不同形態(tài)氮對谷子生長和氮利用的影響

崔紀(jì)菡，劉猛，趙宇，宋世佳，劉旭，夏雪巖，李順國，劉建軍

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所／河北省雜糧研究實(shí)驗(yàn)室／國家谷子改良中心，河北 石家莊 050035；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院，河北 石家莊 050000；3.河北省雜糧產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 邯鄲 056000）

谷子（Setaria italica（L.）Beauv.）是北方主要抗逆、度荒作物，因其耐瘠薄和耐旱性的特點(diǎn)，在我國干旱和半干旱地區(qū)具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢和生產(chǎn)優(yōu)勢［7］。目前，對谷子氮素利用的研究主要集中在氮肥運(yùn)籌、氮磷鉀配比、有機(jī)無機(jī)氮配施等方面，而在不同氮素形態(tài)方面的研究剛剛起步。崔紀(jì)菡等［8］研究認(rèn)為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對谷子生長發(fā)育的作用各有側(cè)重，硝態(tài)氮促進(jìn)谷子株高、葉面積、生物量的提高，銨態(tài)氮促進(jìn)谷子葉綠素含量和穗部累積，但是該研究尚未摸清谷子對不同氮素形態(tài)的氮素吸收、分配和利用特點(diǎn)，相關(guān)的研究也少見報(bào)道。為了明確不同形態(tài)氮及配施對谷子生長和氮利用的影響，本試驗(yàn)以冀谷38為材料，采用蛭石養(yǎng)苗法給谷子澆灌無氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮－硝態(tài)氮混合營養(yǎng)液，通過對谷子形態(tài)、干物質(zhì)重和氮素含量指標(biāo)的測定，研究不同形態(tài)氮處理對谷子氮利用的影響，以期為谷子栽培中氮肥種類的選擇，以及進(jìn)一步研究不同形態(tài)氮影響谷子生長發(fā)育的生理機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年5—10月在河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試材料為冀谷38，由河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所育成和提供。該品種具有優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗除草劑的特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)在溫室內(nèi)采用蛭石澆灌營養(yǎng)液養(yǎng)苗法進(jìn)行。試驗(yàn)前對谷種進(jìn)行清選，采用10%的H2O2消毒，30 min后相繼用蒸餾水、去離子水洗凈，轉(zhuǎn)移到預(yù)裝有蛭石的塑料花盆中播種。蛭石用量為450 g／盆，每盆播10粒種子。種子發(fā)芽長至3葉時(shí)間苗，每盆定苗5株。

除氮外其他大量和微量元素均采用Hoaland改良配方配置［9］，pH值調(diào)至6.0后作為無氮營養(yǎng)液，另設(shè)3種形態(tài)氮處理，即銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮－硝態(tài)氮混合，以上4個處理簡稱無N、、和混合。3種營養(yǎng)液氮含量相同，即銨態(tài)氮處理濃度為140 mmol／L，硝態(tài)氮處理濃度為140 mmol／L，混合態(tài)氮處理、濃度均為70 mmol／L。每處理重復(fù)9次，3盆用于采集葉片測定硝酸還原酶，3盆用于測定株高和根系形態(tài)掃描，3盆用于測定根、莖、葉、穗部稱重。每2 d澆灌1次營養(yǎng)液，每盆用量200 mL。溫室設(shè)置白天6—18時(shí)光照強(qiáng)度為600μmol／（m·s），溫度為25℃；晚上18時(shí)至第二天6時(shí)為黑暗，溫度為20℃，相對濕度為40%～75%。

1.3 項(xiàng)目測定及方法

在谷子抽穗期，采集健康葉片，利用南京建成硝酸還原酶（NR）測定試劑盒比色法測定硝酸還原酶活性。谷子生長至谷穗成熟，將植株從花盆中拔出，先用清水沖洗根部至無殘余基質(zhì)，然后用蒸餾水沖洗。利用根系掃描儀（Winrhizo 2003b）測定根系總表面積、平均直徑、根系總體積和根尖數(shù)。將植株分為根、莖、葉、穗部，65℃烘干稱重，用球磨儀粉碎各部分干樣，凱式定氮法（Hanon Kjeldahl Auto Analyzer K980）測定植株全氮含量，火焰光度法（Model410 Flame Photometer）測定鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（鄧肯氏新復(fù)極差法）。葉氮占比為葉部總氮量與地上部分總氮量的比值，穗氮占比為穗部總氮量與地上部分總氮量的比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮處理對谷子形態(tài)的影響

