不同氮效率型苜蓿氮素吸收差異與根系形態(tài)的關(guān)系及其對(duì)氮的響應(yīng)

郝 鳳， 于鐵峰， 劉曉靜， 高 凱

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 通遼 028042； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國(guó)畜牧業(yè)的快速發(fā)展，在有限的種植地上要提高牧草產(chǎn)量需持續(xù)增加氮肥使用量，但肥料利用率卻僅達(dá)30%左右[1]。因此，不僅造成了資源浪費(fèi)，還帶來(lái)了污染水體、空氣等一系列社會(huì)環(huán)境問(wèn)題[2]。如何從生物角度提高氮效率，無(wú)疑有兩種途徑：一是提高植物對(duì)氮素的吸收效率，二是提高植物對(duì)氮素的利用效率[3]。其中，氮素的吸收是基礎(chǔ)與前提，也是重中之重[4]。根系作為吸收系統(tǒng)的重要器官，對(duì)氮素的獲取能力可能是一個(gè)關(guān)鍵因素，根系的多少及形態(tài)特征在決定作物對(duì)氮素的吸收方面起重要作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)產(chǎn)量的形成[5-6]。已有研究表明氮效率在紫花苜蓿不同品種間確有差異[7-8]，其根系多少及形態(tài)特征也是不同品種間氮素吸收效率存在明顯差異的重要內(nèi)因[9-10]。而根系又具有一定的趨肥性和可塑性，在生產(chǎn)上根據(jù)不同類(lèi)型有針對(duì)性的施肥，可以達(dá)到事半功倍的效果。本研究探討不同氮效率型苜蓿氮素吸收差異對(duì)不同氮濃度的響應(yīng)及其與根系形態(tài)的關(guān)系，對(duì)于節(jié)約成本、減少污染及探討牧草氮高效栽培途徑具有重要意義。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為畜牧業(yè)生產(chǎn)中首選飼草，其獨(dú)特的氮素利用方式，與禾谷類(lèi)作物相比可以大大提高粗蛋白的產(chǎn)出[11]，且根系較為發(fā)達(dá)、耐旱，也有較好的生態(tài)效益，是我國(guó)北方地區(qū)重要的栽培牧草[12-13]。已有研究表明植物根系中參與氮素吸收的根系比例也受供氮量多少的影響。康佳惠等[14]對(duì)紫花苜蓿的研究表明根系生物量與根表面積、根平均直徑、根體積均呈極顯著正相關(guān)，與根系全氮含量呈顯著正相關(guān)。Robinson等[15]認(rèn)為，低氮條件下參與氮素吸收的根系占總根系的11%，而高氮條件下則僅有3.5%。可見(jiàn)，植物根系形態(tài)特征與氮素吸收效率的高低可能是一個(gè)相對(duì)的概念，應(yīng)該在不同供氮量下進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。對(duì)于苜蓿，已有研究表明供氮量對(duì)苜蓿苗期根系形態(tài)影響顯著，且不同品種間的根系發(fā)育能力存在顯著差異[16-17]。盡管氮素對(duì)根系生長(zhǎng)的研究已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注，但是將根系形態(tài)與苜蓿不同養(yǎng)分效率型聯(lián)系在一起的研究報(bào)道十分有限，且紫花苜蓿在苗期對(duì)氮素的高效吸收可為其氮素的高效利用奠定基礎(chǔ)。因此本研究以不同氮效率型苜蓿品種為材料，在不同供氮量下，研究其氮素吸收差異與根系形態(tài)的關(guān)系，為進(jìn)行苜蓿氮營(yíng)養(yǎng)高效栽培奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)前期分類(lèi)結(jié)果[18]，高效型在低氮和正常氮水平下均表現(xiàn)為高效型，低效型在低氮和正常氮水平下均表現(xiàn)為低效型。選用適合本地區(qū)種植的氮效率高效型品種‘龍牧806(LM806)’和‘肇東苜蓿(ZD)’‘低效型品種公農(nóng)1號(hào)(GN1)’和‘隴東苜蓿(LD)’。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 樣品采集與測(cè)定

樣品收獲后將植株地上部與根系的鮮樣105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重后分別稱(chēng)重。采用H2SO4-H2O消化-凱氏定氮法測(cè)定氮含量[19]。隨機(jī)取30株植株測(cè)定其伸展高度，取平均值為株高。將根系的沙子用自來(lái)水沖洗干凈后，自根頸處將地上部與根系剪開(kāi)，總根長(zhǎng)和根體積通過(guò)Scan Maker i800 Plus掃描儀和萬(wàn)深LA-S根系分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)定。

