15N同位素示蹤技術(shù)研究辣椒器官氮素分配特性和基質(zhì)氮素運(yùn)移規(guī)律

曹超群，張國(guó)斌，胡琳莉，強(qiáng)浩然，馬國(guó)禮，杜淼鑫，李雨桐

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州新區(qū)農(nóng)業(yè)科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070；3.哈密市伊州區(qū)種業(yè)研究開(kāi)發(fā)中心，新疆 哈密 839000)

辣椒(CapsicumannuumL.)為茄科辣椒屬，屬于我國(guó)設(shè)施蔬菜主栽作物之一[1]。氮肥的施用是限制植物生長(zhǎng)的重要因素，不合理施用氮會(huì)降低肥料利用率，并使殘留氮素向下遷移，引發(fā)地下水污染，造成環(huán)境污染[2-3]。15N示蹤技術(shù)是研究土壤-作物體系中氮素遷移、分配的重要方法，通過(guò)研究不同水氮處理下蔬菜對(duì)氮素吸收、利用及氮素去向可為田間管理提供理論依據(jù)，并揭示氮素的來(lái)源與去向途徑[4-6]。

水分不足或過(guò)量均可抑制蔬菜正常生長(zhǎng)，降低氮肥利用率[7]。向友珍[8]研究了滴灌施肥對(duì)甜椒水氮耦合效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)協(xié)調(diào)灌水與氮肥施用量會(huì)對(duì)甜椒正常的生長(zhǎng)發(fā)育起促進(jìn)作用，且可提高水分利用率。所以，合理地協(xié)調(diào)水、氮供應(yīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中顯得尤其重要。呂劍[9]在研究日光溫室基質(zhì)栽培番茄中發(fā)現(xiàn)60%～70%下限的灌水更有利于植株生物量的積累，而80%的灌水條件下會(huì)增加辣椒植株徒長(zhǎng)速率。由于水分作為氮素運(yùn)移的載體，氮素的淋失量與灌水量有密切關(guān)系，所以合理控制灌水量能夠有效降低番茄在盛果期的氮素流失量[10]。于紅梅等[11]在研究不同水氮管理對(duì)蔬菜地硝態(tài)氮淋洗中表明，控制灌水可以減少水分漏滲量，當(dāng)土壤含水量在50%～80%，NO3--N的淋洗量較弱。邢英英等[12]、孫楊[13]、史書(shū)強(qiáng)等[14]研究表明，土壤含水量較高會(huì)引起土壤鹽漬化，栽培基質(zhì)中含水量與水分運(yùn)移規(guī)律對(duì)基質(zhì)中鹽分的分布規(guī)律有密切關(guān)系：蒸騰及基質(zhì)表層蒸發(fā)等共同作用可引起土壤鹽分向上遷移。柴付軍等[15]研究表明，對(duì)于含鹽較低的土壤中，高頻滴灌和低頻滴灌對(duì)棉花產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異。前人關(guān)于水氮互作的研究，大多是以露地栽培蔬菜為研究對(duì)象，而露地種植有許多不可控的環(huán)境因素。目前，利用同位素示蹤技術(shù)研究不同灌水條件對(duì)日光溫室氮素遷移和分配特性的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)在日光溫室條件下，以基質(zhì)栽培辣椒為研究對(duì)象，采用15N同位素示蹤技術(shù)研究2種不同灌水下限條件下，基質(zhì)中氮素運(yùn)移積累規(guī)律、氮素的吸收利用及其在辣椒各器官中的分配特性，為日光溫室辣椒基質(zhì)栽培水肥精準(zhǔn)管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料是由甘肅省農(nóng)科院蔬菜研究所選育的 隴椒10號(hào)(甘肅省設(shè)施辣椒主栽品種)。供試肥料有硝酸鉀(K2O 46.3%)、過(guò)磷酸鈣(P2O512%)、尿素(N 46%)以及由上?；ぱ芯吭禾峁┑呢S度為50.30%的K15NO3。栽培基質(zhì)中草炭、蛭石、育苗基質(zhì)(體積比)=1∶1∶2。栽培基質(zhì)理化性狀見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)理化性狀Tab.1 Substrate physicochemical properties

