不同供氮水平下滴灌春小麥根系生理特性的變化

嚴銀花， 祁靜玉， 羅雪梅， 李彥旬， 蔣桂英

(石河子大學農學院，新疆石河子 832000)

氮是作物生長發(fā)育所必需的元素，在提高作物產量和改良品質方面充當著極為重要的角色，作物生產中氮肥的用量占肥料施用總量的60%左右，我國氮肥利用率僅有30%～40%，而世界平均水平達到了40%～60%，氮肥利用效率低，造成生產成本增加和環(huán)境污染的問題[1-3]。2008年以來，麥田滴灌技術因其節(jié)水、增產、省工等優(yōu)勢在新疆麥區(qū)得到迅速推廣，滴灌小麥種植使得氮肥隨水滴施，利用效率提升，但在栽培中仍然秉承著多施用肥料可得高產的觀念，滴灌春小麥生育期施氮量一般在 300 kg/hm2左右[4-5]，甚至滴灌冬小麥生育期施氮量高達360 kg/hm2[6]，遠高于長江中下游麥區(qū)的230 kg/hm2[7]。因而合理的氮肥供給有利于產量和利用率的同步提高。

根系會影響氮素的吸收能力，其吸收能力是小麥氮代謝的基礎，直接關系到地上部分氮素的同化、運轉以及氨基酸和蛋白質等的合成，小麥對氮素的吸收和利用作用與根系有較大的關聯(lián)[8]。KAUR等的研究結果表明，硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性與小麥氮素利用效率有著極為緊密的關聯(lián)[9]。王小純等研究認為，氮高效基因型小麥會由于較高的谷氨酰胺合成酶(GS)活性進而促進植株對氮素的吸收作用與同化作用以及整個氮代謝過程，使得氮素利用效率獲得提升，且吸氮作用強的水稻體現為根系抗氧化本領強[10-11]。田中偉認為如今的小麥品種根系活力要強于以前的品種，同時根系有關酶活性有明顯的提高，而丙二醛(MDA)含量明顯降低，表明改進的品種提高了根系抗氧化能力，減緩了根系衰老的速度[12]。因此，可通過改良品種或栽培措施等方法來減慢根系衰老、提高根系生理活性進而提高小麥的產量[13-14]。

優(yōu)良的根系生理活性是氮高效運用的關鍵因素，氮素供給程度對根系氮素吸收利用形成間接或直接的作用[15]。熊淑萍探究發(fā)現正常的供氮水平與適當降低供氮量相比，小麥根系活力、根系生物量、氮肥利用效率均會有所提高；增加供氮量，根系活力和產量均顯著升高，而根冠比和氮肥生理利用率降低[16]。氮素虧缺影響冬小麥根系發(fā)育，不同階段氮素虧缺根系活力和產量明顯減小[17]。目前，關于不同施氮量對滴灌小麥地上部生長發(fā)育[18-19]、根系形態(tài)[17，19]和根系活力[20]的影響已有較多報道，但鮮見低氮脅迫下滴灌小麥根系氮代謝關鍵酶活性和根系抗氧化能力變化的研究，且很少有研究綜合考慮小麥根系的生理特征與生物產量和氮肥利用率之間的關系。本研究通過選出2種不同的春小麥品種，在不同供氮水平下，分析滴灌春小麥根系氮代謝相關酶活性、根系抗氧化特性和根系活力的變化及其對氮肥的響應程度，以期為探明低氮栽培下增加春小麥產量和高效栽培提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2017年在石河子大學農學院試驗站(地理坐標為44°20′N，88°3′E)進行。土壤為沙壤土，0～40 cm土層有機質含量28.4 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，堿解氮含量71.3 mg/kg，速效磷含量 15.2 mg/kg，速效鉀含量159 mg/kg，土壤容重 1.31 g/cm3、pH值7.5。

