鄭蒼松，李鵬程，孫淼，龐朝友，趙新華，貴會(huì)平，劉帥，秦宇坤，董合林，余學(xué)科

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽(yáng)455000)

棉花作為大田作物，根系吸收氮素以硝態(tài)氮為主[1]；硝態(tài)氮進(jìn)入棉花根系后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)、還原、代謝成為氨基酸，最后被棉株利用[2]。根系的氮素吸收會(huì)受到土壤氮水平、土壤水分和環(huán)境溫度的影響，在生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期（如現(xiàn)蕾期、花鈴期等）由于生長(zhǎng)旺盛還會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物生理性缺氮，通過(guò)葉面施氮可以幫助農(nóng)作物抵御逆境，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，保障生產(chǎn)[3-7]。在棉花上，葉片對(duì)外源氮素吸收和分配的研究已經(jīng)比較清楚[3，7]。然而，棉株是一個(gè)有機(jī)整體，葉面施用的氮素進(jìn)入葉肉細(xì)胞后參與氮素同化及代謝循環(huán)，除了為植株地上部補(bǔ)充氮素養(yǎng)分外，對(duì)根系氮素的吸收是否有影響，尤其對(duì)根系吸收硝態(tài)氮是否有影響卻不得而知。本研究擬通過(guò)含15N的營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)棉苗，比較葉面施用不同形態(tài)氮素對(duì)棉株干物質(zhì)積累和根系吸收硝態(tài)氮的差異，探討葉面養(yǎng)分吸收與根系養(yǎng)分吸收的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試棉花品種為轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉中熟品種冀棉228，種子由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所種質(zhì)資源庫(kù)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年3—4月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)場(chǎng)（河南省安陽(yáng)縣白璧鎮(zhèn)）控溫溫室中進(jìn)行，葉面施氮設(shè)置清水 （蒸餾水，對(duì)照）、酰胺態(tài)氮 （原料為尿素，氮素施用濃度0.466%）、銨態(tài)氮（原料為硫酸銨，氮素施用濃度0.466%）、硝態(tài)氮（原料為硝酸鈣，氮素施用濃度0.466%）4個(gè)處理，各處理噴霧量均為50 mL，重復(fù)4次。

采用營(yíng)養(yǎng)液模擬培養(yǎng)法，將挑選好的種子消毒、催芽后播于潔凈沙床上，待子葉展平，3月28日選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻幼苗移栽至體積為32 cm×24 cm×12 cm的不透光塑料長(zhǎng)方盒中，先用1/4濃度Hoagland-Aron營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)[8]，每盒12株（3×4排列），24 h通氣。4月4日更換1/4濃度Hoagland-Aron營(yíng)養(yǎng)液，4月10日更換至1/2濃度Hoagland-Aron營(yíng)養(yǎng)液中（氮源全部為NO3－），4月18日（3葉期）更換1/2濃度營(yíng)養(yǎng)液（氮源全部為含15N 豐度為 10.16%的 Ca（NO3）2），4 月 19日進(jìn)行葉面氮素噴施（噴施過(guò)程中采用聚乙烯塑料和厚吸水紙進(jìn)行處理間隔離和漏液吸附），每盒中的12株棉花被劃分為4行，每1行的3株被作為一個(gè)處理，隨機(jī)排列，噴施6 d后（4月24日）進(jìn)行樣品收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

將棉株按地上部和根分別收獲，用蒸餾水清洗3次后于105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，分別稱(chēng)量干物質(zhì)質(zhì)量。

將烘干地上部和根系分別磨細(xì)過(guò)篩，用凱氏法測(cè)定植株全氮；樣品中15N豐度由河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所利用質(zhì)譜法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

棉花整株干物質(zhì)質(zhì)量＝地上部干物質(zhì)質(zhì)量＋根系干物質(zhì)質(zhì)量。

棉花整株氮含量＝（地上部干物質(zhì)質(zhì)量×地上部氮含量＋根系干物質(zhì)質(zhì)量×根系氮含量）/整株干物質(zhì)質(zhì)量×100%。

地上部（根系）15N 的積累量（mg·株－1）＝地上部（根系）干物質(zhì)質(zhì)量×地上部（根系）氮含量×（地上部（根系）15N 豐度－0.366 3）×100[9]。

