不同外源氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根系的影響

康佳惠，梁秀芝，鄭敏娜，韓志順，陳燕妮

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所，山西大同037008）

紫花苜蓿（Medicago sativaL.）是一種優(yōu)良的多年生豆科牧草，具有營養(yǎng)價(jià)值高、根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，在干旱半干旱地區(qū)被廣泛栽培種植[2-3]。紫花苜蓿不但是畜牧業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的植物蛋白資源，而且可以與根瘤菌共生固氮，為植株生長提供50%以上的氮素[4]，但在較貧瘠的土壤環(huán)境中，僅靠根瘤固氮遠(yuǎn)不能滿足對(duì)氮素的需求，還必須施用氮肥。但是，根瘤固氮與外源氮之間存在對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系[5-6]，一方面施氮可以促進(jìn)紫花苜蓿根區(qū)土壤養(yǎng)分的溶解，增加根區(qū)氮素的供應(yīng)，提高根區(qū)微生物的數(shù)量，增強(qiáng)固氮能力；另一方面外源氮水平過高又會(huì)抑制其共生固氮效率[7]，因此，如何達(dá)到外源施氮量與其自身固氮能力的最佳組合，對(duì)紫花苜蓿植株的生長具有重要意義。

目前，研究結(jié)果表明，NO3--N 和NH4+-N 是根系利用的主要氮素形式[6]，植物對(duì)它們的吸收和生理代謝效率因二者的氮素形態(tài)不同而不同。研究發(fā)現(xiàn)，相比于單施硝態(tài)氮和銨態(tài)氮肥，混合氮肥對(duì)提高植株氮含量效果最好[8]；LINKOHR 等[9]的研究表明，與NH4+-N 相比，NO3--N 更有利于促進(jìn)擬南芥根系表面積的增大；孫敏等[10]在小麥上的研究結(jié)果表明，與NO3--N 相比，NH4+-N 在促進(jìn)根系生物量、根系活力方面效果更明顯。苜蓿根系多屬直根系[11]，其根系是植物吸收水分和營養(yǎng)轉(zhuǎn)化的主要場(chǎng)所，通過控制氮肥的施用可調(diào)控根系的生長，提高其對(duì)氮素的吸收利用。雖然NO3--N 和NH4+-N 均能被紫花苜蓿吸收，但NO3--N、NH4+-N 和混合態(tài)在哪種濃度下更有利于紫花苜蓿的生長，還有待進(jìn)一步的研究。

本試驗(yàn)采用盆栽方法，通過營養(yǎng)液控制氮素形態(tài)來研究硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對(duì)紫花苜蓿根系生長的影響及各根系指標(biāo)間的相關(guān)性，以期為紫花苜蓿合理的氮素供應(yīng)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試紫花苜蓿品種為牧歌37CR，由克勞沃公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018 年5—8 月在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒區(qū)作物研究所溫室中進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，在直徑30 cm、高40 cm 的花盆中裝入沙壤土，每盆裝土5.2 kg，澆透水，待沒有水分淋出時(shí)開始試驗(yàn)。2018 年5 月18 日，每盆選取40 粒籽粒飽滿的滅菌種子進(jìn)行播種，播種后將花盆置于溫室內(nèi)，每天澆蒸餾水，直到紫花苜蓿的真葉完全展開，澆入營養(yǎng)液，每盆保留30 株。

試驗(yàn)選擇3 種外源氮素形態(tài)，分別為：NO3--N、NH4+-N 和混合態(tài)氮（NO3--N∶NH4+-N=1∶1），參考馮博政等[5]的試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)4 個(gè)質(zhì)量濃度水平（0、100、200、300 mg/L），共10 個(gè)處理，分別記為CK（氮素水平為0）、NO3--100、NO3--200、NO3--300、NH4+-100、NH4+-200、NH4+-300、混-100、混-200 和混-300，每個(gè)處理重復(fù)3 次，完全隨機(jī)排列。試驗(yàn)開始后，首先采用KNO3、（NH4）2SO4和Fahraeus 無氮植物營養(yǎng)液，按照孫建光等[12]的方法配制所需營養(yǎng)液，并將所配制的營養(yǎng)液pH 值調(diào)節(jié)為7.0；其次，試驗(yàn)期間為防止盆栽處理鹽分積累，更換營養(yǎng)液前均先用蒸餾水進(jìn)行淋洗，每個(gè)處理每隔7 d 補(bǔ)充一次相對(duì)應(yīng)的營養(yǎng)液，補(bǔ)充量均為300 mL；最后，待苜蓿植株培養(yǎng)至50 d 時(shí)，選取每個(gè)處理的根部相同部位進(jìn)行取樣，并用蒸餾水清洗后測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

