氮水平對水稻植株氮素損失的影響

王巧蘭,吳禮樹,趙竹青*,趙林萍

(1華中農業大學資源與環境學院,湖北武漢430070;2軍事經濟學院軍需系,湖北武漢430035;3中國農業科學院農業資源與區劃研究所,北京100081)

氮素通常被認為是作物產量的限制因子。長期以來,為提高農作物的產量,氮肥施用量迅速增加,而氮素利用效率隨著氮肥用量的增長明顯下降[1]。大量研究表明,作物的氮肥利用率大多低于50%[2-4]。一般而言,植物體內氮含量隨氮肥用量的增加而提高,同時植物體氮含量與植物的階段營養密切相關。氮肥利用率低是氮肥應用中亟待解決的問題,目前認為,氮肥利用率低的主要原因是因土壤的轉化而損失,即通過氨揮發、硝化、反硝化和硝酸鹽淋溶等途徑損失。朱兆良[2]指出,氮肥施入土壤后,水稻能吸收其中的25%～50%,肥料15N在土壤中的殘留比例為10%～35%,其余的15N虧損部分則被認為是由于氨的揮發、地下水滲漏淋失或者反硝化損失。

由于土壤損失不能完全解釋氮肥利用率低的原因,近年來植物氮的損失受到廣大學者的關注。Farquhar等[5]證實,玉米和小麥等禾谷類作物在開花以后可以通過植株組織釋放氨而損失氮,而且葉片的衰老影響植株氮損失量。Metselar等[6]認為,植株氮素的氣態損失與植物組織氮含量相關;環境因素特別是溫度、風力可以影響植株組織中氮素的揮發損失。王朝輝等[7]研究發現,小麥植株氮素損失受其生育期的影響,成熟期氨揮發速率和數量成倍升高;在小麥灌漿期適度干旱可以減少冬小麥地上部分氨的揮發。黃見良等[8]應用15N示蹤技術研究了水稻不同生育期吸收的15N在各器官中的分配,以及后期植物組織中氮損失,結果表明水稻在分蘗期和幼穗分化期吸收的氮素在后期可以通過植株組織揮發損失,至成熟期損失的比例分別達16.7%和13.4%。王福鈞等[4]報道,水稻前期吸收的氮有6%是通過老葉和死亡器官損失,有13%～16%是通過其他途徑損失的,并認為氮素揮發是氮損失的主要途徑。可見,植物氮損失途徑中植株體內N素損失是普遍存在的事實[9-13]。為此,本試驗旨在通過研究不同氮素水平對水稻不同生長期氮損失的影響,并探討影響植物氮損失的因素,為提高水稻氮肥利用效率,指導水稻合理施肥提供依據。

1 材料與方法

1.1 水稻育苗

供試水稻(Oryza sativa)品種為珍汕97(ZS97)。種子經過消毒后,浸種3 d,在 25℃催芽2 d,將種子播于含1/10國際水稻所營養液的石英砂中培育秧苗。25 d后,將水稻幼苗轉移到含1/2國際水稻所營養液中培養,每穴2株,一周后轉入完全營養液,并將氮源改為(15NH4)2SO4(N 80 mg/L)。每天用NaOH或HCl溶液調節pH至6.0,營養液每周更換1次。移栽后的21 d進行試驗處理。

1.2 試驗處理

1.2.1 氮水平對植物氮損失試驗 選擇培養的生長一致水稻幼苗,移栽到以(NH4)2SO4為氮源的5 L營養液中,設 4個供氮(N)水平,即:N1(0 mg/L),N2(40 mg/L),N3(80 mg/L),N4(160 mg/L),各處理4次重復,每盆4株,營養液管理同1.1,培養10 d。在試驗處理前后分別取植株樣,測定植株地上部和根系生物量、全氮及15N豐度,通過計算處理期間15N的損失量來估算植物氮損失率。

1.2.2 不同生長期對植株氮損失的影響 將培養的水稻幼苗移栽到5 L營養液,每盆 4株,于以(15NH4)2SO4為氮源的完全營養液中分別培養2、5、7、9周后,改用(NH4)2SO4為氮源的完全營養液培養,繼續培養10 d。在試驗處理前后分別取植株樣,測定植株地上部和根系生物量、全氮及15N豐度,通過計算處理期間15N的損失量來估算植物氮損失率。

植株15N量=植株地上部含氮量×地上部干重×15N豐度+處理前植株根氮含量×根干重×15N豐度;

植株15N損失量=處理前植株15N量-處理后植株15N量;

植株氮損失率(%)=植株15N損失量/處理前植株15N量×100。

1.3 測定方法

全氮的測定:植物全氮采用硫酸消化,流動注射分析儀測定,質譜儀分析15N豐度。

NH+4-N測定:植株中銨態氮含量參照Searle[14]的方法并加以改進。取新鮮水稻植株,稱重后剪碎,于研缽中加水研磨,移至干燥的三角燒瓶中,加水定容至20 mL,振蕩1～3 min,放置澄清后取上清液2 mL,注入20 mL刻度試管,加入1 mL pH 5.0檸檬酸緩沖液,搖勻后加入1 mL水合茚三酮乙醇溶液,充分搖勻,置于溫水浴中,在80℃下保持30 min取出冷卻,用pH 5.0檸檬酸緩沖液稀釋至10 mL搖勻,與系列標準一起測定吸光度。