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2017年3-9月，本試驗(yàn)于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)日光溫室進(jìn)行，在處理后第90 天拉秧并開(kāi)始測(cè)定指標(biāo)。試驗(yàn)設(shè)2因子2水平：灌水量分別為田間持水量的60%，80%；從栽培基質(zhì)表面向下5～10 cm或15～20 cm深處標(biāo)記15N。灌溉方式采用膜下滴灌，由水表控制灌水量。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，處理組合見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)處理方案Tab.2 Experimental treatment

1.2.215N標(biāo)記方式與栽培槽設(shè)置 試驗(yàn)采用槽式栽培，栽培槽大小為4 m×0.48 m×0.30 m(長(zhǎng)×寬×高)，在槽底鋪襯1層有出水孔的塑料薄膜(圖1)。每槽基質(zhì)用量為0.5 m3，裝填高度為25 cm，標(biāo)記時(shí)將15.2 g外源 K15NO3(15N 1 060 mg，標(biāo)記氮占總施氮量的1.7%)與相應(yīng)層次基質(zhì)混合均勻后填入栽培槽(圖1)。采用膜下滴灌灌溉，每3槽(3個(gè)重復(fù))為一個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為3×3.84 m×0.48 m=5.53 m2，選擇生長(zhǎng)健壯且大小一致的辣椒苗雙行定植，每小區(qū)共定植辣椒42株。

圖1 15N標(biāo)記與栽培槽示意圖Fig.1 15N marking and cultivation trough schematic

1.2.3 施肥與田間管理 目標(biāo)產(chǎn)量為7.5 kg/m2，按當(dāng)?shù)剞r(nóng)肥施用量每生產(chǎn)1 000 kg辣椒需吸收純N 4.8 kg，P2O50.9 kg，K2O54 kg(即N∶P2O5∶K2O=1∶0.2∶1.2)[16]。磷肥作基肥一次性施入，鉀肥與氮肥作基肥施入一次，然后分別在辣椒1、2、4穗果膨大期隨水施入。試驗(yàn)通過(guò)烘干法來(lái)監(jiān)測(cè)基質(zhì)水分動(dòng)態(tài)含量變化[9，17]。當(dāng)基質(zhì)水分含量降至灌水下限時(shí)，可通過(guò)公式M=r×p×s×h×θf(wàn)×(q1-q2)/η，將其補(bǔ)充至灌溉上限。各小區(qū)灌水量具體見(jiàn)表3。

式中:M. 灌水量，m3；r.基質(zhì)容重，0.23 g/cm3；p.基質(zhì)濕潤(rùn)比，取85%；s.灌水面積，5.53 m2；h.灌水計(jì)劃層，0.25 m；θf(wàn).田間持水量，105%；q1.灌水相對(duì)田間持水量上限，100%；q2.灌水相對(duì)田間持水量下限，80%，60%；η.水分利用系數(shù)，100%。

表3 處理組灌水量Tab.3 Irrigation volume of treatment group

1.3 樣品測(cè)定

1.3.1 植株樣品采集 于2017年9月7日(處理90 d)采集樣品，各處理分別采集9株，將其分為根、莖、葉、果實(shí)，把植株洗凈并做好標(biāo)記。將植株各器官于105 ℃作殺青處理30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，然后稱其地上部干質(zhì)量。再取辣椒各器官干樣品進(jìn)行粉碎、研磨，用于植株各器官的全氮和15N豐度的測(cè)定。

1.3.2 基質(zhì)樣品采集 植株和基質(zhì)樣品同時(shí)采集?；|(zhì)分4層(每5 cm為一層)取樣，相同層面隨機(jī)選取4個(gè)采集點(diǎn)，將各個(gè)重復(fù)的4個(gè)層面的基質(zhì)樣品分別裝入自封袋，最后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后過(guò)80 mm篩備用。通過(guò)MAT253質(zhì)譜儀 (楊凌啟翔生物科技有限公司測(cè)定) 測(cè)定基質(zhì)和植株樣品的15N豐度；采用 K1100全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定全氮含量。

1.4 計(jì)算公式[9，18]

基質(zhì)15N殘留量=基質(zhì)全氮15N原子百分超×基質(zhì)各層全氮含量；15N的吸收量=植株吸氮量×植株15N豐度；15N的利用率=15N的吸收量/標(biāo)記氮帶入15N的量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 19.0、Origin 8.5和Excel 2010等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下辣椒植株生物量及吸氮量

