全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2014269 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
刘晓静,叶芳,张晓玲.外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系特性的影响.草业学报,2015,24(6):5363.
LiuXJ,YeF,ZhangXL.Effectsofexogenousnitrogenformsonrootcharacteristicsofalfalfaatdifferentgrowthstages.ActaPrataculturaeSinica,
2015,24(6):5363.
外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系特性的影响
刘晓静1,2,叶芳1,2,张晓玲1,2
(1.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州730070;2.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,甘肃 兰州730070)
摘要:在完全营养液的条件下,采用砂培法,研究了3种外源氮素形态配比(NO3-N,NH4+N以及 NO3-N∶
NH4+N为1∶1)和3个氮素水平(0,105,210mg/L)对“甘农3号”紫花苜蓿整个生育期根系特性的影响。结果
表明,不同形态氮素处理下紫花苜蓿的根系生物量、根表面积、根体积、根系活力、根瘤数、根瘤重和固氮酶活性均
显著高于CK,NO3-N和 NH4+N混合培养下效果最好,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下最低,但对根系
平均直径的影响并不大。随着氮素水平的增加,各形态配比下紫花苜蓿的根系生物量、根表面积、根体积、根系活
力、根瘤数、根瘤重和固氮酶活性均呈增加的变化趋势,各指标在NO3-N+NH4+N的浓度为210mg/L时,达到
最大值。整个生育期,各处理下紫花苜蓿的根系生物量、根表面积、根系活力、根瘤数、根瘤重和固氮酶活性均在苗
期、现蕾期、盛花期差异比较明显,结荚期和鼓粒期差异不显著,各指标之间均有不同程度的相关性。
关键词:紫花苜蓿;NO3-N;NH4+N;生育期;根系特性
犈犳犳犲犮狋狊狅犳犲狓狅犵犲狀狅狌狊狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狉狅狅狋犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋
犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
LIUXiaoJing1,2,YEFang1,2,ZHANGXiaoLing1,2
1.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犌狉犪狊狊犾犪狀犱犛犮犻犲狀犮犲,犌犪狀狊狌犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪;2.犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犌狉犪狊狊犾犪狀犱犈犮狅狊狔狊
狋犲犿狅犳犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀/犛犻狀狅犝.犛.犆犲狀狋犲狉狊犳狅狉犌狉犪狕犻狀犵犔犪狀犱犈犮狅狊狔狊狋犲犿犛狌狊狋犪犻狀犪犫犻犾犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thispaperreportsresearchontheeffectofexogenousnitrogenontherootcharacteristicsof“Gan
nongNo.3”Alfalfaatdifferentgrowthstages.Sampleswerecultivatedforthewholegrowthperiodusingthe
sandculturemethodundertheconditionofcompletenutrientsolution.Threeexogenousnitrogenforms(ni
tratenitrogen,ammoniumnitrogenandnitratenitrogen)wereinvestigated;withtheammoniumnitrogensolu
tionat1∶1andtheothersarethreesolutionlevels(CK,105,210mg/L).Resultsshowedthatunderdifferent
formsofnitrogentreatment,therootbiomass,rootsurfacearea,rootvolume,rootactivity,rootnodulenum
ber,noduleweight,andnitrogenaseactivityofalfalfaaresignificantlyhigherthanthatofCK.Withincreasing
nitrogenlevels,therewereincreasesintheproportionsofalfalfarootbiomass,rootsurfacearea,rootvolume,
rootactivity,rootnodulenumber,noduleweightandnitrogenaseactivity.Theeffectsareinthefolowingor
der:NO3-NandNH4+N mixedculturethehighest,folowedbyNH4+NandwithNO3-Nthelowest.
Theimpactonrootaveragediameterwasnotlarge.ThemaximumvalueswerereachedbyNO3-+NH4+ with
aconcentrationof210mg/L.Intermsofthewholegrowthstage,rootbiomass,rootsurfacearea,rootactivi
第24卷 第6期
Vol.24,No.6
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年6月
June,2015
收稿日期:20140609;改回日期:20140912
基金项目:国家自然科学基金(31460622),草业生态系统教育部重点实验室(甘肃农业大学)项目(CYZS2011012)和甘肃省财政厅项目资助。
作者简介:刘晓静(1968),女,甘肃酒泉人,博士,教授。Email:liuxj@gsau.edu.cn
ty,rootnodulenumber,noduleweightandnitrogenaseactivityweresignificantlydifferentduringtheseedling,
buddingandfloweringstages.However,differencesduringseedpoddingandpoddingwerenotsignificant.
