不同施氮處理對西藏綠肥植物幼苗根系生長的影響

摘要 為了解青藏高原地區(qū)施用氮肥對綠肥植物根系產(chǎn)生的效應(yīng)。以綠肥植物（紫花苜蓿和箭筈豌豆）為試驗材料，采取不同施氮水平（0、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 g/dm2）在西藏農(nóng)牧學(xué)院設(shè)計盆栽試驗，研究不同施氮處理對綠肥植物根系、生長特征的影響。結(jié)果表明，紫花苜蓿根系長度、投影面積、面積、表面積、體積、分叉數(shù)等指標在不同施氮水平下都呈先下降后上升再下降后上升的趨勢，且在N5處理（0.30 g/dm2）時變化幅度最大，高于對照組。箭筈豌豆根尖數(shù)等指標都表現(xiàn)出先降低后增加再降低的趨勢；根長、根投影面積、根面積、根表面積、根體積和根分叉數(shù)呈先逐漸增加后降低再增加的趨勢。當超過0.18 g/dm2（N3處理）時，會顯著影響箭筈豌豆的根系生長。對于紫花苜蓿，低氮水平對根系生長影響不明顯，高濃度的氮元素有助于促進植物的根系生長。對于箭筈豌豆，氮肥施用過量會顯著影響箭筈豌豆的根系生長。因此，在綠肥植物的生長管理中要控制好適宜氮素濃度，以達到最佳的生產(chǎn)效益。研究結(jié)果為西藏地區(qū)氮肥施用技術(shù)的完善提供了理論依據(jù)，也為紫花苜蓿和箭筈豌豆的大面積栽培提供了科學(xué)的參考。

關(guān)鍵詞 施氮；紫花苜蓿；箭筈豌豆；根系生長

中圖分類號 Q 945 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）22-0151-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.032

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Effects of Different Nitrogen Application Treatments on Root Growth of Green Manure Plants Seedlings in Xizang

ZHAO Shuai， DAI Xue， BAI Yao-qiang et al

（Xizang Agriculture and Animal Husbandry University， Nyingchi，Xizang 860000）

Abstract To study the effect of nitrogen fertilizer on the root system of green fertilizer plants in Qinghai-Tibet Plateau，green manure plants （alfalfa and Vicia sativa） were used as experimental materials in pot experiments with different nitrogen application levels （0，0.06，0.12，0.18，0.24，0.30 g/dm2） in Xizang University of Agriculture and Animal Husbandry.The effects of different nitrogen application treatments on root characteristics of green manure plants were studied. The results showed as follows：the root length，projected area，area，surface area，volume and branch number of alfalfa showed a trend of first decreasing，then increasing and then decreasing under different nitrogen application levels，and the changes were the largest under N5 treatment （0.30 g/dm2），which were higher than those in the control group. The number of root tips of Vicia sativa decreased first，then increased and then decreased.Root length，root projection area，root area，root surface area，root volume and root branching number showed a trend of first gradually increasing，then decreasing and then increasing.Root growth of Vicia sativa was significantly affected when common vetch was more than 0.18 g/dm2（N3 treatment）. In general，for alfalfa，the effect of low nitrogen level on root growth was not obvious，and high concentration of nitrogen was helpful to promote the growth of plant roots.Root growth of Vicia sativa was significantly affected by overapplication of nitrogen fertilizer. Therefore，the appropriate nitrogen concentration should be controlled in the growth management of green manure plants to achieve the best production benefits.The results provide a theoretical basis for the improvement of nitrogen fertilizer application technology in Tibet，and also provide a scientific reference for the large-scale cultivation of alfalfa and Vicia sativa.

Key words Nitrogen application;Alfalfa;Vicia sativa;Root system growth

西藏處于高海拔地區(qū)，環(huán)境條件相對惡劣，是我國的生態(tài)高地。根據(jù)最新西藏土壤調(diào)查^［1］，耕地質(zhì)量大部分偏低，需要采取多種措施做好培肥提高肥力工作。在國家生態(tài)高地、國家減肥增效、高產(chǎn)高效等背景下，通過綠肥植物的種植是提高肥力、又不破壞環(huán)境的常見措施。

