氮素水平對烤煙根系形態(tài)、結構及其氮素積累的影響

宗釗輝，田俊嶺，王維，劉蘭，曾濤，黃躍鵬，王軍*

1 廣東煙草煙葉生產(chǎn)技術中心，南雄 512400；2 廣東省煙草南雄科學研究所，南雄 512400；3 華南農(nóng)業(yè)大學，廣州 510000；4 廣東煙草韶關市有限公司，韶關 512000

烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展和提高煙農(nóng)收入水平有十分重要的作用[1]，隨著煙農(nóng)對烤煙產(chǎn)量期望值的提高，烤煙生態(tài)系統(tǒng)化肥投入量逐年增加，養(yǎng)分管理問題日益突出，成為制約烤煙產(chǎn)量和品質的關鍵點[2]。氮素是影響煙株生長發(fā)育和煙葉產(chǎn)質量最重要的營養(yǎng)元素[3-4]，根系作為煙株獲取氮素營養(yǎng)的主要途徑，對烤煙氮吸收能力尤為重要[5]。煙草屬于易發(fā)不定根作物，莖基部的不定根是根系重要補充，高遲鑾等[6]研究發(fā)現(xiàn)不定根的產(chǎn)生能使烤煙吸收更多的營養(yǎng)物質，加強煙株氮代謝能力，WANG等[7]研究發(fā)現(xiàn)根長密度與煙株獲取氮素能力呈正相關關系，適宜的根系形態(tài)與結構是烤煙地上部旺盛生長與烤煙適產(chǎn)、優(yōu)質的保障[8]。由于植物對土壤資源的反饋機制和生態(tài)適應策略，煙株根系形態(tài)與結構隨土壤營養(yǎng)水平變化而發(fā)生動態(tài)調整[9-10]，前人研究表明，氮素的豐缺與種類對烤煙根系均有顯著影響，氮素缺乏時，根干重及根冠比照明顯增加，更多的營養(yǎng)物質流向根系，根系更為發(fā)達[11]，張玉寧等[12]研究發(fā)現(xiàn)配施硝態(tài)氮與銨態(tài)氮，根系的總長度與總表面積高于全部施用銨態(tài)氮，張春等[13]研究發(fā)現(xiàn)提高銨態(tài)氮施氮比例，不定根數(shù)量增加。基肥穴施是生產(chǎn)上常見的根區(qū)施肥方式，穴施的深度應考慮作物根系的結構與養(yǎng)分在土壤中的遷移規(guī)律，張磊[14]在對穴施復合肥土壤遷移規(guī)律研究中發(fā)現(xiàn)N、P、K在土壤中的遷移距離為9～14 cm，基肥穴施深度淺，煙苗肥害、燒根，穴施深度過深，煙株難以吸收肥料，長勢較差，肥料利用率下降[15]。

不同生育期根系結構、空間分布與不定根數(shù)量對烤煙氮素吸收能力與施肥、追肥方式具有重要影響[6,8,15]，從而影響烤煙地上部生長發(fā)育，但關于氮素水平對不同生育期根系形態(tài)結構、不定根影響研究鮮有報道。本研究以“云煙87”為材料，通過設置不同氮素水平的盆栽試驗，研究不同氮素水平下煙株根系形態(tài)、根系垂直分布、養(yǎng)分積累與分配差異，為合理施用肥料，提高煙株氮素吸收利用能力，實現(xiàn)煙葉優(yōu)質適產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年在廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學校內農(nóng)場進行，供試烤煙品種為“云煙87”，試驗用土取自農(nóng)場試驗田0～20 cm耕作層土壤，前茬作物為水稻，田土曬干、敲碎，撿去雜物，過40目篩備用，土壤的基本農(nóng)化性狀見表1。

