低氮脅迫下不同苦蕎品種開花前土壤養分含量特征

陳 偉, 崔亞茹, 孫從建, 楊 洋

(山西師范大學 地理科學學院, 山西 臨汾 041000)

氮是植物體內許多重要化合物的組成成分，是植物生長發育必需的大量元素之一，通常植物在生長過程中對氮素的需求量要高于其他礦質元素，因而氮素常成為限制植物生長的主要元素[1]。土壤氮素的供應水平直接制約著其生產力[2]，因此土壤氮匱乏會直接影響作物產量[3]。為了改善土壤氮匱乏狀況，提高作物產量，我國用于農業生產中的氮肥量在逐年增大[4]。然而，長期向土壤中大量補充氮源，已導致土壤酸化板結、富營養化、氮肥利用率降低等諸多問題，破壞了土壤生態系統的穩定性，對土壤環境構成威脅[5]。所以急需提高作物的氮素吸收、利用效率以提高產量和減少環境污染[4]。在土壤中，有機態氮素不能被植物直接吸收，需要通過一些土壤酶調控下的氨化、硝化作用等將其轉化為能被植物直接吸收利用的無機態氮(銨態氮和硝態氮)[2]。而在硝化過程中，氨氧化酶極其重要，它是硝化作用的限速步驟[6]。因此選擇耐低氮能力強的作物，挖掘脅迫條件下土壤酶活性強、氮素轉化效率高的品種，是解決農業可持續發展的重要途徑[7]。

植物在逆境下能夠感應外界脅迫并通過自身調節系統使之在形態和生理上發生適應反應，以增強其在脅迫條件下的生存機會[7]。在脅迫條件下，不同作物間和同一作物不同品種間，在對氮、磷等有效元素的吸收和利用效率上表現出明顯的差異性[8]。許多學者對小麥、水稻、玉米、大豆等作物開展了耐低氮特性研究，并獲得了有價值的種質資源，但是對苦蕎等小雜糧的研究比較少[9]。苦蕎在高寒高原山區具有明顯的生長優勢，是貧瘠地區重要的雜糧作物[10]。其生育周期短，適應性強，耐旱、耐瘠薄，且具有極高的食用價值與藥用價值[9]。前人對苦蕎的研究大多集中在食用藥用價值、種質篩選以及栽培技術等方面，對苦蕎在低氮脅迫下的養分利用效率研究較少。苦蕎的綜合抗瘠能力較強，但不同品種或同品種不同基因型之間的抗瘠性差異顯著[11]。有研究表明低氮脅迫下耐低氮苦蕎品種具有明顯的生長優勢，不僅農藝性狀、葉片光合作用及根系活性受低氮脅迫影響小，而且具有較高的根系保護酶活性、滲透調節物質含量以及氮積累量[9]。張楚等[12]通過對不同苦蕎品種的各種指標進行研究后，發現迪慶苦蕎具有較強的耐瘠性，而黑豐1號苦蕎的耐瘠性較弱。有研究表明種子成熟期80%的氮素供給來自開花前植物體內養分的積累及后期在體內的轉移[6]，如玉米花前營養器官氮素轉運對籽粒氮素累積貢獻率為42%～62%[13]，所以作物開花前的土壤養分供給研究尤為重要。

因此，本文以迪慶苦蕎和黑豐1號兩種不同耐瘠性苦蕎為材料，通過盆栽試驗，研究低氮脅迫下其在開花前土壤養分含量的差異性，探究耐瘠性品種在低氮環境下的養分有效性與優勢性，從而增加對苦蕎耐貧瘠特性的認知，為黃土高原土壤冷涼地區農田氮肥優化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為黃土母質上發育而成的褐土，其養分含量為：pH值7.75，全氮0.105 g/kg，全磷0.306 g/kg，全鉀4.57 g/kg，銨態氮0.39 mg/kg，硝態氮0.23 mg/kg，有效磷3.69 ug/g，速效鉀100.12 mg/kg。供試苦蕎品種為黑豐1號(HF)和迪慶苦蕎(DQ)。其中，黑豐1號為不耐瘠品種，由山西省農業科學院高寒作物研究所提供；迪慶苦蕎為耐瘠性品種，由迪慶藏族自治州農業科學研究所提供。

