不同氮效率型苜蓿氮素吸收差異與根系形態的關系及其對氮的響應

郝 鳳， 于鐵峰， 劉曉靜， 高 凱

(1.內蒙古民族大學農學院， 內蒙古 通遼 028042； 2.甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國畜牧業的快速發展，在有限的種植地上要提高牧草產量需持續增加氮肥使用量，但肥料利用率卻僅達30%左右[1]。因此，不僅造成了資源浪費，還帶來了污染水體、空氣等一系列社會環境問題[2]。如何從生物角度提高氮效率，無疑有兩種途徑：一是提高植物對氮素的吸收效率，二是提高植物對氮素的利用效率[3]。其中，氮素的吸收是基礎與前提，也是重中之重[4]。根系作為吸收系統的重要器官，對氮素的獲取能力可能是一個關鍵因素，根系的多少及形態特征在決定作物對氮素的吸收方面起重要作用，進而調節產量的形成[5-6]。已有研究表明氮效率在紫花苜蓿不同品種間確有差異[7-8]，其根系多少及形態特征也是不同品種間氮素吸收效率存在明顯差異的重要內因[9-10]。而根系又具有一定的趨肥性和可塑性，在生產上根據不同類型有針對性的施肥，可以達到事半功倍的效果。本研究探討不同氮效率型苜蓿氮素吸收差異對不同氮濃度的響應及其與根系形態的關系，對于節約成本、減少污染及探討牧草氮高效栽培途徑具有重要意義。

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為畜牧業生產中首選飼草，其獨特的氮素利用方式，與禾谷類作物相比可以大大提高粗蛋白的產出[11]，且根系較為發達、耐旱，也有較好的生態效益，是我國北方地區重要的栽培牧草[12-13]。已有研究表明植物根系中參與氮素吸收的根系比例也受供氮量多少的影響。康佳惠等[14]對紫花苜蓿的研究表明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，與根系全氮含量呈顯著正相關。Robinson等[15]認為，低氮條件下參與氮素吸收的根系占總根系的11%，而高氮條件下則僅有3.5%。可見，植物根系形態特征與氮素吸收效率的高低可能是一個相對的概念，應該在不同供氮量下進行系統評價。對于苜蓿，已有研究表明供氮量對苜蓿苗期根系形態影響顯著，且不同品種間的根系發育能力存在顯著差異[16-17]。盡管氮素對根系生長的研究已經受到廣泛的關注，但是將根系形態與苜蓿不同養分效率型聯系在一起的研究報道十分有限，且紫花苜蓿在苗期對氮素的高效吸收可為其氮素的高效利用奠定基礎。因此本研究以不同氮效率型苜蓿品種為材料，在不同供氮量下，研究其氮素吸收差異與根系形態的關系，為進行苜蓿氮營養高效栽培奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據前期分類結果[18]，高效型在低氮和正常氮水平下均表現為高效型，低效型在低氮和正常氮水平下均表現為低效型。選用適合本地區種植的氮效率高效型品種‘龍牧806(LM806)’和‘肇東苜蓿(ZD)’‘低效型品種公農1號(GN1)’和‘隴東苜蓿(LD)’。

1.2 試驗設計

1.3 樣品采集與測定

樣品收獲后將植株地上部與根系的鮮樣105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重后分別稱重。采用H2SO4-H2O消化-凱氏定氮法測定氮含量[19]。隨機取30株植株測定其伸展高度，取平均值為株高。將根系的沙子用自來水沖洗干凈后，自根頸處將地上部與根系剪開，總根長和根體積通過Scan Maker i800 Plus掃描儀和萬深LA-S根系分析系統軟件進行測定。

相關指標計算：

氮素吸收效率(kg·kg-1)= 整株氮素積累量/各自對應處理的供氮總量

氮響應度(kg·kg-1)=

(施氮產量-極低氮處理產量)/施氮量

1.4 數據分析

用SPSS 19.0統計軟件Duncan法對數據進行多重比較，相關分析及通徑分析。Microsoft Excel 2016繪圖，所有數據以平均值±標準誤表示，P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 供氮量對不同氮效率型苜蓿品種株高和地上生物量的影響

由圖1和圖2可知，高效型和低效型品種的株高和地上生物量從N2.1到N21水平增幅基本一致，分別為30%～32%和44%～56%，但高效型品種的株高和地上生物量在供氮量增加到N210水平時的增幅分別為58%～59%和122%～135%，明顯高于低效型品種的增幅40%～44%和76%～78%。在4個供氮量下，氮高效型品種的株高和地上生物量均顯著高于低效型品種(P<0.05)，且在N210和N420水平相差較大。

圖1 供氮量對不同氮效率型苜蓿品種株高的影響Fig.1 Effect of nitrogen supply on plant height of alfalfa varieties with different N-efficiency注：不同小寫字母表示品種之間的差異顯著(P<0.05)，下同Note:The different small letters mean the significant differences among varieties at P<0.05,the same as below

圖2 供氮量對不同氮效率型苜蓿品種地上生物量的影響Fig.2 Effect of nitrogen supply on aboveground biomass of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.2 供氮量對不同氮效率型苜蓿根重、總根長和根體積的影響

