不同氮效率小麥品種根系特征及根際土壤酶活性的分析

宋曉 張珂珂 黃晨晨 黃紹敏， * 岳克 張志標 郭斗斗 郭騰飛

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所∕河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河南 鄭州 450002；2夏邑縣土壤肥料工作站，河南 商丘 476400）

小麥（Triticum aestivumL.）是我國重要的糧食作物之一［1］，小麥的產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到我國的糧食安全和社會穩(wěn)定［1］。自2004年以來，我國小麥連年增產(chǎn)，但增產(chǎn)的同時也伴隨著氮肥的過量施用及肥效下降［2］。過量的氮素通過氨揮發(fā)、硝化反應(yīng)、淋溶及地表徑流等造成氮損失和面源污染［3-4］?；诮?jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境保護的雙重要求，提高小麥氮肥利用效率成為研究熱點，而篩選和培育氮高效型小麥品種是提高氮素利用效率的重要途徑［5］。作為氮素吸收利用的主要捕獲器官，根系的生長發(fā)育、形態(tài)結(jié)構(gòu)及其在土壤中的時空分布等影響小麥對氮素的吸收利用［6-7］。根系是連接植株地上部分和土壤的重要器官，具有支撐和固定植物，以及從土壤中吸收水分和養(yǎng)分的雙重功能［8］。根系形態(tài)及生理特性的表現(xiàn)受環(huán)境及基因的共同影響［9］。不同作物或同一作物不同品種間根系吸收能力存在差異［10］。前人研究不同氮效率基因型小麥根系對NO3-、NH4+的吸收動力學(xué)特征發(fā)現(xiàn)，氮高效基因型小麥對NO3-、NH4+的吸收具有明顯優(yōu)勢［11］。氮高效小麥根系具有較強的吸收和生理代謝能力，有利于小麥對氮素的吸收，是實現(xiàn)氮高效的基礎(chǔ)［12］。

土壤中的養(yǎng)分和酶都是作物生長不可或缺的因素，各因素良好的協(xié)同作用有利于提高作物氮效率［13］。土壤酶主要來源于微生物和植物根系的分泌物及動植物殘體釋放的酶，參與土壤肥力的形成和演化過程，是土壤中具有生物活性的蛋白質(zhì)［14］。酶活性因土壤質(zhì)地和作物種類不同而有較大差異［13-14］。前人對作物氮效率研究主要集中在氮素的吸收、還原同化、積累和分配等方面［11-12，15］，關(guān)于不同氮效率小麥品種的根系特征和土壤酶活性的研究較少。因此，本研究利用30年的長期定位試驗平臺，采用27個小麥品種進行大田試驗，在前期篩選試驗的基礎(chǔ)上，選擇氮效率有顯著差異的小麥品種，綜合分析不同基因型小麥根系吸收特性與根際土壤酶活性的差異，探索小麥氮素高效吸收利用的生理機制，以期為氮高效型小麥品種的選育和高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019和2019—2020年度在全國潮土 肥 力 和 肥 料 效 益 長 期 監(jiān) 測 試 驗 站（113°41′E，35°00′N）實施。試驗地地處黃淮海平原，處于熱帶向暖溫帶過渡地帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為645 mm，平均日照長12 h，平均氣溫14.4 ℃，無霜期224 d。供試土壤為潮土，土壤地力均勻，0～30 cm耕層土壤基礎(chǔ)肥力為：有機質(zhì)含量14.3 g·kg-1、堿解氮含量81.4 mg·kg-1、有效磷含量14.1 mg·kg-1、有效鉀含量88.4 mg·kg-1、全氮含量0.8 g·kg-1。

