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Response of Leaf Conducting Tissue Anatomy and Photosynthetic Characteristics of Alfalfa to Exogenous Nitrogen

紫花苜蓿叶输导组织解剖结构和光合特性对外源氮的响应



全 文 :书西北植物学报!
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文章编号$
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收稿日期$
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&修改稿收到日期$
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基金项目$国家自然科学基金"
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#&公益性行业"农业#科研专项"
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#
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作者简介$张晓玲"
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#!女!在读硕士研究生!主要从事牧草及草坪营养生理研究
2+34/5
$
6741
8
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#*%-:;3
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通信作者$刘晓静!教授!博士生导师!主要研究方向为牧草"草坪草#营养生理
2+34/5
$
5/<9
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紫花苜蓿叶输导组织解剖结构和
光合特性对外源氮的响应
张晓玲#!!刘晓静#!"!郝
!
凤#!
"
#
甘肃农业大学 草业学院!兰州
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草业生态系统教育部重点实验室%中美草地畜牧业可持续发展研究中心!兰州
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#

!
要$以紫花苜蓿品种(甘农
%
号)和(陇东苜蓿)为研究材料!采用室外"防雨网室#盆栽营养液砂培法!研究了
!

氮素形态"
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个氮素水平"*
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C
)#
#处理对叶片输导组织解剖结构及光合
特性的影响结果显示$"
#
#与无氮处理相比!供氮处理下(甘农
%
号)和(陇东苜蓿)输导组织的解剖结构和光合特性
发生明显变化!叶片输导组织维管束*木质部和韧皮部面积显著增大!导管数显著增多!净光合速率*气孔导度*叶面
积和叶绿素含量均显著增加!且在
!#"3
8
+
C
)#供氮水平下达到最大值"
!
#
!
种氮素形态相比!(甘农
%
号)和(陇东
苜蓿)叶片输导组织维管束面积*木质部面积*韧皮部面积*导管数*净光合速率*气孔导度*叶面积*叶绿素含量均表现

?A
,
B
+?
处理好于
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%
)
+?
处理"
%
#
!
品种相比!叶片输导组织维管束面积*木质部面积*韧皮部面积*导管数*
净光合速率*气孔导度*叶面积*叶绿素含量表现为(甘农
%
号)大于(陇东苜蓿)研究表明!氮素能通过改善紫花苜蓿
叶片输导组织的解剖结构和光合特性!促进紫花苜蓿光合作用&各处理中以
?A
,
B
+?
*
!#"3
8
+
C
)#表现最佳!维管束
面积最大!木质部*韧皮部面积大且发育好!导管数最多!而且(甘农
%
号)表现更优
关键词$紫花苜蓿&外源氮素&输导能力&光合特性
中图分类号$
D,$-(
!!!
文献标志码$
E
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8
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W
4T/5/P
R
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W
7;P;0
R
1P7=P/::74N4:P=N/0P/:0
!!
植物叶片自建立光合能力起!光合产物的运移
就由输导组织维管束来完成,#-!因此叶片的光合能
力及输导组织对光合产物及营养物质的运输能力是
作物高产的重要基础,!-植物叶片解剖结构对外源
氮素的响应已有研究!但多集中于大豆,%-*小麦,-和
玉米,$-等作物!且研究目标均为叶栅栏组织和海绵
组织对外源氮素的响应!而针对氮素对植物叶输导
组织的影响方面的研究极少植物的光合能力受多
种因素的影响!已证实氮素可促进植物光合能力!如
氮素通过调节光合电子传递能力和光合羧化酶的活
性而影响光合速率的高低,*-在水稻,(-*玉米,&-和
小麦,+#"-上的研究都表明施氮有利于提高叶片叶绿
素含量和净光合速率植物体的形态*结构和生理
功能是统一的!光合作用的差异也必然与叶片光合
作用器官的解剖学特性紧密相关,##-因此!关于植
物叶片养分输导能力和光合性能的研究对作物高产
优质生产具有重要意义
紫花苜蓿"
!"#$%&