表1 試驗土壤基本理化性質Tab. 1 Basic physical and chemical properties of test soil

1.2 試驗設計

利用自制直徑50 cm、深55 cm 的PVC根箱，栽培基質為過篩田土，用孔徑為1 mm 的尼龍網(wǎng)將栽培土壤分隔成4層（模擬自然土層），由上至下每層土厚10 cm，最后一層20 cm（見圖1），最上層留空5 cm，便于澆水。設置高中低三個施氮水平8 g N/株（HNL）、6 g N/株（MNL）、4 g N/株（LNL），6 g P2O5/株，18 g K2O/株，氮、磷、鉀肥采用分析純硝酸銨、磷酸二氫鈉和硫酸鉀，肥料施用方式為穴施一次性基施，穴施深度為20 cm。每個處理20箱，3個重復，共180箱。按1.2 m × 0.6 m的株距進行擺盆，各處理隨機區(qū)組排列，避免因光照、通風等環(huán)境因素造成誤差。滴灌補充水分，在16:00—20:00進行澆水，滴灌速度0.5 L·h-1，根據(jù)天氣與煙株水分需求，可以提高或降低滴灌速度，確保土壤全部浸濕，其他農(nóng)藝操作與病蟲害管理參考優(yōu)質煙葉生產(chǎn)管理要求進行。

圖1 栽培根箱示意圖Fig. 1 Schematic diagram of cultivation root box

1.3 測定方法

1.3.1 生物量測定

不同生育階段，整株挖出3株煙株，洗凈后，把植株樣品地上部與根系分離，根系部分把側根與不定根分開，地上部葉與莖分開，裝袋殺青30 min（105℃），之后降溫烘干至恒重（65℃），計算干物質積累量。

1.3.2 氮積累量與積累強度

1.3.3 煙株根系形態(tài)、干重及活力測定

在團棵期、旺長期、現(xiàn)蕾期、成熟期取樣，每小區(qū)選取代表性植株3株，整株挖出，根系用自來水清洗干凈并用濾紙吸干表面水分，用WIN/MAC根系掃描儀進行觀察，測定煙株最大根長、不定根數(shù)量與直徑、一級側根數(shù)量與直徑，用甲烯藍吸附法測定根系活躍吸收面積，用四氮唑（TTC）還原法測定根系活力。

1.3.4 煙株根系不同土層根長密度與根干重

根系取樣采用土壤剖面法，在團棵期、旺長期、現(xiàn)蕾期、成熟期取樣，每小區(qū)選取代表性植株3 株，以10 cm為一層進行取樣，最后30～50 cm深處做一層取樣，每層土壤裝入40目網(wǎng)袋中，用低壓水槍快速清洗干凈，吸干表面水分，WIN/MAC根系掃描儀進行觀察。計算根系不同土層的根長密度（RLD）、根干重，RLD=L/ V，L為根系長度，V土壤體積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和制圖采用Excel 2010與SPSS 20.0等軟件。

2 結果

2.1 不同氮素水平對煙株根系生長動態(tài)及活力的影響特征

表2結果顯示，隨生育期推進，根系最大根長與根干重均呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，根系活力呈先上升后下降趨勢，在現(xiàn)蕾期達到最大值。在本實驗施氮水平下，提高施氮量，煙株最大根長、根系活力下降，成熟期的LNL處理最大根長比HNL處理增加了18.77%，根系活力提高了17.47%，這可能是煙株在缺氮脅迫下根系的一種適應性表現(xiàn)。MLN處理總干重顯著高于LNL，不同處理總根干重旺長期差異最大，MNL處理總根干重較LNL、HNL處理增加了22.63%、9.76%。從表2還可以看出，不同生育期間，氮素水平對根系生長影響不一致，團棵期對不定根數(shù)影響較大LNL較HNL增加了5.4條不定根，旺長期與現(xiàn)蕾期對根系活力影響較大，LNL處理根系活力較HNL提高了39.22%、43.30%。