犓犲狔狑狅狉犱狊:Alfalfa(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪);nitratenitrogen;ammoniumnitrogen;growing;rootcharacteristics
作为重要豆科牧草,紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)可以与根瘤菌有效共生进行生物固氮,从而为植株提供氮
素,但根瘤的形成受生态环境与土壤肥力的影响较大[1],自然条件恶劣或维持高水平生产时,仅靠生物固氮远不
能满足其氮素需求,还必须施用氮肥。对大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)研究已证实,大豆与根瘤共生固氮所固定的氮素约
占大豆一生需氮量的50%~60%[2]。在紫花苜蓿生产实践中发现,施氮是保证其高产优质的必要条件,尤其如
“甘农”系列等高产紫花苜蓿品种,肥料报酬率高,施氮对其增产效果显著[3],主要是由于外源氮的有效补充,充分
满足了高产紫花苜蓿品种对氮素的较高要求,同时促进了其根系等器官的良好生长[4]。根系的形态特征和生理
生化反应与植物氮素的利用效率极为相关[56],其发育程度与植株生物量关系密切[7],紫花苜蓿根系的生长状况
直接决定着其产草量[8]。
根系利用的主要氮素形式是NO3-N和NH4+N,氮素形态不同,对植物生理代谢过程影响不同。研究表
明,NO3-N可以促进拟南芥根系的长度生长以及表面积增大和密度的增加[9],NH4+N也能促进植物侧根和
根毛的生长。与单一的NO3-N或NH4+N比,将NO3-N和NH4+N以适度比例混合施用可促进绝大多数
旱作作物的生长,目前关于外源氮素形态对植物根系影响的研究主要集中于玉米(犣犲犪犿犪狔狊)[10]、水稻(犗狉狔狕犪
狊犪狋犻狏犪)[11]、大豆[12]等作物,孙敏等[13]研究表明,NH4+N处理下小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)的根体积、根系生物
量、根系活力均大于NO3-N处理。宋海星等[14]对大豆(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓)的研究表明,NH4+N对根瘤固氮的抑
制作用明显低于NO3-N,但不同形态氮素对紫花苜蓿影响的研究鲜有报道,另外,对豆科作物不同生育期需氮
规律的研究也较少,且均集中在对大豆的研究上。甘银波等[15]研究表明,根瘤形成初期是大豆营养生长阶段的
最佳施肥时间,而开花期是大豆生殖生长阶段的最佳施肥时间。何建国等[16]研究发现,在不同的时期增施氮肥
对大豆产量的影响不同。针对紫花苜蓿不同生育期需氮规律的研究尚未见报道,适时适量的施氮可使紫花苜蓿
生产效益最大化,降低生产成本,并可避免不合理施肥对环境的影响,是紫花苜蓿生产实践中养分管理亟待解决
的瓶颈问题。因此,本研究开展不同外源氮素形态及水平对紫花苜蓿各生育期根系生长的影响及各根系指标间
的相关性,以期为生产实践中苜蓿的养分管理提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试紫花苜蓿品种:“甘农3号”紫花苜蓿(犕.狊犪狋犻狏犪CV.GannongNo.3),由甘肃农业大学草业学院提供。
1.2 试验方法
经蒸馏水清洗并灭菌后的粗砂装入直径16cm、高20cm 的花盆,每盆装砂10kg,浇透水,选取颗粒饱满的
灭菌种子[17],于2013年4月25日播种,每日喷洒蒸馏水至对生真叶完全展开,浇入营养液,播种14d后进行间
苗,每盆保苗50株,置于塑料防雨棚内。
1.3 试验设计
试验设3种外源氮素形态:NO3-N,NH4+N和混合态氮(NO3-N和 NH4+N按1∶1比例混合);根据
前期试验结果[8]设3个氮素水平:0,105,210mg/L(以纯氮计,最高浓度为霍格兰营养液中氮素的浓度,低氮为
其倍数),共7个处理,分别以0、NO3-105、NO3-210、NH4+105、NH4+210、NO3- +NH4+105、NO3-+
NH4+210表示,每处理重复15次,共105个处理,完全随机排列。以Fahraeus无氮植物营养液结合Ca(NO3)2
和(NH4)2SO4 配制所需氮素浓度[18],调节pH值为7。处理营养液均每7d更换1次,每次每盆加入500mL;每
次更换营养液前用蒸馏水淋洗盆栽以防止砂培中盐分积累。紫花苜蓿生长至3片复叶时,每盆接种新培养的苜
蓿根瘤菌液50mL(中华根瘤菌12531)。分别在苗期、现蕾期、盛花期、结荚期、鼓粒期测定紫花苜蓿的根系生物
量、根体积、根表面积、根系活力、根瘤数和固氮酶活性等指标。
45 草 业 学 报 第24卷
1.4 测定指标和方法
根系生物量:用滤纸吸干地下部水分,放入烘箱105℃下杀青15min,而后于65~75℃烘干至恒重,每个处理
重复6次。根表面积、根平均直径:测定时将各处理的根系用清水洗净,采用台式扫描仪 (EPSONExperssion)
和 WinRHIZO根系分析系统软件 (RegentInstruments,Inc.,Quebec,Canada)进行数据采集,每个处理重复
6次。
根体积:用体积排水法测定,每个处理重复6次。根系活力:采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[19],用根