試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為氮素處理，副區(qū)為品種處理。生育期追施氮量(純氮)設5個水平：N1(300 kg/hm2)、N2(275 kg/hm2)、N3(250 kg/hm2)、N4(225 kg/hm2)，N5(0 kg/hm2，對照)，品種為春小麥新春31號和新春6號。3次重復，小區(qū)面積為 12 m2(3 m×4 m)，各小區(qū)之間埋置100 cm深的防滲膜，防止肥料外移，試驗地總面積360 m2。寬窄行種植，行距12.5 cm+20 cm+12.5 cm+15 cm，播量 345 kg/hm2。其中，生育期間灌水、施肥的時間和比例均按以下要求進行。不同處理整個生育期的灌水比例分別為2葉1心期、分蘗期各滴水10%，拔節(jié)期(5葉齡，6葉齡)各15%和20%，孕穗期20%，抽穗揚花期10%，乳熟初期灌水10%，乳熟末期灌水5%；施肥采取分次追肥，分別在2葉1心期和分蘗期各施10%，拔節(jié)期(5葉齡、6葉齡)各施20%，孕穗期施20%，抽穗揚花期施15%，乳熟期施5%。各處理均施P2O5120 kg/hm2、K2O 36 kg/hm2和純氮的20%做基肥，剩余的80%純氮隨水滴施。

滴灌帶配置采用“一管四行”，即每條滴灌帶灌溉4行小麥，滴灌帶放置在20 cm的寬行。滴灌管系北京綠源公司生產的內徑15 mm內鑲式滴灌帶，設計滴頭流量2.7 L/h，水表精確控制每次灌溉量，全生育期灌水6 000 m3/hm2，整個生育期灌水為9次，施肥7次，其他各項管理與大田生產相同。

1.2 供試根系采集及預處理

分別于拔節(jié)、開花、灌漿和成熟期用根鉆采集小麥根系，土鉆內徑5.5 cm、高度20 cm。考慮到滴灌帶的放置，每個處理采集5個點，其中，2個點在種植行上，3個點在行間(圖1)，采集深度為80 cm，每 20 cm 為1個土層，按不同土層清洗根系，去雜后用冰袋保存迅速帶回實驗室，迅速放入液氮中速凍，于-40 ℃冰箱保存，用于根系酶活性或活力的測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 根系氮代謝酶活性的測定 分別于拔節(jié)、開花、灌漿和成熟期測定根系硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性，釆用Rajasekhar等的方法[21]測定NR活性，采用Zhang等的方法[22]測定GS活性。

1.3.2 根系抗氧化特性的測定 分別于拔節(jié)、開花、灌漿和成熟期取根系樣品于液氮中速凍保存，用于MDA含量和超氧化物歧化酶(POD)活性的測定。按Tan等描述的方法[23]測定根系MDA含量和POD活性。

1.3.3 根系活力的測定 分別于拔節(jié)、開花、灌漿和成熟期從各處理根尖處取5 cm，采用改良TTC還原法[23]測定根系活力。

1.3.4 產量和氮素利用效率測定 于成熟期取 1 m2樣段，人工收割，人工脫粒，自然曬干后稱質量，實收計產。并取20個麥株測定千粒質量，晾曬至籽粒含水量為14%時測定籽粒產量。

氮肥農學利用效率=(施氮處理小麥產量-不施氮處理小麥產量)/施氮量[24]。

1.4 數據處理

使用SPSS 19.0軟件進行相關分析，方差分析(ANOA)采用鄧肯氏新復極差檢驗法(DMRT)，0.05 水平下檢驗差異。Sigma Plot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 根系氮代謝酶活性的變化