1.2 試驗設計

本試驗于2017年5月在山西師范大學校塑料大棚內進行。采用盆栽試驗，共設置3個處理，分別為N0(不施氮處理)、N1(低氮處理，尿素80 mg/kg)、N2(常氮處理，尿素160 mg/kg)，每個處理設置4次重復，各種處理中均施入相同量的過磷酸鈣(P2O5，150 mg/kg)與硫酸鉀(K2O，60 mg/kg)。每個處理設置2個水平，種植不同耐瘠性苦蕎品種：黑豐1號和迪慶苦蕎。每盆裝入10 kg土，并按相應處理施以肥料，混合均勻。每盆選取飽滿均勻無病蟲害的種子16粒，經去離子水浸泡24 h后，均勻播種，兩葉一心間苗，每盆定苗8株，之后正常供應水分。

1.3 樣品采集

苦蕎于5月8日播種，三葉一心定苗，于6月23日采集。取回來的土樣一部分鋪展于干凈的塑料布上，風干1周左右后，去雜、磨細、過篩后保存，用于土壤基本理化性質的測定。另一部分放置于4℃氣候箱保存，用于銨態氮、硝態氮、氨氧化酶的測定。

1.4 測定指標及方法

土壤含水量采用烘干法，稱取少量鮮土放入鋁盒，在105℃烘干24 h后，計算含水量。土壤pH值采用電位法，取10 g鮮土，按土水比1∶2.5比例加入25 ml蒸餾水，充分震蕩1 min，靜置30 min 后，用pH值計測定。土壤全氮采用H2SO4—混合催化劑消煮—半微量凱氏蒸餾法，全磷采用高氯酸硫酸消煮—鉬銻抗比色法，全鉀采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度計法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計法[14]。土壤銨態氮和硝態氮均用2 mol/L氯化鉀溶液浸提，用SmarChem全自動化學分析儀測定[14]。土壤氨氧化酶：土壤樣品中加入20 ml的1 mmol/L的硫酸銨溶液和0.1 ml的1.5 mol/L的氯酸鈉溶液，混勻后在搖床上震蕩并培養5 h，培養期間釋放的亞硝態氮用2 mol/L氯化鉀溶液提取，并在520 nm下比色測定。其中，氯酸鈉抑制亞硝態氮到硝態氮的氧化[15]。

1.5 數據統計分析

數據統計結果運用SPSS 22.0軟件，采用鄧肯分析方法(p=0.05)，單因素方差分析和獨立樣本T檢驗來比較數據之間的差異性。運用Origin 8軟件進行制圖，利用CANOCO軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 氮處理和不同苦蕎品種對土壤理化性質的影響

不同氮處理下，品種均對土壤的含水量、pH值產生顯著影響(p<0.05)，黑豐1號的土壤含水量分別較迪慶苦蕎高68.52%，33.78%，50.87%，黑豐1號的土壤pH值分別較迪慶苦蕎高1.43%，1.43%，1.83%。N1與N2處理相比，黑豐1號和迪慶苦蕎的土壤含水量分別顯著減少24.14%，14.45%(p<0.05)；黑豐1號N1處理的土壤pH值略高于N2處理，但差異不顯著；而迪慶苦蕎N1處理的土壤pH值顯著高于N2(p<0.05)(表1)。

N1處理下，黑豐1號的土壤全氮含量顯著高于迪慶苦蕎50%(p<0.05)，而全磷、全鉀含量無顯著差異；此外，N0，N2處理下幾種養分含量在品種間均無顯著差異。黑豐1號土壤中全氮含量在N1，N2處理之間無顯著差異，但分別比N0顯著高65.25%，83.05%(p<0.05)；迪慶苦蕎土壤中全氮含量在N2處理下比N0顯著高1倍，比N1高80%(p<0.05)(表1)。因此兩種苦蕎土壤中全氮含量基本表現為隨著氮肥施用量增加而增加。兩種苦蕎全磷、全鉀含量在N1，N2處理下均無顯著差異，由于本試驗中不同氮處理所施磷肥、鉀肥含量一樣，因此磷和鉀的總貯量差異不大。

表1 氮處理和不同苦蕎品種對土壤含水量、pH值、全氮、全磷、全鉀的影響

注：N0為不施氮處理，N1為低氮處理，N2為常氮處理。表中數值為平均值±標準偏差。小寫字母表示同一品種不同氮處理間差異顯著(p<0.05)，不標表示差異不顯著(p>0.05)；同一氮處理下黑豐1號與迪慶苦蕎相比，*表示差異顯著(p<0.05)，不標表示差異不顯著(p>0.05)。

