葉面施氮對棉花根系吸收硝態(tài)氮的影響

鄭蒼松，李鵬程，孫淼，龐朝友，趙新華，貴會平，劉帥，秦宇坤，董合林，余學(xué)科

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南安陽455000)

棉花作為大田作物，根系吸收氮素以硝態(tài)氮為主[1]；硝態(tài)氮進入棉花根系后經(jīng)過轉(zhuǎn)運、還原、代謝成為氨基酸，最后被棉株利用[2]。根系的氮素吸收會受到土壤氮水平、土壤水分和環(huán)境溫度的影響，在生長的關(guān)鍵時期（如現(xiàn)蕾期、花鈴期等）由于生長旺盛還會導(dǎo)致農(nóng)作物生理性缺氮，通過葉面施氮可以幫助農(nóng)作物抵御逆境，促進生長發(fā)育，保障生產(chǎn)[3-7]。在棉花上，葉片對外源氮素吸收和分配的研究已經(jīng)比較清楚[3，7]。然而，棉株是一個有機整體，葉面施用的氮素進入葉肉細胞后參與氮素同化及代謝循環(huán)，除了為植株地上部補充氮素養(yǎng)分外，對根系氮素的吸收是否有影響，尤其對根系吸收硝態(tài)氮是否有影響卻不得而知。本研究擬通過含15N的營養(yǎng)液培養(yǎng)棉苗，比較葉面施用不同形態(tài)氮素對棉株干物質(zhì)積累和根系吸收硝態(tài)氮的差異，探討葉面養(yǎng)分吸收與根系養(yǎng)分吸收的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試棉花品種為轉(zhuǎn)基因抗蟲棉中熟品種冀棉228，種子由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所種質(zhì)資源庫提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2016年3—4月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗場（河南省安陽縣白璧鎮(zhèn)）控溫溫室中進行，葉面施氮設(shè)置清水 （蒸餾水，對照）、酰胺態(tài)氮 （原料為尿素，氮素施用濃度0.466%）、銨態(tài)氮（原料為硫酸銨，氮素施用濃度0.466%）、硝態(tài)氮（原料為硝酸鈣，氮素施用濃度0.466%）4個處理，各處理噴霧量均為50 mL，重復(fù)4次。

采用營養(yǎng)液模擬培養(yǎng)法，將挑選好的種子消毒、催芽后播于潔凈沙床上，待子葉展平，3月28日選擇長勢均勻幼苗移栽至體積為32 cm×24 cm×12 cm的不透光塑料長方盒中，先用1/4濃度Hoagland-Aron營養(yǎng)液培養(yǎng)[8]，每盒12株（3×4排列），24 h通氣。4月4日更換1/4濃度Hoagland-Aron營養(yǎng)液，4月10日更換至1/2濃度Hoagland-Aron營養(yǎng)液中（氮源全部為NO3－），4月18日（3葉期）更換1/2濃度營養(yǎng)液（氮源全部為含15N 豐度為 10.16%的 Ca（NO3）2），4 月 19日進行葉面氮素噴施（噴施過程中采用聚乙烯塑料和厚吸水紙進行處理間隔離和漏液吸附），每盒中的12株棉花被劃分為4行，每1行的3株被作為一個處理，隨機排列，噴施6 d后（4月24日）進行樣品收獲。

1.3 測定項目與方法

將棉株按地上部和根分別收獲，用蒸餾水清洗3次后于105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，分別稱量干物質(zhì)質(zhì)量。

將烘干地上部和根系分別磨細過篩，用凱氏法測定植株全氮；樣品中15N豐度由河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所利用質(zhì)譜法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

棉花整株干物質(zhì)質(zhì)量＝地上部干物質(zhì)質(zhì)量＋根系干物質(zhì)質(zhì)量。

棉花整株氮含量＝（地上部干物質(zhì)質(zhì)量×地上部氮含量＋根系干物質(zhì)質(zhì)量×根系氮含量）/整株干物質(zhì)質(zhì)量×100%。

地上部（根系）15N 的積累量（mg·株－1）＝地上部（根系）干物質(zhì)質(zhì)量×地上部（根系）氮含量×（地上部（根系）15N 豐度－0.366 3）×100[9]。