2.1.1 根系NR活性的變化 由圖2可見，小麥根系NR活性隨著生育時期推進呈先增加后減少的趨勢，開花期達到最大值，且2個春小麥品種均表現為對照最低。不同供氮水平下新春31號根系NR活性表現為N2處理最高，N1處理次之，其次分別是N3處理、N4處理和N5處理，在開花期N2處理根系NR比N5處理、N4處理、N3處理、N1處理分別高40.8%、17.24%、7.62%、0.65%，且N2處理與N1處理之間無顯著差別，但與N3處理、N4處理、N5處理之間有顯著差別(P<0.05)。新春6號根系NR活性表現為N3處理>N1處理>N2處理>N4處理>N5處理，在開花期N5處理、N4處理、N2處理、N1處理下NR分別比N3處理高48.68%、20.18%、0.66%、0.70%，且N3處理與N1處理、N2處理之間無顯著差別，與N4處理、N5處理之間達到顯著差異(P<0.05)。在施氮量250～300 kg/hm2區(qū)間內增加氮肥的用量對NR活性影響不明顯，且開花期新春6號N3處理根系NR活性比新春31號N2處理高16.12%。表明恰當地減施氮肥對于提高小麥生育中后期根系NR活性有積極作用，從而能夠在小麥籽粒蛋白的合成和積累過程中起到主要作用，進而增加小麥的產量。

2.1.2 根系GS活性的變化 由圖3可見，小麥根系GS活性的變動與NR活性的變化趨勢一致，隨生育時期推動呈先增加后減少的變化，開花期達到最大值，且2個春小麥品種均呈現出對照最低。不同供氮水平下新春31號根系GS活性與NR活性變化趨勢相同，在開花期N2處理GS活性比N5處理、N4處理、N3處理、N1處理分別高27.13%、11.75%、7.06%、3.55%，且N2處理與N1處理之間無顯著差異，與N3處理、N4處理、N5處理之間有顯著差異(P<0.05)。根系GS活性與產量的關系是y=-121 089x2+157 614x-44 148，r2=0.99*。新春6號的根系GS活性呈現為N3處理>N1處理>N2處理>N4處理>N5處理，在開花期GS活性N3處理比N5處理、N4處理、N2處理、N1處理分別高35.3%、14.26%、2.09%、8.01%，且N3處理與N1處理、N2處理之間差別不顯著，與N4處理、N5處理之間有顯著差異(P<0.05)。根系GS活性與產量的關系是y=-45 797x2+69 647x-18 953，r2=0.98*。表明在施氮量250～300 kg/hm2下，增施氮肥對GS活性影響不明顯，且開花期新春6號N3處理下根系的GS活性比新春31號在N2處理下高6.15%。

2.2 根系抗氧化特性的變化

2.2.1 根系POD活性的變化 由圖4可知，小麥根系的POD活性隨著生育期推進呈先增加后逐漸下降的趨勢，2個春小麥品種均在開花期達到峰值，且N5處理(對照)明顯低于其他處理。不同供氮水平下新春31號POD活性表現為N2處理>N1處 理>N3處理>N4處理>N5處理，開花期N2處理POD活性比N5處理、N4處理、N3處理、N1處理分別高31.83%、13.81%、8.52%、0.58%，且N2處理與N1處理之間無顯著差異，與N3處理、N4處理、N5處理之間有顯著差異(P<0.05)。新春31號根系POD活性與產量的關系是y=-1.339 9x2+471x-34 221，r2=0.99*。新春6號POD活性為N3處理>N1處理>N2處理>N4處理>N5處理，開花期N3處理比N5處理、N4處理、N2處理、N1處理POD活性分別低22.96%、10.49%、1.41%、2.13%，且N3處理與N1處理、N2處理之間差別不顯著，與N4處理、N5處理之間差異顯著(P<0.05)。新春6號根系POD活性與產量的關系是y=-1.334x2+496.79x-38 894，r2=0.96*。表明在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮肥用量對POD活性影響不明顯，且開花期新春6號N3處理根系POD活性比新春31號N2處理高0.22%。證明適當地減氮減慢了根系的衰老。