取樣后，首先將清洗后的各處理的根系置于萬深LA-S 根系掃描儀（分辨率為600 dpi）中進(jìn)行掃描，測(cè)定根系總長度、根平均直徑、根表面積、根體積等參數(shù)；其次，將部分樣品放入烘箱，105 ℃殺青15 min 后，于65 ℃烘至恒質(zhì)量，冷卻后稱質(zhì)量，即為根系的干質(zhì)量；最后，將另一部分樣品采用濃清洗H2SO4-H2O2消煮法[13]測(cè)定根系全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2009 和SPSS 22.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著差異法（LSD 法）進(jìn)行多重比較，顯著水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同外源氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根系生物量的影響

從圖1 可以看出，9 種施氮處理的紫花苜蓿根系生物量顯著高于CK（P＜0.05）。同一氮素形態(tài)處理下，紫花苜蓿根系生物量隨著施氮量的增加表現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)。其中，NO3--N 和NH4+-N 處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為NO3--300＞NO3--200＞NO3--100，NH4+-300＞NH4+-200＞NH4+-100，混-200 和混-300 處理下顯著高于混-100。說明施氮可以促進(jìn)紫花苜蓿根系生物量的增加，在氮質(zhì)量濃度為300 mg/L 時(shí)更有利于根系生物量積累。同一氮素濃度水平下，混合態(tài)氮處理根系生物量最大，NH4+-N 處理次之，NO3--N 處理最低?；旌蠎B(tài)氮質(zhì)量濃度為300 mg/L 時(shí)，紫花苜蓿的根系生物量達(dá)到最大值，混-300 較NO3--300 和NH4+-300分別增加了39.86%和8.10%。由此可見，施用混合態(tài)氮比單一形態(tài)氮更有利于紫花苜蓿根系生物量的積累。

2.2 不同外源氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根表面積的影響

從圖2 可以看出，9 種施氮處理的紫花苜蓿根表面積顯著大于CK。其中，混合態(tài)氮處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為混-300＞混-200＞混-100。在NO3--N 處理下，紫花苜蓿根表面積隨著氮素施用量的增加而呈遞減的趨勢(shì)。在同一氮素濃度水平下，不同氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿的根表面積的影響表現(xiàn)為：混合態(tài)氮＞NH4+-N＞NO3--N?；旌蠎B(tài)氮質(zhì)量濃度為300 mg/L 時(shí)，紫花苜蓿的根表面積最大，顯著高于其他處理（P＜0.05），混-300 較NO3--300 和NH4+-300 分別增加了87.04%和25.08%，表明施用混合態(tài)氮比施用單一硝態(tài)氮和銨態(tài)氮更能促進(jìn)根表面積的增加。

2.3 不同外源氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根平均直徑的影響

從圖3 可以看出，9 種氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根系平均直徑的影響表現(xiàn)為隨著氮素水平的增加而呈增大的趨勢(shì)，其中，NO3--200、NO3--300、NH4+-300、混-200 和混-300 處理下顯著大于CK（無氮處理）（P＜0.05），其余各水平間差異均不顯著。同一氮素水平下，不同形態(tài)氮素對(duì)紫花苜蓿的根平均直徑的影響差異不顯著。

2.4 不同外源氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根體積的影響

由圖4 可知，9 種施氮處理的紫花苜蓿根體積顯著大于CK（P＜0.05）。同一氮素形態(tài)處理下，紫花苜蓿根體積隨著施氮量的增加表現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì)，其中，NO3--N 和NH4+-N 處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為NO3--300＞NO3--200＞NO3--100，NH4+-300＞NH4+-200＞NH4+-100。同一氮素濃度水平下，NH4+-N 處理根體積最大，混合態(tài)氮處理次之，NO3--N 處理最低。當(dāng)NH4+-N 質(zhì)量濃度為300 mg/L 時(shí)，紫花苜蓿的根體積達(dá)到最大值，顯著大于其他處理（P＜0.05），NH4+-300 較NO3--300和混-300 分別增加了27.46%和10.91%。植物的根系體積越大，與土壤的接觸面積就越大，對(duì)植物吸收土壤水分和養(yǎng)分越有利[10]。

