氮素形態(tài)對不同茬次紫花苜蓿氮素積累及利用的影響

劉文濤，王玉強(qiáng)，孫盛楠，趙 儀，沈 宇，錢 進(jìn)，嚴(yán)學(xué)兵

（1. 揚(yáng)州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2. 教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009）

紫花苜蓿(Medicago sativa)是廣泛栽培利用的豆科牧草，關(guān)于紫花苜蓿的生產(chǎn)中是否需要施氮以及施氮對其的影響一直存在爭議。以往大量研究表明，適量施氮可以提高紫花苜蓿產(chǎn)量和地上地下累積生長量[1-3]，提高紫花苜蓿氮代謝關(guān)鍵酶活性并增加其氮素積累量[4]。也有研究指出，施氮對紫花苜蓿生長和生物量沒有顯著影響[5-6]，甚至是無益的[7]。有學(xué)者分析造成這種分歧的原因主要有研究地點(diǎn)不同(土壤、水分、溫度等條件不同)、研究方法不同(盆栽試驗(yàn)、大田試驗(yàn))、研究年限不同(月動態(tài)、年動態(tài))等[8]。實(shí)際上，肥料種類和氮素形態(tài)也是造成紫花苜蓿對氮素添加有不同響應(yīng)的原因。在施氮的研究中，常用的氮肥有尿素[3,9-11]、硝酸鈣、硫酸銨[4,12]、硝酸銨、硝酸鈉、氯化銨[13]等。使用不同種類、濃度及不同配比的氮肥會對植物的生長產(chǎn)生不同甚至相反的影響。

氮素形態(tài)是影響植物生長發(fā)育的重要因素，它通過調(diào)控植物的光合作用與呼吸作用，以及根系吸收礦質(zhì)元素等過程，進(jìn)而影響植物的生長和發(fā)育。我國是氮肥消費(fèi)大國，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，氮肥常包含兩種形態(tài)：銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，這是植物可以吸收和利用的主要無機(jī)氮形式[14]。研究者已發(fā)現(xiàn)氮素形態(tài)的重要性，并在大量對農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物的施氮研究中區(qū)分不同氮素形態(tài)的作用。如對玉米(Zea mays)[15-16]、歐洲羽扇豆(Lupinus angustifolius)[16]、水稻(Oryza sativa)[17]、小麥(Triticum aestivum)[18]等的研究。一般來講，旱地植物喜硝，水淹土種植的作物喜銨。有研究認(rèn)為硝態(tài)氮能夠促進(jìn)植物光合碳同化和蔗糖的積累，對莖葉生長和調(diào)控葉片老化也有積極作用，而銨態(tài)氮能夠促進(jìn)植物葉片中淀粉的積累，提高植物的光合能力，但是銨態(tài)氮過多也會導(dǎo)致植物代謝失調(diào)，發(fā)生“銨中毒”[14,19-20]。Ashton 等[21]指出，不同植物物種喜好不同氮素形態(tài)，植物對不同形態(tài)氮素的吸收和利用具有可塑性。相較于眾多關(guān)注氮素形態(tài)對作物生長影響的研究，僅有少數(shù)學(xué)者關(guān)注氮素形態(tài)對紫花苜蓿生長及氮素利用率等的影響[4,12]，限于紫花苜蓿品種、地區(qū)氣候條件差異等因素，這方面的研究還有待完善。鑒于此，本研究以紫花苜蓿為試驗(yàn)材料，分析不同形態(tài)氮素對紫花苜蓿氮含量、氮素積累量以及氮素利用率的影響，旨在探索不同形態(tài)氮肥在紫花苜蓿生產(chǎn)中的應(yīng)用，為人工種植紫花苜蓿合理施氮、提高其生產(chǎn)性能提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紫花苜蓿(WL440HQ) 購于北京正道生態(tài)科技有限公司，秋眠級6 級。供試氮肥為硝酸鈉(NaNO3，16% N)和氯化銨(NH4Cl，26% N)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)草學(xué)智能溫室中進(jìn)行，溫室一樓為種植區(qū)，土壤為重壤土。選取1.5 m × 1.5 m質(zhì)地相似的16 個小區(qū)，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置4 個處理，分別為對照組 (N0，不施氮)、單施NaNO3組()、 單 施NH4Cl 組 () 以 及NaNO3和NH4Cl 1 ∶ 1 混施組(Nmix)，每個處理4 個重復(fù)。

