不同施氮量和分施比例對棉花幼苗生長和水分利用效率的影響及其根源ABA調(diào)控效應(yīng)

李文嬈,李永競,馮士珍

河南大學(xué)棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生命科學(xué)學(xué)院, 開封 475004

不同施氮量和分施比例對棉花幼苗生長和水分利用效率的影響及其根源ABA調(diào)控效應(yīng)

河南大學(xué)棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生命科學(xué)學(xué)院, 開封 475004

研究了分根交替供水(APRI)條件下不同施氮量(高氮HN 200kg/hm2、中氮MN 120kg/hm2和低氮LN 80kg/hm2)和分區(qū)氮肥施用比例(1∶3,2∶2和0∶4)處理下,經(jīng)歷干旱脅迫后棉花幼苗(品種：汴棉5號)株高、莖粗、根冠生物量、氣體交換參數(shù)、水分利用效率(WUE)、總根長和根系表面積以及根源脫落酸(ABA)含量的變化。以期進(jìn)一步明確根源ABA對棉花幼苗生長和WUE調(diào)控的生理生態(tài)效應(yīng)。結(jié)果表明：施氮量和氮肥分施顯著增強(qiáng)了干旱條件下根源ABA對棉花幼苗生長和WUE的調(diào)控作用,但根源ABA對氮利用效率無顯著影響。高氮處理下棉花幼苗生長受到干旱的影響最小,具有最好的生長狀態(tài)和最大的根源ABA含量,但其WUE最低；而低氮處理下的棉花幼苗生長最弱但具有最大的WUE。無論施氮量為何,0∶4施氮比例棉花幼苗在干旱條件下生長最弱,1∶3施氮比例幼苗則生長最好,且具有最大的WUE和根源ABA含量、根系總長度和表面積；2∶2 和1∶3施氮比例的棉花幼苗在根冠生長和葉面積上未表現(xiàn)出明顯的差異；0∶4和1∶3施肥比例的棉花幼苗在氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、WUE和根源ABA含量上差異不明顯。因此,施用氮肥以及適當(dāng)施肥比例能夠誘導(dǎo)根源ABA產(chǎn)生更強(qiáng)的信號作用,調(diào)控棉花幼苗減少水分消耗、維持更好的根系形態(tài)(根長和表面積以及細(xì)根比例的維持和增長)和光合能力來維系干旱條件下植株更好的生長和更高的WUE,尤其1∶3施肥比例下。雖然干旱條件下低氮耦合1∶3施氮比例具有最大的WUE,但中氮耦合1∶3施氮處理可以在得到最高生物量的同時得到較高的WUE,同時做到高產(chǎn)、省水和節(jié)約氮肥。

分根施氮；根源ABA；施氮量；生長；水分利用效率(WUE)；干旱

棉花是我國乃至世界范圍內(nèi)重要的經(jīng)濟(jì)作物。但目前農(nóng)業(yè)用水資源短缺、氮肥施用過量以及隨之帶來的土壤酸化等生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)[1],嚴(yán)重阻礙了棉花生產(chǎn)中高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、少施水肥目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。作為“灌溉節(jié)水”和“生物節(jié)水”理論在生產(chǎn)實(shí)踐中的重要應(yīng)用,分根交替灌溉技術(shù)(Alternative Partial Root-zone Irrigation, APRI)已在包括棉花[2- 10]在內(nèi)的多種作物(葡萄[11- 13]、馬鈴薯[14]、番茄[15]、蘋果[16]、玉米[17- 22]等)的種植管理過程中實(shí)現(xiàn)了不減產(chǎn)條件下水分的高效利用,即水分利用效率(WUE)的提高；同時,氮肥施用試驗(yàn)表明APRI配施適量氮肥可有效地促進(jìn)棉花的光合作用、調(diào)控根系生長、優(yōu)化干物質(zhì)分配,同時提高棉花產(chǎn)量和WUE[10,23- 28]；配施少量或過量氮肥則會因缺氮或發(fā)生氮抑制而導(dǎo)致棉花根系衰老進(jìn)程加速,限制根系的生長[26- 27],從而不利于水肥的高效利用和產(chǎn)量形成。可以看出,對于APRI配施氮肥對棉花生長和WUE影響方面的研究已經(jīng)相對成熟,但相對于APRI而進(jìn)行的分根區(qū)施氮對棉花WUE的影響方面的研究報(bào)道則相對較少。周秀杰等[11]研究了局部根區(qū)PEG模擬水分脅迫下氮形態(tài)(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和混合氮)與供給部位對玉米幼苗生長的影響,得出了與PEG異區(qū)施氮利于植株生長,而與PEG同區(qū)施氮更利于植株WUE提高的結(jié)論,但此研究缺乏土壤持續(xù)干旱條件下的數(shù)據(jù)支持,也并未報(bào)道處理因素間的互作效應(yīng)；Hu 等[19]證實(shí)APRI技術(shù)對玉米氮肥吸收的促進(jìn)作用,同時得出APRI濕潤區(qū)氮素吸收對整株氮素利用具有補(bǔ)償效應(yīng)的結(jié)論,但此研究并未論述施氮量不同是否會對此種效應(yīng)的發(fā)揮產(chǎn)生影響。基于APRI技術(shù)的理論基礎(chǔ)是作物感知缺水的根源信號傳導(dǎo)理論[29- 31]和根系吸收的補(bǔ)償效應(yīng)[29,32],并且在多種作物上已經(jīng)證實(shí)了APRI條件下根源信號物質(zhì)脫落酸(ABA)對氣孔的調(diào)控作用所帶來的WUE的提高[33],本試驗(yàn)以棉花為試驗(yàn)材料,將灌溉方式和分根區(qū)施氮處理相結(jié)合,研究持續(xù)干旱條件下根源ABA對棉花幼苗生長和WUE的調(diào)控效應(yīng),擬為發(fā)展節(jié)水、省肥、高產(chǎn)的棉花種植技術(shù)提供新的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