2.5 不同外源氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根長的影響

從圖5 可以看出，除了NH4+-100 和混-100 處理外，其余施氮處理的紫花苜蓿根長顯著小于CK（P＜0.05）。同一氮素形態(tài)處理下，紫花苜蓿根長隨著施氮量的增加表現(xiàn)出降低的變化趨勢(shì)，其中，NH4+-N 處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為NH4+-100＞NH4+-200＞NH4+-300。說明施氮影響紫花苜蓿的根長，而且根長隨著施氮量的增加而逐漸減少。同一氮素濃度水平下，NH4+-N 和混合態(tài)氮處理下的根長顯著高于NO3--N 處理。

2.6 不同外源氮素形態(tài)對(duì)紫花苜蓿根系全氮含量的影響

從圖6 可以看出，9 種施氮處理下的紫花苜蓿根系全氮含量均顯著高于CK（P＜0.05）。同一氮素形態(tài)處理下，紫花苜蓿根系全氮含量隨著施氮量的增加而增加，其中，NO3--N 和混合態(tài)氮處理下各水平間差異顯著（P＜0.05）。同一氮素濃度水平下，紫花苜蓿的根系全氮含量表現(xiàn)為NO3--N 處理下最高。當(dāng)NO3--N 質(zhì)量濃度為300 mg/L 時(shí)，紫花苜蓿的根系全氮含量達(dá)到最大值。

2.7 根系各指標(biāo)的相關(guān)性分析

對(duì)紫花苜蓿根系的各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明（表1），根表面積與根平均直徑、根系生物量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.773 和0.914，與根體積呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。根系生物量與根表面積、根平均直徑、根體積均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與根系全氮含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

表1 各指標(biāo)的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

根系是植物吸收、轉(zhuǎn)化和貯存養(yǎng)分的器官，植物的地上生物量直接受其生長發(fā)育狀況的影響[11]。紫花苜蓿雖自身具有固氮功能，但其在種植第1 年根瘤數(shù)較少，且在這些根瘤中大部分屬于無效根瘤，不能完全滿足植株對(duì)氮素的需要，需補(bǔ)充外源氮肥。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)?shù)夭荒軡M足苜蓿生長所需時(shí)，其植株地上部和根系生長都顯著受到抑制[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，添加氮素后，各處理下紫花苜蓿的根系生物量、根平均直徑、根體積、根表面積、根系全氮含量均高于CK，這與張辰明等[15]、王樹起等[16]、劉曉靜等[17]的研究結(jié)果一致。此外，混合態(tài)氮處理下根系生物量和根表面積最優(yōu)，NH4+-N 處理下次之，NO3--N 處理下最低；紫花苜蓿根體積和根長則表現(xiàn)為NH4+-N 處理下最優(yōu)，混合態(tài)氮處理下次之，NO3--N 處理下最低，以上試驗(yàn)結(jié)果說明，2 種形態(tài)的外源氮素（NO3--N 和NH4+-N）均有利于促進(jìn)紫花苜蓿苗期的根系生長發(fā)育，而且二者混合使用的效果更好，其次為NH4+-N 和NO3--N，苗期合理的施氮一方面可為根瘤的形成提供充分的營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面可為根系的生長發(fā)育補(bǔ)充氮素[18-20]。

氮素是對(duì)苜蓿根系發(fā)育最為顯著的營養(yǎng)元素[17]，在本研究中無論是硝態(tài)氮、銨態(tài)氮還是混合態(tài)氮作用下，根系生物量、根表面積、根平均直徑、根體積、根系全氮含量等指標(biāo)都呈現(xiàn)出隨著氮素濃度的增加而增大的趨勢(shì)，且在混合態(tài)氮質(zhì)量濃度為300 mg/L 時(shí)，根系生物量、根體積、根系全氮含量均達(dá)到最大值。結(jié)果說明，施用硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對(duì)紫花苜蓿的根系生長發(fā)育均有促進(jìn)作用，而且二者混合施用效果更好，當(dāng)混合態(tài)氮質(zhì)量濃度為300 mg/L時(shí)，紫花苜蓿根系生長最好。