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        幾種豆科植物茶園間作的氮素協(xié)調性研究

        2013-12-31 00:00:00汪強強韓曉陽張麗霞
        山東農業(yè)科學 2013年12期

        收稿日期:2013-05-15

        基金項目:泰安市幼齡茶園間作模式與配套技術研究(20093039)

        作者簡介:汪強強(1987-),男,在讀碩士研究生,主要從事茶樹生理與生態(tài)研究。E-mail: qiangwushan@163.com

        *通訊作者,E-mail: lxzhang@sdau.edu.cn

        摘要:以白三葉的鋪地、考拉和紫花苜蓿的金達品種為材料,采用硝、銨氮素比為1∶1的水培液測定其喜氮類型,并測定不同生育時期的硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性。結果表明,三種豆科植物均有較強的喜硝特性,與喜銨的茶樹間作具有氮素種類上的協(xié)調性。其中,以金達的總NR活性最高,GS活性最低,GS/NR值和吸氮量最小,最適宜茶園間作。

        關鍵詞:豆科植物;喜氮類型;酶活性;相關性;間作適宜性

        中圖分類號:S344.2文獻標識號:A文章編號:1001-4942(2013)12-0052-05

        氮作為生物體必需的一種營養(yǎng)元素,在自然界中主要以有機態(tài)、無機態(tài)和分子態(tài)三種形式存在[1],其中無機態(tài)的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物能直接吸收和利用的兩種主要氮素形態(tài)。植物的需氮特性因植物種類、品種、生育時期等而不同,而依據植物對土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的優(yōu)先吸收方式不同,可將植物分為喜銨植物和喜硝植物[2,3]。茶樹是一種典型的喜銨耐銨植物,生產中主要施用銨態(tài)氮肥滿足其需求。但由于土壤中硝化作用會將銨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮,降低茶樹的氮肥利用效率,造成肥料的浪費;同時由于硝態(tài)氮離子的強酸性和易淋失特性,還可導致茶園土壤酸化、地下水污染、水體富營養(yǎng)化等嚴重的環(huán)境問題[4]。因此,提高茶園氮素的利用率就十分必要。

        為解決上述問題,國內外主要采取的措施有:在茶園施用脲酶抑制劑[5~7],硝化抑制劑[5,6,8~10],覆蓋秸稈等生物物料[8],平衡施肥[6,11],施用石灰等化學改良劑[11,12]。但是,這些方法不但會增加農業(yè)生產成本,化學改良法還會帶來新的環(huán)境污染[13],不符合無公害和有機茶葉的生產要求;同時還可能造成土壤板結、抑制茶園土壤酶及微生物活性等,進而影響茶樹生長和茶葉品質。所以,選擇豆科植物與茶樹間作,進行生物改良,既可以利用豆科植物的共生固氮作用[14]減少與茶樹爭奪氮肥的矛盾[15],還可利用豆科植物對硝態(tài)氮的吸收與轉化,解決土壤過度酸化和硝態(tài)氮對環(huán)境的污染,提高茶園氮素利用率。目前,在茶園中間作的豆科植物主要有大豆[16]、花生[17]、白三葉[18~20]和紫花苜蓿[21,22]等,其研究以間作作物對茶園土壤理化性狀、微域環(huán)境的溫濕度、昆蟲和天敵生物多樣性方面的影響為主,尚未見間作豆科植物與茶樹氮素協(xié)調性方面的研究報道。

        為了篩選出高效利用硝態(tài)氮肥的茶園間作豆科植物,本試驗以三種豆科牧草為材料,研究其吸氮特性和不同生長發(fā)育時期氮素代謝主要酶活性,以期為茶樹合理間作和生態(tài)有機茶園建設提供一定技術和理論依據。

        1材料與方法

        1.1試驗材料

        三種豆科植物:白三葉—鋪地(Trifolium repens cv.PROP)、白三葉—考拉(Trifolium repens cv.CLARE)、地被型紫花苜?!疬_(Medicago sativa cv.KINDER)。

