氮肥施用量對谷子營養(yǎng)生長期形態(tài)發(fā)育和生物量分配的影響

劉琳琳，王倩怡，王小林，張 雄

(榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

1 引言

土壤在農(nóng)作物的生長過程中扮演著重要角色，土壤肥力高低直接決定了農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量[1]，而氮素含量是土壤肥力的主要影響因子之一[2]，對農(nóng)作物的形態(tài)發(fā)育起到至關(guān)重要的作用[3]。土壤中固有的氮素含量不能滿足高密度農(nóng)作物的需求，因此人為補施氮肥普遍存在[2]。在農(nóng)作物生長發(fā)育過程中，不同農(nóng)作物可通過調(diào)節(jié)根、莖、葉的生物量分配以適應(yīng)外界環(huán)境的變化[4]。為滿足不斷增長的人口對糧食的需求，大量的氮肥投入是傳統(tǒng)粗放型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本特征[5]，氮肥對提高農(nóng)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)達(dá)到30%～50%[6]。農(nóng)民單純?yōu)榱双@得高產(chǎn)，過量施用氮肥已成常態(tài)[1]。據(jù)預(yù)測，2050年全球氮肥施用量將達(dá)到2.36億t[7]，提高植物的氮肥利用效率顯得尤為重要。

過量施用氮肥不僅造成嚴(yán)重的資源浪費，而且嚴(yán)重危害土壤生態(tài)環(huán)境，引起植物生理性病害和水資源污染，嚴(yán)重干擾整個土壤生物自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分資源平衡[8]。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展要求在施用氮肥的過程中應(yīng)同時考慮生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益[9]。榆林地處陜北黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，谷子是該區(qū)域的主要糧食作物之一[10]。旱地谷子高產(chǎn)高效栽培對我國旱地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[11]。合適的氮肥施用量可有效調(diào)節(jié)谷子形態(tài)發(fā)育和生物量分配，有助于提高谷子產(chǎn)量和質(zhì)量[12]。長期、大量的化學(xué)氮肥投入，顯著提升了土壤N素含量，N素殘留對于作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有不可忽視的影響。因此，研究高氮肥施用量對谷子營養(yǎng)生長期形態(tài)發(fā)育和生物量分配的影響，明確氮肥施用量與谷子生物量分配及產(chǎn)量停滯不前之間的相互關(guān)系，對于建立谷子高產(chǎn)高效栽培技術(shù)體系具有基礎(chǔ)理論參考價值。

2 材料與方法

2.1 試驗材料及試驗方法

本試驗供試谷子品種為晉谷21號。供試肥料為尿素(含氮量≥46.4%)。試驗土壤采自陜西省榆林市榆陽區(qū)0～20 cm耕層的沙質(zhì)土壤(有效氮7.0 mg·kg-1，速效磷14.6 mg·kg-1，速效鉀40.9 mg·kg-1，有機質(zhì)含量1.07%)。試驗采用盆栽土壤N肥梯度模擬方法，試驗在陜西省榆林市榆陽區(qū)榆林學(xué)院室外試驗場進(jìn)行。共設(shè)置3個處理，分別為T1：3 g·kg-1N(低氮)；T2：5 g·kg-1N(中氮)；T3：10 g·kg-1N(高氮)，各處理其他環(huán)境條件均一致。用鐵鍬采集土樣，利用標(biāo)準(zhǔn)檢驗篩(孔徑0.9 mm)過篩后，裝入自封袋，帶回實驗室風(fēng)干至土壤含水量5%左右。在實驗室稱量土樣(每盆3 kg)和氮肥(按照氮肥梯度)，將土樣和氮肥混合均勻后裝入塑料盆，裝盆完畢后，用燒杯給每個塑料盆澆等量水，放置陰涼通風(fēng)處晾曬至盆中土粒分散，土壤含水量在15%左右開始播種，每盆播種20粒，播種深度約5 cm。播種時間為2018年6月29日，最后采樣時間為2018年8月25日。

2.2 測定項目及測定方法

2.2.1 根葉顯微結(jié)構(gòu)測定 幼苗期(播種后第37天)和拔節(jié)期(播種后第57天)用剪刀剪取谷子葉片中部(長1 cm，寬0.5 cm)和谷子根系中部最深處根尖部分，放置干冰保存，存放低溫冰箱(-80℃)，作為解剖結(jié)構(gòu)材料。石蠟切片法進(jìn)行根、葉解剖結(jié)構(gòu)切片制作。首先，放入裝有FAA固定液[13]的樣品瓶中，用真空泵抽真空后固定24 h。其次，利用乙醇對材料進(jìn)行脫水處理，再利用二甲苯和乙醇對材料進(jìn)行透明。接著，進(jìn)行浸蠟、包埋、切片、粘片、展片、脫蠟、染色等步驟。最后，進(jìn)行封片，每個處理重復(fù)10次。室溫干燥后，利用熒光顯微鏡進(jìn)行10 X，20 X和40 X的葉脈結(jié)構(gòu)和根系尖端導(dǎo)管結(jié)構(gòu)拍照， Motic Images Plus 2.0軟件對顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析。

