生物量顯著高于T1和T2；處理后14 d，T3的植株地上部生物量和總生物量顯著高于T1，但與T2的差異不顯著；處理后21 d，T3和T2的植株地上部生物量和總生物量均顯著高于T1。處理后7 d，T2的根冠比顯著高于T1和T3；處理后14 d，T3的根冠比分別比T1和T2高14.3%和11.2%，但處理間差異不顯著；處理后21 d，T1和T2的根冠比顯著高于T3。

表1 氮素形態對生物量的影響Table1 Effect of nitrogen form on biomass

2.2 氮素形態對烤煙NC55根系形態的影響

2.2.1 氮素形態對烤煙NC55總根長的影響 由圖1可以看出，在處理周期內，T2和T3的根系總長度顯著大于T1，但T2和T3的根系總長度無顯著差異。處理后7 d和14 d，T3的根系總長度比T2分別高14.6%和12.0%；處理后21 d，T3的根系總長度比T2低5.0%。

圖2 氮素形態對根系總表面積和總體積的影響Fig. 2 Effect of nitrogen form on root total surface area and volume

圖1 氮素形態對總根長的影響Fig. 1 Effect of nitrogen form on total root length

2.2.2 氮素形態對烤煙NC55根系總表面積和總體積的影響 由圖2可見，T2和T3的根系總體積和總表面積在處理周期內呈增加趨勢，而T1的根系總體積和總表面積在處理前中期呈增加趨勢，后期增加緩慢，根系總體積出現減少的現象。在處理后7 d，T3顯著高于T1；處理后14 d和21 d，T2和T3的根系總表面積和總體積均顯著高于T1；處理后14 d，T3的根系總表面積和總體積比T2高，但處理后21 d，T3比T2分別低12.5%和20.8%。

2.2.3 氮素形態對烤煙NC55根系平均直徑的影響 由圖3可見，T1和T3的根系平均直徑隨處理時間的增加先增加后降低，T2總體呈增長趨勢。處理后7 d，T3根系平均直徑顯著高于T1和T2；處理后14 d，T1根系的平均直徑顯著高于T2和T3；處理后21 d，T2根系的平均直徑顯著高于T1和T3。

圖3 氮素形態對根系平均直徑的影響Fig. 3 Effect of nitrogen form on root average diameter

2.3 氮素形態對煙株各器官含氮量和氮素積累量的影響

由表2可見，在處理后7 d，根系含氮量表現為T3＞T2＞T1；處理后14 d和21 d，根系含氮量表現為T2＞T1＞T3。在處理后7 d和14 d，根系氮積累量均表現為T3＞T2＞T1；處理后21 d，T2根系的氮積累量顯著高于T1和T3。

T1莖的含氮量隨處理天數先降低后增加，而T2和T3莖的含氮量隨處理天數先增加后降低。在處理后7 d和14 d，T2和T3的莖含氮量顯著高于T1；處理后21 d，莖含氮量表現為T1＞T2＞T3。在處理周期內，莖的氮積累量均表現為T3＞T2＞T1，T3顯著高于T1。

在處理周期內，T1葉的含氮量整體呈降低趨勢；T2和T3的葉片含氮量呈先增加后降低的趨勢，且高于T1。同時，在處理周期內，T2和T3葉的氮積累量和植株總氮積累量顯著高于T1。

2.4 氮素形態對煙株各器官含碳量和碳積累量的影響

由表3可見，在處理周期內，各處理根含碳量均表現為T1＞T2＞T3。在處理后7 d和14 d，根系碳積累量均表現為T3＞T2＞T1；處理后21 d，T3和T2根的碳積累量顯著高于T1。各處理莖的含碳量隨處理天數先降低后增加。在處理后7 d和21 d，T1莖含碳量顯著高于T2和T3；在處理后14 d，T2莖含碳量顯著高于T1和T3。在處理周期內，T2和T3莖的碳積累量始終高于T1。在處理周期內，各處理葉含碳量隨處理時間先降低后增加。處理后7 d和21 d，T1葉含碳量顯著高于T2和T3；處理后14 d，T1和T2顯著高于T3。各處理葉的碳積累量和植株總碳積累量隨處理時間延長而增加。處理后7 d，T3葉碳積累量和總碳積累量顯著高于T1和T2；處理后14 d，各處理間差異不顯著；處理后21 d，T2和T3的葉碳積累量和總碳積累量顯著高于T1。