        1.2試驗時間和地點

        2012年4月在山東農業(yè)大學園藝試驗站茶棚茶行間(茶樹品種為福鼎大白)種植豆科植物。

        1.3試驗設計和方法

        1.3.1豆科植物喜氮類型的測定以三種豆科植物成株期植株為材料,水培法測定植物氮素吸收的喜好類型。每盆加入250 ml滅菌的營養(yǎng)液,以5株根系經3.5%次氯酸鈉溶液滅菌的植株(排除微生物對試驗的影響)為處理,以無植物培養(yǎng)的營養(yǎng)液為對照,重復4次,分別于0、3、6、9 d后測定營養(yǎng)液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

        試驗用營養(yǎng)液為Hoagland 無氮營養(yǎng)液[23,24]加NH4NO3并使其終濃度為0.1 g/L,以確保銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的比例為1∶1。銨態(tài)氮用靛酚藍比色法[25]測定,硝態(tài)氮用紫外雙波長矯正法[26]測定。

        1.3.2豆科植物氮素代謝主要酶活性測定分別取苗期、成株期、開花期的豆科植物,測定其根系和葉片的硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)的活性。

        硝酸還原酶活性采用活體法[27]比色測定,取樣前先用50 mmol/L的KNO3溶液誘導植物1 d,以促進硝酸還原酶的產生;谷氨酰胺合成酶活性采用比色法[28]測定,以540 nm處吸光值的大小來表示。

        1.4數據分析

        試驗數據用Microsoft Excel 2007進行整理,采用SPSS18.0軟件進行分析,多重比較采用tukey法。并用SAS軟件進行一元線性相關性分析。

        2結果與分析

        2.1豆科植物喜氮特性

        從圖1可以看出:三種豆科植物對硝態(tài)氮均有較強的吸收,在水培期間,水培液中硝態(tài)氮含量不斷降低,但以前3 d的下降幅度最大;而三種豆科植物對銨態(tài)氮的吸收情況明顯不同于硝態(tài)氮,在水培的前3 d,水培液中銨態(tài)氮的下降幅度明顯小于硝態(tài)氮,且隨后有小幅的上升,最終保持在一個相對穩(wěn)定的水平,且含量顯著高于硝態(tài)氮。因水培液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮起始含量相同,由此可以看出,三種豆科植物均對硝態(tài)氮有偏好性。

        從表1可以看出:三種豆科植物對硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的吸收量均為:考拉>鋪地>金達;所吸收的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的比值(簡稱硝銨比)則為:金達>鋪地>考拉。以上結果表明:在三種豆科植物中,金達具有吸氮量低和吸收硝態(tài)氮強的特點。此外,三種豆科植物的硝銨比為1.80~2.33,進一步表明了三種豆科植物對硝態(tài)氮的偏好性。

        2.2豆科植物氮素代謝主要酶活性的比較

        2.2.1硝酸還原酶(NR)三種豆科植物葉片和根系的總平均硝酸還原酶(NR)活性均為:金達>考拉≈鋪地,且以金達根中的NR活性明顯大于鋪地和考拉;就不同生育時期而言(圖2),除鋪地、金達葉片外,考拉葉片和三種豆科植物的根系NR活性均表現為:開花期>成株期>幼苗期。此外,在開花期,金達根中NR活性大于葉片,其L/R值為0.97,小于1;而鋪地、考拉的比值均≥1,幼苗期比值達2以上(表2)。同時,三種植物在不同生育期的L/R值變化差異較大,鋪地、考拉為逐漸減小,而金達則呈現出高-低-高的變化趨勢,由此表明:三種豆科植物中,兩種白三葉與紫花苜蓿在硝態(tài)氮代謝方面存在較大的差異。