根系吸收氮素在地上部（根系）的分配（mg·株－1）＝地上部 （根系）15N 的積累量 /（10.16－0.366 3）×100[9]。

根系吸氮相對效率（%）＝（葉面施氮處理15N的質(zhì)量－清水處理15N的質(zhì)量）/清水處理15N的質(zhì)量×100，表征葉面施氮后各處理根系吸氮相對于對照的水平。

數(shù)據(jù)采用MS Excel 2013和PASW Statistics 18進行整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面施氮對棉花生長和氮含量的影響

表1表明，與對照相比，葉面施用酰胺態(tài)氮和銨態(tài)氮6 d后，棉株地上部及根干物質(zhì)質(zhì)量均表現(xiàn)增加趨勢；葉面施用硝態(tài)氮處理干物質(zhì)積累量最低，但與對照處理無顯著差異。銨態(tài)氮處理棉株地上部和整株干物質(zhì)顯著高于硝態(tài)氮處理。葉面施氮處理棉苗整株氮含量和地上部氮含量顯著高于對照處理，根系氮含量基本無差異。

表1 葉面施氮對棉花干物質(zhì)質(zhì)量、氮含量的影響（5葉期）Table 1 Effects of foliar different nitrogen forms application on dry biomass and nitrogen content of cotton seedling(five-leaf stage)

2.2 葉面施氮對棉花氮素積累的影響

由圖1可知，棉株地上部、根及整株氮素積累量以葉面施用銨態(tài)氮處理最高，但各處理間沒有顯著差異，地上部氮素積累量與根氮素積累量的比值約為3:1。同位素示蹤結(jié)果顯示，銨態(tài)氮處理棉株地上部和根系15N積累量分別為0.794 mg·株－1和 0.318 mg·株－1，高于對照和酰胺態(tài)氮處理，且顯著高于硝態(tài)氮處理，表明銨態(tài)氮處理的棉株從營養(yǎng)液中吸收的氮素最多。

通過比較葉面施肥后各處理棉株氮素總積累量（圖1）與根系吸收氮素（表2）的差值，發(fā)現(xiàn)葉面施用酰胺態(tài)氮處理的差值最大為41.66 mg·株－1，其次是銨態(tài)氮處理為40.17 mg·株－1，硝態(tài)氮和清水處理較低，分別為33.96 mg·株－1和31.95 mg·株－1，表明施用相同氮素濃度條件下，棉株葉片對酰胺態(tài)氮的吸收好于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。

圖1 葉面施氮處理棉株N積累量和15N積累量的差異（5葉期）Fig.1 Differences of total nitrogen and15N accumulation amounts among foliar nitrogen application treatments(five-leaf stage)

2.3 葉面施氮對棉花根系吸收氮素分配和利用效率的影響

通過計算（表2）可知，葉面施氮后，銨態(tài)氮處理棉株根系吸收并積累的氮素約為11.35 mg·株－1， 高于對照 （8.73 mg·株－1）、 酰胺態(tài)氮處理（7.84 mg·株－1）和硝態(tài)氮處理（6.73 mg·株－1）；銨態(tài)氮處理地上部和根系中分配的根系吸收的氮素均最高，且顯著高于硝態(tài)氮處理。各處理棉株地上部和根系中分配根系吸收氮素的比例均約為7:3，表明葉面施氮類型沒有影響棉株對根系吸收硝態(tài)氮的分配。與對照相比，施用銨態(tài)氮處理棉株根系吸收氮素效率約提升28.0%，酰胺態(tài)氮和硝態(tài)氮處理則分別降低9.5%和20.5%，說明葉面施用銨態(tài)氮較施酰胺態(tài)氮和硝態(tài)氮更能促進根系氮素吸收，提高棉株根系對營養(yǎng)液中的氮素利用率，提高棉株氮素的含量和積累量。

表2 葉面施氮對棉株根系吸氮分配及根系吸氮相對效率的影響（5葉期）Table 2 Effects of foliar nitrogen application on nitrogen distribution and comparative efficiency via roots uptake(five-leaf stage)