系还原力表示各处理下根系活力的差异。每个处理重复6次。根瘤数:统计单株根瘤数,每处理取10株。根瘤
重:将每个单株上摘下的根瘤在电子天平上称其鲜重,每个处理重复10次。
固氮酶活性:采用乙炔还原法测定[20]。测定仪器为GC7890F气相色谱仪,柱温180℃,进样器150℃,FID
检测器170℃。气体压力:N2 为0.3MPa,H2 为0.08MPa,空气为0.15MPa。C2H4水平(μmol/g·h)=h×x
(样品峰面积)×C(标准C2H4水平,μmol/mL)/hs(标准C2H4 峰面积)×24.9×t(C2H2 反应时间,h)×m(瘤重,
g),每个处理重复3次。
1.5 数据处理
采用Excel2007和SPSS17.0专业统计分析软件进行数据分析和差异显著性比较。
2 结果与分析
2.1 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系生物量的影响
由图1可知,不同氮素形态处理下,紫花苜蓿的根系生物量随着生育期的推进呈逐渐增加的趋势,在结荚期
达到峰值,而后随着根系的衰老,根系生物量也明显减少。但各生育时期各施氮处理根系生物量均与CK(无氮)
有显著的差异(犘<0.05),说明施氮能明显促进紫花苜蓿的根系生长。苗期,紫花苜蓿根系生物量表现为:
NO3-N和NH4+N混合培养下最大,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下最低,各氮素形态间差异显著
(犘<0.05),但同一氮素形态下除了混合态两个水平间差异显著,其余差异均不显著。说明苗期施混合态氮肥有
利于苜蓿根系生物量快速增长。结荚期和鼓粒期,虽然根系生物量的变化趋势与苗期相同,但各处理间差异均不
显著。NO3-N+NH4+N的浓度为210mg/L时,紫花苜蓿的根系生物量达到最大值,苗期,现蕾期,盛花期显
著高于其他处理,结荚期和鼓粒期与其他处理差异不显著,各个时期较NH4+210分别增加了62.5%,35.89%,
30.00%,15.32%,11.11%;较NO3-210分别增加了96.67%,82.76%,71.69%,41.58%,41.30%,由此可见,
混合态氮比NO3-N和NH4+N更能有利于紫花苜蓿地下生物量的积累。整个生育期,从苗期到结荚期,紫花
苜蓿的根系生物量增加比较明显。
从图2可以看出,氮素形态对紫花苜蓿苗期根系总量影响很大,随着氮素水平的增加,根系量明显增加,在不
同形态处理下,可以看出硝铵态混合效果最好。另外,从图2中也可以明显看出,随着氮素水平的增加,各处理下
紫花苜蓿的侧根数也逐渐增大,氮素形态对侧根数的影响表现为:NO3-N和NH4+N混合培养下最大,NH4+
N培养下次之,NO3-N培养下最低,各形态间有明显的差异。由此可见,混合态氮可以明显地增加紫花苜蓿的
侧根数,进而使其根系生物量也增加。
2.2 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系表面积的影响
“甘农3号”紫花苜蓿不同生长期根系表面积见图3,不同施氮水平对紫花苜蓿根系表面积影响显著,随着施
氮量的增加,紫花苜蓿的根系表面积逐渐增加,均显著高于不施氮处理(犘<0.05)。但现蕾期和盛花期,NO3-N
处理下根系表面积随着施氮量的增加逐渐减小,各水平之间差异不显著。从氮素形态来看,同一氮素水平下,前
4个时期,不同氮素形态处理下紫花苜蓿的根系表面积表现为:NO3-N+NH4+N>NH4+N>NO3-N,
NO3-+NH4+210处理下紫花苜蓿的根系表面积最大,显著高于其他处理(犘<0.05),说明NO3-N和NH4+
N混合使用比单一NO3-N和NH4+N更能促进根系表面积的增加,从而有利于植物从土壤中吸收更多的水
分及矿质元素来维持自身的生长与代谢。
55第6期 刘晓静 等:外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系特性的影响
从不同生育期来看,氮素形态对紫花苜蓿根系表面积的影响也很大。氮素浓度为105mg/L时,苗期,混合
态氮和NH4+N根系表面积显著大于 NO3-N;现蕾期和盛花期,混合态氮根系表面积显著大于 NO3-N和
NH4+N;鼓粒期,NO3-N根系表面积显著大于NH4+N。结荚期和鼓粒期,各氮素形态处理下紫花苜蓿的根
系表面积差异均显著,其余时期差异均不显著;氮素浓度为210mg/L时,则苗期,现蕾期和盛花期,各氮素形态
处理下的根系表面积差异均显著,结荚期和鼓粒期差异不显著。整个生育期,混合态氮处理下紫花苜蓿的根系表
面积最大,苗期,现蕾期,盛花期和结荚期,NH4+N处理下紫花苜蓿的根系表面积均高于 NO3-N处理,鼓粒
期,NO3-N处理下紫花苜蓿的根系表面积高于NH4+N。
图1 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系生物量的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狋犺犲狌狀犱犲狉犵狉狅狌狀犱犫犻狅犿犪狊狊狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
不同小写字母表示差异显著(犘<0.05),下同。Thedifferentsmallettersmeanthesignificantdifferencesat犘<0.05,thesamebelow.