紫花苜蓿與箭筈豌豆是西藏常見的2種綠肥植物。紫花苜蓿是優(yōu)良牧草，在全球范圍內(nèi)栽培廣泛^［2］。草質(zhì)精良規(guī)?；N植較多，適合于粗放式的管理模式^［3］。通過種植紫花苜蓿可以提高牧草產(chǎn)量和品質(zhì)，改善土壤理化性質(zhì)。箭筈豌豆原產(chǎn)歐洲，現(xiàn)已在我國廣為栽培。箭筈豌豆適應(yīng)性較強，有一定的耐旱、耐寒、耐瘠薄能力；用途廣泛，既可用作肥田，又可作畜、禽的優(yōu)質(zhì)飼料。2種綠肥植物的良好生長對改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力都有很大的作用。因此，深入研究2種綠肥植物的生長情況，對西藏培育土壤肥力、發(fā)展畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)有重大意義。

氮是植物生長發(fā)育過程中所需的重要成分，既是植物構(gòu)成的組成物質(zhì)，又是參與各種生理代謝的關(guān)鍵酶^［1］，對植物的生命活動以及收獲的形成與質(zhì)量均有重要作用。當前國內(nèi)外許多學(xué)者在氮素對紫花苜蓿和箭筈豌豆生長的影響方面進行了研究。馮博政等^［4-5］、喬璟^［6］、韓顏隆等^［7］、蘭志梅^［8］、康佳慧等^［9］、朱天琦等^［10-11］對紫花苜蓿與氮素關(guān)系進行了研究；黃佳媛^［12］對紫花苜蓿和施磷進行了相關(guān)研究。這些研究分別從不同施肥量對紫花苜蓿不同品種的生物量、整個生育期根系特性的影響進行了分析。具體包括根系生物量、根表面積、根體積、根系活力、根瘤數(shù)、根瘤重和固氮酶活性等指標，通過分析，相應(yīng)處理結(jié)果均顯著高于CK對照，說明隨著氮素水平的增加，各形態(tài)配比下的根系生物量、根表面積、根體積、根系活力、根瘤數(shù)、根瘤重和固氮酶活性均呈增加趨勢。也有部分學(xué)者對氮素與箭筈豌豆根系之間的相互關(guān)系進行了研究。高小莉等^［13-14］、吳曉娟等^［15］、韓鐘英等^［16］、星鵬珍^［17］分別從各自角度分析了箭筈豌豆與氮肥、磷肥之間的關(guān)系，相比不施肥，氮肥施用對箭筈豌豆的根系長度、地下生物量有促進作用。由此可知，適量施氮不但能促進綠肥植物根的分枝，增大根長，增加根重，也對綠肥植物的生長、發(fā)育乃至產(chǎn)量和品質(zhì)都有重要影響。

雖然當前氮肥對綠肥植物影響的研究較多，但對根系生長的研究主要集中在東部中部地區(qū)，對青藏高原地區(qū)根系形態(tài)及生長特性影響方面的研究較少。因此，筆者通過盆栽試驗探究西藏高原地區(qū)氣候下不同施氮處理對綠肥植物根系生長方面的影響，不僅可以為綠肥植物的高產(chǎn)栽培以及推廣利用提供理論依據(jù)，也對保護高原地區(qū)草地、維持土壤肥力等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗基地位于西藏林芝市西藏農(nóng)牧學(xué)院苗圃大棚（94°37′E，29°64′N）。該地區(qū)以高原溫帶濕潤和半濕潤季風(fēng)氣候為主。海拔為3 000 m，年平均降水量650 mm左右，平均氣溫6～7 ℃，年日照時數(shù)2 022 h，無霜期180 d。土壤質(zhì)地以砂土或砂質(zhì)壤土為主，土壤有機質(zhì)含量較少，土壤偏堿性，pH 7.6～8.9。

試驗盆缽直徑24 cm，高18 cm，盆缽底部有小孔。將試驗土壤去除石子及枯枝落葉，過篩后裝盆，每盆裝土至盆身約3/5。土壤理化性質(zhì)：pH 5.86，全氮1.21 g/kg，全磷2.37 g/kg，水解性氮185.5 mg/kg，有效磷143.6 mg/kg，全鉀17.9 g/kg，速效鉀107 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

供試材料為紫花苜蓿和箭筈豌豆種子。播后置于溫室大棚內(nèi)。播種后10 d，用挖洞施肥法施肥，埋深1～2 cm。栽植后第45天把綠肥植物根系采樣測定。通過在大棚中運用單因素隨機區(qū)組設(shè)計進行盆栽試驗。施氮處理為0、0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 g/dm2 6個梯度水平，分別用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示。設(shè)置3組重復(fù)試驗。