()&*$+&C-
#是重要的豆科
牧草!与其它牧草相比!因其富含植物性蛋白且高
产!被誉为.牧草之王/,#!-随着畜牧业的发展!蛋
白饲料严重不足已成为畜牧业生产的瓶颈问题紫
花苜蓿的叶集中体现了其营养价值!是蛋白含量最
高*纤维含量最低*适口性最好的部位!并且又是进
行物质合成的场所!叶功能直接决定着其营养品质!
开展紫花苜蓿叶片输导组织解剖结构和光合特性的
研究极具现实意义有研究发现!适当的氮素可促
进紫花苜蓿结瘤固氮!
?A
,
B
+?
使根系明显变短*
加粗!促进侧根的形成!从而增强紫花苜蓿营养吸
收!促进其生物量的积累,#%-!粗蛋白含量也随之提
高,#,-&同时!施氮能促进紫花苜蓿根瘤形成!增加其
固氮能力,#$-!并能促进其地上部的光合作用,#*+#(-
外源氮在提高紫花苜蓿生物量,#&-和种子产量,#-!提
高干物质积累和氮积累,!"-!改善紫花苜蓿品质等方
面的作用卓著,!#-!本试验研究了不同供氮条件下紫
花苜蓿叶片输导组织解剖结构和光合特性!探究其
结构与功能的关系!以揭示外源氮促进紫花苜蓿高
效生产的本质!为生产提供参考
#
!
材料和方法
?-?
!
试验材料
供试紫花苜蓿品种为(甘农
%
号)"
!"#$%&

(
)&*$+&C-:Q-G411;1
8
?;-%
#和(陇东苜蓿)"
!"#$-
%&

()&*$+&C-:Q-C;1
8
>;1
8
#!供试菌株为中华根瘤
菌"
#!$%#
#!源自苜蓿根瘤和诱变菌株!来源于甘肃
农业大学草业学院(甘农
%
号)由甘肃农业大学草
业学院育成!抗旱*耐寒!再生能力强!肥料报酬率
高!是灌区的丰产品种!适合于西北内陆灌溉农业
区,!!+!%-(陇东苜蓿)是地方品种!栽培历史悠久!抗
旱性较强!耐寒!长寿!适应性强!在旱作条件下高
产!主要分布于甘肃陇东地区!宜在旱作地区种
植,!,-
?-@
!
材料准备
?-@-?
!
根瘤菌培养
!
将中华根瘤菌"
#!$%#
#采用平
板划线培养!挑起单个菌落!将其接入
YUE
液体培
养基,!$-在
!&Z

#!"N
+
3/1
)#的恒温摇床上培
养至菌液的光密度值"
@[
*""13
#
$
#-"
!再在
#""""N
+
3/1
)#下离心
#"3/1
!除去上清液用无菌水洗下
根瘤菌体并配制成吸光值为
"-*
的菌悬液!备用
?-@-@
!
种子处理
!
选取大小均匀*颗粒饱满的紫花
苜蓿种子放入灭菌小三角瓶中!先用
$乙醇浸泡
$3/1
!再用
"-#\ A
8
L5
!
溶液灭菌
*
"
#"3/1
!然后
无菌水冲洗
$
"
*
次后用无菌滤纸吸干!备用,!*-
?-@-A
!
粗砂处理
!
将粗砂经自来水冲洗若干次!直
到冲洗至水不再浑浊!然后用蒸馏水冲
!
"
%
次先

#!#Z
灭菌!再经高温"
#$"Z
#烘干后!备用
?-@-B
!
营养液配置
!

K47N4=<0
无氮营养液,!(-
为基本营养液!加入
L4
"
?@
%
#
!
*"
?A
,
#
!
O@
,
分别作

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%
)
+?
*
?A
,
B
+?
来源!调节营养液
W
A

(
!结
合无氮营养液一同施入
?-A
!
材料培养与处理
根据前期试验结果,!&-!两个紫花苜蓿品种各设
!
种氮素形态"
?A
,
B
+?
*
?@
%
)
+?
#*
$
个浓度水平
&$#
西
!

!

!

!

!

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*
!#"
*
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*
,!"3
8
+
C
)#
#!共

个处理!分别

LS
"氮素水平为
"
#*
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+#"$
*
?@
%
)
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*
?@
%
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*
?@
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*
?A
,
B
+#"$
*
?A
,
B
+!#"
*
?A
,
B
+%#$
*
?A
,
B
+,!"
表示!每处理重复
#$
次!完
全随机排列
试验在室外防雨网室内采用盆栽营养液砂培法
进行选用高
#$:3
*长
!":3
*宽
#!:3
的花盆!装
入经自来水冲洗!再用蒸馏水清洗并灭菌的粗砂
%
]
8