图2 苗期紫花苜蓿根系扫描图片
犉犻犵.2 犛犲犲犱犾犻狀犵狉狅狅狋狊犮犪狀狀犻狀犵犻犿犪犵犲狊狅犳犪犾犳犪犾犳犪
图3 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系表面积的影响
犉犻犵.3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狋犺犲狉狅狅狋狊狌狉犳犪犮犲犪狉犲犪狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
65 草 业 学 报 第24卷
2.3 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根平均直径的影响
不同氮素形态对紫花苜蓿根系平均直径的影响见图4,虽然紫花苜蓿的根系平均直径随着氮素水平的增加
而呈增大的趋势,但各水平间差异均不显著(犘>0.05)。不同形态氮素处理下,紫花苜蓿的根平均直径从苗期到
鼓粒期均是NO3-N和NH4+N混合培养下最大,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下的最低,各时期间差
异不明显。在苗期和盛花期,混合态氮处理下根平均直径显著高于CK,单一氮源与CK相比差异不显著。由此
可见,氮素对紫花苜蓿根系平均直径的影响并不大。
图4 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根平均直径的影响
犉犻犵.4 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狋犺犲犪狏犲狉犪犵犲狉狅狅狋犱犻犪犿犲狋犲狉狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
2.4 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根体积的影响
根系体积越大,植物与土壤的接触面积就越大,越有利于植物大范围吸收土壤水分、养分和微量元素[21]。由
图5可见,不同氮素形态处理下,紫花苜蓿的根体积均随着生育时期的推进呈先迅速增加然后趋于稳定的变化趋
势,这与根系生物量,根系表面积的变化情况基本相似。苗期,现蕾期和盛花期,紫花苜蓿的根体积均随着氮素水
平的增加呈增大的变化趋势,各氮素形态处理下紫花苜蓿的根体积表现为:NO3-N和NH4+N混合培养下最
大,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下最低。NO3-N+NH4+N的浓度为210mg/L时,紫花苜蓿的根体
积取得最大值。但结荚期,紫花苜蓿的根体积随着氮素水平的增加呈减小的变化趋势,同一形态的两个水平差异
不显著,说明在苜蓿生长后期施氮会使根系生长减缓。
图5 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根体积的影响
犉犻犵.5 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狋犺犲狉狅狅狋狏狅犾狌犿犲狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
2.5 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系活力的影响
氮素形态对紫花苜蓿根系活力的影响见图6。有氮处理下紫花苜蓿的根系活力与对照相比均达到显著水平
(犘<0.05),盛花期和结荚期随着氮素水平的增加呈增大的变化趋势。苗期,在同一氮素水平下,不同氮素形态
75第6期 刘晓静 等:外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系特性的影响
处理下紫花苜蓿根系活力的大小变化趋势为:NO3-N+NH4+N>NH4+N>NO3-N,各处理间差异显著
(犘<0.05)。混合态氮和NO3-N两个水平间差异也显著(犘<0.05),NO3-N+NH4+N的浓度为105mg/L
时,紫花苜蓿根系活力取得最大值。现蕾期,NO3-105处理下的根系活力高于 NO3-210处理,且差异显著。
鼓粒期,NO3-105处理下的紫花苜蓿根系活力最大。整个生育期,紫花苜蓿的根系活力总体表现为NO3-N和
NH4+N混合培养下最大,且随着生育期的推进呈增大的趋势,结荚期取得最大值,之后明显下降。
图6 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系活力的影响
犉犻犵.6 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狋犺犲狉狅狅狋犪犮狋犻狏犻狋狔狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
2.6 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根瘤数的影响
结果表明(图7),各氮素形态处理下紫花苜蓿的根瘤数显著大于CK(犘<0.05),且随施氮量的增加,根瘤数
目逐渐增加。相同氮素水平下,苗期,现蕾期和盛花期,不同氮素形态对紫花苜蓿根瘤数目的影响表现为:
NO3-N和NH4+N混合培养下最大,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下的最低,各氮素形态处理间差异显
著(犘<0.05),结荚期和鼓粒期则表现为:NO3-N和NH4+N混合培养下最大,NO3-N培养下次之,NH4+N
培养下的最低。说明在苜蓿生长后期NH4+N不利于根瘤的形成。整个生育期,紫花苜蓿根瘤数的变化趋势
为:前期小,盛花期最大,之后又逐渐减小,且NH4+N培养下减小的最快。NO3-N+NH4+N的浓度为210
mg/L时,紫花苜蓿的根瘤数最大。
图7 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根瘤数的影响
犉犻犵.7 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狉狅狅狋狀狅犱狌犾犲狀狌犿犫犲狉狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
2.7 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根瘤重的影响
由图8可以明显看出,氮素形态对紫花苜蓿根瘤重有显著的影响。随着生育期的推进紫花苜蓿的根瘤重呈
增大的趋势,在结荚期取得最大值,然后迅速降低。苗期和现蕾期,不同氮素形态处理下紫花苜蓿的根瘤重表现
为:NO3-N和NH4+N混合培养下最好,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下最低,且随着氮素水平的增加
85 草 业 学 报 第24卷