相關(guān)指標(biāo)計(jì)算：

氮素吸收效率(kg·kg-1)= 整株氮素積累量/各自對(duì)應(yīng)處理的供氮總量

氮響應(yīng)度(kg·kg-1)=

(施氮產(chǎn)量-極低氮處理產(chǎn)量)/施氮量

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件Duncan法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，相關(guān)分析及通徑分析。Microsoft Excel 2016繪圖，所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿品種株高和地上生物量的影響

由圖1和圖2可知，高效型和低效型品種的株高和地上生物量從N2.1到N21水平增幅基本一致，分別為30%～32%和44%～56%，但高效型品種的株高和地上生物量在供氮量增加到N210水平時(shí)的增幅分別為58%～59%和122%～135%，明顯高于低效型品種的增幅40%～44%和76%～78%。在4個(gè)供氮量下，氮高效型品種的株高和地上生物量均顯著高于低效型品種(P<0.05)，且在N210和N420水平相差較大。

圖1 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿品種株高的影響Fig.1 Effect of nitrogen supply on plant height of alfalfa varieties with different N-efficiency注：不同小寫(xiě)字母表示品種之間的差異顯著(P<0.05)，下同Note:The different small letters mean the significant differences among varieties at P<0.05,the same as below

圖2 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿品種地上生物量的影響Fig.2 Effect of nitrogen supply on aboveground biomass of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.2 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿根重、總根長(zhǎng)和根體積的影響

由圖3、圖4和圖5分析，根重、總根長(zhǎng)和根體積均隨供氮量的增加呈先上升后降低的趨勢(shì)，在N210處理最大。高效型品種的根重、總根長(zhǎng)和根體積在適宜供氮量?jī)?nèi)，隨氮量的增加增幅較大，分別為74%～75%，131%～138%，80%～81%，而低效型品種增幅較小，分別為44%～48%，95%～99%，38%～43%，說(shuō)明適宜供氮量?jī)?nèi)隨氮量的增加，高效型品種根重、總根長(zhǎng)和根體積均迅速增加，而低效型品種增長(zhǎng)緩慢。在4個(gè)供氮量下，氮高效型品種的根重、總根長(zhǎng)和根體積均顯著高于低效型品種(P<0.05)。在N210和N420處理，2個(gè)氮效率型苜蓿的根重、總根長(zhǎng)和根體積相差較大。在N2.1和N21處理，2個(gè)氮效率型苜蓿的根重、總根長(zhǎng)和根體積相差明顯縮小。

圖3 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿根重的影響Fig.3 Effect of nitrogen supply on root dry weight of alfalfa varieties with different N-efficiency

圖4 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿總根長(zhǎng)的影響Fig.4 Effect of nitrogen supply on total root length of alfalfa varieties with different N-efficiency

圖5 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿根體積的影響Fig.5 Effect of nitrogen supply on root volume of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.3 苜蓿不同氮效率型品種根系、地上部氮積累量占整株氮積累量的百分率差異

隨供氮量的增加，根系氮積累量占整株氮積累量的百分率逐漸降低(圖6)，氮素脅迫程度越高，根系吸氮量占整株氮積累量的比例越大。不同氮效率類(lèi)型苜蓿在4個(gè)供氮量下氮素的分配也有較大的差異。在供氮量N2.1處理，高效型品種根系氮積累量占整株氮積累量的比例較高，而低效型品種占比則較低，降低的幅度在12%～13%。在N21處理，高效型品種根系氮積累量占整株氮積累量的比例顯著高于低效型苜蓿(P<0.05)，降低的幅度在22%～25%。在N210和N420處理，低效型品種與高效型品種的差異減少。在供氮量較低時(shí)，高效型苜蓿根系積累了較大比例的氮素。

與根系相反，地上部氮積累量占比隨供氮量的增加有所升高(圖6)。在N2.1和N21處理，2個(gè)氮效率型苜蓿的地上部氮積累量占比變化基本一致，均表現(xiàn)為高效型品種顯著高于低效型品種(P<0.05)，分別高16%～17%和22%～26%。在N210和N420處理，2個(gè)氮效率型苜蓿地上部氮積累量占比的差異減小。在供氮量較低時(shí)，低效型苜蓿向地上分配了較多的氮素。

圖6 供氮量對(duì)不同氮效率型苜蓿根系、地上部N積累量/總氮量比值的影響Fig.6 Effect of nitrogen supply on ratio of root,shoot N accumulation to total N uptake of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.4 不同氮效率型苜蓿的氮素吸收效率和氮響應(yīng)度

由表1得出，兩種氮效率型苜蓿氮素吸收效率均表現(xiàn)為N2.1>N21>N210>N420，高效型品種氮素吸收效率顯著高于低效型品種(P<0.05)。隨供氮量的增加，高效型品種和低效型品種的氮響應(yīng)度均呈下降趨勢(shì)，但高效型品種顯著高于低效型品種(P<0.05)，在N210和N420處理，2個(gè)氮效率型苜蓿的氮素吸收效率和氮響應(yīng)度的差異增大。