如表4所示，相同灌水條件下，植株總生物量隨著15N標(biāo)記深度的加深呈下降趨勢(shì)。60%的灌水下限植株總生物量比80%的灌水下限顯著增高了72.3%(5～10 cm)，82.4%(10～15 cm)，平均高77.4%。

由表5可得，W80F15處理植株總氮含量比W60F15處理降低了36.0%，W80F5處理植株的總氮含量較W60F5處理下降了41.3%。處理W80F5中辣椒果實(shí)含氮量隨著標(biāo)記深度的加深，較W80F15處理顯著增加了83.3%；在W60F5處理下，辣椒莖、葉、果實(shí)中的氮素含量較處理W60F15分別增加了22.2%，22.0%，35.7%。由此表明，同一灌水條件下基質(zhì)層5～10 cm處的氮素可促進(jìn)辣椒植株的吸收與利用。辣椒莖、葉、果中氮素含量最高的處理均是W60F5。不同處理下辣椒植株各器官的含氮量為莖<果<葉。

表4 辣椒不同處理地上部分的生物量Tab.4 Above group biomass of pepper affected by different treatments g/株

注：同列中不同字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。表5-7同。

Note： Different letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. The same as Tab.5-7.

表5 不同處理辣椒地上部含氮量Tab.5 Different treatment of nitrogen content in the upper part of pepper g/株

2.2 辣椒植株對(duì)不同標(biāo)記深度的15N的吸收和利用

如表6所示，同一灌水下限條件下，莖、果及植株總15N吸收量和利用率隨著15N標(biāo)記深度從5～10 cm下降到15～20 cm，均顯著下降，而葉片中15N的吸收量和利用率與之相反。在W60F15處理下，辣椒各器官對(duì)15N總利用率較W80F15處理顯著增加了2.66百分點(diǎn)；W60F5處理下，辣椒植株15N總利用率較W80F5處理顯著增加了2.52百分點(diǎn)，植株總15N的吸收量與利用率在W80F5處理下較W80F15顯著增加了49.3%和0.86百分點(diǎn)；W60F5植株所吸收的15N總量較W60F15處理顯著增加了17.7%。W60F5處理下，辣椒15N利用率最高，為5.44%?；|(zhì)中15N隨著較高灌水(80%灌水下限)下滲，加大其淋失量，從而減小植株吸收利用率。

表6 辣椒對(duì)不同基質(zhì)深度標(biāo)記15N的吸收量和利用率Tab.6 Uptake and utilization rate of 15N by pepper from different substrate layers

2.3 基質(zhì)中15N含量的累積與損失

由表7得知，15N的回收量是植株中15N的量加0～20 cm基質(zhì)層中存留15N的量；15N損失量等于標(biāo)記K15NO3帶入15N的量減去15N的回收量。在灌水下限為60%(W60)的條件下，基質(zhì)中15N的累積量隨著15N標(biāo)記深度的加深，顯著降低了19.0%；灌水下限為80%(W80)的處理下，基質(zhì)中15N的積累量變化隨著15N標(biāo)記層的加深沒(méi)有顯著差異。分析15N總回收量得知，W60F5處理下15N回收量較W80F5處理顯著增加了23.8%；W60F15處理15N總回收量較W80F15顯著增高了11.5%。就15N的損失率得知，W80F5處理15N損失率為29.42%，較W80F15減少了7.12百分點(diǎn)；W60F5較W60F15處理15N的損失率顯著減少了16.38百分點(diǎn)；15N標(biāo)記層于5～10 cm處，W60F5處理15N損失率較W80F5顯著減少了16.79百分點(diǎn)；當(dāng)15N標(biāo)記層于15～20 cm處，W60F15處理15N損失率較W80F15顯著減少7.53百分點(diǎn)。

表7 辣椒0～20 cm基質(zhì)層中15N的回收與損失情況Tab.7 Recovery and loss of 15N in the 0-20 cm substrate layer

注：15.2 g K15NO3中含有15N 1 060 mg。

Note：15.2 g K15NO3contains15N 1 060 mg.