        2.2.2谷氨酰胺合成酶(GS)三種豆科植物根系和葉片的總平均谷氨酰胺合成酶(GS)活性均為:鋪地>考拉>金達。此外,同一植物葉片中的酶活性明顯高于根中的酶活性,其葉根GS活性比值(L/R)在1.13~6.00之間,其中,金達在不同時期的變化幅度最大,幼苗期最小,開花期最大(表2),且其平均L/R值與鋪地相近,卻顯著高于考拉。就生育時期而言(圖3),葉片中GS活性以開花期最高,根中GS活性除鋪地外,考拉和金達均以幼苗期活性最高。

        2.2.3硝酸還原酶(NR)與谷氨酰胺合成酶(GS)活性比值以葉片和根系的GS、NR總活性比值(GS/NR)來說明植物吸收、還原和同化氮素之間的協(xié)同關系(見表2)。由表2可知,三種豆科植物在不同生育時期葉和根總GS/NR值在5.73~15.34之間,其大小為:金達<考拉<鋪地,其中根系的GS/NR值,金達僅為考拉、鋪地的1/2,差異較大,而葉片中GS/NR值,金達與考拉、鋪地的差異較小。以上結果表明:金達較鋪地、考拉具有更強的喜硝態(tài)氮特性,同時,也說明三種豆科植物吸收、還原和同化氮素之間的協(xié)同關系的優(yōu)劣為:金達>考拉>鋪地。

        2.3豆科植物吸氮量與相關酶活性之間的相關性

        硝態(tài)氮進入植物體后需經NR作用生成NH+4,銨態(tài)氮和經硝化作用轉化的NH+4都需要谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶(GSA/GOGAT)或谷氨酸脫氫酶(GDH)的作用同化成氨基酸。植物吸氮能力與這些酶的活性有關。由表3可知,三種豆科植物的硝態(tài)氮吸收量均與NR活性達到極顯著相關,而銨態(tài)氮吸收量僅有金達與GS活性達到極顯著相關,鋪地雖然相關性較大,但未達到顯著相關水平,這說明還存在影響鋪地GS活性的其它因素。

        3結論與討論

        氮素代謝主要酶活性對氮素的吸收利用至關重要。大多數植物一般主動吸收硝態(tài)氮[29],這與植物的NR活性密切相關,同時,自然界土壤中硝態(tài)氮的含量遠高于銨態(tài)氮。茶樹是一種典型的喜銨植物,其體內硝酸還原酶活性低,對硝態(tài)氮的同化利用率為銨態(tài)氮的1/4左右[30],由此帶來茶園氮素利用率低、土壤酸化和環(huán)境氮素污染的問題。由于不同植物之間存在氮素吸收特性的差異,所以可以通過間作喜硝植物來解決茶園中的上述問題。

        本試驗通過對兩種白三葉(鋪地和考拉)和一種紫花苜蓿(金達)吸氮特性以及氮素代謝主要酶活性的研究,其結果表明:三種豆科植物均對硝態(tài)氮有偏好性,但以金達的硝酸還原酶(NR)活性最強,且谷氨酰胺合成酶(GS)與硝酸還原酶(NR)活性比值小,由此說明:金達的GS所需底物NH+4來源于硝酸還原的比例大;此外,三種豆科植物在固氮量最大的開花期,具有最高的NR和GS活性。以上結果表明:金達與喜銨態(tài)氮肥的茶樹間作具有很好的氮素協(xié)調性,與茶樹“爭肥”的矛盾最小,同時能很好地降低茶園硝態(tài)氮含量,并解決由此帶來的土壤酸化和環(huán)境污染的問題。所以,茶園間作宜選擇金達,其次為考拉和鋪地。

        此外,在生產上,宜將間作的豆科植物在開花期之后刈割或翻耕填埋在茶行中,通過氨化細菌的作用,又可將豆科植物吸收同化的氮素轉化為茶樹可吸收的銨態(tài)氮,由此構建一個茶園氮素的生態(tài)循環(huán)體系,從而起到提高氮素利用效率、保護茶園生態(tài)環(huán)境、促進茶樹生長[20~22]和提高茶葉品質的積極作用。

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