根系吸收氮素在地上部（根系）的分配（mg·株－1）＝地上部 （根系）15N 的積累量 /（10.16－0.366 3）×100[9]。

根系吸氮相對(duì)效率（%）＝（葉面施氮處理15N的質(zhì)量－清水處理15N的質(zhì)量）/清水處理15N的質(zhì)量×100，表征葉面施氮后各處理根系吸氮相對(duì)于對(duì)照的水平。

數(shù)據(jù)采用MS Excel 2013和PASW Statistics 18進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面施氮對(duì)棉花生長(zhǎng)和氮含量的影響

表1表明，與對(duì)照相比，葉面施用酰胺態(tài)氮和銨態(tài)氮6 d后，棉株地上部及根干物質(zhì)質(zhì)量均表現(xiàn)增加趨勢(shì)；葉面施用硝態(tài)氮處理干物質(zhì)積累量最低，但與對(duì)照處理無(wú)顯著差異。銨態(tài)氮處理棉株地上部和整株干物質(zhì)顯著高于硝態(tài)氮處理。葉面施氮處理棉苗整株氮含量和地上部氮含量顯著高于對(duì)照處理，根系氮含量基本無(wú)差異。

表1 葉面施氮對(duì)棉花干物質(zhì)質(zhì)量、氮含量的影響（5葉期）Table 1 Effects of foliar different nitrogen forms application on dry biomass and nitrogen content of cotton seedling(five-leaf stage)

2.2 葉面施氮對(duì)棉花氮素積累的影響

由圖1可知，棉株地上部、根及整株氮素積累量以葉面施用銨態(tài)氮處理最高，但各處理間沒(méi)有顯著差異，地上部氮素積累量與根氮素積累量的比值約為3:1。同位素示蹤結(jié)果顯示，銨態(tài)氮處理棉株地上部和根系15N積累量分別為0.794 mg·株－1和 0.318 mg·株－1，高于對(duì)照和酰胺態(tài)氮處理，且顯著高于硝態(tài)氮處理，表明銨態(tài)氮處理的棉株從營(yíng)養(yǎng)液中吸收的氮素最多。

通過(guò)比較葉面施肥后各處理棉株氮素總積累量（圖1）與根系吸收氮素（表2）的差值，發(fā)現(xiàn)葉面施用酰胺態(tài)氮處理的差值最大為41.66 mg·株－1，其次是銨態(tài)氮處理為40.17 mg·株－1，硝態(tài)氮和清水處理較低，分別為33.96 mg·株－1和31.95 mg·株－1，表明施用相同氮素濃度條件下，棉株葉片對(duì)酰胺態(tài)氮的吸收好于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。

圖1 葉面施氮處理棉株N積累量和15N積累量的差異（5葉期）Fig.1 Differences of total nitrogen and15N accumulation amounts among foliar nitrogen application treatments(five-leaf stage)

2.3 葉面施氮對(duì)棉花根系吸收氮素分配和利用效率的影響

通過(guò)計(jì)算（表2）可知，葉面施氮后，銨態(tài)氮處理棉株根系吸收并積累的氮素約為11.35 mg·株－1， 高于對(duì)照 （8.73 mg·株－1）、 酰胺態(tài)氮處理（7.84 mg·株－1）和硝態(tài)氮處理（6.73 mg·株－1）；銨態(tài)氮處理地上部和根系中分配的根系吸收的氮素均最高，且顯著高于硝態(tài)氮處理。各處理棉株地上部和根系中分配根系吸收氮素的比例均約為7:3，表明葉面施氮類(lèi)型沒(méi)有影響棉株對(duì)根系吸收硝態(tài)氮的分配。與對(duì)照相比，施用銨態(tài)氮處理棉株根系吸收氮素效率約提升28.0%，酰胺態(tài)氮和硝態(tài)氮處理則分別降低9.5%和20.5%，說(shuō)明葉面施用銨態(tài)氮較施酰胺態(tài)氮和硝態(tài)氮更能促進(jìn)根系氮素吸收，提高棉株根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中的氮素利用率，提高棉株氮素的含量和積累量。

表2 葉面施氮對(duì)棉株根系吸氮分配及根系吸氮相對(duì)效率的影響（5葉期）Table 2 Effects of foliar nitrogen application on nitrogen distribution and comparative efficiency via roots uptake(five-leaf stage)