以棉花(GossypiumhirsutumL., CV：汴棉5號)為試驗(yàn)材料。采用PVC管栽方式培養(yǎng)幼苗,管口直徑7cm,深度25cm。APRI處理依照杜太生等[3]的方法,在管內(nèi)正中間,用塑料膜縱向均勻隔開成兩部分(左右對稱),并在兩塑料膜處剪成一個“V”形缺口,在“V”型口垂直下方,間隔6—8 cm剪1.5 cm2左右的方口,使得縱深根系可以透過。棉花種子在黑暗中催芽后播種于管內(nèi)中央“V”形缺口處。播種時每管播種2粒,出苗4 d后選取長勢一致的幼苗,每管留一株。幼苗生長期間生長條件：晝/夜溫度為30℃/23℃,光照時間14/10 h day/night,最大補(bǔ)充光強(qiáng)為800μmol m-2s-1,空氣相對濕度為85%。

1.2 試驗(yàn)方法及指標(biāo)

1.2.1 生物量

根莖結(jié)合處以上為地上冠層生物量,根莖結(jié)合處以下為地下生物量,收獲后在105℃下殺青 30 min,再在80 ℃下烘至衡重,得冠層和根系干重。

1.2.2 株高、莖粗和葉面積

用常規(guī)量尺和游標(biāo)卡尺分別測定植株自土壤表面向上的自然高度和子葉以下1cm處的莖粗；用葉面積測定儀(WDY- 500A,中國)測定單株全部功能葉片葉面積。

1.2.3 氣體交換參數(shù)和水分利用效率(WUE)

1.4 植骨融合標(biāo)準(zhǔn) 按照Moon關(guān)于植骨融合的標(biāo)準(zhǔn)判斷研究對象的植骨融合情況[5]：(1)骨小梁通過植骨區(qū)；(2)無進(jìn)一步矯正角度丟失；(3)無植骨吸收；(4)CT掃描提示融合。

在收獲日9:00—11:00,采用便攜式光合系統(tǒng)測定儀(LI- 6400,美國)測定不同棉株處理倒二葉完全展開葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)。測定時使用紅藍(lán)光源葉室,根據(jù)光照培養(yǎng)箱內(nèi)實(shí)際光照強(qiáng)度和溫度,將光強(qiáng)設(shè)置為800μmol m-2s-1,環(huán)境溫度設(shè)置為25℃。計(jì)算葉片瞬時水分利用效率(WUEi=Pn/Tr)。生物量WUE(WUEb)以單株生物量與整個試驗(yàn)期內(nèi)單株蒸騰耗水量之比來表示,即WUEb=單株生物量/耗水量(g/kg)。

1.2.4 氮利用效率(NUE)

利用周秀杰等[11]的方法,稱取0.1g烘干材料,用H2SO4-H2O2法經(jīng)消化爐350℃下硝煮至無色,立即用全自動凱氏定氮儀(K1100型,山東凱能)測定氮含量。氮利用效率(USE)=植株氮增量/氮肥施入量×100%。

1.2.5 根系形態(tài)指標(biāo)測定

棉花幼苗從根莖處截?cái)嗪?剖開PVC管,用流水將根系沖洗干凈,沖根時根系置于孔徑1 mm的尼龍網(wǎng)中以防止流水沖走脫落的細(xì)小根系。將完整根系樣本放入裝有水的專用無色透明根盤,用鑷子調(diào)整根的位置盡量避免交叉重疊,用EPSON掃描儀(PERFECTTION 4900 PHOTO,日本)掃描根系得到圖片,用WinRHIZO Pro根系掃描分析系統(tǒng)(WinRHIZO,加拿大)測定根系總長、根表面積等根系形態(tài)特征參數(shù)。

1.2.6 根系木質(zhì)部汁液的收集與ABA含量的測定

依據(jù)李文嬈等[34]的方法,將整個植株放入壓力室(3005,美國)中,從距根莖部2—3cm處切斷,固定后立即清洗斷面,加壓到根水勢以上0.2 MPa,收集汁液并放入1.5 mL離心管中,隨后放入液氮中保存?zhèn)溆?。之后立即沖洗根系,取根尖部分,一并放入液氮中保存?zhèn)溆谩８举|(zhì)部汁液和根組織ABA(根源ABA)的測定依據(jù)Netting等[35]的酶聯(lián)免疫法,稍加改進(jìn)。冷凍干燥的根組織樣品0.02g,加入200μL 蒸餾水4℃下提取過夜,取上清液用于ABA含量測定。50 μL汁液或根組織提取液樣品,順次加入200μL PBS、100 μL3H-(+)-ABA 和100 μL ABA抗體溶液,4℃下反應(yīng)60 min,隨后順次使用飽和(NH4)2SO4溶液和50% (NH4)2SO4溶液沖洗反應(yīng)沉淀,離心后棄掉上清液,加入1.2 mL 閃爍液,在閃爍計(jì)數(shù)器(Ls6500,美國)上讀取數(shù)值。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算ABA含量值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