1.3 樣品采集與測定

進行綠肥植物根系分析的方法有很多，如Win RHIZ Tron MF分析儀器、Win RHIZO Pro分析儀器、DJ-GX02根系分析測量系統(tǒng)等。在綠肥植物苗期采集植物樣品，將其根部剪下并清洗干凈。然后使用臺式掃描儀（Win RHIZO Pro）對根系進行掃描，并將掃描圖像存儲在電腦中。最后使用根系分析軟件對這些圖像的長度、投影面積、面積、表面積、體積、平均直徑、根尖數(shù)、分叉數(shù)進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0進行單因素方差分析和顯著性檢驗，用Duncan法進行多重比較，差異顯著水平0.05，采用GraphPad Prism 8進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對根長的影響 從圖1可以看出，隨著施氮的增加，紫花苜蓿根系長度呈先下降后上升再下降后上升的趨勢。N2、N3、N4較N0分別增加了8.07%、21.62%、18.45%；N1較N0減少了35.19%；N1、N2、N3、N4與N0均無顯著差異。N5處理與N0處理之間差異達顯著水平（P<0.05），且較N0增加了32.78%。說明施氮能夠影響紫花苜蓿的根系長度，N5水平時長度最高，說明濃度越高影響越大，對紫花苜蓿根系生長具有促進作用。

由圖1可知，隨著施氮量的增加，箭筈豌豆根系長度先逐漸增加后逐漸減少。不同處理之間無顯著差異。N2處理（施氮量為0.12 g/dm2）時，箭筈豌豆根系長度最長，較N0處理增加了21.67%。N4處理（施氮量為0.24 g/dm2）時，箭筈豌豆根系長度最短，較N0處理降低了16.01%。表明施氮量為0.12 g/dm2有利于箭筈豌豆根系長度的增長。當施氮量超過0.12 g/dm2時，箭筈豌豆根系長度開始呈下降趨勢。

2.2 施氮對根投影面積的影響

由圖2可知，隨著施氮濃度的增加，紫花苜蓿根系投影面積呈先下降后上升再下降后上升的趨勢。N3、N4較N0分別增加了36.39%、31.70%；N1、N2較N0分別減少了40.94%、3.04%；N1、N2、N3、N4與N0無顯著差異；N5處理最大，較N0增加了43.14%且達顯著水平（P<0.05）。說明低濃度使根系投影面積降低，高濃度促進投影面積的增加。

由圖2可知，隨著施氮濃度的增加，箭筈豌豆根系投影面積表現(xiàn)為先增加后降低最后增加的趨勢。6個水平梯度處理之間無顯著差異。N3處理（施氮量為0.18 g/dm2）時，箭筈豌豆根系投影面積最大。N4處理（施氮量為0.24 g/dm2）時，箭筈豌豆根系投影面積最小。表明施氮處理對箭筈豌豆根系的投影面積有一定影響，適量施氮對箭筈豌豆根系投影面積增加具有促進作用。

2.3 施氮對根面積的影響

從圖3可以看出，隨著施氮濃度的增加，紫花苜蓿根面積呈先下降后上升再下降后上升的趨勢。N2、N3、N4較N0分別增加了0.52%、35.9%、31.26%；N1較N0減少了37.76%；N1、N2、N3、N4與N0無顯著差異；N5處理根面積最大，較N0增加了42.5%，并達顯著水平（P<0.05）。綜上所述，隨著施氮濃度的增加，N1濃度水平對于根面積有抑制作用，但在N1后的濃度都有促進作用。

由圖3可知，箭筈豌豆根面積隨著施氮量增加呈先增加后降低的趨勢。N3處理箭筈豌豆根面積達到最大，較N0處理增加32.13%。N4、N5處理時，箭筈豌豆的根面積均小于N0處理。說明施氮對箭筈豌豆根面積增長有促進作用，但超過0.18 g/dm2后會對箭筈豌豆根面積產(chǎn)生抑制作用，所以對箭筈豌豆根面積影響最大的處理是N3處理。

2.4 施氮對根表面積的影響

由圖4可知，隨著施氮濃度的增加，紫花苜蓿根表面積變化趨勢和面積相同。N3、N4較N0分別增加了36.38%、31.69%；N1、N2較N0分別減少了40.95%、3.06%；N1、N2、N4與N0無顯著差異；N5處理根表面積達到最大，較N0增加了43.13%，并達顯著水平（P<0.05）。綜上所述，N5濃度水平對根表面積有較好的促進作用。

由圖4可知，箭筈豌豆根表面積隨著施氮量的增加呈先增加后降低再增加的趨勢，6個梯度處理之間無顯著差異。N3處理（施氮量為0.18 g/dm2）時，箭筈豌豆根表面積最大；N4處理（施氮量為0.24 g/dm2）時，箭筈豌豆根表面積最小。表明施氮會影響箭筈豌豆根表面積，施氮量超過N3濃度時會抑制箭筈豌豆根表面積的增加，在施氮量為0.18 g/dm2時更有利于小麥根表面積增大。