1.2 供試材料

供試小麥材料詳細信息見表1。

表1 小麥品種（系）名稱及縮寫Table 1 Wheat variety （line） name and abbreviation

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 試驗1：不同氮效率小麥基因型的篩選 27個供試小麥品種分別于2018年和2019年10月中旬播種，播種量為150 kg·hm-2。采用裂區(qū)設(shè)計，氮肥處理為主區(qū)，品種為副區(qū)。供氮水平為2個：不施氮肥N0（0 kg N·hm-2）、正常施氮肥N1（165 kg N·hm-2）。試驗小區(qū)為隨機排列，每個小區(qū)面積為6 m×9 m=54 m2，行距20 cm，重復(fù)3次。所用氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為磷酸二氫鈣（含P2O512%）687.5 kg·hm-2，鉀肥為硫酸鉀（含K2O 57%）144.74 kg·hm-2。氮肥基追比為1∶1，追肥于返青期開溝施入，磷肥和鉀肥在播前作為基肥一次性施入，其他栽培措施同一般高產(chǎn)田管理。

1.3.2 試驗2：不同氮效率小麥根系特征與酶活性的差異 在試驗1品種篩選的基礎(chǔ)上，以氮高效小麥品種鄭麥113、偃高21和氮低效小麥品種豐德存5號、周麥27為材料，于2020年10月中旬播種。設(shè)置N0和N1兩個處理（與試驗1相同），其他試驗設(shè)計和栽培管理措施與試驗1相同。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 根系活力測定 取樣時期分別為返青期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期、成熟期，選取長勢一致、有代表性的麥行，以麥行為中心，向左右行間各延伸10 cm，取長、寬各20 cm，深30 cm的土塊，將挖取的土塊裝于70目的篩網(wǎng)袋中，用流水緩慢沖洗根部，將洗干凈的小麥根系裝入冰盒，用于測定根系活力。根系活力的測定采用改良2,3,5-氯化三苯基四氮唑（2,3,5-triphenyltetrazolium chloride，TTC）還原法［16］。

1.4.2 根系形態(tài)測定 取樣時期分別為越冬期、孕穗期、灌漿期和成熟期。取樣方法同1.4.1。將準備好的小麥根系放入裝有少量水的有機玻璃盤上，用鑷子小心將每條根展開，使根與根之間不交叉、不重疊，使用Epson Expression 10000XL根系掃描儀（日本Epson公司）對所有根系進行圖像掃描。再利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)（加拿大Sainte Foy公司）分析得到根長、根表面積（root surface area，RSA）和根體積（root volume，RV）等形態(tài)學(xué)指標［17］。

1.4.3 生物量測定 將1.4.1中除去測定根系活力剩余的部分根系與地上部鮮樣共同放置于恒溫箱內(nèi)，105 ℃殺青20 min，然后80 ℃烘干至恒重，計算生物量。1.4.4 植株氮含量測定 將1.4.3中地上部干樣粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮法（水楊酸-鋅粉還原法、蒸餾后滴定法）［18］測定植株氮含量。按公式計算以下各指標：

式中，N為植株氮含量（%）；V為鹽酸體積變量（mL）；M為樣品質(zhì)量（g）。

1.4.5 籽粒產(chǎn)量測定 于成熟期在每小區(qū)取1 m雙行代表樣段，人工收割脫粒，自然曬干稱重，計算籽粒產(chǎn)量。

1.4.6 根際土壤酶活性測定 分別于越冬期、孕穗期、灌漿期和成熟期采集土樣。每個試驗小區(qū)內(nèi)隨機選取3個點，將植株連根挖出，采用抖土法收集根際土（根系周圍0～5 mm）［19］，于4 ℃條件下保存并盡快帶回實驗室，過2 mm篩后，除去根系殘體，用于測定根際土壤β-葡萄糖苷酶（B-glocusidase，BG）、亮氨酸氨基肽酶（lamiopeptidase，LAP）和多酚氧化酶（pholyphenol oxidase，POX）活性。

土壤BG和LAP活性采用微孔板熒光法［20］測定，土壤POX活性采用微孔板比色法［21］測定。根據(jù)測定原理，使用Labsystems Multiskan酶標儀（芬蘭Labsystems公司）在特定波長下讀取吸光值，通過測定吸光值升高速率來計算各種土壤酶活性。所得結(jié)果統(tǒng)一單位為nmol·g-1·h-1，即每小時每克鮮土分解相應(yīng)底物產(chǎn)生特定產(chǎn)物的量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0等軟件進行數(shù)據(jù) 處理。通過OriginPro 8.1、Microsoft Excel 2010與Microsoft PowerPoint 2010軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型小麥氮效率差異