!"#,

,

##
日播种!每盆播种
$"
粒灭菌种
子!播种
(>
后间苗!每盆留苗
%"
株!然后开始浇入
营养液!每周浇
!$"3C
!每
(>
用蒸馏水淋洗盆栽
#
次以防止砂培中盐分积累!而后浇入新配置营养液
紫花苜蓿生长至三片复叶时!每盆接种新培养的苜
蓿根瘤菌液
!$3C
培养
*">
时紫花苜蓿已到初
花期!大部分已经现蕾!此时取样测定各指标
?-B
!
测定指标与方法
?-B-?
!
叶片解剖结构
!
取第
%
叶位之三出复叶中
间小叶!将新鲜的叶片立即在
KEE
固定液中固定
并保存!采用常规石蜡切片技术!先经酒精系列脱
水!二甲苯透明!石蜡包埋后!
C2ILE
全自动切片机
切片!厚度
#"
#
3
!充分烤片后!进行番红
+
固绿双重
对染!中性树胶封片切片制作完毕!置于
L4N5
F=/00
光学显微镜下观察并拍照"图
#
#!并利用
E9/;+^/0/;1
软件测微尺测量维管束*木质部*韧皮
部面积,!-及导管数量!每个处理选取
%
个样本!每
个样本随机取
#"
个视野求平均值
?-B-@
!
叶片光合生理特性
!
叶片净光合速率*气孔
导度 和 胞 间
L@
!
浓 度 采 用
GKO+%"""
光 合 仪
"
_456
!
G=N341
R
#测定!测定时间为上午

$
""
"
##
$
""
&叶面积采用描形称重法测定,%"-&叶绿素含量
采用丙酮浸提法测定,%#-
?-C
!
数据处理
采用
29:=5!""%
软件进行数据的整理!应用
O` OO#(-"
对数据进行差异显著性分析
!
!
结果与分析
@-?
!
不同氮素处理对紫花苜蓿叶片输导组织解剖
结构的影响
!!
相比于
LS
"图
#
!
E
*
a
#!供氮条件下(甘农
%
号)和(陇东苜蓿)"图
#
!
L+b
#的叶表皮由长圆形排
列更为紧密的单层细胞组成!叶脉凸起明显!横截面
积较大!维管束在横截面中所占比例增大!木质部和

#
!
不同氮素处理下紫花苜蓿叶片解剖结构"
c!""
&标尺
d$"
#
3
#
K/
8
-#
!
[/MM=N=1P1/PN;
8
=1PN=4P3=1P0;1414P;3/:450PN<:P"
c!""
&
O:45=T4N0d$"
#
3
#
$#
&
期 张晓玲!等$紫花苜蓿叶输导组织解剖结构和光合特性对外源氮的响应
韧皮部发达木质部有孔径较大细胞壁加厚的木质
导管!且数量多并呈放射状排列厚角组织细胞大
且数量多随着供氮水平的增高! 品种*
!
氮素形
态下紫花苜蓿维管束面积*木质部面积*韧皮部面积
和导管数均呈先增加后降低的趋势!并均在
!#"
3
8
+
C
)#供氮水平下表现最大"图
#
!
G+e
!表
#
#
?@
%
)
+?

?A
,
B
+?
相比!在相同供氮水平
下!
?A
,
B
+?
处理的叶脉突起度及维管束占叶脉横
截面积比例均较大在供氮
!#" 3
8
+
C
)#时!
?A
,
B
+?
培养"图
#
!
G
&表
#
#下(甘农
%
号)的维管
束面积*木质部面积*韧皮部面积*导管数相比
?@
%
)
+?
培养"图
#
!
A
&表
#
#分别显著增加了
,-"*
,&-"*
,-%和
,-,!而(陇东苜蓿)"图
#
!
I
&表
#
#则分别显著增加了
%&-**
#&-%*
,*-*和
##-#
!
品种相比!除
?@
%
)
+?
培养下
!#"

%#$
3
8
+
C
)#水平的木质部面积表现为(陇东苜蓿)大于
(甘农
%
号)外!其余各供氮水平和
!
种氮素形态处
理下的维管束面积*木质部面积*韧皮部面积一致表
现为(甘农
%
号)大于(陇东苜蓿)
@-@
!
不同氮素处理对紫花苜蓿光合特性的影响
@D@D?
!
净光合速率!气孔导度和胞间
,E
@
浓度
!
从图
!
可看出!氮素对紫花苜蓿叶片光合性能有明

!
!
不同氮素处理对紫花苜蓿光合特性的影响
K/
8
-!
!
2MM=:P0;M>/MM=N=1P1/PN;
8
=1PN=4P3=1P0;1
W
7;P;0
R
1P7=P/::74N4:P=N/0P/:0;M45M45M4