2.5 施氮對根體積的影響

從圖5可以看出，隨著施氮濃度增加，紫花苜蓿根體積變化趨勢和表面積相同。N3、N4較N0分別增加了47.76%、41.82%；N1、N2較N0分別減少了49.71%、17.43%；N1、N2、N3、N4與N0無顯著差異；N5處理根體積達到最大，較N0增加了54.2%，并達顯著水平（P<0.05）。綜上所述，N5濃度為根體積最佳的促進濃度。

由圖5可知，與N0相比，不同施氮處理的箭筈豌豆根體積均增加。6個水平梯度處理之間無顯著差異。N3處理箭筈豌豆根體積最大，較N0處理增加了67.58%。表明施氮會影響箭筈豌豆根體積，在施氮量為0.18 g/dm2時更有利于箭筈豌豆根體積的增長，根體積增長的最佳處理為N3。

2.6 施氮對根平均直徑的影響

從圖6可以看出，隨著施氮濃度的增加，紫花苜蓿根系平均直徑呈先下降后上升再下降的趨勢。N4、N5較N0分別增加了10.00%、6.62%；N1、N2較N0分別減少了17.69%、17.13%；N1、N2、N3、N4、N5與N0無顯著差異；N3處理達到最大，較N0增加了11.62%。綜上所述，低濃度對平均直徑有抑制作用，N3為平均直徑的最佳施肥梯度，后不斷增加濃度后，平均直徑對氮素的依賴程度逐漸減少。

由圖6可知，箭筈豌豆根平均直徑隨著施氮量的增加呈先增加后減少再逐漸增加的趨勢。N1、N2、N3、N4、N5與N0無顯著差異。N5處理箭筈豌豆根平均直徑最長，較N0處理增加了37.5%。N2處理（當施氮量為0.12 g/dm2）箭筈豌豆根平均直徑最短，較N0處理降低了13.54%。表明在施氮量為0.12 g/dm2時不利于箭筈豌豆根平均直徑的增長，N1、N3、N4、N5處理均對箭筈豌豆根平均直徑有促進作用。因此施肥時應(yīng)把握尺度，以達到最佳效果。

2.7 施氮對根尖數(shù)的影響

從圖7可以看出，隨著施氮濃度的增加，紫花苜蓿根尖數(shù)呈先增加后降低的趨勢。N1、N3、N4、N5較N0分別增加了13.64%、29.34%、10.94%、23.49%；N1、N2、N3、N4、N5與N0無顯著差異；N2處理達到最大值，較N0增加了49.48%。綜上可知，根尖數(shù)在高濃度下對氮素的依賴度降低，低濃度促進根尖數(shù)增加，因此N2水平為根尖數(shù)的最適濃度。

由圖7可知，箭筈豌豆根尖數(shù)隨著施氮量的增加呈先減少后增加再逐漸減少的趨勢。N1、N3、N4、N5與N0差異顯著。N2處理根尖數(shù)最多，較N0增加了19.92%。當施氮量為0.30 g/dm2時，箭筈豌豆根尖數(shù)最少，較N0處理降低了52.64%。表明施氮會影響箭筈豌豆根尖數(shù)，在施氮量為0.12 g/dm2時更有利于箭筈豌豆根尖數(shù)的增長。超過該值時，箭筈豌豆根尖數(shù)開始呈下降趨勢，不利于箭筈豌豆根尖數(shù)的增長。

2.8 施氮對根分叉數(shù)的影響

從圖8可以看出，隨著施氮濃度的增加，紫花苜蓿根系分叉數(shù)呈先下降后上升再下降后上升的趨勢。N2、N3、N4較N0分別增加了3.8%、22.45%、19.15%；N1較N0減少了35.72%；N1、N2、N3、N4與N0無顯著差異；N5處理達到最大，較N0增加了36.13%，并達顯著水平（P<0.05）。綜上所述，低濃度使分叉數(shù)生長緩慢，高濃度促進生長，選擇N5為分叉數(shù)最適濃度。

由圖8可知，箭筈豌豆根系分叉數(shù)隨著施氮量的增加呈先逐漸增加后減少的趨勢。6個梯度處理之間無顯著差異。N3處理（施氮量為0.18 g/dm2時）箭筈豌豆根系分叉數(shù)最多，較N0處理增加了28.28%。N4處理（施氮量為0.24 g/dm2）箭筈豌豆根系分叉數(shù)最少，較N0處理降低了25.25%。表明施氮會影響箭筈豌豆根系分叉數(shù)，在施氮量為0.18 g/dm2時更有利于箭筈豌豆根系分叉數(shù)的增長。超過此濃度，箭筈豌豆根系分叉數(shù)開始呈下降趨勢。

