葛順峰 夏 營 沈紅艷 張莉莉 要雅倩 劉松忠 姜遠茂,*
(1 山東農業(yè)大學園藝科學與工程學院/作物生物學國家重點實驗室,山東 泰安 271018;2 北京市林業(yè)果樹科學研究院, 北京 100093)
梨(PyruscommunisL.)是我國繼蘋果、柑橘之后的第三大栽培果樹,2015年全國栽培面積和產量分別為111萬hm2和1 869萬t。近年來,由于梨園不合理施肥,導致氮肥利用率下降、土壤質量降低等問題日益突出[1],不僅影響土壤養(yǎng)分的有效性[2],而且降低了果實品質[3]。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是植物根系能夠吸收的最主要的氮素形態(tài)[4],且不同氮素形態(tài)能夠顯著影響植株根系對氮的吸收和利用,進而影響地上部的生長[5]。研究發(fā)現(xiàn)植物對不同形態(tài)氮素的喜好受多種因素的影響,其中比較關鍵的因素是植物的基因型和物種特性[6-7]。梨作為多年生果樹,生產上的栽培苗一般是由砧木和接穗兩部分構成,其中砧木為整個植株提供根系,通過水分和養(yǎng)分的吸收來影響地上部的長勢、逆境適應能力及果實品質[8-9]。因此,明確不同梨砧木對不同氮素形態(tài)的利用特性,對生產上制定不同砧木的氮素管理策略具有重要意義。目前,對梨砧木的研究主要集中在遺傳多樣性、抗旱、抗寒、高溫脅迫、缺Fe脅迫等方面[10-13],而關于不同梨砧木對不同形態(tài)氮素吸收、分配和利用等方面的研究尚未見報道。因此,本試驗以生產上常用的4種梨砧木實生苗為試材,利用15N示蹤技術研究不同梨實生苗對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收、分配和利用特性,以期為不同梨砧木實生苗的氮素營養(yǎng)管理提供理論依據(jù)。
試驗材料為正常管理的一年生杜梨(PyrusbetulifoliaBge.)、豆梨(P.calleryanaDcne.)、川梨(P.pashiaD. Don.)、木梨(P.xerophilaYü)實生苗,由北京市林業(yè)果樹科學研究院梨研究室提供。盆栽土壤為黏質壤土,基本理化性質:硝態(tài)氮36.89 mg·kg-1、銨態(tài)氮17.06 mg·kg-1、有機質10.09 g·kg-1、堿解氮75.36 mg·kg-1、速效磷25.31 mg·kg-1、速效鉀184.99 mg·kg-1、pH值6.7。
試驗于2016年3-9月在山東農業(yè)大學南校區(qū)園藝實驗站進行,室內分析在山東農業(yè)大學園藝學院果樹營養(yǎng)研究室進行。種子經過層積處理65 d后,直接播種于盆中,待2片真葉時(4月8日),選取長勢基本一致的幼苗,每盆保留1株。每品種實生苗選取24株,分為2組,每組設6次重復,以2株為1次重復。于2016年4月11日進行施肥處理,施肥量詳見表1,其中雙氰胺施用量為純氮量的5%,以抑制硝化作用[14]。
表1 不同處理肥料投入量
于2016年9月15日進行取樣,測定根系形態(tài)指標、根系活力以及全氮含量和N豐度。
1.3.1 根系形態(tài)指標 每個處理選取6株幼苗,經去離子水清洗后,用LC-4800植物根系掃描測定儀(SINTEK公司,加拿大)和WinRHIZO 2007根系分析軟件(SINTEK公司)分析根系總表面積、根尖數(shù)和根系總長度,以單株為1次重復。
1.3.2 根系活力 采用氯化三苯基四氮唑法[15]進行測定。