1.3 試驗(yàn)方法

2019 年4 月底對試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行翻耕、除雜等處理，測定土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分：有機(jī)質(zhì)含量12.62 g·kg-1，全氮含量0.78 g·kg-1，銨態(tài)氮含量12.36 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量8.38 mg·kg-1，速效磷含量35.42 mg·kg-1，速效鉀含量72.5 mg·kg-1，pH 8.13。5 月初進(jìn)行條播，行距15 cm，播種深度2 cm。施氮量按純氮計(jì)200 kg·hm-2，分3 次，在播種期、第1 次刈割后、第2 次刈割后分別以液態(tài)施入。苗期每周利用溫室自動噴淋裝置進(jìn)行人工降雨1 次。期間進(jìn)行日常除雜，保持通風(fēng)。種植當(dāng)年于初花期刈割，共刈割3 次。每次刈割后取植物根際0 - 20 cm 土壤，去除細(xì)根等雜物，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.4 測定指標(biāo)

土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量測定參照《土壤農(nóng)化分析》[22]；植物株高即測自然狀態(tài)下植株的自然高度；挖出植物完整根系，測定根系長度，以及地上和地下部分鮮重。植物根及葉片中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用試劑盒測定(購于蘇州科銘生物科技有限公司)。氮素積累量、氮素吸收效率(nitrogen uptake efficiency, NUPE)和氮肥利用率的計(jì)算方法如下[23]：

氮素積累量(kg·hm-2) = 干物質(zhì) × 含氮量；

氮素吸收效率 = 植株氮素積累量/施氮量 × 100%；

氮肥利用率 = (施氮處理植株地上部氮含量 -不施氮處理植株地上部含氮量)/施氮量 × 100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。采用SPSS 19.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對不同形態(tài)氮素對紫花苜蓿生長特征、氮含量、氮素積累量、氮素吸收率、氮肥利用率和土壤理化指標(biāo)的影響進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，Duncan 法進(jìn)行多重比較，相關(guān)分析采用Pearson 系數(shù)。使用Sigma plot 14.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿根際土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

圖 1 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿根際土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Figure 1 Effects of different nitrogen forms on soil chemical properties of alfalfa rhizosphere in different stubbles

添加不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿根際土壤有機(jī)質(zhì)含量影響不顯著(P ＞ 0.05)，隨著刈割茬次增加，混合施氮下的土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，在第2 和3 茬時均低于對照組處理。在刈割前兩茬時，各處理間土壤pH 沒有顯著變化(P ＞ 0.05)，在第3 茬時，單施硝態(tài)氮處理的pH 顯著高于其他3 組的，單施銨態(tài)氮處理下的土壤pH 最低(P ＜ 0.05) (圖1)。在第1 茬時，施氮處理下的土壤速效磷含量均顯著高于對照組(P ＜ 0.05)，隨刈割茬次增加，只有單施銨態(tài)氮處理組的土壤速效磷顯著高于對照組，其余各處理組與對照組沒有顯著差異(圖1)。說明單施硝態(tài)氮或混施氮可能促進(jìn)紫花苜蓿對磷的吸收，因此該處理下的土壤速效磷含量低于單施銨態(tài)氮處理組。除了第3 茬的單施硝態(tài)氮組外，其余各處理的土壤速效鉀含量在各個茬次都顯著高于對照組(P ＜ 0.05)，在第2 茬時，各處理下的土壤速效鉀含量最高，說明速效鉀不是限制紫花苜蓿生長的主要因素。

2.2 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿植株及根際土壤氮含量的影響

不同茬次，土壤全氮含量在施氮處理組都有增高，尤其在單施銨態(tài)氮和混施氮處理組都顯著高于對照組(P ＜ 0.05) (圖2)。各施氮處理組的土壤硝態(tài)氮含量也顯著高于對照組，隨刈割茬次增加，混合施氮處理組的土壤硝態(tài)氮含量最高。與土壤硝態(tài)氮含量的變化不同，土壤銨態(tài)氮含量在不同茬次不同處理下都沒有顯著的變化(P ＞ 0.05)，這可能是施入的銨態(tài)氮被迅速轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，因此土壤硝態(tài)氮含量存在明顯波動，而銨態(tài)氮含量變化不顯著。