2.4 不同基質(zhì)層15N的遷移與分布

同一折線中不同字母代表差異達(dá)5%顯著水平。Different letters in the same line indicate significant difference at 5% level.

3 結(jié)論與討論

高水氮處理促進(jìn)了植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，抑制植株生殖生長(zhǎng)[18]。合理的灌溉與施氮可以改變植物根系的生長(zhǎng)與分布，促使根系對(duì)水氮的吸收從而提高地上部生物量的積累[19]。龔江等[4]通過(guò)研究膜下滴灌水氮耦合對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，膜下滴灌對(duì)棉花干物質(zhì)的積累影響較大，而施氮量對(duì)干物質(zhì)的影響較小，在棉花整個(gè)生育期施氮對(duì)棉花的影響作用小于灌水作用。張振賢等[20]認(rèn)為,在大白菜的蓮座期，灌水下限為40%～80%，葉面積及干質(zhì)量都隨灌水下限的提高呈遞增趨勢(shì)，大于 80%則稍有下降。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著灌水下限的下降，植株總生物量呈增大趨勢(shì)，與呂劍等[9，21]的研究結(jié)果相一致。辣椒植株的含氮量與植株總生物量的變化趨勢(shì)基本一致。張永麗等[22]研究結(jié)果表明,適當(dāng)提高灌水量，有利于植株對(duì)氮素的吸收與利用，但過(guò)高的灌水會(huì)導(dǎo)致氮素利用率下降。正如本試驗(yàn)結(jié)果，60%的灌水下限更有利于植株對(duì)氮素的吸收。不同灌水處理對(duì)小麥各器官氮素的運(yùn)移分配影響不盡相同。本試驗(yàn)利用15N標(biāo)記法研究植株各器氮素吸收情況，結(jié)果表明,不同灌水下限與15N標(biāo)記層次對(duì)植株各器官15N的吸收量依次表現(xiàn)為葉>果>莖。董雯怡等[23]通過(guò)研究毛白楊對(duì)15N 標(biāo)記銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收能力，結(jié)果表明,氮素在毛白楊器官中的分配量差異顯著，含量多少依次為莖<根<葉，且葉片的數(shù)量和生物量積累最多，說(shuō)明葉的光合作用強(qiáng)從而導(dǎo)致其對(duì)15N吸收最高。與本試驗(yàn)研究結(jié)果有差異，原因可能與基質(zhì)灌水下限及測(cè)定的時(shí)間有關(guān)，不同灌水下限會(huì)影響根毛的數(shù)量與質(zhì)量，結(jié)果盛期辣椒需要較多氮素供其生殖生長(zhǎng)，所以果實(shí)的氮含量高于莖、根。氣候和田間管理等因素會(huì)影響氮素的分布與損失情況，左紅娟[24]通過(guò)對(duì)肥料氮利用與去向研究表明，土壤中氮肥損失率為11.3%～48.3%，正如本研究所示，在灌水下限為60%的條件下，在標(biāo)記層5～10 cm處，15N損失率為12.63%，當(dāng)標(biāo)記層為15～20 cm時(shí)，15N損失率為29.01%；在80%灌水下限下，W80F5與W80F15處理15N的損失率分別為29.42%，36.54%。本研究與王春輝等[2]研究結(jié)果一致。董雯怡等[23]采用15N示蹤法研究毛白楊苗木對(duì)氮素的吸收及分配，結(jié)果發(fā)現(xiàn),0～40 cm土層中土壤殘留氮占?xì)埩舻偭康?0.3%～76.5%。左紅娟[24]研究發(fā)現(xiàn)，隨土層深度的加深，標(biāo)記氮在土壤中的殘留率顯著下降。試驗(yàn)研究結(jié)果顯示，60%的灌水下限減弱了水分向深層的運(yùn)移量，從而增大15～20cm處15N的損失率。

各處理辣椒植株各器官的全氮含量大小依次為葉>果>莖。辣椒植株對(duì)15N利用率表現(xiàn)為W60F5>W60F15>W80F5>W80F15。灌水下限60%或80%時(shí)，隨著15N標(biāo)記層的下降，15N在基質(zhì)層中的殘留量逐漸下降，損失率顯著增高。W60F5更有利于植株對(duì)氮素吸收與利用。