不同形態(tài)氮處理對谷子全生育期生長影響顯著（表1、表2）。與單施銨態(tài)氮相比，單施硝態(tài)氮顯著提高谷子株高、穗長，分別增加21.0%、19.0%，降低穗粗8.0%?；旌蠎B(tài)氮處理的谷子株高、穗長、穗粗值最高，比單施銨態(tài)氮分別增加16.3、3.4 cm和1.7 mm，比單施硝態(tài)氮分別增加6.6、2.6 cm和2.5 mm。

表1 不同形態(tài)氮處理對谷子株高和穗生長的影響

表2 不同形態(tài)氮處理對谷子根系的影響

由圖1和表2可知，各施氮處理對谷子根系形態(tài)也有顯著影響，谷子總根長、總表面積、平均投影面積存在顯著差異，總投影面積、平均長度、平均表面積差異不顯著。與單施銨態(tài)氮相比，單施硝態(tài)氮總根長、根總表面積分別增加40.3%、26.3%，根系平均長度、平均投影面積降低63.7%和21.7%?；旌蠎B(tài)氮處理的總根長、總表面積最高，顯示出混合氮形態(tài)在作物生長發(fā)育中具有促進(jìn)優(yōu)勢，但總投影面積、平均長度、平均投影面積、平均表面積等指標(biāo)未體現(xiàn)出氮形態(tài)的混合優(yōu)勢。

圖1 不同形態(tài)氮處理的谷子根系

2.2 不同形態(tài)氮處理對谷子干物質(zhì)累積與分配的影響

從圖2可知，不同形態(tài)氮處理對植株干物重影響極顯著（P＜0.01）。無氮對照植株百株干重僅為3.2 g，硝態(tài)、銨態(tài)和混合態(tài)氮的百株干重分別達(dá)到63.1、91.8 g和164.4 g，表明兩種形態(tài)氮均對谷子干物質(zhì)累積有積極作用。其中，硝態(tài)氮處理的干物重比銨態(tài)氮處理提高45.5%（P＜0.01）?；旌蠎B(tài)氮處理的植株干物重最大，分別比銨態(tài)、硝態(tài)氮處理高160.5%、79.1%，表明混合態(tài)氮處理更能滿足谷子對氮形態(tài)的多樣化需求。以上結(jié)果表明，與無氮對照相比，谷子施氮能顯著提高植株干物重，硝態(tài)氮比銨態(tài)氮效果顯著，混合態(tài)氮處理的植株干物重最大。

圖2 不同形態(tài)氮對植株干物質(zhì)累積總量的影響

從圖3可知，不同形態(tài)氮對谷子各器官干重的影響不同，與單施銨態(tài)氮相比，單施硝態(tài)氮顯著提高根、莖、葉干重，分別提高101.6%、78.1%和46.4%，表明硝態(tài)氮能顯著提升谷子營養(yǎng)器官的干物質(zhì)累積。但該兩種形態(tài)氮處理在穗部干重上未有顯著差異，銨態(tài)氮處理的穗干重（12.4 g／百株）略高于硝態(tài)氮處理（10.8 g／百株）。表明，在提高谷子營養(yǎng)器官（根、莖、葉）方面的排序?yàn)椋夯旌系鞠鯌B(tài)氮＞銨態(tài)氮；在提高生殖器官（穗部）方面的排序?yàn)椋夯旌系句@態(tài)氮≈硝態(tài)氮。

圖3 不同形態(tài)氮對植株干物質(zhì)分配的影響

2.3 不同形態(tài)氮對谷子植株總氮累積量的影響

從圖4可知，不同形態(tài)氮對谷子植株總氮累積量影響極顯著，無氮對照的總氮累積量僅為1 g／萬株，硝態(tài)、銨態(tài)和混合態(tài)氮處理的總氮累積量分別為178、204、447 g／萬株。雖然硝態(tài)氮處理的植株干重比銨態(tài)氮處理高（圖2），但銨態(tài)氮處理的植株總氮累積量比硝態(tài)氮處理高14.6%，說明銨態(tài)氮處理下谷子氮吸收總量高于硝態(tài)氮處理，銨態(tài)氮是谷子偏好利用的形態(tài)氮。混合態(tài)氮處理的植株總氮累積量最高，比銨態(tài)、硝態(tài)氮處理分別高了1.19、1.51倍，進(jìn)一步體現(xiàn)了銨態(tài)、硝態(tài)氮的混合優(yōu)勢。以上結(jié)果表明，單施銨態(tài)氮比單施硝態(tài)氮顯著提高谷子總氮累積量。