表2 氮素形態對煙株各器官含氮量和氮積累量的影響Table 2 Effect of nitrogen form on nitrogen content and nitrogen accumulation of different organs

表3 氮素形態對煙株各器官含碳量和碳積累量的影響Table 3 Effect of nitrogen form on carbon content and carbon accumulation of different organs

3 討 論

3.1 氮素形態對根系形態的影響

對水稻研究發現，銨硝混合態氮素有利于根系的生長發育，促進根系體積和根長的增加［16-17］；但也有研究認為，硝態氮促進水稻根體積、表面積及根冠比的增加［18］。對大豆的研究發現，施用硝態氮的根系長度、體積、表面積均大于以銨態氮為營養的根系，并且在花期硝態氮處理的根系平均直徑略高于銨態氮處理［19］。本試驗結果表明，處理周期內，全銨處理的根系生物量、總根長、根總表面積及根總體積均最低，說明銨態氮肥抑制了根系伸長生長，這可能是由于銨態氮肥抑制了根系細胞的伸長造成的［20］。全銨處理的植株雖然存在植株矮小、老葉黃化的現象，但并未出現葉片薄、主根伸長等缺氮的現象［21］，由于本試驗控制了根系環境的pH，由此推測銨態氮肥抑制植株的生長主要是植株對銨態氮利用較差而非吸收導致的。處理前期，全硝處理的根系生物量、總根長、根總表面積以及根總體積均高于銨硝各半處理；而處理后期，全硝處理低于銨硝各半處理。考慮到煙草生長期較長，銨硝混合態氮素更有利于根系的生長，這與前人的相關研究一致［16-17］。但是，處理周期內，地上部分的生物量始終表現為全硝處理高于銨硝各半處理高于全銨處理，并且處理后21 d，全硝處理的根冠比顯著低于全銨處理和銨硝各半處理。說明，根系的生長與地上部的生長并不同步，且根系較大將消耗大量同化物，抑制地上部的生長［22-23］。

3.2 氮素形態對碳氮積累的影響

對番茄的研究發現，以銨態氮為單一氮源的根系全碳含量和葉片全氮含量高于硝態氮和有機氮的處理［24］。本試驗結果表明，處理周期內，全銨處理的根系含氮量以及各部位的含碳量較高，而各部位的碳氮積累量顯著低于銨硝各半處理和全硝處理，并且全銨處理的總氮積累量顯著低于銨硝各半處理和全硝處理。處理前期，銨硝各半處理的根系碳氮積累量、葉的氮積累量及總氮積累量低于全硝處理；處理后期反之。在處理周期內，全硝處理莖的碳氮積累量、葉的碳積累量以及植物體總碳積累量始終最高。全銨處理根系含氮量及各部分的含碳量較高可能是由于銨態氮肥影響根系吸收水分和養分，抑制了根系和地上部分的生長，導致濃縮效應［24］。

處理后期，全硝處理的根系碳氮積累量及葉片的氮積累量低于銨硝各半處理，可能是由于植物吸收利用硝態氮肥需要消耗較多的能量［4］，長期供應硝態氮肥為單一氮源使根系吸收利用氮素量逐漸減少，進而向地上部運輸的氮素量減少；而供應銨硝各半處理的根系總表面積、總體積較大，有利于根系對氮素的吸收［16］，并促進同化物向根系的運輸。