3 討論與結(jié)論

3.1 葉面施氮對棉花干物質(zhì)積累的影響

本研究中（表1），銨態(tài)氮處理棉株干物質(zhì)質(zhì)量最高，大于酰胺態(tài)氮處理和清水處理，顯著高于硝態(tài)氮處理。盆栽菠菜試驗也表明，與清水處理相比，葉面施用1%硝酸鈣處理菠菜干物質(zhì)量降低，尿素和碳酸銨處理則高于清水處理[10]。這可能是葉面施用硝態(tài)氮后，植物地上部組織中硝態(tài)氮在短期內(nèi)大量增加，影響了植株生理代謝[11]，導(dǎo)致植物干物質(zhì)積累降低。

3.2 葉面施氮對棉花氮素吸收與積累的影響

葉面肥中的養(yǎng)分先通過氣孔或葉表角質(zhì)層的孔隙和親水小孔[12-14]，再通過表皮細胞細胞壁到達原生質(zhì)膜，或通過葉表細胞的質(zhì)外連絲把營養(yǎng)物質(zhì)吸收到細胞內(nèi)部[15]。因此，葉面施氮的吸收效果受葉片類型、葉片表面性質(zhì)、礦質(zhì)養(yǎng)分粒子大小等諸多因素的影響[16-19]。本研究結(jié)果顯示，在0.466%施氮濃度下棉花葉片對氮素的吸收強度大小順序為酰胺態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮，這與應(yīng)用氮素離子形態(tài)、化合價及離子半徑水平相吻合[2]。葉面施氮處理6 d后，銨態(tài)氮處理棉株地上部及根系氮素積累量均最高，酰胺態(tài)氮處理其次，清水處理和硝態(tài)氮處理均較低，處理間棉株氮素積累量的差異不顯著（圖1），地上部和根中氮素積累比例約為3:1；由于根外施肥的吸收強度為酰胺態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮，所以推斷各處理根系氮素吸收存在差異。

3.3 葉面施氮對棉花根系吸收硝態(tài)氮的影響

本研究中，各處理是在同一濃度營養(yǎng)液方盒中培養(yǎng)，15N僅來自于營養(yǎng)液中含有15N的NO3－，植物中15N的積累和分配表征了各處理對棉株根系硝態(tài)氮吸收的狀況。硝態(tài)氮處理棉株中總氮積累量與對照基本一致，而棉株地上部和根系中15N積累量均較低，說明葉面施用的硝態(tài)氮雖然能夠顯著提高棉株地上部氮含量，但是影響了根對硝態(tài)氮的吸收；與清水處理相比，葉面施用銨態(tài)氮不僅為棉株提供了一定量的氮素，還促進了根系對硝態(tài)氮的吸收；葉面施用酰胺態(tài)氮處理的效果則介于銨態(tài)氮處理和硝態(tài)氮處理之間，各處理間根系吸氮相對效率差異進一步證明了這一結(jié)果。本研究中，葉面施用酰胺態(tài)氮處理棉株通過葉片吸收的氮素最多，其根系吸收的氮素卻少于清水處理；葉面施用銨態(tài)氮處理棉株根系吸收的氮素最多，且高于清水處理。由此推斷葉面施用銨態(tài)氮處理的棉株根系吸收更多的硝態(tài)氮不是由于葉面施氮促進棉株生長帶來的附加效應(yīng)，而是一種積極的正向的促進效應(yīng)。

植物根系對于硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運吸收受NRTs家族基因控制，包括低親和力轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和高親和力轉(zhuǎn)運系統(tǒng)[20]。硝酸鹽、氮代謝產(chǎn)物、晝夜節(jié)律、蔗糖和pH都會對硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運蛋白產(chǎn)生誘導(dǎo)影響[21-24]。葉面施用的酰胺態(tài)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，它們被植物葉片吸收后分別在脲酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶等酶的作用下進行生理代謝，并最終形成有機化合物被棉株利用[2]。因此推斷本研究中葉面施氮帶來的處理間差異可能是由于葉片對吸收的不同形態(tài)氮素代謝差異帶來的，然而主要影響因子是氮代謝產(chǎn)物或是其他代謝產(chǎn)物，還是硝酸鹽濃度還需要重新設(shè)計試驗進一步研究。