呈增加的变化趋势。盛花期,NO3-+NH4+105处理下的根瘤重高于NO3-+NH4+210处理,但差异不显著。
结荚期,NO3-N和NH4+N处理下的根瘤重在氮素浓度为105mg/L显著高于氮素浓度为210mg/L,说明根
瘤本身生长需要一定量的氮素营养,但在生长后期氮素过量会抑制根瘤的生长。鼓粒期,在设定的氮素水平范围
内,NO3-N处理下紫花苜蓿的根瘤重高于NH4+N处理,但差异不显著。整个生育期,除盛花期,其余时期均
在NO3-+NH4+的浓度为210mg/L时,紫花苜蓿的根瘤重取得最大值。
图8 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根瘤重的影响
犉犻犵.8 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狉狅狅狋狀狅犱狌犾犪狋犻狅狀狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
2.8 外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期固氮酶活性的影响
紫花苜蓿的固氮酶活性见图9,现蕾期和盛花期,氮素浓度为210mg/L时紫花苜蓿的固氮酶活性高于氮素
浓度为105mg/L,均显著高于不施氮处理。同一氮素水平下,苗期,盛花期和结荚期,紫花苜蓿的固氮酶活性表
现为:NO3-N和NH4+N混合培养下最大,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下最低。整个生育期,各处理
下紫花苜蓿的固氮酶活性均随着生育期的推进呈先增大后减小的变化趋势,在结荚期取得最大值。氮素浓度为
105mg/L时,各处理下紫花苜蓿的固氮酶活性在各时期均表现为:NO3-N 和 NH4+N混合培养下最大,
NH4+N培养下次之,NO3-N培养下最低。氮素浓度为210mg/L时,现蕾期和鼓粒期,各处理下紫花苜蓿的
固氮酶活性表现为:NO3-N和NH4+N混合培养下最大,NO3-N培养下次之,NH4+N培养下最低,各氮素
形态间差异显著(犘<0.05),其余时期均为NH4+N培养下的固氮酶活性好于NO3-N培养。现蕾期、盛花期
和鼓粒期,NO3-+NH4+210处理下紫花苜蓿的固氮酶活性最高,苗期和结荚期,NO3-+NH4+105处理下紫
花苜蓿的固氮酶活性最高。
图9 氮素形态对紫花苜蓿不同生育期固氮酶活性的影响
犉犻犵.9 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀犳狅狉犿狊狅狀狀犻狋狉狅犵犲狀犪狊犲犪犮狋犻狏犻狋狔狅犳犪犾犳犪犾犳犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
95第6期 刘晓静 等:外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系特性的影响
表1 不同时期各指标的相关分析
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犻狀犱犲狓犱狌狉犻狀犵犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲狊
时期Time 项目Item 狓1 狓2 狓3 狓4 狓5 狓6 狓7 狓8
苗期Seedling 狓1 1.000 0.920 0.984 0.984 0.977 0.992 0.856 0.880
狓2 1.000 0.863 0.961 0.952 0.916 0.969 0.774
狓3 1.000 0.943 0.935 0.981 0.816 0.866
狓4 1.000 0.997 0.981 0.903 0.888
狓5 1.000 0.979 0.901 0.898
狓6 1.000 0.879 0.902
狓7 1.000 0.716
狓8 1.000
现蕾期Budding 狓1 1.000 0.967 0.972 0.953 0.986 0.965 0.988 0.782
狓2 1.000 0.954 0.867 0.971 0.936 0.976 0.676
狓3 1.000 0.897 0.961 0.969 0.985 0.724
狓4 1.000 0.945 0.926 0.912 0.923
狓5 1.000 0.983 0.977 0.801
狓6 1.000 0.957 0.796
狓7 1.000 0.721
狓8 1.000
盛花期Flowering 狓1 1.000 0.983 0.995 0.953 0.977 0.971 0.904 0.992
狓2 1.000 0.972 0.952 0.979 0.940 0.872 0.974
狓3 1.000 0.965 0.982 0.985 0.904 0.996
狓4 1.000 0.979 0.952 0.850 0.965
狓5 1.000 0.976 0.918 0.991
狓6 1.000 0.937 0.990
狓7 1.000 0.935
狓8 1.000
结荚期Seedpodding 狓1 1.000 0.963 0.974 0.916 0.954 0.729 0.824 0.932
狓2 1.000 0.954 0.878 0.890 0.795 0.859 0.874
狓3 1.000 0.888 0.902 0.699 0.758 0.866
狓4 1.000 0.854 0.750 0.904 0.955
狓5 1.000 0.796 0.792 0.929
狓6 1.000 0.863 0.785
狓7 1.000 0.861
狓8 1.000
鼓粒期Podding 狓1 1.000 0.722 0.979 0.977 0.931 0.708 0.860 0.842
狓2 1.000 0.797 0.814 0.751 0.985 0.957 0.847
狓3 1.000 0.967 0.910 0.775 0.920 0.920
狓4 1.000 0.967 0.815 0.908 0.877
狓5 1.000 0.776 0.860 0.876
狓6 1.000 0.950 0.841
狓7 1.000 0.937
狓8 1.000
注:表示显著相关(犘<0.05);表示极显著相关(犘<0.01);狓1:根系生物量;狓2:根系表面积;狓3:根平均直径;狓4:根体积;狓5:根系活力;狓6:
根瘤数;狓7:根瘤重;狓8:固氮酶活性。
Note:indicatessignificantcorrelations(犘<0.05),indicatessignificantcorrelations(犘<0.01);狓1:Undergroundbiomass;狓2:Rootsurfacear
ea;狓3:Averagerootdiameter;狓4:Rootvolume;狓5:Rootactivity;狓6:Rootnodulenumber;狓7:Rootnodulation;狓8:Nitrogenaseactivity.