在前兩茬混合施氮處理下的紫花苜蓿植株全氮含量最高(P ＜ 0.05)，第3 茬時，單施硝態(tài)氮處理＞紫花苜蓿植株全氮含量顯著高于其余各處理組，所有施氮處理下的植株氮含量均顯著高于對照組(P ＜0.05) (圖2)。各茬次各處理下的植株硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量都顯著高于對照組。其中，植株硝態(tài)氮含量在各個茬次中都是混合氮處理組最高，而植株銨態(tài)氮含量在第1 茬時，盡管各處理組的含量都顯著高于對照組(P ＜ 0.05)，但各處理間無顯著差異(P ＞0.05)。

2.3 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿氮素積累及利用的影響

圖 2 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿植株及根際土壤氮含量的影響Figure 2 Effects of different nitrogen forms on the nitrogen content of alfalfa rhizosphere soil in different stubbles

添加不同形態(tài)氮素在不同茬次都顯著提高了植株地上生物量，在第2 茬時，混合施氮處理組植株地上生物量顯著高于其余各處理組(P ＜ 0.05) (圖3)。通過計(jì)算添加不同形態(tài)氮素后紫花苜蓿的氮素積累量、氮素吸收率和氮肥利用率，結(jié)果顯示，第1 茬時，混合施氮下的氮素積累量、氮素吸收效率和氮肥利用率顯著高于單施銨態(tài)氮處理組(P ＜ 0.05)，第2、3 茬時混合施氮和單施硝態(tài)氮處理組顯著高于單施銨態(tài)氮處理組(圖3)，地上生物量、氮素積累量、氮素吸收效率和氮肥利用效率都是在第2 茬時高于其他兩茬。說明在刈割狀態(tài)下，紫花苜蓿在刈割第2 茬產(chǎn)量最高且對不同形態(tài)氮肥，尤其是對硝態(tài)氮肥和混合氮肥的吸收和利用效果較好。

圖 3 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿氮素積累及利用的影響Figure 3 Effects of nitrogen forms on the nitrogen accumulation and use efficiency of alfalfa in different stubbles

圖 4 不同茬次紫花苜蓿生物量和氮含量的主成分分析Figure 4 PCA of the biomass and nitrogen content of alfalfa in different stubbles

通過主成分分析對不同茬次紫花苜蓿地上生物量、氮含量進(jìn)行聚類(圖4)，沿第1 軸方向，添加不同形態(tài)氮素處理對紫花苜蓿的生長和氮素積累有明顯的影響，各處理組明顯區(qū)別于對照組，且單施硝態(tài)氮處理組和混施氮處理組的樣點(diǎn)分布較集中，說明這兩種處理對紫花苜蓿生長、氮素積累的影響相似，但是與單施銨態(tài)氮處理組不同。主成分分析第1 軸解釋了不同茬次各處理間95.8%的紫花苜蓿生長和氮含量變化，第2 軸解釋了3.7%的變化。

2.4 紫花苜蓿氮素積累與土壤因子的關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果表明(圖5)，第1 茬時，紫花苜蓿氮素積累量與土壤速效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.05)。第2 茬時，紫花苜蓿氮素積累量與土壤速效鉀、硝態(tài)氮、全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明土壤pH 升高會抑制紫花苜蓿對氮素的積累(P ＜ 0.05)。第3 茬時，紫花苜蓿氮素積累量僅與土壤硝態(tài)氮和全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.05)。說明隨著刈割茬次的增加，紫花苜蓿對氮素的積累由依賴氮、磷、鉀多營養(yǎng)元素的供應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν寥赖康囊蕾?，尤其是土壤硝態(tài)氮和全氮含量。

圖 5 不同茬次紫花苜蓿氮素積累量與土壤因子的關(guān)系Figure 5 Correlations between the nitrogen accumulation of alfalfa and soil chemical properties in different stubbles

3 討論

3.1 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿根際土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