2.2.2 根系MDA含量的變化 由圖5可見，小麥根系MDA含量在拔節(jié)期至開花期增長平緩，開花后快速增長，到成熟期達到最大，且隨著施氮量的增多，MDA含量并沒呈規(guī)律性的變化，新春31號N2處理和新春6號N3處理MDA含量明顯低于其他處理。不同供氮水平下新春31號根系MDA含量表現為N5處理最高，N4處理次之，其次分別是N3處理和N1處理，N2處理MDA含量最低，比N5處理、N4處理、N3處理、N1處理分別低16.80%、2.11%、1.21%、1.67%，N2處理與N1處理之間無顯著差異，與N3處理、N4處理、N5處理之間有顯著差異(P<0.05)。新春31號根系MDA含量與產量的關系是y=-1 393.9x2+8 711.5x-6 198.6，r2=0.99**。新春6號根系MDA含量N5處理比其他處理高，N3處理MDA含量最低，N3處理在開花期分別比N5處理、N4處理、N2處理、N1處理低 32.12%、10.66%、0.98%、1.46%，且N3處理與N1處理、N2處理之間差異不顯著，與N4處理、N5處理之間有顯著差異(P<0.05)。新春6號根系MDA含量與產量的關系是y=-70.82x2-492.66x+9 800.2，r2=0.96**。說明施氮量在250～300 kg/hm2下，增加氮肥用量會降低小麥根系MDA含量，且開花期新春6號N3處理根系MDA含量比新春31號N2處理低6.94%。

2.3 根系活力的變化

由圖6可見，2個春小麥品種的根系活力在不同的供氮情況下變化情況相同，拔節(jié)期時最大，至開花期開始緩慢下降，之后迅速下降，且隨著供氮量的增多，根系活力逐步升高。不同供氮水平下新春31號根系活力表現為N2處理最強，其次分別是N1處理、N3處理、N4處理，N5處理最弱，拔節(jié)期N2處理比N1處理高0.37%，N2處理與N1處理之間無顯著差異，比N5處理、N4處理、N3處理分別高56.34%、8.98%、7.03%，與N3處理、N4處理、N5處理之間有顯著差異(P<0.05)。根系活力與產量的關系是y=15.286x+2 503.5，r2=0.95**。新春6號根系活力表現為N3處理最強，其次是N2處理，N1處理比N4處理高，N5處理最低，拔節(jié)期N3處理比N5處理、N4處理、N2處理、N1處理分別高52.41%、8.67%、0.47%、0.72%，且N3處理與N1處理、N2處理之間在各個時期差別不明顯，與N4處理和N5處理之間在各時期有顯著差異(P<0.05)。根系活力與產量的關系是y=14.873x+2 388.7，r2=0.96**。說明在各種供氮水平下，2個品種小麥根系活力均以新春6號高于新春31號。拔節(jié)期新春6號N3處理根系活力比新春31號N2處理高8.08%。

2.4 產量和氮素利用率的變化

由表1可知，2個小麥品種均是N1處理施氮量最大，氮肥農學利用效率卻較N2處理和N3處理低，說明較高的施氮量既浪費肥料，還對產量造成負面影響。同時表明，2個品種施氮量過高(N1)時，雖然也可獲得較高產量但導致較低的氮素利用率，新春31號N2處理和新春6號N3處理施氮量雖不是最高卻在一定程度上獲得了較高的氮肥農學利用效率。