2.1.1 不同基因型小麥氮生理利用效率的差異 由圖1可知，2018—2019年27個小麥品種的氮生理利用效率平均值為41.07%，其中鄭麥113、偃高21和西農(nóng)511居前3位，氮生理利用效率為49.23～51.78%；豐德存5號、周麥27和豫資3號居后3位，氮生理利用效率為23.57～27.74%。2019—2020年，27個小麥品種的氮生理利用效率平均值為41.41%，其中鄭麥113、偃高21和洛麥31居前3位，氮生理利用效率為48.35～50.04%；豐德存5號、周麥27和豫資3號居后3位，氮生理利用效率為28.34～33.12%。綜合2年試驗結(jié)果，鄭麥113和偃高21的氮生理利用效率較高；豐德存5號和鄭麥27的氮生理利用效率較低。

圖1 2018—2019和2019—2020年不同基因型小麥氮生理利用效率Fig.1 Physiological use efficiency of nitrogen fertilizer of wheat genotypes in 2018—2019 and 2019—2020

2.1.2 不同基因型小麥氮素吸收利用的差異（成熟期） 為了進一步探討不同基因型小麥的氮素吸收利用特征，選取成熟期氮生理利用效率較高的鄭麥113、偃高21和氮生理利用效率較低的豐德存5號和周麥27進行氮利用效率和氮吸收效率分析。由表2可知，N0處理下小麥的氮利用效率高于N1。與N1處理相比，2018—2019年度N0處理下鄭麥113、偃高21、豐德存5號和周麥27的氮利用效率分別提高了23.87、25.23、18.92和13.59個百分點；2019—2020年度分別提高了9.75、12.48、15.06和14.45個百分點。同一處理不同基因型小麥氮利用效率不同，N1處理下，鄭麥113和偃高21的氮利用效率顯著高于豐德存5號和周麥27，而鄭麥113和偃高21之間以及豐德存5號和周麥27之間差異不顯著；鄭麥113、偃高21和周麥27的氮吸收效率明顯高于豐德存5號。

表2 不同基因型小麥的氮效率差異Table 2 Differences of nitrogen efficiency in different wheat genotypes

2.2 不同氮效率小麥的根系生理特征

2.2.1 不同氮效率小麥的根系活力 由圖2可知，隨著生育期的推進，不同氮效率小麥品種在N0和N1處理下的根系活力均呈先升高后降低的趨勢，在孕穗期達到最大值。兩種氮水平下，鄭麥113和偃高21的根系活力均高于周麥27和豐德存5號。N0、N1兩種氮水平下，各生育時期鄭麥113和偃高21的平均根系活力比周麥27和豐德存5號的平均根系活力分別增加了16.13%～24.22%、10.22%～62.49%。N1水平下鄭麥113、偃高21、豐德存5號和周麥27各生育期的根系活力平均值比N0水平下分別增加了29.71%、19.01%、25.39%和5.60%。

圖2 不同氮效率小麥根系活力（2018—2020兩年的平均數(shù)據(jù)）Fig.2 Root vigor of wheat with different nitrogen efficiency （average data of 2018—2020）

2.2.2 不同氮效率小麥根系形態(tài)差異 由表3可知，隨著生育期的推進，兩種氮水平處理下各小麥品種的總根長、根表面積和根體積呈先增加后降低的趨勢，均在孕穗期達到最大值。兩種氮水平各生育期下，氮高效小麥品種鄭麥113和偃高21的總根長、根表面積和根體積均高于氮低效小麥品種豐德存5號和周麥27。N0水平下，各生育期鄭麥113和偃高21的平均總根長比豐德存5號和周麥27的平均總根長增加了31.03%～73.10%；根表面積增加了46.85%～72.19%；根體積增加了38.00%～85.05%。而N1水平下，各生育期鄭麥113和偃高21的平均總根長、根表面積和根體積分別較豐德存5號和周麥27的平均總根長、根表面積和根體積增加了22.78%～54.39%、31.78%～62.40%和11.90%～48.75%。與N1水平相比，N0水平下孕穗期鄭麥113、偃高21、豐德存5號和周麥27的根長分別降低了23.97%、21.14%、31.49%和34.94%；根表面積降低了32.32%、33.53%、45.18%和31.71%；根體積降低了58.52%、34.66%、64.64%和28.34%。

