不同外源氮素形態對紫花苜蓿根系的影響

康佳惠，梁秀芝，鄭敏娜，韓志順，陳燕妮

（山西農業大學高寒區作物研究所，山西大同037008）

紫花苜蓿（Medicago sativaL.）是一種優良的多年生豆科牧草，具有營養價值高、根系發達、適應強等優點[1]，在干旱半干旱地區被廣泛栽培種植[2-3]。紫花苜蓿不但是畜牧業生產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境中，僅靠根瘤固氮遠不能滿足對氮素的需求，還必須施用氮肥。但是，根瘤固氮與外源氮之間存在對立統一的關系[5-6]，一方面施氮可以促進紫花苜蓿根區土壤養分的溶解，增加根區氮素的供應，提高根區微生物的數量，增強固氮能力；另一方面外源氮水平過高又會抑制其共生固氮效率[7]，因此，如何達到外源施氮量與其自身固氮能力的最佳組合，對紫花苜蓿植株的生長具有重要意義。

目前，研究結果表明，NO3--N 和NH4+-N 是根系利用的主要氮素形式[6]，植物對它們的吸收和生理代謝效率因二者的氮素形態不同而不同。研究發現，相比于單施硝態氮和銨態氮肥，混合氮肥對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 更有利于促進擬南芥根系表面積的增大；孫敏等[10]在小麥上的研究結果表明，與NO3--N 相比，NH4+-N 在促進根系生物量、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轉化的主要場所，通過控制氮肥的施用可調控根系的生長，提高其對氮素的吸收利用。雖然NO3--N 和NH4+-N 均能被紫花苜蓿吸收，但NO3--N、NH4+-N 和混合態在哪種濃度下更有利于紫花苜蓿的生長，還有待進一步的研究。

本試驗采用盆栽方法，通過營養液控制氮素形態來研究硝態氮和銨態氮對紫花苜蓿根系生長的影響及各根系指標間的相關性，以期為紫花苜蓿合理的氮素供應提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試紫花苜蓿品種為牧歌37CR，由克勞沃公司提供。

1.2 試驗設計

試驗于2018 年5—8 月在山西省農業科學院高寒區作物研究所溫室中進行盆栽試驗，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，待沒有水分淋出時開始試驗。2018 年5 月18 日，每盆選取40 粒籽粒飽滿的滅菌種子進行播種，播種后將花盆置于溫室內，每天澆蒸餾水，直到紫花苜蓿的真葉完全展開，澆入營養液，每盆保留30 株。

試驗選擇3 種外源氮素形態，分別為：NO3--N、NH4+-N 和混合態氮（NO3--N∶NH4+-N=1∶1），參考馮博政等[5]的試驗結果，設4 個質量濃度水平（0、100、200、300 mg/L），共10 個處理，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，每個處理重復3 次，完全隨機排列。試驗開始后，首先采用KNO3、（NH4）2SO4和Fahraeus 無氮植物營養液，按照孫建光等[12]的方法配制所需營養液，并將所配制的營養液pH 值調節為7.0；其次，試驗期間為防止盆栽處理鹽分積累，更換營養液前均先用蒸餾水進行淋洗，每個處理每隔7 d 補充一次相對應的營養液，補充量均為300 mL；最后，待苜蓿植株培養至50 d 時，選取每個處理的根部相同部位進行取樣，并用蒸餾水清洗后測定各項指標。

1.3 測定指標及方法

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）中進行掃描，測定根系總長度、根平均直徑、根表面積、根體積等參數；其次，將部分樣品放入烘箱，105 ℃殺青15 min 后，于65 ℃烘至恒質量，冷卻后稱質量，即為根系的干質量；最后，將另一部分樣品采用濃清洗H2SO4-H2O2消煮法[13]測定根系全氮含量。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2009 和SPSS 22.0 對數據進行統計分析，采用最小顯著差異法（LSD 法）進行多重比較，顯著水平為5%。