用sigmaplot 8.0軟件繪制相關(guān)圖表；用SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行雙因素和單因素方差分析(ANOVA),并采用LSD法進(jìn)行多重比較,用字母標(biāo)記法在各圖表中標(biāo)出統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 分根施氮對棉花幼苗生長的影響

分析表1和表2可知,施氮量、分施比例和二者的交互作用顯著影響了棉花幼苗的根冠生物量(P<0.05),并由此帶來了根冠比的改變；但僅施氮量及其與分施比例的交互作用對株高和莖粗產(chǎn)生了顯著影響。

隨著施氮量的減少,幼苗生長逐漸變?nèi)?表現(xiàn)在：低氮處理?xiàng)l件下棉花幼苗株高、莖粗、冠生物量、根生物量和根冠比分別比正常施氮減少了12.89%—17.54%、9.73%—16.99%、10.75%—14.85%、11.11%—21.05%和0.23%—11.54%；而高氮處理則分別比正常施氮增加了10.73%—13.27%、8.82%—13.07%、36.36%—44.17%、52.63%—61.54%和9.32%—14.07%。 同時,無論高氮還是低氮條件下,0∶4施氮比例下幼苗的生長受到的影響最為明顯,而2∶2 和1∶3施氮比例的棉花幼苗無論在何種施氮量下均未表現(xiàn)出生長上的差異,0∶4施氮比例下幼苗的株高、莖粗、冠生物量、根生物量和根冠比分別比2∶2比例施氮的幼苗減少了7.36%—11.90%、14.19%—8.23%、6.49%—13.59%、26.67%—31.58%和15.13%—24.45%?；謴?fù)供水后,高氮處理葉水勢和氣孔導(dǎo)度先于中氮和低氮處理恢復(fù)至對照水平；1∶3施氮比例下的棉花幼苗恢復(fù)時間和2∶2施氮比例的相同(低氮和中氮處理下)或略晚(高氮處理下),而0∶4施氮比例的則比2∶2施氮比例的晚1—2 d。

表1干旱條件下施氮量、分施比例和二者的互作效應(yīng)對各參數(shù)的作用

Table1Individualandinteractedeffectofdifferentapplicationsanddistributionratioofnitrogenoneachparametersofcottonseedlingsunderdroughtstress(ANOVA)

施氮量ApplicationofNitrogen分施比例Distributionratio施氮量×分施比例Interaction株高Height0．02310．06780．0154莖粗Width0．03260．10240．0304冠層生物量ShootBiomass<0．0010．00420．0013根系生物量RootBiomass0．04130．01520．0125根系A(chǔ)BA濃度Root[ABA]<0．0010．0123<0．001根木質(zhì)部ABA濃度RootXylemSap[ABA]0．0019<0．0010．0025葉面積LeafArea0．01170．03280．0145凈光合作用速率Pn<0．0010．03250．2021氣孔導(dǎo)度Gs<0．001<0．0010．9872蒸騰速率Tr<0．001<0．0010．0612細(xì)胞間隙CO2濃度Ci0．12530．06320．1011總根長TotalRootLength0．01490．02530．0231根系表面積SurfaceAreaofRoot0．02580．04910．0348生物量水分利用效率WUEb0．03460．01250．0421瞬時水分利用效率WUEi0．02320．03170．1209氮利用效率NUE0．01820．03610．0382

表2 分根施氮對棉花幼苗生長的影響

標(biāo)注相同字母為差異不顯著(P<0.05)

2.2 分根施氮對棉花幼苗氣體交換參數(shù)和瞬時水分利用效率的影響

圖1 分根施氮對棉花幼苗氣體交換參數(shù)和瞬時水分利用效率(WUEi)的影響Fig.1 Effect of different applications and distribution ratio of nitrogen on gas exchange parameters and instantaneous water use efficiency (WUEi) of cotton seedlings under drought stress

如圖1和表1所示,施氮量和分施比例對棉花幼苗凈光合作用速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)以及瞬時水分利用效率(WUEi)均產(chǎn)生了顯著影響,但沒有明顯的交互效應(yīng)存在；同時亦沒有對細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)產(chǎn)生任何獨(dú)立的或交互作用(圖中未列出具體數(shù)值,但說明Pn等的改變是氣孔限制的作用)。相比正常施氮,增施氮肥顯著促進(jìn)了Pn(11.03%—14.34%)、Gs(9.78%—14.33%)和Tr(14.57%—18.12%),但降低了WUEi(2.25%—4.42%)；而減施氮肥雖然降低了Pn(5.11%—7.87%)、Gs(5.16%—14.94%)和Tr(12.59%—21.71%),但顯著增加了WUEi(8.56%—17.67%)。另一方面,施氮比例并未改變棉花幼苗的Pn,但相比2∶2施氮比例,按照1∶3和0∶4比例施用氮肥,Gs和Tr分別降低了4.24%—13.00%和4.44%—16.95%(尤其在低氮條件下),同時WUEi增長了5.76%—17.84%。1∶3施肥比例和0∶4施肥比例相比,棉花幼苗氣體交換參數(shù)和WUEi變化差異不明顯。