表2 氮素水平對根系生長及活力的影響Tab. 2 The effect of nitrogen level on root growth and vigor

2.2 不同氮素水平下煙株根系特征類群分析

不同氮素水平下煙株根系特征和類群特征見表3。一級側根根系直徑均大于4 mm，平均長度均大于40 cm，直徑與長度均大于不定根，但數(shù)量少于不定根。不同施氮水平間一級側根數(shù)量差異不顯著，減少施氮量，一級側根平均直徑顯著減小，長度顯著增加，與HNL處理相比，LNL處理一級側根的平均長度增加了10.0 cm，平均直徑減小了1.1 mm。烤煙不定根是指煙株莖上所發(fā)生的根，是煙株從土壤中獲取養(yǎng)分與水分的重要途徑，不同處理不定根直徑均小于4 mm，不定根直徑大多集中在 1～3 mm，LNL處理1～3 mm不定根數(shù)量占比達到了71.76%。減少施氮量，不定根數(shù)量、平均長度與活躍吸收面積顯著增加，與HNL處理相比，LNL處理不定根數(shù)量增加了15.2條，長度增加了6.70 cm，不定根平均直徑顯著下降，LNL處理平均直徑比HNL減少了0.27 mm。

表3 氮素水平對煙株根系類群特征的影響Tab. 3 Effect of nitrogen level on the characteristics of tobacco plant root group

2.3 不同氮素水平對側根與不定根發(fā)育影響

不同氮素水平對側根與不定根干重影響見表4。煙株不定根、側根干重隨生育期進行均呈增長趨勢，不同處理在現(xiàn)蕾期-成熟期干物質積累量高于其它生育期，其中LNL處理側根干重、不定根干重、總根干重分別增加了3.09 g、3.00 g、6.09 g，積累量占整個生育期的37.50%、56.28%、44.88%。不同生育期側根與不定根干物質積累量占根系總干重比例無明顯變化規(guī)律，不同施氮水平側根與不定根所占比例存在顯著差異，煙株進入旺長期，降低施氮量，側根所占比例下降，不定根所占比例上升，在旺長期與成熟期差異較大，LNL處理不定根所占比例與HNL處理相比分別提高了5.50、7.17個百分點。

表4 氮素水平對側根與不定根干重影響Tab. 4 The effect of nitrogen level on dry weight of lateral and adventitious roots

2.4 不同氮素水平下煙株根系的垂直分布

氮素水平對煙株根系垂直分布特征的影響見表5。不同生育期根系垂直分布特征存在顯著差異，其中團棵期根系集中分布在0～10 cm、10～20 cm土層，旺長期主要分布在0～10 cm土層，在20～30 cm土層有較少分布，隨著生育期推進，現(xiàn)蕾期與成熟期煙株根系在20～30 cm、30～50 cm分布較團棵期、旺長期有所增加，但根系分布仍以0～10 cm與10～20 cm土層分布為主，占比在70%以上。降低施氮水平，根系在0～10 cm土層根長密度與根干重呈下降趨勢，HNL處理成熟期根長密度達到1.65 m·dm-3，比LNL處理提高了27.91%，根干重下降了1.57 g；降低施氮量根系在20～30 cm與30～50 cm土層分布占比增加，成熟期LNL處理在20～50 cm根重達到了3.53 g，占整個根系生物量的26.15%，比HNL占比高7.89個百分點，在20～30 cm與30～50 cm土層根長密度與HNL相比分別提高了38.09%、213.33%。

表5 氮素水平對煙株根系垂直分布特征的影響Tab. 5 Effect of nitrogen level on vertical distribution characteristics of tobacco roots

2.5 不同氮素水平對煙株生長過程干物質積累量的影響

不同氮素水平對煙株地上部干物質積累量的影響見圖2。隨著生育進程的推進，不同處理地上部干物質積累量都呈現(xiàn)上升趨勢，其中高氮素水平的處理從團棵期到成熟期均保持了較高的干物質積累量，在成熟期達到最大值200 g/株，除團棵期外，隨著氮素水平的升高，干物質積累量也逐漸升高，且處理間差異顯著。

圖2 氮素水平對不同生育階段地上部干物質積累量的影響Fig. 2 Effect of nitrogen level on the amount of dry matter accumulated in aboveground part in different growth stages