施肥能顯著改變土壤理化性質(zhì)，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量能夠表征土壤的養(yǎng)分水平，土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量則反映了土壤的供氮能力[3,14,24]。Zia 等[25]在蘇格蘭斯凱島進(jìn)行的模擬不同形態(tài)氮沉降的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加不同比例的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮對土壤可溶解有機(jī)碳沒有顯著影響，在∶ NO3-為9 ∶ 1 時添加生石灰能夠顯著增加土壤pH 和可溶解有機(jī)碳含量。與該研究結(jié)果相似，本研究中添加不同形態(tài)氮素并沒有顯著改變土壤有機(jī)質(zhì)含量，其中銨態(tài)氮處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量在數(shù)值上高于其他處理。在刈割第1 茬時，土壤速效磷含量在各處理組顯著高于對照組，隨著刈割茬次的增加，第2、3 茬土壤速效磷含量低于第1 茬，僅銨態(tài)氮處理高于其他處理組。這一方面是由于最初施基肥產(chǎn)生的正向效應(yīng)，另一方面也說明土壤硝態(tài)氮可能促進(jìn)植物對磷的吸收，從而使土壤速效磷的消耗增加，含量下降[11]。與土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷含量變化相比，土壤速效鉀含量受處理影響較大，各施氮處理下的土壤速效鉀含量顯著高于對照組，且在混合態(tài)氮處理組達(dá)到最高。但是，李燕青等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，單施尿素沒有顯著改變土壤速效鉀含量，而單施豬糞、雞糞和牛糞則顯著增加了土壤速效鉀的含量。由于土壤中鉀的富集帶來的負(fù)面影響較小，并能促進(jìn)植物吸收利用氮素，因此本研究中混合態(tài)氮處理下土壤速效鉀含量增加，也在一定程度上促進(jìn)了紫花苜蓿對氮素的吸收和利用。土壤pH 只在第3 茬時發(fā)生了顯著變化，并且在各處理下都保持在中性偏堿的水平，說明外源氮素對土壤酸堿度的影響需要一段時間才能顯現(xiàn)出來。且添加銨態(tài)氮會促進(jìn)H+的釋放而顯著降低土壤pH，添加硝態(tài)氮會因?yàn)榇罅酷尫臤H-而提高土壤pH[27]。以往研究表明土壤保持無機(jī)氮的能力與土壤pH、氮素形態(tài)、環(huán)境條件密切相關(guān)。當(dāng)土壤pH 呈中性或堿性時，硝化作用強(qiáng)，土壤中無機(jī)氮以NO3-為主，而銨態(tài)氮常由于發(fā)生氨揮發(fā)而損失[28]。本研究中采用人工降水，保持水分適中，且土壤為中性偏堿性，因此土壤中NO3-相對穩(wěn)定，硝態(tài)氮成為土壤氮素的主導(dǎo)形態(tài)。添加不同形態(tài)氮素處理對土壤銨態(tài)氮含量影響不顯著，這與王丹等[3]、王西娜等[29]的研究結(jié)果一致。除了添加的硝態(tài)氮源外，銨態(tài)氮的陽離子狀態(tài)使得它容易被帶負(fù)電荷的土壤膠體吸附固持，且易被硝化微生物轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[3,30]，因此土壤硝態(tài)氮含量顯著提高。同時土壤全氮含量的增加也能提高礦化勢，增加氮的礦化量，提高植物對氮素的吸收和利用效率。