4 結 論

在處理周期內，全銨處理的煙苗根系和地上部分生物量均最低，且在處理后期顯著低于銨硝配施處理和全硝處理，銨態氮肥抑制烤煙地上部分和根系的生長。硝態氮肥更有利于地上部生物量和含碳物質的積累。雖然銨硝混合態氮肥和硝態氮肥都能夠促進根系的生長，但長時間單一供應硝態氮根系生長出現受抑制的傾向，而銨硝配施處理的根系總長度、總表面積、總體積、平均直徑，以及根系碳、氮積累量和植物體總氮積累量均高于全硝處理。

［1］ Raven J A， Handley L L， Andrews M. Global aspects of C/N interactions determ ining plant-environment interactions［J］. Journal of Experimental Botany， 2004，55∶ 11-25.

［2］ Walch-Liu P， Neumann G， Bangerth F， et al. Rapid effects of nitrogen form on leaf morphogenesis in tobacco［J］. Journal of Experimental Botany， 2000， 51∶227-237.

［3］ Gijsman A J. Rhizosphere pH along different root zones of Douglas-fir （Pseudotsuga menziesii）， as affected by source of nitrogen［J］. Plant and Soil， 1990，124∶ 161-167.

［4］ Guo S W， Zhou Y， Gao Y X， et al. New insights into the nitrogen form effect on photosynthesis and photorespiration［J］. Pedosphere， 2007， 17∶ 601-610.

［5］ Guo S W， Chen G， Zhou Y， et al. Ammonium nutrition increases photosynthesis rate under water stress at early development stage of rice［J］. Plant and Soil， 2007，296∶ 115-124.

［6］ Gao Y X， Li Y， Yang X X， et al. Ammonium nutrition increases water absorption in rice seedling （Oryza sativa L.） under water stress［J］. Plant and Soil， 2010，331∶ 193-201.

［7］ A li S， Farooq M A， Jahngir M M， et al. Effect of chrom ium and nitrogen form on photosynthesis and anti-oxidative system in barley［J］. Biologia Plantarum，2013， 57∶ 758-763.

［8］ 羅來超，苗艷芳，李生秀，等.氮素形態對小麥幼苗生長及根系生理特性的影響［J］. 河南科技大學學報：自然科學版，2013，34（4）：81-84.

［9］ 曹翠玲，李生秀. 氮素形態對玉米幼苗碳水化合物及養分積累的影響［J］. 華中農業大學學報，2003，22（5）：457-461.

［10］ Fallovo C， Colla G， Schwarz D， et al. Effect of nitrogen form and radiation on grow th and m ineral concentration of two Brassica species［J］. Scientia Horticulturae， 2009， 123∶ 170-177.

［11］ 王小麗，楊丹妮，黃丹楓. 氮素形態對小白菜生長和碳氮積累的影響［J］. 應用生態學報，2012，23（4）：1042-1048.

［12］ Lu Y L， Xu Y C， Shen Q R， et al. Effects of different nitrogen forms on the grow th and cytokinin content in xylem sap of tomato（Lycopersicon esculentum M ill.）seedlings［J］. Plant and Soil， 2009， 315∶ 67-77.

［13］ 蔡曉布，錢成. 氮肥形態和用量對藏東南地區烤煙產量和質量的影響［J］. 應用生態學報，2003，14（1）：66-70.

［14］ 張延春，陳治鋒，龍懷玉，等. 不同氮素形態及比例對烤煙長勢、產量及部分品質因素的影響［J］. 植物營養與肥料學報，2005，11（6）：787-792.

［15］ 史宏志，韓錦峰. 烤煙碳氮代謝幾個問題的探討［J］.煙草科技，1998（2）：34-36.

［16］ 宋文靜，金晶晶，哈麗哈什，等. 不同硝響應型水稻品種苗期根系生長對增硝營養的響應［J］. 土壤學報，2011，48（5）：1006-1012.