2.3 分根施氮對棉花幼苗葉面積、氮利用效率和生物量水分利用效率的影響

圖2 分根施氮對棉花幼苗氮利用效率、生物量水分利用效率和單株葉面積的影響Fig.2 Effect of different applications and distribution ratio of nitrogen on nitrogen use efficiency (NUE), biomass water use efficiency (WUEb) and leaf area of cotton seedlings under drought stress

方差分析結(jié)果(表1和圖2)表明,施氮量和施肥比例以及其互作效應(yīng)均顯著影響了棉花幼苗的葉面積。增施氮肥葉面積增長了9.61%—20.86%,而少施氮肥葉面積減少了10.53%—17.21%,且0∶4施肥比例在高氮下增加的最少,而在低氮下減少的最多。無論在何種施氮量條件下,相比2∶2施肥比例,1∶3施肥比例下葉面積略有增長(1.23%—2.63%)；而0∶4施肥比例下葉面積則下降了5.62%—14.50%,高氮和低氮處理均下降較大。同時,表1和圖2還表明施氮量和分施比例以及二者互作效應(yīng)均顯著影響了干旱條件下棉花幼苗的氮利用效率(NUE)和生物量水分利用效率(WUEb)。相比正常施氮,高氮促進(jìn)了NUE的增加(1.65%—8.86%),而低氮則降低了NUE(2.43%—6.63%),尤其在2∶2和0∶4施氮比例下更為明顯(高氮下除外)；相反,高氮明顯降低了WUEb(4.61%—6.87%),而低氮則增加了WUEb(5.34%—9.23%),這與WUEi的變化一致。同時,無論施氮量為何,1∶3施肥比例下具有最大的WUEb；相比2∶2施肥比例,0∶4施肥比例增大了WUEb1.64%—2.90%(中氮處理除外)。

2.4 分根施氮對棉花幼苗根系形態(tài)特征的影響

分析表1和表3,施氮量和分施比例以及二者的互作效應(yīng)顯著影響了棉花幼苗根系的總根長和表面積,隨之不同直徑的根系比例也發(fā)生了改變。和正常施氮相比,增施氮肥顯著促進(jìn)了根系總長度(18.5%—30.7%)和根系表面積(9.80%—15.52%)的增長,同時增大了<2.0 mm 直徑根系的比例,而減施氮肥明顯抑制了根系總長度(16.11%—19.28%)和根系表面積(15.76%—20.09%)的增加,并增大了>2.0 mm直徑根系的比例。另一方面,無論施氮量為何,1∶3施肥比例下均具有最大的根系總根長和表面積；相比2∶2施肥比例,1∶3施肥比例分別增加根系總根長和表面積4.17%—10.33%和1.83%—7.34%,而0∶4施肥比例則分別減小了根系總根長和表面積4.29%—9.86%和2.97%—8.89%。

表3分根施氮對棉花幼苗根系形態(tài)特征的影響

Table3Effectofdifferentapplicationsanddistributionratioofnitrogenonrootmorphologicalcharacteristicsofcottonseedlingsunderdroughtstress

處理Treatments施氮量ApplicationofNitrogen分施比例Distributionratio總根長Totalrootlength/cm根系表面積Rootsurfacearea/cm2依據(jù)直徑劃分根系比例/%Ratioaccordingtorootdiameter0．0—2．0mm>2．0mm低氮2∶23023．30±55．25g138．75±1．23f94．77b5．23aLowNitrogen1∶33209．65±21．02f141．29±1．45f94．65b5．35a0∶42725．27±18．31h126．41±2．31g94．16b5．84a中氮2∶23604．06±29．64e164．72±4．05c95．22ab4．78bMediumNitrogen1∶33976．26±25．37d176．82±1．58d95．85a4．15c0∶43312．31±29．18f155．55±1．69e95．45a4．55b高氮2∶24523．21±45．26b185．24±1．67b95．55a4．45bHighNitrogen1∶34712．01±31．00a194．14±2．13a95．82a4．18c0∶44329．21±35．21c179．75±2．61c95．79a4．21c

標(biāo)注相同字母為差異不顯著(P<0.05)

2.5 分根施氮下棉花幼苗根系及根木質(zhì)部汁液ABA含量的變化

圖3 分根施氮對棉花幼苗根系A(chǔ)BA和根木質(zhì)部汁液ABA濃度的影響Fig.3 Effect of different applications and distribution ratio of nitrogen on root ABA and root xylem sap ABA concentrations of cotton seedlings under drought stress