3.2 不同形態(tài)氮素對不同茬次紫花苜蓿氮素積累及利用的影響

不同植物對不同形態(tài)氮素的響應(yīng)不同。越來越多的證據(jù)表明，植物對氮素資源的適應(yīng)具有可塑性[21]，為了適應(yīng)有效氮供應(yīng)水平的波動，不同的植物群落可能會將它們對有機(jī)氮的依賴轉(zhuǎn)變?yōu)閷︿@態(tài)氮和硝態(tài)氮的依賴，這有助于它們適應(yīng)自然界中氮素形態(tài)的變化[31-32]。本研究中添加不同形態(tài)氮素均能提高紫花苜蓿植株全氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量，單施硝態(tài)氮和混合態(tài)氮處理組對提高植物氮含量和地上生物量的效果相似且具有明顯優(yōu)勢，這也說明紫花苜蓿可能是一種“喜硝”植物[2]。如果外源施入的氮素形態(tài)與植物偏好的氮素形態(tài)相契合，植物就能更好地吸收和利用氮素[28]。在本研究中，土壤中的氮素形態(tài)以硝態(tài)氮為主導(dǎo)，而紫花苜蓿又偏好于硝態(tài)氮，因此在硝態(tài)氮處理下紫花苜蓿地上生物量更高。而由于較強(qiáng)的硝化作用將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，因此混合施氮處理的效果要比單施硝、銨態(tài)氮肥效果好。于鐵峰等[33]的研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)∶為5 ∶ 3 時，紫花苜蓿的粗蛋白含量、蛋白總量、可消化干物質(zhì)都顯著提高，綜合營養(yǎng)品質(zhì)最佳。本研究中，無論是地上生物量、氮素積累量、氮素吸收效率和氮肥利用率，都在第2 茬時達(dá)到高峰，且施混合態(tài)氮處理表現(xiàn)最佳，這與葉芳等[12]的研究結(jié)果一致。劉曉靜等[4]的研究還發(fā)現(xiàn)在刈割第2 茬時，紫花苜蓿中的硝酸還原酶活性高于其他茬次，這在紫花苜蓿對氮肥的吸收利用中起到關(guān)鍵作用。此外，對于豆科植物，氮素形態(tài)也影響其生物固氮過程。以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紫花苜蓿營養(yǎng)生長的旺盛階段，施氮會抑制其根瘤的固氮作用，且硝態(tài)氮對根瘤固氮的抑制作用要高于銨態(tài)氮。但是在紫花苜蓿苗期有效根瘤不多或者刈割后光合作用較弱時，其根瘤固氮不能滿足植物生長需求，依然需要補(bǔ)充相應(yīng)氮素[8,34]。本研究在過程中監(jiān)測了各處理下的結(jié)瘤率，發(fā)現(xiàn)在苗期有效根瘤不多，因此植株對氮的需求主要靠外源氮素補(bǔ)充。

本研究還發(fā)現(xiàn)氮素積累量在第1 茬時與土壤速效磷、速效鉀、全氮和硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，在第2 茬時與土壤速效鉀、全氮和硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，到了第3 茬時，僅與土壤硝態(tài)氮和全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。說明隨著刈割茬次的增加，紫花苜蓿對氮素的積累由對土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的依賴轉(zhuǎn)為對土壤氮素形態(tài)的依賴，即隨著刈割茬次的增加，要適當(dāng)為紫花苜蓿補(bǔ)充氮素，尤其是硝態(tài)氮的供應(yīng)才能保證它對氮素的積累。由于在紫花苜蓿生產(chǎn)中是否需要施氮肥一直存在爭議，持反對觀點(diǎn)的認(rèn)為施氮會抑制根瘤形成、增加土壤酸性、促進(jìn)雜草生長、降低苜蓿的競爭力[7]。本研究的結(jié)果認(rèn)為適量適時施氮，尤其是選擇恰當(dāng)?shù)耐庠吹匦螒B(tài)是有利于紫花苜蓿的生長和持續(xù)利用的。此外，今后進(jìn)一步研究氮素轉(zhuǎn)化過程中不同酶的活性、功能微生物的作用，通過微生物途徑增強(qiáng)氮素有效性，提高植物對氮素的吸收、利用和積累，能夠降低化學(xué)氮肥的負(fù)面作用。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明在pH 7.3～8.6 的中性偏堿性土壤中，不同形態(tài)氮素對紫花苜蓿生長及氮素積累和利用的影響各有差異，單施硝態(tài)氮和混合態(tài)氮更有利于紫花苜蓿的產(chǎn)量和對氮素的吸收、利用和積累。生長第1 年的苜蓿在不同茬次對土壤養(yǎng)分變化的響應(yīng)不同，刈割第2 茬是紫花苜蓿生長和對氮素利用的最佳時期，隨著刈割茬次的增加，紫花苜蓿對氮素的依賴增強(qiáng)，建議在刈割第2 茬后補(bǔ)充硝態(tài)氮或混合態(tài)氮以保障其產(chǎn)量和植株氮含量，從而提升飼用品質(zhì)。