2.6 不同氮素水平下煙株氮積累與分配

不同氮素水平下煙株及其各器官氮的積累與分配情況見表6。烤煙根、莖、葉器官氮積累強度表現(xiàn)為先上升后下降，在現(xiàn)蕾期氮積累強度達到最大，葉器官的積累強度高于莖與根器官，提高施氮水平，氮素積累強度增加，現(xiàn)蕾期HNL處理葉器官積累強度比LNL處理提高了78.50 mg · d-1；在根、莖、葉器官中，葉器官的氮總積累量最大，提高施氮水平，氮素積累量提高，至成熟期葉器官葉片積累氮素3662.81 mg。由表6還可以看出，MNL處理不同生育期的積累率均顯著高于LNL、HNL處理，不同處理根、莖器官氮素積累量在成熟期差異顯著，葉器官在現(xiàn)蕾期開始差異顯著，不同氮素水平處理對葉器官氮素積累的影響早于根、莖器官。

表6 烤煙不同生育階段氮吸收積累與分配Tab. 6 Nitrogen absorption, accumulation and distribution in different growth stages of flue-cured tobacco

2.7 不同氮素水平下煙株氮肥的利用效率

不同氮素水平煙株氮肥利用率見表7。降低施氮水平，煙株氮素農(nóng)學利用率、偏生產(chǎn)力、吸收利用率、生理利用率上升，且處理間差異顯著，LNL處理下，氮素的農(nóng)學利用率、偏生產(chǎn)力、吸收利用率、生理利用率分別比HNL處理高了37.28%、54.07%、12.20%與22.29%；提高施氮水平，煙株收獲指數(shù)有所增加，但處理間差異不顯著。

表7 不同氮素水平煙株氮肥利用率Tab. 7 Nitrogen utilization efficiency under different nitrogen levels

3 討論

3.1 不同氮素水平對煙株根系生長發(fā)育與垂直空間分布的影響

植物生長所需的氮素營養(yǎng)主要依靠根系從土壤吸收，土壤氮素缺乏，根系首先感知并通過調節(jié)其形態(tài)結構、根系氮素吸收能力等來適應不良環(huán)境[16-17]。本實驗施氮量條件下，研究結果表明，隨著施氮水平下降，煙株最大根系活躍吸收面積、根系活力呈上升趨勢，總根干重隨氮肥水平提高呈現(xiàn)先增加后下降趨勢。對于易發(fā)不定根作物，不定根是除側根外土壤營養(yǎng)元素吸收的主要器官，DING等[18]認為低氮脅迫能促進水稻不定根的發(fā)生，黃琰等[19]研究結果表明營養(yǎng)缺乏下誘導產(chǎn)生的不定根具有更強的營養(yǎng)吸收能力。本研究結果表明，降低施氮水平，側根干物質所占根系干物質積累量比例下降，不定根所占比例上升，一級側根與不定根直徑呈下降趨勢，不定根數(shù)量、平均長度與活躍吸收面積顯著提高，提高了烤煙對土壤中氮素的獲取能力。生產(chǎn)上，在煙葉團棵前的小培土與大培土完成時，會馬上進行追肥，不利于不定根發(fā)生，黃琰[19]研究發(fā)現(xiàn)煙株莖基部不定根在濕泥土包裹 5 d后開始形成，為有效提高煙株不定根數(shù)量與營養(yǎng)吸收能力，可以將培土后的追肥時間適當推遲5 d。

根系的垂直分布特征體現(xiàn)了作物對地下不同土層營養(yǎng)資源的吸收利用能力，根長密度和根干重是衡量根系生長狀況的兩個重要指標 ，具有較大根長密度與根干重，根系與土壤接觸面積較大，對養(yǎng)分的吸收具有更大潛力[20-21]。本研究結果顯示，三個不同施氮水平在0～10 cm與10～20 cm土層根長密度與根重均顯著高于20～30 cm、30～50 cm，隨著土層深度的增加，煙株根長密度、根干重所長比例呈下降趨勢，生產(chǎn)上在基肥使用過程中，結合養(yǎng)分的遷移能力與根系垂直分布特點，在穴施或條施基肥時深度不應超過24 cm，最佳深度為15 cm左右。隨著施氮量降低，煙株在20～30 cm與30～50 cm土層根長密度呈上升趨勢，根干重所占比例增加，低氮水平有利于提高根系下扎能力，生長后期20～50 cm土壤根系分布更多，煙株對深層土壤氮素獲取能力提高。