分析圖3和表1,可以看出高氮條件下根源ABA(根系A(chǔ)BA和根木質(zhì)部ABA)含量有最大的累積,而低氮條件下則根源ABA的累積量最少(相對于未經(jīng)受干旱的幼苗,根源ABA含量在所有處理下均是增長的,數(shù)據(jù)在此未顯示)。經(jīng)歷干旱后,高氮處理根系A(chǔ)BA和根木質(zhì)部ABA含量分別比正常施氮(中氮)高出8.71%—9.91%和9.20%—12.42%；低氮處理則分別比正常施氮(中氮)減少了6.75%—10.61%和19.58%—21.25%。同時,無論施氮量如何,1∶3施氮比例下幼苗根系和根木質(zhì)部ABA含量均最高,而0∶4施氮比例的則等于或略高于2∶2施氮比例。以ABA含量為自變量對各個參數(shù)做回歸,得到如表4所示的回歸關(guān)系方程式、擬合度和回歸顯著性。分析表4,可知干旱條件下,根系A(chǔ)BA及根木質(zhì)部汁液ABA含量與各生長參數(shù)(株高、莖粗、根冠生物量、葉面積)、Pn和根系形態(tài)參數(shù)(總根長和根系表面積)之間分別呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系,而與氣體交換參數(shù)(Gs和Tr)和WUE(包括WUEi和WUEb)之間為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(根系A(chǔ)BA濃度與WUEi之間關(guān)系除外)。認(rèn)為干旱條件下施氮量和施氮比例帶來的根源ABA含量的變化,通過對氣孔行為和根系形態(tài)的特征性調(diào)控,顯著影響了棉花幼苗的生長和WUE。同時,雖然根系A(chǔ)BA含量及根木質(zhì)部汁液ABA含量與各個參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系趨勢一致,但根系A(chǔ)BA含量與各參數(shù)之間的相關(guān)程度弱于根木質(zhì)部汁液ABA含量與各參數(shù)之間的(根木質(zhì)部汁液ABA含量與各參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)更大)。

表4 根系A(chǔ)BA濃度和根木質(zhì)部汁液ABA濃度與各參數(shù)的相關(guān)性分析

3 討論

已有研究證實(shí),APRI條件下根區(qū)土壤干濕交替會誘導(dǎo)根源信號物質(zhì)ABA產(chǎn)生持續(xù)的信號效應(yīng)[29- 30,32],而根區(qū)土壤氮可利用性的改變也會誘導(dǎo)ABA產(chǎn)生相應(yīng)的變化[15,30- 35]。增長的ABA會隨蒸騰流通過木質(zhì)部向上傳遞至葉片來控制氣孔開度,以維持不利環(huán)境下植株的水分平衡,繼而調(diào)控植株的WUE和生長發(fā)育[32,36- 37]。

3.1 分根施氮條件下ABA對棉花幼苗生長的調(diào)控

隨著施氮量的減少,土壤氮可利用性降低,ABA累積量減少,Pn也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；但施氮比例并未改變棉花幼苗的Pn。可以認(rèn)為根源ABA通過木質(zhì)部被向上傳遞至作用位點(diǎn)(保衛(wèi)細(xì)胞),通過調(diào)控氣孔行為間接調(diào)節(jié)了冠層生長(Pn和葉面積形成等),而這種調(diào)節(jié)更多受施氮水平影響,繼而表現(xiàn)出根源ABA對Pn和葉面積的正向調(diào)節(jié),即與二者成正相關(guān)關(guān)系(表4)。同時隨著施氮量的減少,棉花幼苗的根(根生物量、總根長、表面積和細(xì)根比例)和冠(株高、莖粗、冠生物量和葉面積)生長受到干旱的影響逐漸增大(表3,圖1和表4)。謝志良等[26]、羅洪海等[25]和Luo 等[27]分別證實(shí)了APRI或者其他灌溉方式下氮肥施用對棉花生長的促進(jìn)作用。因此結(jié)合上述,根源ABA對根系生長的調(diào)控同樣受到了土壤氮素可利用性的調(diào)節(jié)。另一方面,0∶4施氮比例下幼苗的根冠生長受到的影響最為明顯,恢復(fù)供水后的參數(shù)恢復(fù)也要比2∶2施氮比例的晚1—2 d,而2∶2 和1∶3施氮比例的棉花幼苗無論在何種施氮量下冠層生長均未表現(xiàn)出明顯的差異；1∶3分施比例因?yàn)槔诘奈斩碳ち烁档纳L(如前所述),具有最大的根系總根長、表面積和細(xì)根比例以及最大的根源ABA累積量,增強(qiáng)對有限水分的吸收的同時減弱了干旱條件下發(fā)生脅迫的比率[3,18,33- 34]。因此1∶3施肥比例可以更為有效地促進(jìn)根系伸長以提高吸水能力,維持體內(nèi)水分平衡的同時,增強(qiáng)木質(zhì)部ABA的運(yùn)移,增大根源ABA對氣孔的調(diào)節(jié)能力,這是此處理?xiàng)l件對水分虧缺的有效適應(yīng)機(jī)制。比對各個處理組合根冠生長參數(shù)變化可知,高氮耦合1∶3施肥比例下棉花幼苗具有最好的生長,對干旱的耐受能力最強(qiáng)；1∶3施肥比例促進(jìn)了根源ABA對棉花幼苗根系生長的正向調(diào)控。

