4種梨實(shí)生苗硝態(tài)氮和銨態(tài)氮利用特性研究

葛順峰 夏 營 沈紅艷 張莉莉 要雅倩 劉松忠 姜遠(yuǎn)茂,*

(1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2 北京市林業(yè)果樹科學(xué)研究院, 北京 100093)

梨(PyruscommunisL.)是我國繼蘋果、柑橘之后的第三大栽培果樹，2015年全國栽培面積和產(chǎn)量分別為111萬hm2和1 869萬t。近年來，由于梨園不合理施肥，導(dǎo)致氮肥利用率下降、土壤質(zhì)量降低等問題日益突出[1]，不僅影響土壤養(yǎng)分的有效性[2]，而且降低了果實(shí)品質(zhì)[3]。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是植物根系能夠吸收的最主要的氮素形態(tài)[4]，且不同氮素形態(tài)能夠顯著影響植株根系對氮的吸收和利用，進(jìn)而影響地上部的生長[5]。研究發(fā)現(xiàn)植物對不同形態(tài)氮素的喜好受多種因素的影響，其中比較關(guān)鍵的因素是植物的基因型和物種特性[6-7]。梨作為多年生果樹，生產(chǎn)上的栽培苗一般是由砧木和接穗兩部分構(gòu)成，其中砧木為整個植株提供根系，通過水分和養(yǎng)分的吸收來影響地上部的長勢、逆境適應(yīng)能力及果實(shí)品質(zhì)[8-9]。因此，明確不同梨砧木對不同氮素形態(tài)的利用特性，對生產(chǎn)上制定不同砧木的氮素管理策略具有重要意義。目前，對梨砧木的研究主要集中在遺傳多樣性、抗旱、抗寒、高溫脅迫、缺Fe脅迫等方面[10-13]，而關(guān)于不同梨砧木對不同形態(tài)氮素吸收、分配和利用等方面的研究尚未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以生產(chǎn)上常用的4種梨砧木實(shí)生苗為試材，利用15N示蹤技術(shù)研究不同梨實(shí)生苗對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收、分配和利用特性，以期為不同梨砧木實(shí)生苗的氮素營養(yǎng)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料為正常管理的一年生杜梨(PyrusbetulifoliaBge.)、豆梨(P.calleryanaDcne.)、川梨(P.pashiaD. Don.)、木梨(P.xerophilaYü)實(shí)生苗，由北京市林業(yè)果樹科學(xué)研究院梨研究室提供。盆栽土壤為黏質(zhì)壤土，基本理化性質(zhì)：硝態(tài)氮36.89 mg·kg-1、銨態(tài)氮17.06 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)10.09 g·kg-1、堿解氮75.36 mg·kg-1、速效磷25.31 mg·kg-1、速效鉀184.99 mg·kg-1、pH值6.7。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年3-9月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)園藝實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行，室內(nèi)分析在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院果樹營養(yǎng)研究室進(jìn)行。種子經(jīng)過層積處理65 d后，直接播種于盆中，待2片真葉時(4月8日)，選取長勢基本一致的幼苗，每盆保留1株。每品種實(shí)生苗選取24株，分為2組，每組設(shè)6次重復(fù)，以2株為1次重復(fù)。于2016年4月11日進(jìn)行施肥處理，施肥量詳見表1，其中雙氰胺施用量為純氮量的5%，以抑制硝化作用[14]。

表1 不同處理肥料投入量

1.3 采樣與指標(biāo)測定

于2016年9月15日進(jìn)行取樣，測定根系形態(tài)指標(biāo)、根系活力以及全氮含量和N豐度。

1.3.1 根系形態(tài)指標(biāo) 每個處理選取6株幼苗，經(jīng)去離子水清洗后，用LC-4800植物根系掃描測定儀(SINTEK公司，加拿大)和WinRHIZO 2007根系分析軟件(SINTEK公司)分析根系總表面積、根尖數(shù)和根系總長度，以單株為1次重復(fù)。

1.3.2 根系活力 采用氯化三苯基四氮唑法[15]進(jìn)行測定。

1.3.3 全氮含量和15N豐度 每處理選取6株幼苗，解析成根、莖、葉3部分，稱重后將樣品放入烘箱于105℃下烘30 min，然后80℃下烘干至恒重。每個器官設(shè)3次重復(fù)。磨碎后過0.25 mm篩，采用凱氏定氮法[15]測定各樣品全氮含量(g)，采用MAT-251質(zhì)譜儀(Thermo Fisher公司，美國)測定各樣品的15N豐度(%)。