GOT(谷草轉氨酶活性)測定:取處理10 d的水稻葉片1.0 g放入0.05 mol/L Tris-HCl緩沖液中(pH 7.2),冰浴勻漿,0℃下 26100×g離心20 min,取上清液0.2 mL與2.8 mL GOT反應液混合,其中包括0.2 mL NADH(3 mg/mL),0.5 mL dl-天冬氨酸鹽(0.2 ml/L),0.1 mL蘋果酸脫氫酶(2000 U),0.2 mL α-酮戊二酸(0.05 mol/L),1.8 mL去離子水。混合均勻后15min于波長340 nm測定吸光值,同時以不加天冬氨酸鹽的反應液為對照。

水稻葉片pH測定:取水稻新鮮葉片1 g,剪碎,加0.5 mol/L KCl溶液20 mL,震蕩30 min,測定溶液pH值。

2 結果與分析

2.1 不同氮水平對水稻生物量的影響

在前期供N 80 mg/L的情況下,轉入不同的氮水平處理10 d,各處理地上部與根的生物量干重比處理前都有顯著增加,但不同供氮水平間生物量的差異不顯著(圖1)。相比之下,供N 80 mg/L處理水稻的生物量增加最大,不供氮(N 0 mg/L)和過量供氮(N 160 mg/L)處理的水稻地上部和根系生物量均低于N 80 mg/L處理。表明植物體內累積的氮能夠維持水稻一段時間的生長,過量供氮會抑制水稻的生長。

2.2 不同氮水平對水稻植株氮含量及氮損失的影響

水稻地上部及根的含氮量與供氮水平密切相關。表1看出,隨著氮水平的提高,葉片及根中氮含量顯著增加。與處理前比較,葉片與根中氮含量均有所下降,特別是停止供氮(0 mg/L)的處理。這可能是由于水稻的快速生長產生稀釋效應的結果。15N測定結果表明,在不供氮(N0)的條件下,葉片與根中15N豐度沒有改變,但隨著供氮水平的增加,葉片及根中15N豐度顯著下降,表明水稻在處理期間吸收的氮使植物組織中的15N得到稀釋,吸收氮越多,稀釋強度越大。表1還看出,在供氮的條件下,葉片15N豐度高于根,這也說明氮在植物體內具有較大的移動性,根中保持的15N隨培養時間的延長逐步向地上部轉移。處理10 d后,不同處理15N均有不同程度的損失,供氮水平越高,15N損失量也越大,其中過量供氮(N 160mg/L)15N損失達42.6 mg/pot,比N 40 mg/L處理約多1倍。因此,過量施用氮肥導致氮的損失增加,從而降低肥料利用率。15N損失率表明,缺氮及過量供氮,都能增加氮的損失。

圖1 不同氮水平對水稻生物量的影響Fig.1 Effect of different N rate on rice biomass

表1 不同氮水平對水稻植株氮含量的影響Table 1 Effects of different N rates on N content of rice plant

2.3 不同生長期對水稻植株氮損失的影響

植物營養具有階段性,植物各組織也具有生命周期,其生理衰老直接影響植物體內養分的代謝過程。為了研究水稻營養階段性對植株氮損失的影響,將在(15NH4)2SO4(N 80 mg/L)營養液中分別培養3、5、7、9周的水稻植株轉入 (NH4)2SO4(N 80 mg/L)溶液中培養10 d,計算各生長階段15N的損失率。圖2看出,15N損失率隨著生長階段的推移顯著增加,植物氮損失與植物的生長階段有關,這一結果與王朝輝等[7]、黃見良等[8]研究結果一致,生理衰老促進水稻植株氮的損失。

圖2 不同生長期的水稻植株氮損失率Fig.2 N loss ratio of rice plant in the different growth periods

2.4 不同氮水平對水稻葉片銨態氮(NH+4-N)含量的影響

水稻通過植株損失的氮為10%～22%。銨態氮的揮發是植物氮損失的重要途徑,植物組織中氮的形態直接與氮的揮發有關[10-13]。為了探討影響植株氮損失的因素,對不同氮水平下水稻植株中銨態氮進行了測定。結果表明(圖3),隨著供氮水平的增加,葉片及根中NH4+-N含量顯著增加,而且葉片中NH4+-N含量高于根中。供氮水平與NH4+-N含量呈顯著正相關(R2葉=0.9719**,R2根=0.9711**)。因此,植株葉片中銨濃度的增加為氨通過氣孔溢出而導致氮損失的增加提供了可能。