2.9 根系各指標間的相關(guān)性分析

對紫花苜蓿根系各指標之間進行相關(guān)性分析得出，長度與投影面積、面積、表面積、體積、分叉數(shù)存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.894、0.912、0.894、0.771、0.854。分叉數(shù)與長度、投影面積、面積、表面積、體積之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.854、0.864、0.870、0.864、0.810。

對箭筈豌豆根系各指標之間進行相關(guān)性分析表明，根長與投影面積、面積、表面積、體積和交叉數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別達0.897、0.915、0.897、0.692和0.974；分叉數(shù)與根長、投影面積、面積、表面積、體積呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.974、0.942、0.949、0.942和0.792（表1）。

3 結(jié)論與討論

植物根系是將土壤與地上植株聯(lián)系起來的一個重要功能體，它在植物對水分和養(yǎng)分的吸收、儲存和輸送中起到了至關(guān)重要的作用^［18］。研究根系結(jié)構(gòu)對根系生長發(fā)育非常重要。施氮能夠影響植物根系的生長和形態(tài)。植物地上部分的生長狀態(tài)很大程度上取決于根系的生長狀況。因此，通過研究根系結(jié)構(gòu)來探究根系的發(fā)育變化具有極其重要的意義。

對紫花苜蓿的研究表明施氮能影響根系的生長，但低濃度施氮對根系生長的影響效果不明顯，而高濃度施氮可明顯促進根系生長，這與劉曉靜等^［19］研究結(jié)果一致。紫花苜蓿根系長度、投影面積、面積、表面積、體積、分叉數(shù)等指標在不同施氮水平下都呈先下降后上升再下降后上升的趨勢，且在N5濃度時變化幅度最大；平均直徑呈先下降后上升再下降的趨勢，在N3達到最大，以上結(jié)果與蘭志梅^［8］的研究有所不同，這與施用氮肥形態(tài)、地域差異、氣候以及地域土壤、栽培時間有關(guān)系。N2處理的根尖數(shù)比其余處理較大，且5個不同水平試驗組與對照組無顯著差異，說明施加尿素對這些指標影響不明顯。該研究中，在施氮濃度為N5處理（0.30 g/dm2）下，紫花苜蓿大部分根系指標高于對照組，說明施氮有利于提高紫花苜蓿的根系生長能力。各施氮水平處理（除N1處理外）均提高了紫花苜蓿根系生長，這可能與該研究的土壤質(zhì)地、土壤微生物、氣候環(huán)境等有關(guān)。

對箭筈豌豆的研究表明施氮量越高，箭筈豌豆幼苗根系生長發(fā)育越顯著。當?shù)适┯昧砍^0.18 g/dm2時，會顯著影響箭筈豌豆的根系生長，因此要種植箭筈豌豆，施用氮肥的量應(yīng)不高于0.18 g/dm2，這樣才可以發(fā)揮箭筈豌豆對土壤品質(zhì)的提高效果，這與星鵬珍^［17］的研究結(jié)果有所類似。該研究中，隨著施氮量的增加，箭筈豌豆根尖數(shù)等指標都表現(xiàn)出先降低后增加再降低的趨勢；根長、根系投影面積、根面積、根表面積、根體積和根系分叉數(shù)呈先逐漸增加后降低再增加的趨勢。說明施氮量的不同對箭筈豌豆根系各指標的影響也會有所不同。其中在施氮量為0.12 g/dm2（N2處理）時根長、根尖數(shù)均達到最大，在施肥量為0.18 g/dm2（N3處理）時根體積、根面積、根系分叉數(shù)、根系投影面積、根表面積達到最佳，說明氮素的施用是影響箭筈豌豆根系指標特征的重要因素。

該研究表明，適宜氮素濃度可以促進綠肥植物的生長和發(fā)育；缺乏和過量氮素都會抑制根系發(fā)育。對于紫花苜蓿而言，低氮水平對根系生長影響不明顯，高濃度的氮元素有助于促進植物的根系生長，增加了根系分枝數(shù)量，但根系直徑、根尖數(shù)等對高氮素的依賴程度降低。對于箭筈豌豆而言，施氮量越高，箭筈豌豆幼苗根系生長發(fā)育越顯著。當?shù)适┯昧砍^0.18 g/dm2時，會顯著影響箭筈豌豆的根系生長。因此，在綠肥植物的生長管理中要控制好氮素的用量，以達到最佳的生產(chǎn)效益。

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