2.2.2 根、葉形態(tài)指標(biāo)測定 分別在谷子幼苗期(播種后第37天)和拔節(jié)期(播種后第57天)，將谷子整株從塑料盆中取出，用剪刀將根、莖、葉分開，裝入自封袋并做好標(biāo)記，帶回實驗室進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)測定。根系裝入細(xì)孔尼龍網(wǎng)袋，用自來水緩沖根系，除去根系表面雜質(zhì)，放回塑封袋低溫保存。葉片和根系分別用根系掃描儀進(jìn)行掃描，得到根葉掃描圖。然后用WinRHIZO軟件對根、葉掃描圖進(jìn)行分析，得到根、葉形態(tài)指標(biāo)(根系長度，根系表面積，根系體積，葉片長度，葉片表面積)，每個處理重復(fù)5次。

2.2.3 株高和莖粗測定 分別在谷子幼苗期(播種后第37天)和拔節(jié)期(播種后第57天)，將卷尺緊挨谷子基部量到谷子頂部最高位置，同一處理連續(xù)5株讀數(shù)的平均值即為株高(cm)。游標(biāo)卡尺校準(zhǔn)調(diào)零后，測定與塑料盆上部同一平面處的谷子莖粗，同一處理連續(xù)5株讀數(shù)的平均值即為莖粗(mm)。

2.2.4 器官生物量測定 在谷子拔節(jié)期(播種后第57天)，隨機選擇同一處理中5棵植株進(jìn)行采樣，將根、莖、葉分離并分別裝入信封并做好標(biāo)記，然后在80℃烘箱內(nèi)烘至恒重，冷卻至室溫后用電子天平稱重，計數(shù)作為生物量分配的計算依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理，使用SPSS 19.0對不同處理進(jìn)行方差分析和多重比較，Origin Pro 9.1進(jìn)行作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 氮肥施用量對谷子根葉顯微結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 氮肥施用量對谷子根系內(nèi)皮層直徑的影響 谷子幼苗期，中氮處理和高氮處理間根系內(nèi)皮層直徑無顯著差異，兩者均顯著高出低氮處理19.48%和15.75%(P<0.05，圖1)。拔節(jié)期隨著氮肥施用量的增加，處理間根系內(nèi)皮層直徑呈現(xiàn)先增后減趨勢，中氮處理比低氮處理高3.15%，比高氮處理高2.31%。從幼苗期到拔節(jié)期，谷子低氮處理根系內(nèi)皮層直徑每天增長4.58 μm，中氮處理根系內(nèi)皮層直徑每天增長2.36 μm，高氮處理根系內(nèi)皮層直徑每天增長2.45 μm，可以推測出土壤高濃度N含量抑制谷子單根的橫向生長。

3.1.2 氮肥施用量對谷子葉片初生韌皮部直徑的影響 隨著氮肥施用量的增加，處理間谷子葉片初生韌皮部直徑先增加后減小，呈現(xiàn)有規(guī)律的適應(yīng)性變化(圖2)。在低氮條件下，谷子葉片初生韌皮部直徑最小，中氮比低氮增加3.86%，高氮比低氮增加1.13%，高氮比中氮減少2.62%。拔節(jié)期3個處理之間無顯著差異(P>0.05)，在低氮條件下，谷子葉片初生韌皮部直徑最小，中氮比低氮增加2.88%，高氮比低氮增加1.01%，高氮比中氮減少1.81%。幼苗期和拔節(jié)期3個處理間初生韌皮部直徑均無顯著差異。

3.2 氮肥施用量對谷子根葉形態(tài)指標(biāo)的影響

3.2.1 氮肥施用量對谷子根系形態(tài)指標(biāo)的影響 谷子在不同氮肥脅迫條件下，中氮處理根系各形態(tài)指標(biāo)顯著高于低氮處理和高氮處理(P<0.05)。隨著單株根系總長度的不斷增加，單株根系總表面積和單株根系總體積均呈現(xiàn)增加趨勢(表1)。幼苗期，在低氮條件下，谷子單株根系總長度、總表面積和總體積最小，中氮處理根系總長度比低氮處理增加31.50%，根系總表面積比低氮處理增加58.92%，根系總體積比低氮處理增加88.33%。拔節(jié)期，在中氮條件下，谷子單株根系總長度、總表面積和總體積最大，中氮處理根系總長度比低氮處理增加66.83%，根系總表面積比低氮處理增加72.02%，根系總體積比低氮處理增加77.97%。由此表明，谷子在中氮條件下根系生長狀況最好。