3 討論與結(jié)論

3.1 葉面施氮對(duì)棉花干物質(zhì)積累的影響

本研究中（表1），銨態(tài)氮處理棉株干物質(zhì)質(zhì)量最高，大于酰胺態(tài)氮處理和清水處理，顯著高于硝態(tài)氮處理。盆栽菠菜試驗(yàn)也表明，與清水處理相比，葉面施用1%硝酸鈣處理菠菜干物質(zhì)量降低，尿素和碳酸銨處理則高于清水處理[10]。這可能是葉面施用硝態(tài)氮后，植物地上部組織中硝態(tài)氮在短期內(nèi)大量增加，影響了植株生理代謝[11]，導(dǎo)致植物干物質(zhì)積累降低。

3.2 葉面施氮對(duì)棉花氮素吸收與積累的影響

葉面肥中的養(yǎng)分先通過(guò)氣孔或葉表角質(zhì)層的孔隙和親水小孔[12-14]，再通過(guò)表皮細(xì)胞細(xì)胞壁到達(dá)原生質(zhì)膜，或通過(guò)葉表細(xì)胞的質(zhì)外連絲把營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收到細(xì)胞內(nèi)部[15]。因此，葉面施氮的吸收效果受葉片類(lèi)型、葉片表面性質(zhì)、礦質(zhì)養(yǎng)分粒子大小等諸多因素的影響[16-19]。本研究結(jié)果顯示，在0.466%施氮濃度下棉花葉片對(duì)氮素的吸收強(qiáng)度大小順序?yàn)轷０窇B(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮，這與應(yīng)用氮素離子形態(tài)、化合價(jià)及離子半徑水平相吻合[2]。葉面施氮處理6 d后，銨態(tài)氮處理棉株地上部及根系氮素積累量均最高，酰胺態(tài)氮處理其次，清水處理和硝態(tài)氮處理均較低，處理間棉株氮素積累量的差異不顯著（圖1），地上部和根中氮素積累比例約為3:1；由于根外施肥的吸收強(qiáng)度為酰胺態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮，所以推斷各處理根系氮素吸收存在差異。

3.3 葉面施氮對(duì)棉花根系吸收硝態(tài)氮的影響

本研究中，各處理是在同一濃度營(yíng)養(yǎng)液方盒中培養(yǎng)，15N僅來(lái)自于營(yíng)養(yǎng)液中含有15N的NO3－，植物中15N的積累和分配表征了各處理對(duì)棉株根系硝態(tài)氮吸收的狀況。硝態(tài)氮處理棉株中總氮積累量與對(duì)照基本一致，而棉株地上部和根系中15N積累量均較低，說(shuō)明葉面施用的硝態(tài)氮雖然能夠顯著提高棉株地上部氮含量，但是影響了根對(duì)硝態(tài)氮的吸收；與清水處理相比，葉面施用銨態(tài)氮不僅為棉株提供了一定量的氮素，還促進(jìn)了根系對(duì)硝態(tài)氮的吸收；葉面施用酰胺態(tài)氮處理的效果則介于銨態(tài)氮處理和硝態(tài)氮處理之間，各處理間根系吸氮相對(duì)效率差異進(jìn)一步證明了這一結(jié)果。本研究中，葉面施用酰胺態(tài)氮處理棉株通過(guò)葉片吸收的氮素最多，其根系吸收的氮素卻少于清水處理；葉面施用銨態(tài)氮處理棉株根系吸收的氮素最多，且高于清水處理。由此推斷葉面施用銨態(tài)氮處理的棉株根系吸收更多的硝態(tài)氮不是由于葉面施氮促進(jìn)棉株生長(zhǎng)帶來(lái)的附加效應(yīng)，而是一種積極的正向的促進(jìn)效應(yīng)。

植物根系對(duì)于硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收受NRTs家族基因控制，包括低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[20]。硝酸鹽、氮代謝產(chǎn)物、晝夜節(jié)律、蔗糖和pH都會(huì)對(duì)硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白產(chǎn)生誘導(dǎo)影響[21-24]。葉面施用的酰胺態(tài)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，它們被植物葉片吸收后分別在脲酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶等酶的作用下進(jìn)行生理代謝，并最終形成有機(jī)化合物被棉株利用[2]。因此推斷本研究中葉面施氮帶來(lái)的處理間差異可能是由于葉片對(duì)吸收的不同形態(tài)氮素代謝差異帶來(lái)的，然而主要影響因子是氮代謝產(chǎn)物或是其他代謝產(chǎn)物，還是硝酸鹽濃度還需要重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)一步研究。