黑豐1號土壤中有效磷含量在N0，N1處理下分別顯著高于迪慶苦蕎12.08%，12.78%(p<0.05)，在N2處理下兩品種無顯著差異。黑豐1號土壤中有效磷含量在N1處理下達到最高值，分別比N0，N2顯著高31.65%，17.06%(p<0.05)；迪慶苦蕎土壤中N1和N2處理的有效磷含量差異不顯著，但分別比N0顯著高30.83%，25.23%(p<0.05)(圖1C)，說明兩種苦蕎土壤中有效磷含量在低氮處理下具有顯著差異，并且隨著氮肥施用量先增加后降低，在N1處達到最高值。

黑豐1號土壤中速效鉀含量在N0處理下顯著高于迪慶苦蕎12.06%，在N1，N2處理下分別顯著低于迪慶苦蕎15.43%，14.61%(p<0.05)。兩種苦蕎土壤中速效鉀含量在N1和N2處理下均無顯著差異(圖1D)，說明施氮處理對土壤速效鉀含量影響不大。

2.2 氮處理和不同苦蕎品種對土壤氨氧化酶活性的影響

不同苦蕎品種對土壤中氨氧化酶活性的影響具有顯著差異(p<0.05)，不同氮處理下，迪慶苦蕎土壤中氨氧化酶含量分別比黑豐1號高2.57倍，97%，85%。兩種苦蕎土壤中氨氧化酶活性均表現為隨著氮肥施用量的增加而增強。N2處理下，黑豐1號土壤中氨氧化酶含量分別比N0，N1顯著高15.28倍，2.2倍，迪慶苦蕎土壤中氨氧化酶含量分別比N0，N1顯著高7.44倍，2.01倍(p<0.05)(圖2)。

2.3 品種和氮處理對結果產生的差異性

主成分分析結果表明，第一二主軸分別解釋了總變異的48.4%，33.8%(圖3)。黑豐1號和迪慶苦蕎可以沿第一主軸明顯區分，但是N0處理下兩品種的差異性與其他兩個氮處理相反，表明品種對土壤理化性質以及酶活性的影響明顯不同。黑豐1號的N0處理可以沿第二軸與N1，N2明顯區分，迪慶苦蕎的N0，N1處理可以沿第二軸與N2明顯區分，表明不施氮與施氮處理會對土壤理化性質以及酶活性產生不同的影響。另外，土壤含水量、pH值均與土壤內全氮、全磷、全鉀、銨態氮、硝態氮含量以及氨氧化酶活性呈顯著負相關。

注：HF為黑豐1號，DQ為迪慶苦蕎，N0為不施氮處理，N1為低氮處理，N2為常氮處理。誤差線表示標準差，其上小寫字母表示同一品種不同氮處理間差異顯著(p<0.05)，不標表示差異不顯著(p>0.05)；同一氮處理下黑豐1號與迪慶苦蕎相比，*表示差異顯著(p<0.05)，不標表示差異不顯著(p>0.05)。下圖同。

圖1 氮處理和不同苦蕎品種對土壤速效養分的影響

圖2 氮處理和不同苦蕎品種對土壤氨氧化酶活性的影響

3 討 論

3.1 氮處理對不同苦蕎品種的土壤養分狀況以及酶活性的影響

圖3 主成分分析

3.2 不同苦蕎土壤含水量、pH值在低氮處理下的特征

4 結 論

不同基因型品種適應脅迫的能力不同，脅迫環境下，耐瘠性強的迪慶苦蕎比耐瘠性弱的黑豐1號更具有競爭力。作物成熟期80%的氮素供給來自開花前植物體內養分的積累及后期在體內的轉移，因此植物在開花前積累的氮素極為重要，這樣可以保證作物后期生長所需的營養，使其正常生長。低氮脅迫下迪慶苦蕎較黑豐1號吸收了更多水分，其根際土壤能夠保持較高的氨氧化酶活性，使得轉化出的有效態氮較多，而這些有效氮正是植物吸收利用氮素的主要來源。所以，對于未來貧瘠土壤上苦蕎的種植應考量其耐瘠性的差異，選育耐瘠性強的品種來提高氮素吸收利用效率，增加效益。