由圖3、圖4和圖5分析，根重、總根長和根體積均隨供氮量的增加呈先上升后降低的趨勢，在N210處理最大。高效型品種的根重、總根長和根體積在適宜供氮量內，隨氮量的增加增幅較大，分別為74%～75%，131%～138%，80%～81%，而低效型品種增幅較小，分別為44%～48%，95%～99%，38%～43%，說明適宜供氮量內隨氮量的增加，高效型品種根重、總根長和根體積均迅速增加，而低效型品種增長緩慢。在4個供氮量下，氮高效型品種的根重、總根長和根體積均顯著高于低效型品種(P<0.05)。在N210和N420處理，2個氮效率型苜蓿的根重、總根長和根體積相差較大。在N2.1和N21處理，2個氮效率型苜蓿的根重、總根長和根體積相差明顯縮小。

圖3 供氮量對不同氮效率型苜蓿根重的影響Fig.3 Effect of nitrogen supply on root dry weight of alfalfa varieties with different N-efficiency

圖4 供氮量對不同氮效率型苜蓿總根長的影響Fig.4 Effect of nitrogen supply on total root length of alfalfa varieties with different N-efficiency

圖5 供氮量對不同氮效率型苜蓿根體積的影響Fig.5 Effect of nitrogen supply on root volume of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.3 苜蓿不同氮效率型品種根系、地上部氮積累量占整株氮積累量的百分率差異

隨供氮量的增加，根系氮積累量占整株氮積累量的百分率逐漸降低(圖6)，氮素脅迫程度越高，根系吸氮量占整株氮積累量的比例越大。不同氮效率類型苜蓿在4個供氮量下氮素的分配也有較大的差異。在供氮量N2.1處理，高效型品種根系氮積累量占整株氮積累量的比例較高，而低效型品種占比則較低，降低的幅度在12%～13%。在N21處理，高效型品種根系氮積累量占整株氮積累量的比例顯著高于低效型苜蓿(P<0.05)，降低的幅度在22%～25%。在N210和N420處理，低效型品種與高效型品種的差異減少。在供氮量較低時，高效型苜蓿根系積累了較大比例的氮素。

與根系相反，地上部氮積累量占比隨供氮量的增加有所升高(圖6)。在N2.1和N21處理，2個氮效率型苜蓿的地上部氮積累量占比變化基本一致，均表現為高效型品種顯著高于低效型品種(P<0.05)，分別高16%～17%和22%～26%。在N210和N420處理，2個氮效率型苜蓿地上部氮積累量占比的差異減小。在供氮量較低時，低效型苜蓿向地上分配了較多的氮素。

圖6 供氮量對不同氮效率型苜蓿根系、地上部N積累量/總氮量比值的影響Fig.6 Effect of nitrogen supply on ratio of root,shoot N accumulation to total N uptake of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.4 不同氮效率型苜蓿的氮素吸收效率和氮響應度

由表1得出，兩種氮效率型苜蓿氮素吸收效率均表現為N2.1>N21>N210>N420，高效型品種氮素吸收效率顯著高于低效型品種(P<0.05)。隨供氮量的增加，高效型品種和低效型品種的氮響應度均呈下降趨勢，但高效型品種顯著高于低效型品種(P<0.05)，在N210和N420處理，2個氮效率型苜蓿的氮素吸收效率和氮響應度的差異增大。

表1 不同氮效率型苜蓿的氮素吸收效率和氮響應度Table 1 N uptake efficiency and N response of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.5 不同氮效率型苜蓿總氮量與根重、總根長及根體積的關系

總氮量與根重的相關分析表明(表2),在供氮量較低時(N2.1和N21)，高效型和低效型品種的總氮量與根重均表現為極顯著線性相關(P<0.01)，其相關系數分別為0.990和0.987；而在供氮量較高時(N210和N420)，二者的相關性均較差，相關系數僅為0.123和0.220。

與根系干重相似，總氮量與總根長在供氮量較低時(N2.1和N21)，高效型和低效型品種的總氮量與總根長均表現為極顯著正相關(P<0.01)，但高效型品種的相關系數大于低效型品種的相關系數。而供氮量較高時(N210和N420)，二者沒有顯著的相關性(表2)。

從根體積與總氮量的關系(表2)，可以看出在供氮量較低時(N2.1和N21)，高效型和低效型品種的總氮量與根體積均表現為正相關，高效型品種達到了顯著水平(P<0.05)。而供氮量較高時(N210和N420)，二者沒有顯著的相關性。

表2 不同氮效率型苜蓿總氮量與根重、總根長及根體積的相關系數Table 2 Correlation coefficients between total nitrogen and root dry weight,total root length or root volume of alfalfa varieties with different N-efficiency

2.6 不同氮效率型苜蓿總吸氮量與根重、總根長及根體積的通徑分析

直接通徑系數表示自變量與因變量之間的直接作用關系，高效型品種在供氮量較低時(N2.1和N21)，根重對氮素的吸收直接作用較大；在供氮量較高時(N210和N420)，根長對氮素的吸收直接作用較大。低效型品種在4個供氮量下均是根重對氮素的吸收直接作用較大(表3)。