［17］ 王東升，張亞麗，段英華. 不同氮效率水稻品種增硝營養下根系生長的響應特征［J］. 植物營養與肥料學報，2007，13（4）：585-590.

［18］ 李勇，周毅，郭世偉，等. 銨態氮和硝態氮營養對水、旱稻根系形態及水分吸收的影響［J］. 中國水稻科學，2007，21（3）：294-298.

［19］ 嚴君，韓曉增，祖偉. 不同形態氮肥對大豆根系形態及磷效率的影響［J］. 大豆科學，2010，29（6）：1003-1007.

［20］ Li Q， Li B H， Kronzucker H J， et al. Root grow th inhibition by NH4+in Arabidopsis is mediated by the root tip and is linked to NH4+efflux and GMPase activity［J］. Plant Cell & Environment， 2010， 33∶1529-1542.

［21］ 李玥，賴勇林，王軍，等. 不同養分缺乏對烤煙根系形態及營養生長的影響［J］. 中國煙草科學，2015，36（2）：60-65.

［22］ 汪強，樊小林，劉芳，等. 斷根和覆草旱作條件下水稻的產量效應［J］. 中國水稻科學，2004，18（5）：437-442.

［23］ 蔡昆爭. 水稻栽培群體根系生長冗余和結構優化［D］.廣州：華南農業大學，2001.

［24］ 葛體達，黃丹楓，宋世威，等. 不同氮素形態對番茄幼苗碳、氮積累的影響［J］. 中國農業科學，2008，41（10）：3168-3176.

Effect of Nitrogen form on Root Grow th and C and N Accum ulation of Flue-cured Tobacco Seed lings

XING Yao1， SUN Zedong1， CHEN Le2， MA Xinghua1*， ZHANG Benqiang3， ZHENG Chengpeng4
（1. Tobacco Research Institute of CAAS， Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing， M inistry of Agriculture， Qingdao 266101， China； 2. Honghe Tobacco Company of Yunnan， Honghe， Yunnan 652399， China； 3. China Tobacco Shandong Industrial Co.，Ltd.， Jinan 250014， China； 4. Linyi Tobacco Company of Shandong Province， Linyi， Shandong 276000， China）

In order to investigate the response of root grow th， C and N accumulation of flue-cured tobacco seedlings to different nitrogen form s， hydroponic experiments w ere conducted by supplying equal amount of N in three different ratios of NH4+∶NO3-（100∶0， as 100-0AN； 50∶50， as 50-50AN； 0∶100， as 0-100AN） to seedlings of flue-cured tobacco cultivar NC55. Plant dry biomass，root morphology， C and N content， C and N accumulation were assayed during the cultivation. The results showed that shoot and total biomass showed 0-100AN＞50-50AN＞100-0AN at all treating times. On 7 and 14 d， root biomass， root total length， root total volume， root total surface area， C and N accumulation of root， stem， leaf and total nitrogen accumulation showed 0-100AN＞50-50AN＞100-0AN. On 21 d， the same parameters showed 50-50AN＞0-100AN＞100-0AN. Ammonium as sole nitrogen source inhibited flue-cured tobacco grow th. Nitrate is beneficial to shoot grow th and carbon accumulation， it however inhibits root grow th as sole nitrogen source for prolonged time. Optimum nitrogen form for root development， C and N accumulation is the m ixture of ammonium and nitrate.

flue-cured tobacco； nitrogen form； root morphology； carbon accumulation； nitrogen accumulation

S572.06

1007-5119（2015）05-0013-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2015.05.003

公益性行業（農業）科研專項經費“煙草增香減害關鍵技術研究與示范”（201203091）；中國煙草總公司特色優質煙葉開發重大專項“低危害煙葉研究開發”（110201101006 ts-06）

邢 瑤（1990-），女，碩士研究生，研究方向為作物生理生態。E-mail：xingyao19901205@163.com。*

，E-mail：maxinghua@caas.cn

2015-04-22

2015-07-10