1.3.3 全氮含量和15N豐度 每處理選取6株幼苗,解析成根、莖、葉3部分,稱重后將樣品放入烘箱于105℃下烘30 min,然后80℃下烘干至恒重。每個器官設3次重復。磨碎后過0.25 mm篩,采用凱氏定氮法[15]測定各樣品全氮含量(g),采用MAT-251質譜儀(Thermo Fisher公司,美國)測定各樣品的15N豐度(%)。
Ndff=(植物樣品中15N豐度-自然豐度)/(肥料中15N豐度-自然豐度)×100%
式中,Ndff:從肥料中吸收的15N量對該器官全氮量的貢獻。
15N利用率=[Ndff×器官全氮量(g)]/施15N量(g)×100%
(2)
15N分配率=各器官中的15N量/總吸收15N量×100%
(3)
利用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理;DPS 11.5軟件Duncan法進行顯著差異分析。
由表2可知,不同梨實生苗的生物量存在顯著差異,其中木梨的地上部干重和總干重均最大,分別為20.56和29.21 g,其次是川梨,分別為16.93和25.73 g,杜梨地上部干重和總干重均最小,分別為11.57和18.48 g,僅為木梨的56.27%和63.27%。川梨和木梨的地下部干重分別為8.80 g和8.65 g,二者差異不顯著,但均顯著高于杜梨和豆梨。不同梨實生苗的根系形態(tài)也存在顯著差異,根系總表面積以川梨最大,為533.23 cm2,其次為木梨和豆梨,杜梨最小,為364.74 cm2;總根長以川梨最大,為2 986.95 cm,其次是木梨和豆梨,二者差異不顯著,但均顯著高于杜梨(1 745.20 cm);川梨的根尖數(shù)最多,其次是木梨,豆梨和杜梨的根尖數(shù)均較少,二者間差異不顯著。結果表明,不同梨實生苗的生物量和根系形態(tài)指標差異顯著,這可能與其基因型不同有關。
由圖1可知,不同梨實生苗的根系活力存在顯著差異,其中以木梨的根系活力最大,為2.04 mg·g-1·h-1,顯著高于其他3種實生苗,川梨和豆梨間差異不顯著,杜梨的根系活力最低,分別為木梨、川梨和豆梨的60.29%、75.01%和75.93%。
Ndff是指植株器官從15N肥中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻率,反映了植株器官對15N肥的吸收征調能力[16]。由表3可知,標記不同形態(tài)氮素處理顯著影響了各器官的Ndff,標記硝態(tài)氮處理時4種梨實生苗各器官的Ndff均高于標記銨態(tài)氮處理,表明4種實生苗對硝態(tài)氮的吸收征調能力均高于銨態(tài)氮。標記同一氮素處理下,不同梨砧木同一器官的Ndff也存在差異。標記硝態(tài)氮處理,杜梨和木梨葉的Ndff差異不顯著,但均顯著高于川梨和豆梨;木梨和川梨莖的Ndff均顯著高于杜梨和豆梨,其中以木梨莖的Ndff最大;杜梨根的Ndff最大,且與木梨差異不顯著,但顯著高于川梨和豆梨。結果表明,4種梨實生苗中,木梨各器官對硝態(tài)氮的吸收征調能力均處于較高水平。標記銨態(tài)氮處理川梨各器官的Ndff均最大,且均顯著高于其他3種實生苗,其次是木梨和豆梨,杜梨最小,表明川梨各器官對銨態(tài)氮的吸收征調能力最強。
表2 不同梨實生苗的生物量和根系形態(tài)指標
注:表中數(shù)值為平均值±標準差。同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。
Note:Values in the table are mean ± SD. Different lowercase letters in the same column mean significant difference at 0.05 level. The same as following.