06 草 业 学 报 第24卷
2.9 不同时期各指标的相关分析
对不同生育期的各指标进行相关性分析,结果如表1所示,苗期,根瘤重与根平均直径,根表面积与固氮酶活
性,根瘤重与固氮酶活性均呈显著正相关关系(犘<0.05),相关系数都达到了70.0%以上,其余各指标之间均呈
极显著正相关关系(犘<0.01),相关系数都达到了85.0%以上。现蕾期,固氮酶活性与根系生物量、根表面积、根
平均直径、根系活力、根瘤数、根瘤重均呈显著正相关关系(犘<0.05),其余各指标间均呈极显著正相关关系(犘<
0.01)。盛花期,各指标之间均呈极显著正相关关系(犘<0.01),相关系数都达到了85.0%以上。结荚期,根瘤数
与根系生物量、根系表面积、根体积、根平均直径、根系活力,根瘤重与根系生物量、根表面积、根系活力、固氮酶活
性之间均呈显著正相关关系(犘<0.05),相关系数都达到了70.0%以上,其余各指标间均呈极显著正相关关系
(犘<0.01)。鼓粒期,根系生物量与根系表面积、根体积、根系活力、根平均直径、根瘤数,根瘤数与根平均直径、
根体积、根系活力均呈显著正相关关系(犘<0.05),其余各指标间均呈极显著正相关关系(犘<0.01)。
3 讨论与结论
从本研究结果发现,在本试验的氮素浓度下,紫花苜蓿的根系生物量、根系表面积、根系活力、根瘤数、根瘤重
均高于CK,NO3-N和NH4+N混合培养下表现最优,NH4+N培养下次之,NO3-N培养下最低,本课题组在
前期对紫花苜蓿的研究中也发现NH4+N培养下苗期生长优于NO3-N培养[4],说明虽然NO3-N和NH4+
N均能促进根系的生长,但NH4+N处理下根系生长好于NO3-N,二者以一定的比例混合使用更有利于根系
的生长以及根表面积的增加,张辰明等[22]的研究中发现,NO3-N和NH4+N混合使用最有利于水稻根系的生
长。Saravitz等[23]研究表明,在等氮量的情况下,与单独供应NH4+N相比,等比例供应 NO3-N和NH4+N
使大豆在10d内的累积吸收增加了1倍,NH4+的吸收是NO3-吸收的两倍。
增施氮肥能明显增加紫花苜蓿的鲜干草产量及营养品质[24],而紫花苜蓿产草量的决定因素之一是根系的生
长发育状况,所以施氮直接影响紫花苜蓿的根系生长。在本研究中无论是 NO3-N、NH4+N还是混合态氮作
用下,紫花苜蓿的根系特性都呈现出随着氮素浓度的增加,根系生物量,根表面积,根体积,根系活力均增大的趋
势。在NO3-+NH4+的浓度为210mg/L时,各指标均达到最大值,说明施用一定量的氮肥对紫花苜蓿的根系
生长发育有促进作用,进而提高苜蓿的产量。紫花苜蓿等豆科植物施用适量的“起爆氮”,能显著促进植物的前期
生长。王树起等[25]对大豆的研究也证实了这一点。
就氮素吸收过程而言,决定吸氮量的另一个因素是生育期。本研究发现,各处理下紫花苜蓿的根系各指标均
随着生育期的推进呈先增加后减小的单峰变化趋势。在整个生育期中,苗期施氮处理的根系生物量、根瘤数和根
瘤重与对照相比增幅最显著,且与氮素浓度正相关,说明苗期是紫花苜蓿整个生育期的氮营养关键期,此时紫花
苜蓿根瘤尚未形成或不具备固氮能力,因此,需要大量补充外源氮;并且,苗期施氮可以很好地促进紫花苜蓿的根
系发育,使根系生物量增加,一方面可提高紫花苜蓿根系的营养吸收能力,另一方面,可为根瘤菌侵染和结瘤提供
充分的物质条件。此外,现蕾期和盛花期的氮素养分管理也不容忽视,因为本研究结果表明,紫花苜蓿的根系生
物量,根体积、根瘤数和固氮酶活性从苗期到现蕾期,现蕾期到盛花期的增幅最大,说明紫花苜蓿苗期到盛花期是
氮营养吸收旺盛期,此时及时补充外源氮素,氮肥效率高,可促进紫花苜蓿产量和品质的形成。王丹英和汪自
强[26]、何建国等[16]关于大豆最佳氮肥施用时期的研究也认为,大豆营养生长阶段的最佳追肥时间应为苗期、现
蕾期和盛花期。从本试验看,紫花苜蓿从盛花期到结荚期,各处理下各根系指标基本趋于稳定的变化趋势,紫花
苜蓿从营养生长进入生殖生长,植株已经定型,生长不如现蕾期和盛花期旺盛,但仍需要氮素来维持紫花苜蓿生
殖生长,促进籽粒的发育,所以应该适量施氮。从结荚期到鼓粒期,紫花苜蓿的根瘤数、根瘤重和固氮酶活性开始
急速下降,可能是生长后期外源氮过多会抑制根瘤的生长,董守坤等[27]在大豆的研究中也得出了同样的结论。
从相关性分析上可以看出,苗期,现蕾期和盛花期,紫花苜蓿的各指标间均呈显著正相关关系,这恰恰反映了在以
上3个时期各指标对紫花苜蓿的根系生长和生物量的积累有明显的促进作用,他们之间密切联系、彼此影响;也
说明在生长前期施肥最能促进紫花苜蓿的生长,甘银波等[15]对大豆的研究也得出了相似的结论。
本研究还发现,在NH4+N营养条件下随着生育的推进,从结荚期到鼓粒期,紫花苜蓿的根系活力、根瘤数
16第6期 刘晓静 等:外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系特性的影响
和根瘤重下降最快,NH4+N培养下紫花苜蓿的根瘤数显著低于NO3-N培养。Li等[28]在水稻的研究中也发
现随着培养时间的增长,大量的NH4+N来不及利用和转移,根系中NH4+N浓度过大,对水稻的根系生长起
到抑制作用,根尖数增加明显变小,根系变短变粗,根表面呈暗棕色等症状。贾彦博等[29]研究也表明供应过量
NH4+N则对根系有一定毒害作用,会抑制根系的生长发育,降低根系生物量。
综上所述,NO3-N 和 NH4+N 均能促进紫花苜蓿各时期根系生长,但二者混合使用效果最佳,当
NO3-N+NH4+N的浓度为210mg/L时,紫花苜蓿根系生长最好。紫花苜蓿整个生育期中,外源氮素供应的
适宜时期为苗期、现蕾期和盛花期,此时施氮,肥料报酬率高,且可有效促进紫花苜蓿的生长。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
[1] FanF,ZhangQG,ZhangYL,犲狋犪犾.Fertilizationeffectsonalfalfanodule.BuletinofAgriculturalScienceandTechnology,2006,
(7):9698.