1.4 計(jì)算公式及數(shù)據(jù)處理

Ndff=(植物樣品中15N豐度-自然豐度)/(肥料中15N豐度-自然豐度)×100%

式中，Ndff：從肥料中吸收的15N量對該器官全氮量的貢獻(xiàn)。

15N利用率=[Ndff×器官全氮量(g)]/施15N量(g)×100%

(2)

15N分配率=各器官中的15N量/總吸收15N量×100%

(3)

利用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；DPS 11.5軟件Duncan法進(jìn)行顯著差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同梨實(shí)生苗生物量、根系形態(tài)指標(biāo)和根系活力的差異

由表2可知，不同梨實(shí)生苗的生物量存在顯著差異，其中木梨的地上部干重和總干重均最大，分別為20.56和29.21 g，其次是川梨，分別為16.93和25.73 g，杜梨地上部干重和總干重均最小，分別為11.57和18.48 g，僅為木梨的56.27%和63.27%。川梨和木梨的地下部干重分別為8.80 g和8.65 g，二者差異不顯著，但均顯著高于杜梨和豆梨。不同梨實(shí)生苗的根系形態(tài)也存在顯著差異，根系總表面積以川梨最大，為533.23 cm2，其次為木梨和豆梨，杜梨最小，為364.74 cm2；總根長以川梨最大，為2 986.95 cm，其次是木梨和豆梨，二者差異不顯著，但均顯著高于杜梨(1 745.20 cm)；川梨的根尖數(shù)最多，其次是木梨，豆梨和杜梨的根尖數(shù)均較少，二者間差異不顯著。結(jié)果表明，不同梨實(shí)生苗的生物量和根系形態(tài)指標(biāo)差異顯著，這可能與其基因型不同有關(guān)。

由圖1可知，不同梨實(shí)生苗的根系活力存在顯著差異，其中以木梨的根系活力最大，為2.04 mg·g-1·h-1，顯著高于其他3種實(shí)生苗，川梨和豆梨間差異不顯著，杜梨的根系活力最低，分別為木梨、川梨和豆梨的60.29%、75.01%和75.93%。

2.2 不同形態(tài)氮素處理對不同梨實(shí)生苗各器官Ndff的影響

Ndff是指植株器官從15N肥中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻(xiàn)率，反映了植株器官對15N肥的吸收征調(diào)能力[16]。由表3可知，標(biāo)記不同形態(tài)氮素處理顯著影響了各器官的Ndff，標(biāo)記硝態(tài)氮處理時4種梨實(shí)生苗各器官的Ndff均高于標(biāo)記銨態(tài)氮處理，表明4種實(shí)生苗對硝態(tài)氮的吸收征調(diào)能力均高于銨態(tài)氮。標(biāo)記同一氮素處理下，不同梨砧木同一器官的Ndff也存在差異。標(biāo)記硝態(tài)氮處理，杜梨和木梨葉的Ndff差異不顯著，但均顯著高于川梨和豆梨；木梨和川梨莖的Ndff均顯著高于杜梨和豆梨，其中以木梨莖的Ndff最大；杜梨根的Ndff最大，且與木梨差異不顯著，但顯著高于川梨和豆梨。結(jié)果表明，4種梨實(shí)生苗中，木梨各器官對硝態(tài)氮的吸收征調(diào)能力均處于較高水平。標(biāo)記銨態(tài)氮處理川梨各器官的Ndff均最大，且均顯著高于其他3種實(shí)生苗，其次是木梨和豆梨，杜梨最小，表明川梨各器官對銨態(tài)氮的吸收征調(diào)能力最強(qiáng)。

表2 不同梨實(shí)生苗的生物量和根系形態(tài)指標(biāo)

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Values in the table are mean ± SD. Different lowercase letters in the same column mean significant difference at 0.05 level. The same as following.

表3 不同梨實(shí)生苗各器官的Ndff

注：圖中不同大寫字母表示差異顯著(P<0.01)。Note：Different capital letters mean significant difference at 0.01 level.圖1 不同梨實(shí)生苗的根系活力Fig.1 Root activity of different pear seedlings

2.3 不同梨實(shí)生苗各器官15N分配率的差異

由表4可知，同一品種梨實(shí)生苗的葉、莖和根的15N分配率的順序不受標(biāo)記氮素形態(tài)的影響，不管是標(biāo)記硝態(tài)氮還是銨態(tài)氮，杜梨、川梨和豆梨各器官的15N分配率均表現(xiàn)為葉>根>莖，而木梨表現(xiàn)為葉>莖>根。標(biāo)記同一種氮素時，不同梨實(shí)生苗同一器官的15N分配率存在差異。標(biāo)記硝態(tài)氮時，葉的15N分配率以杜梨最高，為70.71%，其次是木梨和川梨，豆梨最低(59.54%)；莖的15N分配率以木梨最高，為21.13%，顯著高于川梨和豆梨，杜梨最低，為14.51%；根的15N分配率以豆梨最高，為22.37%，其次是川梨和杜梨，木梨最低，為12.02%。標(biāo)記銨態(tài)氮時，葉和莖的15N分配率均以木梨最高，分別為67.45%和23.18%，根的15N分配率以豆梨最高，為27.98%。