表1 不同氮效率型苜蓿的氮素吸收效率和氮響應(yīng)度Table 1 N uptake efficiency and N response of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.5 不同氮效率型苜蓿總氮量與根重、總根長(zhǎng)及根體積的關(guān)系

總氮量與根重的相關(guān)分析表明(表2),在供氮量較低時(shí)(N2.1和N21)，高效型和低效型品種的總氮量與根重均表現(xiàn)為極顯著線性相關(guān)(P<0.01)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.990和0.987；而在供氮量較高時(shí)(N210和N420)，二者的相關(guān)性均較差，相關(guān)系數(shù)僅為0.123和0.220。

與根系干重相似，總氮量與總根長(zhǎng)在供氮量較低時(shí)(N2.1和N21)，高效型和低效型品種的總氮量與總根長(zhǎng)均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)，但高效型品種的相關(guān)系數(shù)大于低效型品種的相關(guān)系數(shù)。而供氮量較高時(shí)(N210和N420)，二者沒(méi)有顯著的相關(guān)性(表2)。

從根體積與總氮量的關(guān)系(表2)，可以看出在供氮量較低時(shí)(N2.1和N21)，高效型和低效型品種的總氮量與根體積均表現(xiàn)為正相關(guān)，高效型品種達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。而供氮量較高時(shí)(N210和N420)，二者沒(méi)有顯著的相關(guān)性。

表2 不同氮效率型苜蓿總氮量與根重、總根長(zhǎng)及根體積的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between total nitrogen and root dry weight,total root length or root volume of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.6 不同氮效率型苜蓿總吸氮量與根重、總根長(zhǎng)及根體積的通徑分析

直接通徑系數(shù)表示自變量與因變量之間的直接作用關(guān)系，高效型品種在供氮量較低時(shí)(N2.1和N21)，根重對(duì)氮素的吸收直接作用較大；在供氮量較高時(shí)(N210和N420)，根長(zhǎng)對(duì)氮素的吸收直接作用較大。低效型品種在4個(gè)供氮量下均是根重對(duì)氮素的吸收直接作用較大(表3)。

表3 不同氮效率型苜蓿根重、總根長(zhǎng)及根體積對(duì)總氮量的通徑系數(shù)Table 3 Path coefficients of root dry weight,total root length or root volume to total nitrogen of alfalfa varieties with different N-efficiency

3 討論

3.1 不同氮效率型苜蓿苗期生長(zhǎng)的差異及其對(duì)氮肥的響應(yīng)

植株地上部的生長(zhǎng)表觀是生長(zhǎng)發(fā)育的直接反映，本研究中增加氮素供應(yīng)至適量時(shí)，不同氮效率型苜蓿均表現(xiàn)為生長(zhǎng)迅速，繼續(xù)增加供氮量則生長(zhǎng)極為緩慢，說(shuō)明供氮量為N210(210 mg·L-1)時(shí)就可以滿足現(xiàn)有的產(chǎn)量水平，過(guò)多施氮?jiǎng)t肥效反而降低。可能是由于施氮過(guò)多，溶質(zhì)勢(shì)有所提升，從而降低了作物的蒸騰量及氣孔導(dǎo)度[20]，降低光合速率。胡偉等[21]和王茜等[22]對(duì)苜蓿的研究也表明此觀點(diǎn)。2個(gè)氮效率型苜蓿間的株高和地上生物量的差異隨著供氮量的增加而增大，而高效型苜蓿對(duì)氮肥的響應(yīng)度也顯著高于低效型苜蓿(P<0.05)，且在N210和N420處理與低效型苜蓿相差較大，說(shuō)明達(dá)到適量供氮量后高效型品種對(duì)氮肥的敏感性高于低效型品種，主要是由于低效型品種無(wú)論在何種氮水平下，均屬于低效基因型，地上部生長(zhǎng)對(duì)氮素增加的反應(yīng)較小的緣故。