3.2 分根施氮條件下ABA對棉花幼苗WUE的調(diào)控

3.1已經(jīng)對根源ABA在棉花幼苗生長方面的調(diào)控效應(yīng)做了陳述。伴隨著氮素用量和施氮比例的不同,氮對ABA累積的影響程度隨之發(fā)生改變,也帶來了根源ABA信號強(qiáng)度的變化,隨著施氮量的減少,根源ABA累積能力減弱,Gs和Tr亦呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；但0∶4比例下的Gs和Tr明顯低于2∶2和1∶3施氮比例的,1∶3施肥比例和2∶2施肥比例的棉花幼苗在氣體交換能力上沒有明顯差別,并具有更大的葉面積,因此根源ABA與Gs和Tr的負(fù)相關(guān)關(guān)系主要是分施比例調(diào)控的結(jié)果。正是由于根源ABA在分根施氮條件下對Pn、Gs和Tr等光合和氣體交換行為和葉面積的直接和間接調(diào)控,使得棉花幼苗對水分限制的影響大于對光合能力(Pn)的限制,帶來了WUEi的增加。Yann 等[40]曾經(jīng)證實(shí)APRI可通過調(diào)節(jié)氣孔形態(tài)來控制WUE,高氮條件下APRI帶來了較小的氣孔和較低的氣孔密度來減少無效水分蒸騰,維持更好的土壤水分濕度。可以看出,干旱條件下根源ABA對氣孔的調(diào)控在高氮耦合0∶4和1∶3施肥比例下較其他處理更為顯著,這一調(diào)控行為也帶來了棉花幼苗生長(Pn和葉面積等)上的相應(yīng)變化。在不同氮水平和施肥比例所提供的不同氮源的影響下,根源ABA對幼苗水分利用和生長產(chǎn)生不間斷影響,在整個試驗(yàn)生長周期內(nèi)通過瞬時效應(yīng)累積繼而影響整個生育期的水分消耗和最終生物量的形成,間接調(diào)控了WUEb,促進(jìn)了WUEb的增長。表4列舉了根源ABA對各個參數(shù)的調(diào)控效應(yīng),也直接說明了上述情況。

4 結(jié)論

綜合前述,干旱條件下APRI培養(yǎng)的棉花幼苗生長指標(biāo)、氣體交換參數(shù)、根源ABA濃度、WUE和NUE的變化表明,施氮量和施氮比例影響了根源ABA對棉花幼苗生長和WUE的調(diào)控效應(yīng),但根源ABA對NUE無顯著影響。高氮下棉花幼苗生長最為旺盛,根源ABA累積量最高但WUE最低,低氮生長最弱,根源ABA累積最少但具有最高的WUE,因此干旱條件下施氮會顯著促進(jìn)根源ABA對生長和WUE的調(diào)控。1∶3施氮比例下棉花幼苗生長、NUE和WUE均好于其他施氮比例的,且根源ABA累積量最大；但高氮耦合1∶3施氮比例與中氮耦合1∶3施氮比例具有類似的生長趨勢和NUE。因此,雖然低氮耦合1∶3施氮比例具有最大的WUE,但是中氮耦合1∶3施氮比例可以同時獲得最大生物量和NUE以及較高的WUE,同時做到高產(chǎn)、省水和節(jié)約氮肥。

[1] Guo J H, Liu X J, Zhang Y, Shen J L, Han W X, Zhang W F, Christie P, Goulding K. W T, Vitousek P M, Zhang F S. Significant acidification in major chinese croplands. Science, 2010, 327(5968): 1008- 1010.

[2] 李培嶺, 張富倉, 賈運(yùn)崗. 不同溝灌方式棉花的水氮耦合效應(yīng). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(6): 1346- 1354.

[3] 杜太生, 康紹忠, 張建華. 不同局部根區(qū)供水對棉花生長與水分利用過程的調(diào)控效應(yīng). 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, 40(11): 2546- 2555.

[4] Du T S, Kang S Z, Zhang J H, Hu X T. Yield and physiological responses of cotton to partial root-zone irrigation in the oasis field of northwest China. Agricultural Water Management, 2006, 84(1/2): 41- 52.

[5] Du T S, Kang S Z, Zhang J H, Li F S. Water use and yield responses of cotton to alternate partial root-zone drip irrigation in the arid area of north-west China. Irrigation Science, 2008, 26(2): 147- 159.

[6] 潘麗萍, 李彥, 唐立松. 局部根區(qū)灌溉對棉花主要生理生態(tài)特性的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(8): 2982- 2986.

[7] Tang L S, Li Y, Zhang J H. Physiological and yield responses of cotton under partial rootzone irrigation. Field Crops Research, 2005, 94(2/3): 214- 223.

[8] 杜太生, 康紹忠, 王振昌, 王鋒, 楊秀英, 蘇興禮. 隔溝交替灌溉對棉花生長、產(chǎn)量和水分利用效率的調(diào)控效應(yīng). 作物學(xué)報(bào), 2007, 33(12): 1982- 1990.

[9] 李培嶺, 張富倉, 賈運(yùn)崗. 不同溝灌方式對棉花氮素吸收和氮肥利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 6(1): 145- 152.

[10] Tang L S, Li Y, Zhang J H. Biomass allocation and yield formation of cotton under partial rootzone irrigation in arid zone. Plant and Soil, 2010, 337(1/2): 413- 423.

[11] Bravdo B, Naor A, Zahavi T, Gal Y. The effect of water stress applied alternately to part of the wetting zone along the season (PRD-partial rootzone drying) on wine quality, yield and water relations of red wine grapes. Acta Horticulturae, 2004, 664: 101- 109.