3.2 不同氮素水平對煙株生長發(fā)育與各器官氮素吸收影響

缺氮條件下，作物通過調解自身根系結構，提高氮素吸收能力，但作物通過調節(jié)根系結構，氮素仍不能維持植株生長需要，植株含氮物質合成受阻，細胞的分裂和拉長受影響，導致地上部矮小、葉片變小、變黃，根系發(fā)育受阻，根系直徑變小，根系干物質積累減少[22-24]。劉芳等[25]研究發(fā)現(xiàn)香蕉在前期缺氮后恢復供氮，刺激根系生長，顯著增加了根系干物質質量，同時對地上部生長不影響，生產(chǎn)上通過調節(jié)施氮量與施氮時期控制胡蘿卜的根冠比，以獲取最大經(jīng)濟價值[26]，氮素對煙株碳氮代謝有重要影響，提高施氮量，葉片光合能力與光合產(chǎn)物積累量增加，煙株生物積累量顯著提高[27-28]。本研究結果表明，HNL的煙株地上部干物質積量顯著高于LNL處理，提高施氮量可以促進烤煙地上部生長發(fā)育以及產(chǎn)量的形成；不同氮素水平下，整個生育期內煙株氮積累強度均表現(xiàn)為葉>莖>根，表明葉片在氮素的吸收積累方面更有優(yōu)勢，氮肥對烤煙養(yǎng)分吸收的影響主要是通過形成較大的庫以吸收更多的養(yǎng)分[29]。不同氮素水平間，HNL處理不同生育期根、莖、葉及全株氮素的積累量與積累強度均高于LNL處理，表明提高施氮水平促進了煙株對氮素的吸收與積累。根系與葉片氮積累強度在現(xiàn)蕾期達到峰值后開始下降，可能與煙株生長后期根系與部分葉片成熟老化，根系對氮素的吸收能力弱化，光合速率下降有關[30]，生產(chǎn)上在現(xiàn)蕾期前全部施完氮肥，可以提高煙株對氮肥的吸收與利用能力。

3.3 根系形態(tài)、生理特性對煙株氮素利用的影響

氮素利用率是衡量作物對氮素吸收利用能力的重要指標之一，優(yōu)良的根系形態(tài)與生理特性對氮素利用有重要影響，氮高效作物在根系生物量、根系活力、總吸收面積、活躍吸收面積方面具有較大優(yōu)勢[31-32]。梁太波等[33]研究認為煙草較高的根系活力是煙草在低氮水平下具有較高的氮素利用率的重要原因，本研究中，LNL處理氮肥利用率顯著高于HNL處理，這與不同施氮水平處理不定根數(shù)量、根系活力、根系活躍吸收面積結果一致，但HNL處理的收獲指數(shù)大于LNL處理，提高施氮量，干物質更多的向葉片分配。

4 結論

本試驗條件下，較低施氮水平（LNL處理）具有較高的根系活力、不定根數(shù)量與根系活躍面積，并且深層土壤（20～50 cm土層）根系更發(fā)達，在一定程度上提高了氮肥的利用率，但影響了煙株根系生物量積累與地上部氮素、干物質積累；施氮水平過高（HNL處理）獲得了較高的干物質與氮素積累，但根系活力小，不定根數(shù)量較少，根直徑較大（相同根系生物量下活躍吸收面積更小），根系構型不合理，根系在0～20 cm土層分布較大，導致煙株氮素利用率最低；適宜的施肥量（MNL處理）在滿足地上部生長情況下，與HNL相比，根系結構與根系生理特性更為合理，提高了氮肥的利用率，為煙葉大田生產(chǎn)合理施肥提供了一定理論依據(jù)。