圖4 不同形態(tài)氮對谷子植株總氮累積量的影響

2.4 不同形態(tài)氮對谷子植株各器官氮分配的影響

從圖5可知，不同形態(tài)氮對根、莖、葉、穗氮含量的影響差異極顯著。與單施硝態(tài)氮相比，單施銨態(tài)氮顯著提高根、莖、葉、穗氮含量，分別提高1.76、2.64倍和38.0%、27.5%，說明銨態(tài)氮能有效提升谷子植株氮累積水平。與混合態(tài)氮處理相比，銨態(tài)氮處理顯著提高谷子莖、葉、穗氮含量（P＜0.05），增幅 分別 為23.4%、19.4% 和33.8%，但二者根部氮含量差異不顯著。硝態(tài)氮與混合氮處理的根、莖（P＜0.01）氮含量存在極顯著差異，后者比前者的根、莖部氮含量分別提高2.27、1.95倍，表明單施硝態(tài)氮不利于提高谷子根、莖氮累積。以上表明，在提高谷子植株氮水平的排序?yàn)椋轰@態(tài)氮＞混合氮＞硝態(tài)氮。

圖5 不同形態(tài)氮對植株各器官氮含量的影響

2.5 不同形態(tài)氮對葉、穗部氮分配比例的影響

由圖6可知，不同形態(tài)氮對葉氮、穗氮總量占比的影響存在顯著或極顯著差異。其中，硝態(tài)氮處理的葉氮總量占比極顯著高于銨態(tài)氮、混合氮處理，分別高21.7%、39.7%，說明硝態(tài)氮有利于谷子葉部氮素積累。銨態(tài)氮處理的穗氮占比較硝態(tài)氮處理提高27.7%，差異顯著，說明更多的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為穗部總氮。銨態(tài)氮和混合氮處理的穗氮占比無顯著差異。以上表明，硝態(tài)氮有利于提高谷子葉部氮的分配比例，銨態(tài)氮有利于提高穗部氮的分配比例。

圖6 不同形態(tài)氮對葉、穗氮總量占比的影響

2.6 不同形態(tài)氮對植株硝酸還原酶活性的影響

由圖7可知，施氮顯著降低谷子植株體內(nèi)硝酸還原酶活性，無氮對照的硝酸還原酶活性最高，各形態(tài)氮處理間植株硝酸還原酶活性無顯著差異（P＜0.05）。表明，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對植株硝酸還原酶活性的影響差異不顯著。

圖7 不同形態(tài)氮對植株硝酸還原酶的影響

2.7 不同形態(tài)氮對植株各器官鉀含量的影響

相關(guān)研究表明，細(xì)胞膜對銨根離子、硝酸根離子和鉀離子的運(yùn)輸存在一定關(guān)聯(lián)，因此，在開展不同形態(tài)氮對谷子氮利用影響的研究時(shí)，對植株內(nèi)的鉀含量進(jìn)行了檢測。結(jié)果（圖8）表明，硝態(tài)氮與銨態(tài)氮處理谷子各器官的鉀含量差異極顯著。與硝態(tài)氮處理相比，銨態(tài)氮處理的根、莖、葉、穗的鉀含量分別降低34%、70%、74%和34%，與混合氮處理相比，硝態(tài)氮處理的莖、葉、穗的鉀含量分別提高27%、37%、31%，根部鉀含量無顯著差別。這表明硝態(tài)氮被吸收利用的過程促進(jìn)了鉀離子的吸收，銨態(tài)氮對鉀離子的吸收具有抑制作用。

圖8 不同形態(tài)氮對植株各器官鉀含量的影響

3 討論

本研究表明，在單供銨態(tài)氮的體系中根系吸氮量要高于單供硝態(tài)氮的體系，銨態(tài)氮能更好地被谷子根系吸收。其原因可能是由于銨態(tài)氮是經(jīng)濟(jì)型氮源，的吸收和同化成本低于［10］，同化1 mol需要的能量等同20個三磷酸腺苷（denosine triphosphate，ATP），同化1 mol僅需要5個ATP，而根部吸收耗氧量約為的5倍［11］。