?
!
不同氮素处理对紫花苜蓿叶片解剖结构的影响
V4T5=#
!
2MM=:P0;M>/MM=N=1P1/PN;
8
=1PN=4P3=1P0;1414P;3/:450PN<:P品种
4^N/=P
R
处理
VN=4P3=1P
维管束面积
4^0:<54NT<1>5=4N=4
%
#
3
!
木质部面积
H
R
5=34N=4
%
#
3
!
韧皮部面积
7`5;=34N=4
%
#
3
!
导管数
=^00=51<3T=N
甘农
%

G411;1
8
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LS $#,$f%&-&*7 ##"(f%-"&M ,"%(f*"-,(M ##f"-$&M
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不同氮素处理对紫花苜蓿叶面积和叶绿素含量的影响
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处理
VN=4P3=1P
叶面积
C=4M4N=4
%
:3
!
(甘农
%
号)
(
G411;1
8
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)
(陇东苜蓿)
(
C;1
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叶绿素
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,
1
#和气孔导度
"
.
0
#变化规律一致!供氮处理均显著高于
LS
"
,
#
"-"$
#!并随供氮水平的增加呈先增后减趋势!在
!#"3
8
+
C
)#供氮水平下达到峰值同一氮素水平
下!除(陇东苜蓿)在
%#$3
8
+
C
)#和
,!"3
8
+
C
)#
水平下的净光合速率表现为
?@
%
)
+?
培养高于
?A
,
B
+?
培养!其余各处理均为
?A
,
B
+?
培养高于
?@
%
)
+?
培养因此!在
?A
,
B
+!#"
处理下!叶片净
光合速率和气孔导度对氮素反应最为敏感对于
!
品种来说!除
?@
%
)
+?
培养下
%#$3
8
+
C
)#和
,!"
3
8
+
C
)#水平的光合速率表现为(陇东苜蓿)高于
(甘农
%
号)外!其他各处理光合速率*气孔导度则均
表现为(甘农
%
号)高于(陇东苜蓿)另外!紫花苜
蓿胞间二氧化碳浓度"
/
/
#则与净光合速率表现大体
呈相反趋势!随氮素水平的提高而降低
@D@D@
!
叶面积和叶绿素含量
!
由表
!
可见!不同供
氮处理下(甘农
%
号)和(陇东苜蓿)叶面积*叶绿素
含量变化趋势一致!供氮处理均显著高于
LS
"
,
#
"-"$
#
!
种氮素形态下!均随供氮水平的增高呈先
增加后降低的趋势!并在
!#"3
8
+
C
)#供氮水平下
达到峰值同一氮素水平下!整体上表现为
?A
,
B
+
?
培养高于
?@
%
)
+?
培养因此! 品种紫花苜蓿
的叶面积*叶绿素含量均在
?A
,
B
+?
*
!#"3
8
+
C
)#
达最大值对于
!
品种来说!各处理的叶面积*叶绿
素含量表现为(甘农
%
号)高于(陇东苜蓿)&在
?A
,
B
+?
*
!#"3
8
+
C
)#浓度时!(甘农
%
号)的叶面
积*叶绿素含量分别为
#-$*:3
!
*
!-#&3
8
+
8
)#
!与
(陇东苜蓿)相比分别增加了
*-#*
#,-#
%
!

!