表4 不同梨實(shí)生苗各器官的15N分配率

2.4 不同梨實(shí)生苗對兩種形態(tài)15N利用率的差異

由表5可知，4種實(shí)生苗對硝態(tài)氮的利用率均高于銨態(tài)氮，杜梨、木梨、川梨和豆梨的硝態(tài)氮利用率分別是銨態(tài)氮的3.24、2.64、1.43和2.53倍，表明4種梨實(shí)生苗均為喜硝植物。硝態(tài)氮利用率最高的是木梨，為16.37%，其次是川梨，為11.35%，杜梨和豆梨對硝態(tài)氮的利用率均較低，分別僅為8.01%和7.82%。銨態(tài)氮利用率較高的是川梨和木梨，二者差異不顯著，但均顯著高于豆梨和杜梨。

表5 不同梨實(shí)生苗的15N利用率Table 5 15N utilization efficiency of different pear seedlings /%

2.5 根系形態(tài)指標(biāo)和根系活力與15N利用率的相關(guān)性

由表6可知，梨實(shí)生苗對硝態(tài)氮的利用率與根系形態(tài)指標(biāo)和根系活力均呈正相關(guān)，其中與根尖數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；梨實(shí)生苗對銨態(tài)氮的利用率與根系總表面積、根尖數(shù)和根系活力均呈正相關(guān)，但與總根長呈負(fù)相關(guān)。

3 討論

基因型的差異以及植物長期進(jìn)化對環(huán)境的適應(yīng)能力造成了植物對不同形態(tài)氮素的喜好，一般認(rèn)為硝態(tài)氮是陸生植物喜好的形態(tài)，植物根系對硝態(tài)氮的吸收分為高親和力、低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)2種機(jī)制，分別在土壤中硝態(tài)氮缺乏和豐富時發(fā)揮作用，因此根系可以高效吸收硝態(tài)氮[17]。本研究中，4種梨實(shí)生苗對硝態(tài)氮的利用率及其各器官對硝態(tài)氮的征調(diào)能力均高于銨態(tài)氮，說明4種梨實(shí)生苗均是喜硝植物。這與前人研究結(jié)果一致。王海寧等[18]研究表明，5種蘋果砧木植株各器官從硝態(tài)氮中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻(xiàn)均顯著高于銨態(tài)氮。樊衛(wèi)國等[19]研究發(fā)現(xiàn)臍橙幼樹根系也表現(xiàn)出對硝態(tài)氮的明顯偏好，且根系對硝態(tài)氮的最大吸收速率和對硝態(tài)氮的親和力均高于銨態(tài)氮，此外，硝酸根離子在根系中的流動速度也較銨根離子快。

表6 根系形態(tài)指標(biāo)和根系活力與15N利用率的相關(guān)性

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)。

Note:*indicates significant correlation at 0.05 level.

不同的氮素形態(tài)在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化和代謝機(jī)制是不同的，單獨(dú)或者混合供應(yīng)下植物會表現(xiàn)出不同的生理反應(yīng)[25-26]。邢素芝等[27]研究發(fā)現(xiàn)隨著銨態(tài)氮/硝態(tài)氮的值從100/0變化到0/100，菠菜的生物量、株高、根系長度、硝酸鹽和亞硝酸鹽累積量以及有機(jī)酸含量均呈增加趨勢，而氨基酸總量則明顯下降；王晉等[28]研究表明，當(dāng)銨態(tài)氮/硝態(tài)氮的值為3/1時，有利于油麥菜根系氮同化速率的提高和可溶性糖的積累，顯著促進(jìn)了根系的生長和地上部生物量的提高。因此，不同硝態(tài)氮和銨態(tài)氮混合是否更有利于梨砧木的生長，以及何種混合比例更為適宜，還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

氮肥形態(tài)顯著影響了梨實(shí)生苗對氮的吸收利用，4種梨實(shí)生苗對硝態(tài)氮的利用率和各器官對硝態(tài)氮的征調(diào)能力(Ndff)均高于銨態(tài)氮，表明4種梨實(shí)生苗均是喜硝植物。4種梨實(shí)生苗中，木梨對硝態(tài)氮的利用率最高，其次是川梨，豆梨最低；川梨對銨態(tài)氮利用率最高，其次是木梨，二者均顯著高于豆梨和杜梨。