表1 氮肥施用量對谷子根系形態(tài)指標(biāo)的影響

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

3.2.2 氮肥施用量對谷子葉片形態(tài)指標(biāo)的影響 由表2可知，中氮處理谷子葉片各形態(tài)指標(biāo)與低氮處理和高氮處理具有顯著差異(P<0.05)，低氮處理和高氮處理無顯著差異(P>0.05)。中氮處理葉片總長度每天比低氮處理增加58.15%，高氮處理葉片總長度每天比低氮處理增加6.74%，中氮處理葉片總表面積每天比低氮處理增加20.36%，高氮處理葉片總表面積每天比低氮處理增加4.48%。拔節(jié)期葉片總長度和葉片總表面積約為幼苗期葉片總長度和葉片總表面積的2倍(中氮處理葉片總表面積除外)，說明中氮處理對谷子葉片生長具有明顯促進(jìn)作用?？赡苁且驗橹械h(huán)境有利于葉片將光合作用產(chǎn)物運輸?shù)焦茸痈鞑课?，進(jìn)而促進(jìn)葉片的生長。

表2 氮肥施用量對谷子葉片形態(tài)指標(biāo)的影響

3.3 氮肥施用量對谷子株高和莖粗的影響

谷子在不同氮肥施用量條件下株高生長速率存在顯著差異(P<0.05，圖3 a)。植株高度生長速率對比可知，中氮處理比低氮處理株高生長速率高6.82%，高氮處理比低氮處理高3.09%，高氮處理比中氮處理低3.49%。原因可能是中氮環(huán)境，有利于谷子莖部營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，進(jìn)而促進(jìn)莖部伸長生長。

不同氮肥施用量條件下，谷子莖粗生長速率存在顯著差異(P<0.05，圖3 b)。低氮處理莖粗每天增長0.03 mm，中氮處理莖粗每天增長0.08 mm，高氮處理莖粗每天增長0.06 mm，中氮處理比低氮處理莖粗生長速率高157.73%，高氮處理比低氮處理高95.88%，高氮處理比中氮處理低24.00%。由此表明，施用氮肥對谷子莖粗具有促進(jìn)作用，氮肥施用量為5 g·kg-1時，谷子莖粗最大。

3.4 氮肥施用量對谷子各器官生物量積累的影響

不同氮肥施用量對根系生物量沒有顯著影響(P>0.05，表3)。在本試驗中晉谷21號生物量積累最多的是中氮處理，其次是高氮處理，最后是低氮處理。隨著氮肥施用量的增加，根、莖、葉生物量均呈現(xiàn)先增后減趨勢。中氮處理根、莖、葉生物量均達(dá)到最大值。中氮處理根系生物量比低氮處理增加18.84%，高氮處理根系生物量比低氮處理增加5.80%，高氮處理根系生物量比中氮處理減少10.98%。說明低氮處理使谷子生物量有一定程度的降低，增施氮肥可以促進(jìn)谷子生物量的積累。隨著氮肥施用量的逐漸增加，谷子生物量并不是一直升高，谷子生物量最大值出現(xiàn)在施氮量為5 g·kg-1時。原因可能是中氮環(huán)境最有利于谷子根系和葉片運輸有機物質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)各器官生物量的積累。