表3 不同氮效率型苜蓿根重、總根長及根體積對總氮量的通徑系數Table 3 Path coefficients of root dry weight,total root length or root volume to total nitrogen of alfalfa varieties with different N-efficiency

3 討論

3.1 不同氮效率型苜蓿苗期生長的差異及其對氮肥的響應

植株地上部的生長表觀是生長發育的直接反映，本研究中增加氮素供應至適量時，不同氮效率型苜蓿均表現為生長迅速，繼續增加供氮量則生長極為緩慢，說明供氮量為N210(210 mg·L-1)時就可以滿足現有的產量水平，過多施氮則肥效反而降低。可能是由于施氮過多，溶質勢有所提升，從而降低了作物的蒸騰量及氣孔導度[20]，降低光合速率。胡偉等[21]和王茜等[22]對苜蓿的研究也表明此觀點。2個氮效率型苜蓿間的株高和地上生物量的差異隨著供氮量的增加而增大，而高效型苜蓿對氮肥的響應度也顯著高于低效型苜蓿(P<0.05)，且在N210和N420處理與低效型苜蓿相差較大，說明達到適量供氮量后高效型品種對氮肥的敏感性高于低效型品種，主要是由于低效型品種無論在何種氮水平下，均屬于低效基因型，地上部生長對氮素增加的反應較小的緣故。

根系是植物最活躍的養分吸收器官，發達的根系有利于提高作物產量[23]。通過對糧食作物[24-25]、蔬菜[25]和牧草等[27-28]的研究表明，作物根系形態參數在品種間存在著的顯著差異。本研究中，高效型苜蓿的總根長、根體積和根重均顯著高于低效型(P<0.05)，可能是高效型苜蓿在苗期具有較強的發根能力，這也是其高效吸收氮素的重要原因之一。盡管試驗材料不同，但在對水稻[29-30]、玉米[31]等的研究上也得出相同結果。且在供氮量較高時(N210和N420)根系形態參數，尤其總根長均有所降低，說明當增加供氮量時，植物對氮吸收的提高并不是依靠根系長度的增加來實現的，這種現象也是地上部和根系生長功能平衡的體現[32]。

3.2 不同氮效率型苜蓿氮素吸收的差異及其對氮肥的響應

作物對氮素的吸收依賴根系的生長發育。本試驗結果表明高效型品種的根系氮積累量對總氮量的貢獻較大，對氮的響應度也較高，與低效型品種相比，其具有較大的根系，從而可使該類型苜蓿在更廣的范圍內吸取較多的氮素，尤其在氮素有效性較低時會累積更多的氮素，以供其生長需要。王運濤等[33]對苜蓿的研究結果也證實這一點，較大的根系是中草3號和YL80獲得較高產量的原因。且增加氮素的供應可以顯著地促進地上部的生長，從而累積較大比例的氮素，但對根系生長的影響說法不一，有可能表現為促進或抑制作用[34]，其效果取決于多種因素，但較為一致的結論是，供氮量的增加對地上部生長的促進作用遠大于對根系的促進作用。本試驗的結果與此相同。Sattelmacher等[35]認為，作物地上部和根系的生長是由碳水化合物和氮的平衡決定的，碳限制根系生長，而氮限制地上部生長。供氮量較低時嚴重抑制了地上部的生長，但是，促進了根系的生長，從而增大了根系占比，增加了對氮素的吸收。供氮量較大時(N210和N420)，2個氮效率型苜蓿地上部氮積累量占比的差異減小，氮素吸收效率和氮響應度的差異增大，說明地上部、根系氮積累量的差異主要是由于生物量所致，高效型品種對氮肥的敏感性升高。

本試驗對不同氮效率型苜蓿的氮素吸收與根重、總根長和根體積的相關性及通徑分析，結果表明，供氮量較低時(N2.10和N21)，根系形態參數與總氮量表現顯著的正相關(P<0.05)，根重對氮素的吸收直接作用較大；供氮量較高時(N210和N420)，二者沒有顯著的相關性。高效型品種的根長對氮素的吸收直接作用較大，而低效型品種仍是根重對氮素的吸收直接作用較大。康佳惠等[14]對紫花苜蓿的研究表明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，與根系全氮含量呈顯著正相關。當供氮量充足時，不同氮效率型苜蓿的根系形態對氮素吸收的影響遠不如缺氮時那么重要。因此，苗期苜蓿的根系形態直接與氮效率密切相關，尤其當氮素成為限制因子時，它對氮素的高效吸收具有重要的作用。綜上，高效型品種的根系生長發育較好，使其氮素吸收量較高，最終表現為產量較高。

4 結論

低氮條件下，苗期苜蓿的根系形態與氮素的高效吸收密切相關，根重影響著苜蓿氮素的吸收量；適量供氮條件下，高效型品種的氮素吸收效率和氮響應度均高于低效型品種，且根長直接影響高效型品種的氮素吸收，而低效型品種仍是根重對氮素吸收的影響較大；過量供氮后，高效型品種對氮肥的敏感性升高。