[12] Chaves M M, Santos T P, Souza C R, Ortuo M F, Rodrigues M L, Lopes C M, Maroco J P, Pereira J S. Deficit irrigation in grapevine improves water-use efficiency while controlling vigour and production quality. Annals of Applied Biology, 2007, 150(2): 237- 252.

[13] Du T S, Kang S Z, Zhang J H, Li F S, Yan B Y. Water use efficiency and fruit quality of table grape under alternate partial root-zone drip irrigation. Agricultural Water Management, 2008, 95(6): 659- 668.

[14] 李平, 齊學(xué)斌, 樊向陽, 吳海卿, 喬冬梅, 樊濤, 趙志娟, 黃仲冬, 朱東海. 分根區(qū)交替灌溉對馬鈴薯水氮利用效率的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(6): 92- 95.

[15] Wang Y S, Liu F L, Andersen M N, Jensen C R. Improved plant nitrogen nutrition contributes to higher water use efficiency in tomatoes under alternate partial root-zone irrigation. Functional Plant Biology, 2010, 37(2): 175- 182.

[16] Zegbe J A, Serna-Pérez A. Partial rootzone drying maintains fruit quality of ‘Golden Delicious’ apples at harvest and postharvest. Scientia Horticulturae, 2011, 127(3): 455- 459.

[17] Lehrsch G A, Sojka R E, Westermann D T. Nitrogen Placement, Row Spacing, and Furrow Irrigation Water Positioning Effects on Corn Yield. Agronomy Journal, 2000, 92(6): 1266- 1275.

[18] Hu T T, Kang S Z, Zhang F C, Zhang J H. Alternate application of osmotic and nitrogen stresses to partial root system: effects on root growth and nitrogen use efficiency. Journal of Plant Nutrition, 2006, 29(12): 2079- 2092.

[19] Hu T T, Kang S Z, Li F S, Zhang J H. Effects of partial root-zone irrigation on the nitrogen absorption and utilization of maize. Agricultural Water Management, 2009, 96(2): 208- 214.

[20] Zhang J H, Jia W S, Zhang D P. Re-export and metabolism of xylem-delivered ABA in attached maize leaves under different transpirational fluxes and xylem ABA concentrations. Journal of Experimental Botany, 1997, 48(313): 1557- 1564.

[21] 周秀杰, 王海紅, 束良佐, 祝鵬飛, 申建波, 李忠正, 梁陳. 局部根區(qū)水分脅迫下氮形態(tài)與供給部位對玉米幼苗生長的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(8): 2017- 2024.

[22] 梁宗鎖, 康紹忠, 石培澤, 潘英華, 何立績. 隔溝交替灌溉對玉米根系分布和產(chǎn)量的影響及其節(jié)水效益. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2000, 33(6): 26- 32.

[23] Skinner R H, Hanson J D, Benjamin J G. Nitrogen uptake and partitioning under alternate- and every-furrow irrigation. Plant and Soil, 1999, 210(1): 11- 20.

[24] 阿麗艷·肉孜, 郭仁松, 杜強(qiáng), 武輝, 張巨松. 施氮量對棗棉間作棉花干物質(zhì)積累、產(chǎn)量與品質(zhì)的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2014, 20(3): 761- 767.

[25] 羅宏海, 張宏芝, 陶先萍, 張亞黎, 張旺鋒. 膜下滴灌條件下水氮供應(yīng)對棉花根系及葉片衰老特性的調(diào)節(jié). 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(10): 2142- 2150.

[26] 謝志良, 田長彥, 卞衛(wèi)國. 膜下滴灌水氮對棉花根系構(gòu)型的影響. 棉花學(xué)報(bào), 2009, 21(6): 508- 514.

[27] Luo H H, Tao X P, Hu Y Y, Zhang Y L, Zhang W F. Response of cotton root growth and yield to root restriction under various water and nitrogen regimes. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2015, 178(3): 384- 392.

[28] 陶先萍, 羅宏海, 張亞黎, 張旺鋒. 根域限制下水氮供應(yīng)對膜下滴灌棉花葉片光合生理特性的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(12): 3676- 3687.

[29] 康紹忠, 胡笑濤, 蔡煥杰, 馮紹元. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的理論創(chuàng)新及研究重點(diǎn). 水利學(xué)報(bào), 2004, 35(12): 1- 7.

[30] Sadras V O. Does partial root-zone drying improve irrigation water productivity in theeld? A meta-analysis. Irrigation Science, 2009, 27(3): 183- 190.

[31] 杜太生, 康紹忠, 張建華. 交替灌溉的節(jié)水調(diào)質(zhì)機(jī)理及同位素技術(shù)在作物水分利用研究中的應(yīng)用. 植物生理學(xué)報(bào), 2011, 47(9): 823- 830.

[32] Kang S Z, Zhang J H. Controlled alternate partial root-zone irrigation: its physiological consequences and impact on water use efficiency. Journal of Experimental Botany, 2004, 55(407): 2437- 2446.

[33] Dodd I C, Egea G, Davies W J. Accounting for sap flow from different parts of the root system improves the prediction of xylem ABA concentration in plants grown with heterogeneous soil moisture. Journal of Experimental Botany, 2008, 59(15): 4083- 4093.