[2] YanJ,HanXZ,WangSY,犲狋犪犾.EffectofdifferentformsnitrogenonnodulegrowthandnitrogenfixationinSoybean.Soy
beanScience,2009,28(4):674677.
[3] LiuXJ,LiuYN.EffectsofdifferentNlevelsonproductivityandqualityofalfalfavarieties.ActaAgrestiaSinica,2013,
7(4):702707.
[4] LiuXJ,KuaiJL,LiWQ,犲狋犪犾.EffectsofNH4+NandNO3-Nonrootgrowth,nodulationandnitrogenfixationofalfal
fa.JournalofGansuAgriculturalUniversity,2011,46(5):106110.
[5] HeidiT,HeubergerJ,KlingG,犲狋犪犾.ContributionofNuptakeandmorphologicalrootcharacteristicstoNefficiencyintropi
calmaizecultivars.CropProduction,2002,29:958963.
[6] XuGW,LiS,ZhaoYF,犲狋犪犾.Effectsofstrawreturningandnitrogenfertilizerapplicationonrootsecretionandnitrogenuti
lizationofrice.ActaPrataculturaeSinica,2014,23(2):140146.
[7] PengLQ,LiXY,QiX,犲狋犪犾.Therelationshipofroottraitswithpersistenceandbiomassin10alfalfavarieties.ActaPrat
aculturaeSinica,2014,23(2):147153.
[8] KuaiJL,LiuXJ,LiWQ.Effectsofdifferentnitrogenlevelsonthegrowthcharacteristicsofalfalfainoculatedwithrhizobi
um.GrasslandandTurf,2010,31(3):5659.
[9] LinkohrBI,WiliamsonLC,FitterAH,犲狋犪犾.Nitrateandphosphateavailabilityanddistributionhavedifferenteffectson
rootsystemarchitectureof犃狉犪犫犻犱狅狆狊犻狊.ThePlantJournal,2002,29(6):751760.
[10] ChenP,FengK,WangXL,犲狋犪犾.EffectsofpHonuptakeofdifferentformsofnitrogenbyyoungcore.JournalofYang
zhouUniversity(AgriculturalandLifeSciencesEdition),2003,24(3):4650.
[11] YangXE,SunX.DifferentvarietiesofNH4+NandNO3-Nabsorptionkinetics.ChineseJournalofSoilScience,1991,
22(5):222224.
[12] QiaoYF,MiaoSJ,HanXZ.Effectsofnitrogenformsontherootmorphologyandprotonextrusioninsoybean.Soybean
Science,2006,(3):265269.
[13] SunM,GuoWS,SunTF,犲狋犪犾.Effectsofnitrogenformsonrootcharacteristicsinwheat.JournalofYangzhouUniversity
(AgriculturalandLifeSciencesEdition),2007,28(1):5457.
[14] SongHX,ShenSL,MaSY,犲狋犪犾.EffectsofNH4+NandNO3-Nonthenitrogenfixationofsoybeannodules.Soybean
Science,1997,16(4):283286.
[15] GanYB,TuXW,TianRJ.Studyonoptimumtimingofnitrogenapplicationonsoybean.SoybeanScience,1998,17(4):
287291.
[16] HeJG,YanH,JiaJC,犲狋犪犾.Effectofnitrogenmanagementongrowthandyieldofsoybean.SoybeanBuletin,1990,
(10):1115.
[17] ZhangQ,ZhangL,WeiSQ,犲狋犪犾.EffectsofCa2+ onacidtoleranceof犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪and犚犺犻狕狅犫犻狌犿犿犲犾犻犾狅狋犻.Chinese
JournalofAppliedEcology,2007,18(6):12311236.
[18] SunJG,ZhangYC,XuJ,犲狋犪犾.Isolationandbiologicalcharacteristicinvestigationonefficientnitrogenfixingbacili.Sci
entiaAgriculturaSinica,2009,42(6):20432051.
[19] WangF,LiuB,ZhuJW.Effectofmagnesium (Mg)onrootactivity,chlorophylcontentandpermeabilityofsoybean.
JournalofAgroEnvironmentScience,2004,23(2):235259.
[20] YaoT,ZhangDG,HuZZ.Associativenitrogenfixingbacteriaintherhizosphereof犃狏犲狀犪狊犪狋犻狏犪inanalpineregionIIso
lationanidentification.ActaPrataculturaeSinica,2004,13(2):106111.
[21] NanLL,ShiSL,ZhangJH.Studyonrootsystemdevelopmentabilityofdifferentroottypealfalfa.ActaPrataculturae
26 草 业 学 报 第24卷
Sinica,2014,23(2):117124.
[22] ZhangCM,XuYH,ZhaoHJ.Effectsofdifferentnitrogenformsonnitrogenuptakeandrootgrowthofriceattheseedling
stage.JournalofNanjingAgriculturalUniversity,2011,34(3):7276.
[23] SaravitzCH,ChailouS,MusselJ,犲狋犪犾.Influenceofnitrateonuptakeofammoniumbyniteogendepletedsoybean:isthe
dffectlocatedinrootsorshoot.JournalofExperimentalBotany,1994,280(45):15751584.
[24] LiuYN,LiuXJ,ZhangXL,犲狋犪犾.Effectofclippingandfertilizationonproductionperformanceofdifferentalfalfavarie
ties.GrasslandandTurf,2013,33(3):6973.