根系是植物最活躍的養(yǎng)分吸收器官，發(fā)達(dá)的根系有利于提高作物產(chǎn)量[23]。通過(guò)對(duì)糧食作物[24-25]、蔬菜[25]和牧草等[27-28]的研究表明，作物根系形態(tài)參數(shù)在品種間存在著的顯著差異。本研究中，高效型苜蓿的總根長(zhǎng)、根體積和根重均顯著高于低效型(P<0.05)，可能是高效型苜蓿在苗期具有較強(qiáng)的發(fā)根能力，這也是其高效吸收氮素的重要原因之一。盡管試驗(yàn)材料不同，但在對(duì)水稻[29-30]、玉米[31]等的研究上也得出相同結(jié)果。且在供氮量較高時(shí)(N210和N420)根系形態(tài)參數(shù)，尤其總根長(zhǎng)均有所降低，說(shuō)明當(dāng)增加供氮量時(shí)，植物對(duì)氮吸收的提高并不是依靠根系長(zhǎng)度的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種現(xiàn)象也是地上部和根系生長(zhǎng)功能平衡的體現(xiàn)[32]。

3.2 不同氮效率型苜蓿氮素吸收的差異及其對(duì)氮肥的響應(yīng)

作物對(duì)氮素的吸收依賴根系的生長(zhǎng)發(fā)育。本試驗(yàn)結(jié)果表明高效型品種的根系氮積累量對(duì)總氮量的貢獻(xiàn)較大，對(duì)氮的響應(yīng)度也較高，與低效型品種相比，其具有較大的根系，從而可使該類(lèi)型苜蓿在更廣的范圍內(nèi)吸取較多的氮素，尤其在氮素有效性較低時(shí)會(huì)累積更多的氮素，以供其生長(zhǎng)需要。王運(yùn)濤等[33]對(duì)苜蓿的研究結(jié)果也證實(shí)這一點(diǎn)，較大的根系是中草3號(hào)和YL80獲得較高產(chǎn)量的原因。且增加氮素的供應(yīng)可以顯著地促進(jìn)地上部的生長(zhǎng)，從而累積較大比例的氮素，但對(duì)根系生長(zhǎng)的影響說(shuō)法不一，有可能表現(xiàn)為促進(jìn)或抑制作用[34]，其效果取決于多種因素，但較為一致的結(jié)論是，供氮量的增加對(duì)地上部生長(zhǎng)的促進(jìn)作用遠(yuǎn)大于對(duì)根系的促進(jìn)作用。本試驗(yàn)的結(jié)果與此相同。Sattelmacher等[35]認(rèn)為，作物地上部和根系的生長(zhǎng)是由碳水化合物和氮的平衡決定的，碳限制根系生長(zhǎng)，而氮限制地上部生長(zhǎng)。供氮量較低時(shí)嚴(yán)重抑制了地上部的生長(zhǎng)，但是，促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)，從而增大了根系占比，增加了對(duì)氮素的吸收。供氮量較大時(shí)(N210和N420)，2個(gè)氮效率型苜蓿地上部氮積累量占比的差異減小，氮素吸收效率和氮響應(yīng)度的差異增大，說(shuō)明地上部、根系氮積累量的差異主要是由于生物量所致，高效型品種對(duì)氮肥的敏感性升高。

本試驗(yàn)對(duì)不同氮效率型苜蓿的氮素吸收與根重、總根長(zhǎng)和根體積的相關(guān)性及通徑分析，結(jié)果表明，供氮量較低時(shí)(N2.10和N21)，根系形態(tài)參數(shù)與總氮量表現(xiàn)顯著的正相關(guān)(P<0.05)，根重對(duì)氮素的吸收直接作用較大；供氮量較高時(shí)(N210和N420)，二者沒(méi)有顯著的相關(guān)性。高效型品種的根長(zhǎng)對(duì)氮素的吸收直接作用較大，而低效型品種仍是根重對(duì)氮素的吸收直接作用較大。康佳惠等[14]對(duì)紫花苜蓿的研究表明根系生物量與根表面積、根平均直徑、根體積均呈極顯著正相關(guān)，與根系全氮含量呈顯著正相關(guān)。當(dāng)供氮量充足時(shí)，不同氮效率型苜蓿的根系形態(tài)對(duì)氮素吸收的影響遠(yuǎn)不如缺氮時(shí)那么重要。因此，苗期苜蓿的根系形態(tài)直接與氮效率密切相關(guān)，尤其當(dāng)?shù)爻蔀橄拗埔蜃訒r(shí)，它對(duì)氮素的高效吸收具有重要的作用。綜上，高效型品種的根系生長(zhǎng)發(fā)育較好，使其氮素吸收量較高，最終表現(xiàn)為產(chǎn)量較高。

4 結(jié)論

低氮條件下，苗期苜蓿的根系形態(tài)與氮素的高效吸收密切相關(guān)，根重影響著苜蓿氮素的吸收量；適量供氮條件下，高效型品種的氮素吸收效率和氮響應(yīng)度均高于低效型品種，且根長(zhǎng)直接影響高效型品種的氮素吸收，而低效型品種仍是根重對(duì)氮素吸收的影響較大；過(guò)量供氮后，高效型品種對(duì)氮肥的敏感性升高。