表3 不同氮處理下小麥不同生育期根系形態(tài)參數(shù)的變化Table 3 Changes of root morphological parameters of wheat in different growth periods under different nitrogen treatments

2.3 不同氮效率小麥品種的土壤根際酶活性

由圖3可知，從越冬期到成熟期，N1處理下土壤酶活性均高于N0處理。N1處理下，整個生育期內(nèi)鄭麥113、偃高21、豐德存5號和周麥27的根際土壤BG活性平均值分別比N0處理增加了52.32%、84.34%、120.86%和111.51%（圖3-A、B）；POX活性分別增加了25.60%、31.08%、22.26%和27.94%（圖3-C、D）；LAP活性分別增加了32.86%、25.86%、42.56%和39.78%（圖3-E、F）。兩種氮水平處理下，各生育期鄭麥113和偃高21的土壤酶活性整體顯著高于豐德存5號和周麥27（P<0.05）；不同小麥品種在各生育期的BG活性均高于POX和LAP活性。

隨著生育進程的推進，兩種氮水平下各小麥品種的BG和POX活性先增加后降低。N1處理下，四個品種的根際土壤BG活性平均值從越冬期的519.55 nmol·g-1·h-1增加至灌漿期的最大值758.05 nmol·g-1·h-1，至成熟期平均值又下降到599.23 nmol·g-1·h-1（圖3-A）；N0處理下，四個品種的BG活性平均值在灌漿期達到最大值412.31 nmol·g-1·h-1（圖3-B）。四個品種的根際土壤POX活性均在孕穗期達到最大值，其中N1處理下POX活性平均值為16.93 nmol·g-1·h-1（圖3-C），N0處理下平均值為14.15 nmol·g-1·h-1（圖3-D）。N1處理下，LAP活性隨生育進程的推進先升高后降低，在孕穗期達到最大值（圖3-E）；N0處理下，LAP活性從越冬期到成熟期逐漸降低，其中，四個品種越冬期LAP活性的平均值為52.10 nmol·g-1·h-1，成熟期的平均值為25.09 nmol·g-1·h-1（圖3-F）。

圖3 不同氮效率小麥根際土壤酶活性的差異（2018—2020兩年的平均數(shù)據(jù)）Fig.3 Soil enzyme activities in the rhizosphere of wheat with different nitrogen efficiency （average data for the two years 2018—2020）

2.4 根系形態(tài)指標值與根際土壤酶活性的相關(guān)性分析

由表4可知，根際土壤酶活性與根系形態(tài)指標均呈正相關(guān)關(guān)系。其中根際土壤BG和POX活性均與根系活力、根長、根表面積、根體積呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；LAP活性與根長和根體積呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與根表面積呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

表4 根系形態(tài)指標與根際土壤酶活性的相關(guān)性分析Table 4 Correlation coefficients between root morphological index and rhizosphere soil enzyme activity

3 討論

3.1 不同氮效率小麥的氮素吸收利用差異

氮效率多指氮吸收和氮利用效率兩個方面，氮吸收利用效率的差異不僅存在于不同物種間，而且存在于同一物種不同品種間［22-23］。小麥對氮素的吸收、利用能力存在顯著的基因型差異［24］。氮高效基因型作物通常同時具有較高的氮吸收和利用能力，即較強的氮素運輸和再轉(zhuǎn)運能力［25］。有研究者認為，氮利用效率的差異主要來源于氮生理利用效率的差異［7］。由此推測，本研究鄭麥113和偃高21氮效率高的原因可能是其氮吸收效率和氮利用效率較高，這與徐晴等［26］研究結(jié)果一致。氮低效品種周麥27雖然具有較高的氮吸收效率，但其過低的氮利用效率導(dǎo)致氮效率也較低。而氮低效品種豐德存5號的氮吸收效率和氮利用效率均較低。因此，氮高效小麥品種較高的氮效率依賴于氮吸收效率和氮利用效率兩者的協(xié)同提高，驗證了Daba等［27］的結(jié)論。