[25] WangSQ,HanXZ,QiaoYF.Rootmorphologyandnitrogenaccumulationinsoybean(犌犾狔犮犻狀犲犿犪狓L.)underdifferent
nitrogenapplicationlevels.ChineseJournalofEcoAgriculture,2009,17(6):10691073.
[26] WangDY,WangZQ.Effectofplantingdate,plantdensityandnitrogenapplicationrateonyieldandqualityofvegetable
soybean.JournalofZhejiangUniversity(AgriculturalandLifeSciencesEdition),2001,27(1):6972.
[27] DongSK,LiuLJ,SunCZ,犲狋犪犾.Effectsofnitrogenlevelsonnodulegrowthofsoybeanusing15Ntracingmethod.Plant
NutritionandFertilizerScience,2011,17(4):985988.
[28] LiBZ,XinWJ,SunSB,犲狋犪犾.Physiologicalandmolecularresponsesofnitrogenstarvedriceplantstoresupplyofdiffer
entnitrogensources.PlantandSoil,2006,287(12):145159.
[29] JiaYB,YangXE,LiuJX.Morphologicalandphysiologicaladaptationofplantroottonutrientdefficitandelementaltoxici
tystress.ChineseJournalofSoilScience,2005,36(4):610616.
参考文献:
[1] 范富,张庆国,张永亮,等.施肥对紫花苜蓿根瘤的影响.农业科技通报,2006,(7):9698.
[2] 严君,韩晓增,王守宇,等.不同形态氮对大豆根瘤生长及固氮的影响.大豆科学,2009,28(4):674677.
[3] 刘晓静,刘艳楠.供氮水平对不同紫花苜蓿产量及品质的影响.草地学报,2013,7(4):702707.
[4] 刘晓静,蒯佳林,李文卿,等.硝态氮与铵态氮对紫花苜蓿根系生长及结瘤固氮的影响.甘肃农业大学学报,2011,46(5):
106110.
[6] 徐国伟,李帅,赵永芳,等.秸秆还田与施氮对水稻根系分泌物及氮素利用的影响研究.草业学报,2014,23(2):140146.
[7] 彭岚清,李欣勇,齐晓,等.紫花苜蓿品种根部特性与持久性和生物量的关系.草业学报,2014,23(2):147153
[8] 蒯佳林,刘晓静,李文卿.不同氮素水平对接种根瘤菌紫花苜蓿生长特性的影响.草原与草坪,2010,31(3):5659.
[10] 陈平,封克,汪晓丽,等.营养液pH 对玉米幼苗吸收不同形态氮素的影响.扬州大学学报(农业与生命科学版),2003,
24(3):4650.
[11] 杨肖娥,孙羲.不同水稻品种NH4+N和NO3-N吸收的动力学.土壤通报,1991,22(5):222224.
[12] 乔云发,苗淑杰,韩晓增.氮素形态对大豆根系形态性状及释放 H+的影响.大豆科学,2006,(3):265269.
[13] 孙敏,郭文善,孙陶芳,等.氮素形态对小麦根系特性影响的初步研究.扬州大学学报:农业与生命科学版,2007,28(1):
5457.
[14] 宋海星,申斯乐,马淑英,等.硝态氮和氨态氮对大豆根瘤固氮的影响.大豆科学,1997,16(4):283286.
[15] 甘银波,涂学文,田任久.大豆的最佳氮肥施用时期研究.大豆科学,1998,17(4):287291.
[16] 何建国,严华,贾金川,等.不同氮肥管理对大豆生长及产量的影响.大豆通报,1990,(10):1115.
[17] 张琴,张磊,魏世清,等.钙离子对紫花苜蓿及苜蓿根瘤菌耐酸能力的影响.应用生态学报,2007,18(6):12311236.
[18] 孙建光,张燕春,徐晶,等.高效固氮芽孢杆菌筛选及其生物学特性.中国农业科学,2009,42(6):20432051.
[19] 王芳,刘鹏,朱靖文.镁对大豆根系活力叶绿素含量和膜透性的影响.农业环境科学学报,2004,23(2):235259.
[20] 姚拓,张德罡,胡自治.高寒地区燕麦根际联合固氮菌研究Ⅰ:固氮菌分离及鉴定.草业学报,2004,13(2):106111.
[21] 南丽丽,师尚礼,张建华.不同根型苜蓿根系发育能力研究.草业学报,2014,23(2):117124.
[22] 张辰明,徐烨红,赵海娟.不同氮形态对水稻苗期氮素吸收和根系生长的影响.南京农业大学学报,2011,34(3):7276.
[24] 刘艳楠,刘晓静,张晓磊,等.施肥与刈割对不同紫花苜蓿品种生产性能的影响.草原与草坪,2013,33(3):6973.
[25] 王树起,韩晓增,乔云发.施氮对大豆根系形态和氮素吸收积累的影响.中国生态农业学报,2009,17(6):10691073.
[26] 王丹英,汪自强.播期、密度、氮肥用量对菜用大豆产量和品质的效应.浙江大学学报(农业与生命科学版),2001,27(1):
6972.
[27] 董守坤,刘丽君,孙聪姝,等.利用15N标记研究氮素水平对大豆根瘤生长的影响.植物营养与肥料学报,2011,17(4):
985988.
[29] 贾彦博,杨肖娥,刘建祥.植物根系对养分缺乏和毒害的适应及其与养分吸收效率的关系.土壤通报,2005,36(4):610
616.
36第6期 刘晓静 等:外源氮素形态对紫花苜蓿不同生育期根系特性的影响