表1 不同供氮水平下滴灌春小麥產量和氮肥農學利用率的變化

3 討論與結論

根系的生理特性對高效吸收和有效利用氮素影響較大，低氮條件下較好的生理活性是氮素被高效吸收利用的重要條件[25]。施氮量在一定范圍內與根系生長呈正相關，施肥過多或過少都會影響根系生長，進而影響地上部的生長[24]。氮代謝過程中NR和GS是2種重要的酶，其活性在一定水平上反映了植株的營養(yǎng)狀況和氮素轉運[26]。本研究發(fā)現，不同供氮條件下的新春31號和新春6號根系中NR活性有所差別。新春31號根系NR活性表現為N2處理最高，N1處理次之，其次分別是N3處理、N4處理、N5處理，新春6號根系NR活性呈現為N3處理最高，N1處理次之，其次分別是N2處理、N4處理、N5處理，可看出供氮量在N2處理(275 kg/hm2)基礎上增多，反而使小麥根系中硝酸還原酶的活性有一定程度的降低。2個品種小麥在全部生育期內NR活性變化是先增后減，開花期時達到峰值，之后逐漸降低，說明小麥根系中硝酸還原酶的活性反映著小麥衰老的進程，適當增加氮肥施用量，在生長發(fā)育過程中能一定程度地延緩小麥根系衰老的發(fā)生。本研究發(fā)現，不同供氮條件下的新春31號和新春6號，在各生育期，硝酸還原酶活性和谷氨酰胺酶活性的變化趨勢大致相同，在生育進程中均是先增后減的趨勢，各處理的峰值皆出現在開花期，且峰值最低均為N5處理(對照)。在施氮量0～250 kg/hm2下，小麥根系NR和GS活性隨施氮量增加而有所增強。在低氮處理下小麥根系NR、GS活性均明顯降低，且開花期新春6號N3處理(250 kg/hm2)根系NS和GS活性比新春31號N2處理(275 kg/hm2)分別高16.12%和6.15%。證明低氮處理下小麥根系NR、GS的活性均降低，耐低氮品種的降幅小于不耐低氮品種，即新春6號植株體內氮素代謝較旺盛，根系吸收利用氮素的能力較強，低氮脅迫下植株的NR和GS活性低于供氮正常的植株，隨氮素營養(yǎng)水平的提高，NR和GS活性增強，這與前人的研究結果[27]一致。在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮素對NR和GS活性沒有明顯影響，意味著小麥根系NR、GS的活性并沒有隨著供氮水平的增加而增加，新春6號施氮量 250 kg/hm2，新春31號施氮量275 kg/hm2，滴灌小麥開花期根系NR和GS活性表現為最高。2個小麥品種在統(tǒng)一的供氮條件下，根系的NR和GS活性存在差別，說明小麥品種不同時，在不同供氮處理下的適應能力也會不同，也說明品種和小麥的生長有所聯(lián)系。有研究表明，適宜的氮素供應可減輕活性氧對植物根系細胞質膜的傷害，增強根系的抗氧化功能，延緩衰老[28]。本研究發(fā)現，隨著生育期的變化，新春31號和新春6號2個小麥品種根系中POD活性不斷上升，到開花期出現單峰的最高值，開花期之后，根系POD活性開始下降，且在開花期新春31號N2處理(275 kg/hm2)，新春6號N3處理(250 kg/hm2)的根系POD活性最大，在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮肥用量對POD活性影響不明顯，POD活性并不會隨著施氮量的減少而明顯下降，可能由于小麥生育后期，根系中起到保護作用的過氧化物酶不斷產生，從而減緩了根系的衰老速度。但隨著有害氧化物的持續(xù)增加，過氧化物保護酶活性也開始降低。小麥根系MDA含量在拔節(jié)期至開花期增長平緩，開花后迅速增加，到成熟期達到最大值，在施氮量250～300 kg/hm2下，增施氮肥明顯使得根系MDA含量下降，且開花期新春6號N3處理根系MDA含量比新春31號N2處理低6.94%，表明新春6號的根系抗氧化能力更強，根系衰老速度減緩。有研究發(fā)現，在一定范圍內恰當地施用氮肥能促進根系生長，減緩后期根系生長的速率，進一步提高根系活力[19]。張玉秋等研究發(fā)現施用適量的氮肥能促進玉米根系生長，從而促進地上部的生長發(fā)育，推遲玉米衰老[29]。本試驗發(fā)現，小麥的根系活力會由于氮素的施用量減少而降低，而適量地增加氮素供給可以增強根系活力。在施氮量0～250 kg/hm2下，隨著施氮量的增加滴灌春小麥根系活力逐漸升高，在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮肥施用量對根系活力作用不明顯，說明小麥根系活力并不會隨著供氮水平的增加而增強，新春6號施氮量是250 kg/hm2，新春31號施氮量是275 kg/hm2時，滴灌小麥拔節(jié)期根系活力最高。2個小麥品種在較高氮素處理下的根系吸收能力有所差異，新春6號的根系活力是新春31號的1.12倍。拔節(jié)期新春6號N3處理(250 kg/hm2)根系活力比新春31號N2處理(275 kg/hm2)高8.08%。說明氮素較多會提高新春6號的根系活力，但并不能增加新春31號的根系活力，即不同小麥品種間的根系吸收能力存在一定差異。同時說明過高的氮素供應對小麥的根系生長并沒有明顯的促進作用，反而浪費了資源。因此，在農業(yè)生產中應根據不同品種小麥對氮素的不同適應性，合理進行肥料的調控，提高小麥根系活力，使小麥對養(yǎng)分的吸收能力有所提高。