3.2 小麥根系與氮效率的關(guān)系

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官［28］。強大的根系能夠促進地上部的光合作用，而充足的光合產(chǎn)物又為根系生長提供必須的水分和養(yǎng)分，地上和地下協(xié)調(diào)發(fā)展可促進作物的生長發(fā)育，從而影響作物產(chǎn)量［27］。研究表明，作物根系對氮素的吸收取決于根量大小和單位根系吸收能力兩方面，強大的根系生物量可以滿足地上部生長對養(yǎng)分的需求，進而提高作物生物量［29-30］；根系總吸收面積是衡量根系吸收能力的指標［31］；根系活力是根系新陳代謝能力強弱的反映，是客觀反映根系生命活動（包括吸收、合成、呼吸作用和氧化力等）的重要生理指標之一［32］。本研究結(jié)果也證實了這一點。本試驗結(jié)果表明，無論低氮或高氮水平下，氮高效小麥品種的根長、根表面積和根體積均大于氮低效小麥品種，同時還具有較高的根系活力，這與熊淑萍等［12］的研究結(jié)果一致。

3.3 不同氮效率小麥品種的根際酶活性

土壤酶是由動物、植物和微生物產(chǎn)生的，不僅是土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的重要參與者，還是土壤中進行一切生化反應(yīng)的催化劑。土壤酶活性可以反映土壤有機質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)的活躍程度，是表征土壤生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤肥力水平的重要生物學(xué)指標［33］。根際土壤酶活性的高低與土壤養(yǎng)分的礦化量及有機質(zhì)的分解程度密切相關(guān)［34］，酶活性的提高可促進作物對養(yǎng)分的吸收。本研究結(jié)果表明，施用氮肥提高了土壤酶活性，這可能是由微生物通過同化利用這些施入的氮素來促進自身生長，導(dǎo)致產(chǎn)生的酶數(shù)量和種類均顯著增加所致［35］。正常施氮肥和不施氮肥條件下，氮高效品種均表現(xiàn)出了較高的土壤酶活性，即低氮脅迫下，氮高效品種根際土壤中BG、POX和LAP依然保持較高的活性；而較高的土壤酶活性代表土壤的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化都很強盛，從而促進了植株的良好生長，這與Ullah等［36］的研究結(jié)果一致。說明氮高效小麥品種在低氮脅迫條件下仍具有良好的適應(yīng)能力。同時，根際土壤酶活性與根長、根表面積和根體積均呈正相關(guān)關(guān)系。與氮低效小麥品種相比，氮高效小麥品種的根長、根表面積和根體積明顯增加，土壤酶活性增強，表明氮高效小麥品種具有更強壯的根系和更高的氮代謝酶活性，這有助于根系保持更久的活力［37］。

4 結(jié)論

本研究表明，氮高效小麥品種鄭麥113和偃高21具有較高的氮素生理利用效率、氮吸收效率和氮利用效率，氮低效小麥品種周麥27雖然也有較強的氮素吸收能力，但其較低的氮素利用效率限制了植株對氮素的合理利用，不利于氮效率的提高。氮低效品種豐德存5號氮素吸收能力不足，不能滿足植株地上部生長的需要，限制了氮效率的提高。氮高效小麥品種較高的根系活力、根長、根表面積和根體積促進了其對氮素的吸收，是氮高效的基礎(chǔ)。不論施肥與否，氮高效和氮低效小麥品種的根系形態(tài)指標值與根際土壤酶活性均呈正相關(guān)關(guān)系，較高的根際土壤酶活性促進了根系對氮素的高效利用，有利于緩解氮供應(yīng)不足導(dǎo)致的氮素營養(yǎng)脅迫。