本研究中硝態(tài)氮處理的硝酸還原酶（NR）活性未見提高，這與該研究方面的主流結(jié)論不盡一致。主流研究認(rèn)為，硝態(tài)氮能夠誘導(dǎo)硝酸還原酶的合成，提高植株NR活性，如陳煜等［17］認(rèn)為硝態(tài)氮顯著增加大豆NR活性，銨態(tài)氮最差。而胡潤芳等［18］在大豆上的研究剛好相反，銨態(tài)氮培養(yǎng)對大豆葉片NR活性效果顯著優(yōu)于混合氮素處理和硝態(tài)氮培養(yǎng)。在小麥［19］、菠菜［20］、水稻［21］等作物上的研究表明，兩種氮素形態(tài)共存時(shí)的NR活性比單一營養(yǎng)高，其活性也隨比例的增加而降低。以上研究存在矛盾而又一致的結(jié)論，可能是因?yàn)閷R活性既有促進(jìn)又有抑制作用［22］。筆者認(rèn)為，硝酸還原酶的合成或者初始化需要參與，一直生長在全硝態(tài)氮液中的植株，由于缺乏，限制了最先合成的硝酸還原酶的活性或者初始化，所以在全硝態(tài)氮液中，谷子沒有表現(xiàn)出很高的NR活性。

在細(xì)胞質(zhì)膜上有兩種鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，一種是高親和性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，主要組成形式是載體，另一種是低親和性吸收系統(tǒng)，主要組成形式是通道［23，24］。在環(huán)境中鉀濃度在0.001～0.2 mmol／L時(shí)，載體蛋白發(fā)揮主要作用，在鉀濃度為1～10 mmol／L時(shí)，蛋白通道發(fā)揮主要作用［25］。在對雜交狼尾草的研究中，銨態(tài)氮降低了組織中鉀含量［13］，該結(jié)果與本研究一致。本研究中，銨態(tài)氮降低谷子根、莖、葉、穗34%～74%的鉀含量。關(guān)于銨態(tài)氮降低鉀吸收的原因，不少研究報(bào)道認(rèn)同銨與鉀的吸收之間存在拮抗關(guān)系［26，27］，鉀的吸收受到銨的抑制。但這種拮抗機(jī)制究竟是怎么作用于載體和通道蛋白并不明確。利用離子耗竭技術(shù)對小麥的銨離子和鉀離子吸收進(jìn)行研究，鉀離子的吸收受到了銨離子的抑制，通過分析二者的動力學(xué)機(jī)理，銨離子降低了細(xì)胞質(zhì)膜對鉀離子的親和性［28］。孫小茗等［29］對水稻和大豆幼苗的研究也有相似的結(jié)果，但對拮抗機(jī)制有不同見解，該研究結(jié)果表明，銨離子并不能降低鉀離子與細(xì)胞質(zhì)膜載體的親和力，而是通過降低質(zhì)膜上的載體數(shù)目而抑制鉀離子吸收的。而由于銨類氮肥的特點(diǎn)以及肥料的轉(zhuǎn)化規(guī)律，土壤中含有銨離子是無法避免的，因此在思考如何提高氮的吸收效率的同時(shí)，也應(yīng)該降低銨對鉀的拮抗效應(yīng)。

4 結(jié)論

不同形態(tài)氮對谷子生長和氮利用影響差異顯著，硝態(tài)氮促進(jìn)谷子生長，提高其株高、根莖葉部物質(zhì)積累，但降低穗部干物重和穗氮占比。銨態(tài)氮延緩谷子生長，抑制根系對鉀離子的吸收，但有助于提高穗部干物重、各部氮素積累和穗氮占比。相比硝態(tài)氮，銨態(tài)氮處理的植株總氮累積量提高14.6%，根、莖、葉、穗部含量分別高1.76、2.64倍和38.0%、27.5%，穗氮占比提高27.7%。相比銨態(tài)氮，硝態(tài)氮處理提高45.5%的干物重和21.7%的葉氮含量占比，株高、穗長分別增加21.0%、19.0%，總根長、根總表面積分別增加40.3%、26.3%。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮有一種聯(lián)合效應(yīng)，混合施用利于植株生長、穗部發(fā)育和氮素累積。研究結(jié)果還表明，銨態(tài)氮對鉀離子的吸收具有抑制作用，降低植株34%～74%的鉀含量。綜上所述，銨態(tài)氮是谷子較易利用的氮形態(tài)，谷子對銨態(tài)氮的吸收高于硝態(tài)氮；硝態(tài)氮能促進(jìn)谷子營養(yǎng)器官的生長，銨態(tài)氮能促進(jìn)谷子氮素累積和提高穗部產(chǎn)量；硝態(tài)氮－銨態(tài)氮處理對谷子生長、穗部產(chǎn)量、氮素利用提升均有良好效果。