表3 氮肥施用量對每株谷子各器官生物量積累的影響

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

土壤N含量通過影響根系養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)對作物地上部生物量分配的間接調(diào)控，最終調(diào)節(jié)碳水化合物在籽粒中的積累[13,14]。本試驗通過谷子根、葉形態(tài)發(fā)育、生物量分配和顯微結(jié)構(gòu)變化的對比分析，研究不同土壤氮含量環(huán)境對谷子營養(yǎng)生長期形態(tài)發(fā)育和生物量的影響，結(jié)果表明，土壤N素含量對谷子根、葉形態(tài)發(fā)育和生物量分配具有明顯調(diào)節(jié)作用。首先，相比低氮土壤環(huán)境，中氮土壤環(huán)境谷子根系總表面積和根系總體積分別增長58.92%～72.02%，88.33%～77.97%。這與崔紀(jì)菡等[14]研究結(jié)果相似，說明中氮土壤環(huán)境促進(jìn)了根部細(xì)胞正常的負(fù)壓調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而促進(jìn)根系增粗生長和伸長生長。有利于谷子地下部分的生長，進(jìn)而促進(jìn)地上部分的生長。其次，隨著氮肥施用量增加，谷子株高和莖粗在中氮土壤環(huán)境下明顯高于低氮土壤環(huán)境，但氮肥施用量過高會使株高和莖粗相比中氮土壤環(huán)境下減小，這與曾蓉[12]和趙國順等[15]研究結(jié)果一致。而袁宏安等[16]研究表明，隨著氮肥施用量的增加，谷子株高持續(xù)增加，莖粗先增后減。隨著氮肥施用量的增加，谷子株高出現(xiàn)先增后減的原因可能是本研究是盆栽試驗(模擬環(huán)境下進(jìn)行)，限制了谷子根、莖的生長發(fā)育空間。適量氮肥可有效調(diào)節(jié)谷子營養(yǎng)生長期各器官生物量的積累和分配，谷子各器官生物量積累量由大到小依次為：莖、葉、根，儲存較多碳水化合物，以備后期生殖生長的能量需求。Leblanc等[17]研究發(fā)現(xiàn)，增施氮肥可以提高珍珠粟干物質(zhì)產(chǎn)量，說明適當(dāng)增施氮肥可以提高珍珠粟的氮肥利用率，為產(chǎn)量提升打好物質(zhì)基礎(chǔ)。施用氮肥增加了谷子根、莖、葉生物量的積累，這與吳浩等[4]研究結(jié)果基本一致，不同的是上述學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)燕麥的生物量積累量由大到小依次為：莖、根、葉。出現(xiàn)這種情況可能是因為作物習(xí)性不同，根、莖、葉生物量積累規(guī)律對于環(huán)境的響應(yīng)模式不同。最后，隨著氮肥施用量增加，谷子生物量均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，這與曾蓉[12]研究結(jié)果一致，谷子生物量積累出現(xiàn)先增后減的原因可能是隨著氮肥施用量的增加，造成谷子葉片營養(yǎng)生長過剩，各植株間間隙變小，群體透光能力下降，光能利用率降低，呼吸過旺，消耗過多的光合產(chǎn)物而降低干物質(zhì)的有效積累，進(jìn)而降低農(nóng)作物的籽粒產(chǎn)量，土壤N含量與谷子地上部生物量積累存在明顯的正態(tài)分布相關(guān)關(guān)系，適宜N肥投入有利于谷子碳水化合物向籽粒轉(zhuǎn)化積累[18]。

綜上所述，合理的氮肥施用量對谷子根、葉生長發(fā)育有促進(jìn)作用，而國內(nèi)外借助谷子根葉切片研究不同氮肥施用量對谷子營養(yǎng)生長期形態(tài)發(fā)育和生物量影響的文獻(xiàn)研究報道較少，石蠟切片技術(shù)主要應(yīng)用于臨床方面，植物方面應(yīng)用較少[13]，因此借助谷子切片研究谷子的相關(guān)指標(biāo)可以作為研究手段的方向，可為谷子高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。筆者試驗在研究過程中缺少植株全氮含量、蛋白質(zhì)含量以及氨基酸含量等指標(biāo)的測定，在今后的試驗中會彌補不足。

4.2 結(jié)論

不同氮肥含量環(huán)境下，谷子營養(yǎng)生長期根葉顯微結(jié)構(gòu)、根葉形態(tài)、株高、莖粗，生物量積累等都會受到不同程度影響，從而發(fā)生適應(yīng)性生長。本研究主要得出以下結(jié)論：①中氮處理有利于谷子根部細(xì)胞對溶質(zhì)的吸收以及自下而上輸導(dǎo)水分和無機鹽，促進(jìn)根系的正常生長和功能發(fā)揮；②谷子根葉形態(tài)指標(biāo)隨著氮肥施用量的增加先增加后減小，這表明中氮環(huán)境有利于谷子根、葉形態(tài)發(fā)育，為產(chǎn)量提升奠定良好的生物學(xué)基礎(chǔ)；③氮肥施用量增加促進(jìn)谷子葉片伸長生長的同時限制了根系橫向增粗，此現(xiàn)象隨氮肥施用量增加而減弱；④氮肥脅迫激發(fā)谷子根、莖、葉生物量積累向莖葉積累，根系生物量受到限制，合適的氮素含量可有效調(diào)節(jié)谷子根冠關(guān)系，可作為產(chǎn)量潛力提升的突破點。