在我國小麥生產過程中氮肥施用過量然而增產效應不顯著、較低的氮肥利用率及環(huán)境污染等問題仍未改善。因而，在確保小麥產量穩(wěn)定的基礎上，減少氮肥的施用有重要的實踐意義。熊淑萍的研究結果表明，與廣泛的施氮處理相比，恰當降低氮的供給量，小麥根系生物量、根系活力、氮肥生理利用效率升高；增加供氮量，根系活力和產量均顯著升高，而根冠比和氮肥生理利用率降低[16]。本研究得出，通過施氮可以增加小麥的產量，改善其品質，而不同品種的小麥對不同水平氮肥的表現存在差別。新春31號施氮量是275 kg/hm2時增產效果最好，而新春6號施氮量以250 kg/hm2增產效果最好。有研究表明當小麥的施氮量在225～260 kg/hm2時小麥比較容易獲得高產，當施氮量高于或低于最適施氮量時均會影響小麥的產量[30]。有研究總結出施氮量在0～300 kg/hm2下，施氮量增加產量會逐漸提高[31]。本研究2個小麥品種均是N1處理供氮最多，而氮素利用率卻比N2處理和N3處理低，表明較高的施氮量既浪費肥料，還對產量造成負面影響。同時表明，2個品種施氮量過高(N1)時，雖然也可獲得較高產量但導致較低的氮素利用率，新春31號施氮量275 kg/hm2和新春6號施氮量250 kg/hm2雖不是最高，卻在一定程度上獲得了較高的氮素利用率。氮素嚴重不足(0 kg/hm2)時會使根系生長受到抑制，根系活力下降，根系衰亡提前，從而對養(yǎng)分的吸收造成影響，導致產量降低。

本研究中不同施氮量下，新春31號施氮量達到275 kg/hm2、新春6號施氮量達到250 kg/hm2時根系生理特性表現最佳。進一步對滴灌春小麥根系生理特征指標與產量進行相關分析，研究表明NR、GS的活性和根系活力越強，產量越高，與上述三者不同的是產量隨MDA含量的升高并非提高，反而有所降低。供氮量由225 kg/hm2增加至 275 kg/hm2時，籽粒產量和氮肥農學利用效率皆會隨供氮量的增加有所提高，然而，當供氮量為 300 kg/hm2時，產量和氮肥農學利用效率并沒有明顯提升。因此，在考慮到生產成本問題和生態(tài)效益的情況下，將氮肥用量從300 kg/hm2減少至250～275 kg/hm2將更有利于新春31號和新春6號的高效生產，也更穩(wěn)產、安全。新春31號和新春6號產量的提高，主要與在小麥生長期間提供了適量的氮肥有關。綜合小麥根系的生理指標和產量關系得出最適氮肥施用量在250～275 kg/hm2，可達到高產與節(jié)肥目的，這一模式也體現了滴灌技術節(jié)肥高產的優(yōu)越性。