表3 不同梨實生苗各器官的Ndff
注:圖中不同大寫字母表示差異顯著(P<0.01)。Note:Different capital letters mean significant difference at 0.01 level.圖1 不同梨實生苗的根系活力Fig.1 Root activity of different pear seedlings
由表4可知,同一品種梨實生苗的葉、莖和根的15N分配率的順序不受標記氮素形態(tài)的影響,不管是標記硝態(tài)氮還是銨態(tài)氮,杜梨、川梨和豆梨各器官的15N分配率均表現(xiàn)為葉>根>莖,而木梨表現(xiàn)為葉>莖>根。標記同一種氮素時,不同梨實生苗同一器官的15N分配率存在差異。標記硝態(tài)氮時,葉的15N分配率以杜梨最高,為70.71%,其次是木梨和川梨,豆梨最低(59.54%);莖的15N分配率以木梨最高,為21.13%,顯著高于川梨和豆梨,杜梨最低,為14.51%;根的15N分配率以豆梨最高,為22.37%,其次是川梨和杜梨,木梨最低,為12.02%。標記銨態(tài)氮時,葉和莖的15N分配率均以木梨最高,分別為67.45%和23.18%,根的15N分配率以豆梨最高,為27.98%。
表4 不同梨實生苗各器官的15N分配率
由表5可知,4種實生苗對硝態(tài)氮的利用率均高于銨態(tài)氮,杜梨、木梨、川梨和豆梨的硝態(tài)氮利用率分別是銨態(tài)氮的3.24、2.64、1.43和2.53倍,表明4種梨實生苗均為喜硝植物。硝態(tài)氮利用率最高的是木梨,為16.37%,其次是川梨,為11.35%,杜梨和豆梨對硝態(tài)氮的利用率均較低,分別僅為8.01%和7.82%。銨態(tài)氮利用率較高的是川梨和木梨,二者差異不顯著,但均顯著高于豆梨和杜梨。
表5 不同梨實生苗的15N利用率Table 5 15N utilization efficiency of different pear seedlings /%
由表6可知,梨實生苗對硝態(tài)氮的利用率與根系形態(tài)指標和根系活力均呈正相關,其中與根尖數(shù)呈顯著正相關(P<0.05);梨實生苗對銨態(tài)氮的利用率與根系總表面積、根尖數(shù)和根系活力均呈正相關,但與總根長呈負相關。
基因型的差異以及植物長期進化對環(huán)境的適應能力造成了植物對不同形態(tài)氮素的喜好,一般認為硝態(tài)氮是陸生植物喜好的形態(tài),植物根系對硝態(tài)氮的吸收分為高親和力、低親和力轉運系統(tǒng)2種機制,分別在土壤中硝態(tài)氮缺乏和豐富時發(fā)揮作用,因此根系可以高效吸收硝態(tài)氮[17]。本研究中,4種梨實生苗對硝態(tài)氮的利用率及其各器官對硝態(tài)氮的征調能力均高于銨態(tài)氮,說明4種梨實生苗均是喜硝植物。這與前人研究結果一致。王海寧等[18]研究表明,5種蘋果砧木植株各器官從硝態(tài)氮中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻均顯著高于銨態(tài)氮。樊衛(wèi)國等[19]研究發(fā)現(xiàn)臍橙幼樹根系也表現(xiàn)出對硝態(tài)氮的明顯偏好,且根系對硝態(tài)氮的最大吸收速率和對硝態(tài)氮的親和力均高于銨態(tài)氮,此外,硝酸根離子在根系中的流動速度也較銨根離子快。
表6 根系形態(tài)指標和根系活力與15N利用率的相關性
注:*表示顯著相關(P<0.05)。
Note:*indicates significant correlation at 0.05 level.
不同的氮素形態(tài)在植物體內的轉化和代謝機制是不同的,單獨或者混合供應下植物會表現(xiàn)出不同的生理反應[25-26]。邢素芝等[27]研究發(fā)現(xiàn)隨著銨態(tài)氮/硝態(tài)氮的值從100/0變化到0/100,菠菜的生物量、株高、根系長度、硝酸鹽和亞硝酸鹽累積量以及有機酸含量均呈增加趨勢,而氨基酸總量則明顯下降;王晉等[28]研究表明,當銨態(tài)氮/硝態(tài)氮的值為3/1時,有利于油麥菜根系氮同化速率的提高和可溶性糖的積累,顯著促進了根系的生長和地上部生物量的提高。因此,不同硝態(tài)氮和銨態(tài)氮混合是否更有利于梨砧木的生長,以及何種混合比例更為適宜,還有待進一步研究。
氮肥形態(tài)顯著影響了梨實生苗對氮的吸收利用,4種梨實生苗對硝態(tài)氮的利用率和各器官對硝態(tài)氮的征調能力(Ndff)均高于銨態(tài)氮,表明4種梨實生苗均是喜硝植物。4種梨實生苗中,木梨對硝態(tài)氮的利用率最高,其次是川梨,豆梨最低;川梨對銨態(tài)氮利用率最高,其次是木梨,二者均顯著高于豆梨和杜梨。