2.5 不同氮水平對葉片轉氨酶活性的影響

植物吸收氮的形態包括NH+4-N與NO-3-N,吸收的NO-3-N通過同化為NH+4-N被植物組織所利用。過量NH+4-N在植物體內的累積會傷害植物生長,NH+4-N的同化有利于減少NH+4-N的累積。植物通過轉氨酶將NH+4-N合成為蛋白質而有效利用。谷草轉氨酶(GOT)是植物體內重要的轉氨酶,它能促進銨的同化,減少游離氨及其毒害。圖4結果表明,隨著供氮水平的提高,水稻葉片谷草轉氨酶活性增加,從而促進銨的同化。但過量供氮(N 160 mg/L),谷草轉氨酶活性比適量供氮(N 80 mg/L)下降。

2.6 不同氮水平對水稻葉片汁液pH的影響

氨揮發是植物氮損失的重要途徑,而氨揮發直接受環境pH影響,較高的pH加速氨的揮發。同時,NH+4-N含量又直接影響pH。圖5表明,隨著供氮水平的增加,葉片pH從6.25增加到6.64。葉片pH與NH+4-N含量呈顯著正相關(R2=0.9785**),說明葉片組織pH的增加進一步促進了植物氮的損失過程。

圖3 不同氮水平對水稻NH+4-N含量的影響Fig.3 Effect of different N rates on NH+4-N content of rice

圖4 不同氮水平對水稻葉片谷草轉氨酶活性的影響Fig.4 Effect of different N rates on activity of GOT of rice

圖5 不同氮水平對水稻葉片pH值的影響Fig.5 Effect of different N rates on rice leaf pH

3 討論

3.1 15N估計植物氮損失

植物氮損失是植物生長過程中的普遍現象。氣態損失是植物氮損失的基本途徑,主要通過氨揮發及NOx化合物損失[15-18]。在植物氮損失研究中,通常需要采取特殊措施對植物生長環境進行處理,同時也很難同時準確計算NH+4-N及NOX損失量。本研究采用15N標記的方法,通過計算15N的損失估計植物氮損失量及損失率,可以克服水稻生長環境對植物生長的影響,同時避免了對不同形態氮損失的估計。此外,在對水稻進行一定時間的15N供應后轉入正常氮溶液,以15N計算植物氮的凈損失率,能較好地反映植物氮損失量。

3.2 氮水平與水稻氮損失量

植物吸收氮的多少與氮的供應密切相關。不同生長階段的植株由于生理年齡的差異,植物組織結構的完整性也存在差異[19-20]。肥料利用率的高低與氮肥用量密切相關,過量供氮是降低氮肥利用率的重要因素之一,而氮損失可能是導致氮肥利用率降低的主要原因。通過研究在溶液培養條件下不同供氮水平對水稻植株氮損失及水稻不同生長階段植株氮損失,發現水稻植株氮的損失與水稻的生長時期是密切關聯的(表1,圖2)。本試驗研究看出,通過水稻植株損失的氮占植株吸收氮的11%～22%,這與黃見良等[8]的研究結果一致。植物氮損失的量可以通過適當的技術措施減少,如調節供氮量是減少植物氮損失、提高氮肥利用率的有效措施(表1);調節作物生長環境,選擇恰當栽培方式,促進植物生長,延緩植株衰老也可以提高氮肥利用效率。由于植物氮的損失是普遍存在的現象,在計算氮肥利用效率時應該考慮植物損失的氮,因為這部分氮實際上已被植物吸收利用,而在現有的肥料利用率的計算中沒有包括植物損失的這部分氮。

3.3 影響植物氮損失的因素

現有研究證明,植物氮損失普遍存在,主要通過氣態損失,包括氨及NOX的擴散,其中氨的揮發是植物氮主要的損失途徑。因此,植物組織中氮的存在形態直接影響氮的損失。植物組織中氮的形態與供氮量密切相關,供氮水平與組織中NH+4-N含量呈正相關(R2=0.971**),而NH+4-N含量與其同化速率有關。轉氨酶可以促進NH+4-N向蛋白質等的轉化,減少NH+4-N在植株組織中的累積;而NH+4-N的揮發與pH密切相關,增加pH會促進NH+4-N揮發,提高植物氮的損失。本研究結果表明,水稻葉片pH與供氮水平呈顯著正相關(R2=0.9939**),增加葉片NH+4-N含量及pH都能促進水稻氮損失率(表1,圖3,圖5)。表明植物組織中NH+4-N的累積及pH升高是增加水稻植物氮損失的重要原因。適當調節氮肥用量,減少組織中銨的含量有利于提高氮的利用效率。通過適當技術,增加植物組織的緩沖能力,穩定組織中的pH在一定程度上也能降低植物組織氮的損失。

總之,水稻植株氮損失是不可避免的,但氮損失量可以調節與控制。試驗證明,氮肥用量、水稻的生長階段、水稻植株組織中NH+4-N含量與pH都會影響水稻植株的氮損失量。

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