[34] 李文嬈, 李小利, 張歲岐, 山侖. 水分虧缺下紫花苜蓿和高粱根系水力學(xué)導(dǎo)度與水分利用效率的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(5): 1323- 1333.

[35] Netting A G, Theobald J C, Dodd I C. Xylem sap collection and extraction methodologies to determineinvivoconcentrations of ABA and its bound forms by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Plant Methods, 2012, 8: 11.

[36] Gonzalez-Dugo V, Durand J L, Gastal F. Water deficit and nitrogen nutrition of crops. A review. Agronomy for Sustainable Development, 2010, 30(3): 529- 544.

[37] Jin K, Shen J B, Ashton R W, White R P, Dodd I C, Parry M A J, Whalley W R. Wheat root growth responses to horizontal stratification of fertiliser in a water-limited environment. Plant and Soil, 2015, 386(1/2): 77- 88.

[38] Dodd I C. Root-to-shoot signalling: assessing the roles of ‘Up’ in the up and down world of long-distance signallinginplanta. Plant and Soil, 2005, 274(1/2): 251- 270.

[39] Dodd I C. Rhizosphere manipulations to maximize ‘crop per drop’ during deficit irrigation. Journal of Experimental Botany, 2009, 60(9): 2454- 2459.

[40] Boursiac Y, Léran S, Corratgé-Faillie C, Gojon A, Krouk G, Lacombe B. ABA transport and transporters. Trends in Plant Science, 2013, 18(6): 325- 333.

Regulationofroot-sourcedABAtogrowthandwateruseefficiencyofcottonseedlingsandtheirresponsetodifferentnitrogenlevelsanddistributionratios

LI Wenrao*, LI Yongjing, FENG Shizhen

StateKeyLaboratoryofCottonBiology,CollegeofLifeSciences,HenanUniversity,Kaifeng475004,China

Different nitrogen levels (high nitrogen, HN 200 kg/hm2; medium nitrogen, MN 120 kg/hm2; and low nitrogen, LN 80 kg/hm2) and nitrogen distribution ratios (1∶3, 2∶2, and 0∶4) were applied to cotton seedlings (variety: B). These cotton seedlings were then cultured using alternative partial root-zone irrigation (APRI) and subjected to a 15-day-drought stress. Plant height, stem width, root and shoot biomass, gas exchange parameters (including net photosynthetic rate [Pn], stomatal conductance [Gs], transpiration rate [Tr], and intercellular concentration of carbon dioxide [Ci]), leaf area, water use efficiency (WUE), total root length, root surface area, nitrogen use efficiency (NUE), and root-sourced (root tissue and root xylem sap) ABA concentrations of cotton seedlings were determined. The aim of this experiment was to clarify the available regulation of root-sourced ABA to cotton seedling growth and WUE. The results showed that nitrogen application with a suitable distribution ratio improved the regulation of root-sourced ABA to growth and WUE of cotton seedlings under drought stress, although NUE was not significantly related to root-sourced ABA. The HN-treated cotton seedlings showed the highest growth and biomass and had the largest root-sourced ABA concentrations and NUE but the smallest WUE. The LN-treated cotton seedlings showed the least growth and the lowest biomass, but had the highest WUE. Irrespective of nitrogen levels, the 0∶4-distributed cotton seedlings were the weakest, but the 1∶3-distributed were the strongest with the highest NUE, WUE, and root-sourced ABA concentration. There were no obvious differences of growth, root and shoot morphology, and leaf area between 1∶3-distributed and 2∶2-distributed cotton seedlings. ThePnof cotton seedlings was not affected by different nitrogen distribution ratios, and Ci was not influenced by different nitrogen levels or distribution ratios. The differences of gas exchange parameters, WUE, and root-sourced ABA concentration between 0∶4-distributed and 1∶3-distributed cotton seedlings were not significant. Therefore, less water consumption (less stomatal conductance and transpiration rate) and enhanced root morphology (larger total root length, root surface area, and higher fine root proportion) were stimulated by root-sourced ABA directly or indirectly to maintain better growth and higher WUE of cotton seedlings under drought stress, especially in the 1∶3-distribution ratio of nitrogen. Although the 1∶3-distributed cotton seedlings with LN had the highest WUE, those with MN had greater NUE, biomass, WUE. This treatment combination could realize higher production, less water consumption, and nitrogen application simultaneously.

nitrogen distribution ratio; root-sourced ABA; nitrogen level; growth; water use efficiency (WUE); drought stress

國家自然科學(xué)基金青年基金(31300327);棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(CB2014A24);河南大學(xué)優(yōu)秀青年科研人才培育基金(yqpy20140030);河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃(2013GGJS-031)

2016- 08- 02; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wrli2004@126.com

10.5846/stxb201608021583

李文嬈,李永競,馮士珍.不同施氮量和分施比例對棉花幼苗生長和水分利用效率的影響及其根源ABA調(diào)控效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(20):6712- 6723.

Li W R, Li Y J, Feng S Z.Regulation of root-sourced ABA to growth and water use efficiency of cotton seedlings and their response to different nitrogen levels and distribution ratios.Acta Ecologica Sinica,2017,37(20):6712- 6723.