2 結果與分析

2.1 不同外源氮素形態對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）。同一氮素形態處理下，紫花苜蓿根系生物量隨著施氮量的增加表現出增加的變化趨勢。其中，NO3--N 和NH4+-N 處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現為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。說明施氮可以促進紫花苜蓿根系生物量的增加，在氮質量濃度為300 mg/L 時更有利于根系生物量積累。同一氮素濃度水平下，混合態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氮質量濃度為300 mg/L 時，紫花苜蓿的根系生物量達到最大值，混-300 較NO3--300 和NH4+-300分別增加了39.86%和8.10%。由此可見，施用混合態氮比單一形態氮更有利于紫花苜蓿根系生物量的積累。

2.2 不同外源氮素形態對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，混合態氮處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現為混-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。在同一氮素濃度水平下，不同氮素形態對紫花苜蓿的根表面積的影響表現為：混合態氮＞NH4+-N＞NO3--N。混合態氮質量濃度為300 mg/L 時，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%，表明施用混合態氮比施用單一硝態氮和銨態氮更能促進根表面積的增加。

2.3 不同外源氮素形態對紫花苜蓿根平均直徑的影響

從圖3 可以看出，9 種氮素形態對紫花苜蓿根系平均直徑的影響表現為隨著氮素水平的增加而呈增大的趨勢，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，不同形態氮素對紫花苜蓿的根平均直徑的影響差異不顯著。

2.4 不同外源氮素形態對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）。同一氮素形態處理下，紫花苜蓿根體積隨著施氮量的增加表現出增大的變化趨勢，其中，NO3--N 和NH4+-N 處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現為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，混合態氮處理次之，NO3--N 處理最低。當NH4+-N 質量濃度為300 mg/L 時，紫花苜蓿的根體積達到最大值，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，對植物吸收土壤水分和養分越有利[10]。

2.5 不同外源氮素形態對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）。同一氮素形態處理下，紫花苜蓿根長隨著施氮量的增加表現出降低的變化趨勢，其中，NH4+-N 處理下各水平間差異顯著（P＜0.05），表現為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 不同外源氮素形態對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為NO3--N 處理下最高。當NO3--N 質量濃度為300 mg/L 時，紫花苜蓿的根系全氮含量達到最大值。

2.7 根系各指標的相關性分析

對紫花苜蓿根系的各指標進行相關性分析，結果表明（表1），根表面積與根平均直徑、根系生物量呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數分別達到0.773 和0.914，與根體積呈顯著正相關（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（P＜0.01），與根系全氮含量呈顯著正相關（P＜0.05）。

表1 各指標的相關性分析

3 結論與討論

根系是植物吸收、轉化和貯存養分的器官，植物的地上生物量直接受其生長發育狀況的影響[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氮素的需要，需補充外源氮肥。在實際生產中，當氮素不能滿足苜蓿生長所需時，其植株地上部和根系生長都顯著受到抑制[14]。本試驗結果表明，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]的研究結果一致。此外，混合態氮處理下根系生物量和根表面積最優，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為NH4+-N 處理下最優，混合態氮處理下次之，NO3--N 處理下最低，以上試驗結果說明，2 種形態的外源氮素（NO3--N 和NH4+-N）均有利于促進紫花苜蓿苗期的根系生長發育，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物質，另一方面可為根系的生長發育補充氮素[18-20]。

氮素是對苜蓿根系發育最為顯著的營養元素[17]，在本研究中無論是硝態氮、銨態氮還是混合態氮作用下，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都呈現出隨著氮素濃度的增加而增大的趨勢，且在混合態氮質量濃度為300 mg/L 時，根系生物量、根體積、根系全氮含量均達到最大值。結果說明，施用硝態氮和銨態氮對紫花苜蓿的根系生長發育均有促進作用，而且二者混合施用效果更好，當混合態氮質量濃度為300 mg/L時，紫花苜蓿根系生長最好。