A-?
!
紫花苜蓿叶片输导组织结构对氮素的响应
叶片组织结构决定组织功能,%!-!维管束的大小
决定紫花苜蓿运输养分的能力本研究中!供氮处
理的紫花苜蓿叶片木质部面积*韧皮部面积及导管
数量均显著高于无氮处理!可见紫花苜蓿输导组织
对养分的丰缺有适应性的响应宋朝玉等,%%-在玉
米上的研究也发现叶片向果穗输送光合产物也受到
氮素的调控!从而影响产量本试验中!在供氮水平
%
!#"3
8
+
C
)#时!紫花苜蓿木质部面积*韧皮部面
积及导管数量与供氮水平呈正相关!但供氮水平
&
!#"3
8
+
C
)#时各指标有所下降!说明适宜的氮素
水平可促进紫花苜蓿维管束细胞的增大!从而增强
输导组织对养分的运输能力!进而影响叶片光合速
率和光合产物运输效率!表现在植株叶面积的增大
这与陈火英等,$-对爆裂型玉米的研究结果相似此
外!紫花苜蓿在
?A
,
B
+?
培养下的木质部面积*韧
皮部面积及导管数量大于
?@
%
)
+?
培养!说明
?A
,
B
+?
更有利于促进细胞体积的增大*维管束的
发育陈冬梅,%,-在不同氮源对白羽扇豆根系解剖
结构上的研究上也得出了相同的结论因此!
?A
,
B
+?
*
!#"3
8
+
C
)#处理最有利于提高紫花苜
蓿养分运输的能力
A-@
!
紫花苜蓿光合特性对氮素的响应
有研究证实影响光合速率的因素有
!
个,%$-!一
是气孔因素!二是叶肉细胞羧化能力!核酮糖
+#
!
$+
二磷酸羧化酶"
b#是碳同化途径关键酶!氮
素通过影响
b的活性!进而影响电子传递
的速率当光合速率和胞间
L@
!
浓度变化相同时!
光合速率的影响原因是气孔的限制&当光合速率和
胞间
L@
!
浓度变化趋势相反!则归因于叶肉细胞的
羧化能力本研究结果表明!随着氮素浓度的增加!
紫花苜蓿叶片的净光合速率和胞间
L@
!
浓度变化
趋势相反!表明氮素对紫花苜蓿光合速率的影响是
#"*#
&
期 张晓玲!等$紫花苜蓿叶输导组织解剖结构和光合特性对外源氮的响应
由于叶肉细胞羧化能力的改变而致栗娜娜等,%*-
在对青花菜的研究中发现氮素是通过影响光合机构
或暗反应酶活性来影响其光合作用!施氮会使光合
作用中重要的
b羧化酶数量上升!从而提高光
合作用本研究中!供氮水平在
!#"3
8
+
C
)#时!叶
片净光合速率最大!表明适宜的氮素水平可促进紫
花苜蓿的光合作用效率吴家胜等,%(-对银杏叶片
光合速率的研究结论与此一致与此同时!紫花苜
蓿在
?A
,
B
+?
培养下的光合速率高于
?@
%
)
+?

养!郭培国等,%&-等对烤烟研究发现随
?A
,
B
+?

例增加!叶片中的希尔反应活力逐渐上升!光合磷酸
化活力也有所升高!从而提高了水的光解和电子传
递的速率!因此增加
?A
,
B
+?
比例有利于光合能力
的提高
b44T
等,%-也发现甜菜叶片的光合速率在
?A
,
B
+?
营养下比在
?@
%
)
+?
营养下高可见不
同的氮素形态对紫花苜蓿的光合特性的影响不同!

?A
,
B
+?
作用更佳因此!
?A
,
B
+?
*
!#"3
8
+
C
)#处理更大程度提高紫花苜蓿光合特性
A-A
!
不同紫花苜蓿品种解剖结构和光合特性对氮
素的响应
!!
植物叶片形成的光合同化物在韧皮部中运输
时!韧皮部横截面积和源库路径长度是运输能力的
主要决定因子,"-!因而维管束的发育程度会限制光
合同化物的运输能力!古世禄等,#-对谷子的研究中
也证实了该结论植物输导组织的发达程度可以衡
量营养物质的运转效率!当其通道能力达到饱和时!
便会限制其生长速度!即所谓的.输导限制/,!-因
此!在本研究中
!
品种紫花苜蓿输导组织维管束面
积和净光合速率均在
?A
,
B
+!#"
处理最大!说明紫
花苜蓿维管束的通道能力在
?A
,
B
+!#"
处理下达到
饱和!输导组织运送养分的能力最强!光合产物的运
输效率最高!从而优化了其光合特性!促进了其光合
效率
!
品种相比!氮素对(甘农
%
号)叶片输导组
织的改善作用和光合作用均大于(陇东苜蓿)!说明
(甘农
%
号)较(陇东苜蓿)对氮肥更敏感!肥料报酬
率高曹致中,!!-认为(甘农
%
号)紫花苜蓿生产性
能优良!高产!对肥料利用效率也较突出!适应于西
北内陆灌溉农业区和黄土高原地区栽培刘艳楠
等,%-在施肥与刈割对不同紫花苜蓿品种生产性能
的影响中也得出相同的结论
L4N50;1
等,,-*
O7=N/+
>41
,
$
-也报道了不同苜蓿品种光合速率明显不同!
高产苜蓿具有较高比叶重和净光合速率因此!氮
素对紫花苜蓿养分运输能力和光合作用的改变上也
存在品种差异
综上所述!氮素能通过改善紫花苜蓿叶片输导
组织的解剖结构和光合特性!促进紫花苜蓿光合作
用效率!提高紫花苜蓿运输营养物质和合成有机物
的能力*改善其生产性能和营养品质&相同氮素水
平!
?A
,
B
+?

?@
%
)
+?
的改善效果更佳!并以
?A
,
B
+?
*
!#"3
8
+
C
)#处理表现最优&品种间相
比!(甘农
%
号)较(陇东苜蓿)对氮肥反应更敏感!受
到调控的效果更好
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