陳 偉, 崔亞茹, 孫從建, 楊 洋

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

氮是植物體內(nèi)許多重要化合物的組成成分，是植物生長發(fā)育必需的大量元素之一，通常植物在生長過程中對氮素的需求量要高于其他礦質(zhì)元素，因而氮素常成為限制植物生長的主要元素[1]。土壤氮素的供應(yīng)水平直接制約著其生產(chǎn)力[2]，因此土壤氮匱乏會(huì)直接影響作物產(chǎn)量[3]。為了改善土壤氮匱乏狀況，提高作物產(chǎn)量，我國用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮肥量在逐年增大[4]。然而，長期向土壤中大量補(bǔ)充氮源，已導(dǎo)致土壤酸化板結(jié)、富營養(yǎng)化、氮肥利用率降低等諸多問題，破壞了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對土壤環(huán)境構(gòu)成威脅[5]。所以急需提高作物的氮素吸收、利用效率以提高產(chǎn)量和減少環(huán)境污染[4]。在土壤中，有機(jī)態(tài)氮素不能被植物直接吸收，需要通過一些土壤酶調(diào)控下的氨化、硝化作用等將其轉(zhuǎn)化為能被植物直接吸收利用的無機(jī)態(tài)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)[2]。而在硝化過程中，氨氧化酶極其重要，它是硝化作用的限速步驟[6]。因此選擇耐低氮能力強(qiáng)的作物，挖掘脅迫條件下土壤酶活性強(qiáng)、氮素轉(zhuǎn)化效率高的品種，是解決農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[7]。

植物在逆境下能夠感應(yīng)外界脅迫并通過自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)使之在形態(tài)和生理上發(fā)生適應(yīng)反應(yīng)，以增強(qiáng)其在脅迫條件下的生存機(jī)會(huì)[7]。在脅迫條件下，不同作物間和同一作物不同品種間，在對氮、磷等有效元素的吸收和利用效率上表現(xiàn)出明顯的差異性[8]。許多學(xué)者對小麥、水稻、玉米、大豆等作物開展了耐低氮特性研究，并獲得了有價(jià)值的種質(zhì)資源，但是對苦蕎等小雜糧的研究比較少[9]?？嗍w在高寒高原山區(qū)具有明顯的生長優(yōu)勢，是貧瘠地區(qū)重要的雜糧作物[10]。其生育周期短，適應(yīng)性強(qiáng)，耐旱、耐瘠薄，且具有極高的食用價(jià)值與藥用價(jià)值[9]。前人對苦蕎的研究大多集中在食用藥用價(jià)值、種質(zhì)篩選以及栽培技術(shù)等方面，對苦蕎在低氮脅迫下的養(yǎng)分利用效率研究較少。苦蕎的綜合抗瘠能力較強(qiáng)，但不同品種或同品種不同基因型之間的抗瘠性差異顯著[11]。有研究表明低氮脅迫下耐低氮苦蕎品種具有明顯的生長優(yōu)勢，不僅農(nóng)藝性狀、葉片光合作用及根系活性受低氮脅迫影響小，而且具有較高的根系保護(hù)酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以及氮積累量[9]。張楚等[12]通過對不同苦蕎品種的各種指標(biāo)進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)迪慶苦蕎具有較強(qiáng)的耐瘠性，而黑豐1號苦蕎的耐瘠性較弱。有研究表明種子成熟期80%的氮素供給來自開花前植物體內(nèi)養(yǎng)分的積累及后期在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移[6]，如玉米花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒氮素累積貢獻(xiàn)率為42%～62%[13]，所以作物開花前的土壤養(yǎng)分供給研究尤為重要。

因此，本文以迪慶苦蕎和黑豐1號兩種不同耐瘠性苦蕎為材料，通過盆栽試驗(yàn)，研究低氮脅迫下其在開花前土壤養(yǎng)分含量的差異性，探究耐瘠性品種在低氮環(huán)境下的養(yǎng)分有效性與優(yōu)勢性，從而增加對苦蕎耐貧瘠特性的認(rèn)知，為黃土高原土壤冷涼地區(qū)農(nóng)田氮肥優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的褐土，其養(yǎng)分含量為：pH值7.75，全氮0.105 g/kg，全磷0.306 g/kg，全鉀4.57 g/kg，銨態(tài)氮0.39 mg/kg，硝態(tài)氮0.23 mg/kg，有效磷3.69 ug/g，速效鉀100.12 mg/kg。供試苦蕎品種為黑豐1號(HF)和迪慶苦蕎(DQ)。其中，黑豐1號為不耐瘠品種，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒作物研究所提供；迪慶苦蕎為耐瘠性品種，由迪慶藏族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2017年5月在山西師范大學(xué)校塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。采用盆栽試驗(yàn)，共設(shè)置3個(gè)處理，分別為N0(不施氮處理)、N1(低氮處理，尿素80 mg/kg)、N2(常氮處理，尿素160 mg/kg)，每個(gè)處理設(shè)置4次重復(fù)，各種處理中均施入相同量的過磷酸鈣(P2O5，150 mg/kg)與硫酸鉀(K2O，60 mg/kg)。每個(gè)處理設(shè)置2個(gè)水平，種植不同耐瘠性苦蕎品種：黑豐1號和迪慶苦蕎。每盆裝入10 kg土，并按相應(yīng)處理施以肥料，混合均勻。每盆選取飽滿均勻無病蟲害的種子16粒，經(jīng)去離子水浸泡24 h后，均勻播種，兩葉一心間苗，每盆定苗8株，之后正常供應(yīng)水分。

1.3 樣品采集

苦蕎于5月8日播種，三葉一心定苗，于6月23日采集。取回來的土樣一部分鋪展于干凈的塑料布上，風(fēng)干1周左右后，去雜、磨細(xì)、過篩后保存，用于土壤基本理化性質(zhì)的測定。另一部分放置于4℃氣候箱保存，用于銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、氨氧化酶的測定。

1.4 測定指標(biāo)及方法

土壤含水量采用烘干法，稱取少量鮮土放入鋁盒，在105℃烘干24 h后，計(jì)算含水量。土壤pH值采用電位法，取10 g鮮土，按土水比1∶2.5比例加入25 ml蒸餾水，充分震蕩1 min，靜置30 min 后，用pH值計(jì)測定。土壤全氮采用H2SO4—混合催化劑消煮—半微量凱氏蒸餾法，全磷采用高氯酸硫酸消煮—鉬銻抗比色法，全鉀采用高氯酸硫酸消煮—火焰光度計(jì)法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法[14]。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均用2 mol/L氯化鉀溶液浸提，用SmarChem全自動(dòng)化學(xué)分析儀測定[14]。土壤氨氧化酶：土壤樣品中加入20 ml的1 mmol/L的硫酸銨溶液和0.1 ml的1.5 mol/L的氯酸鈉溶液，混勻后在搖床上震蕩并培養(yǎng)5 h，培養(yǎng)期間釋放的亞硝態(tài)氮用2 mol/L氯化鉀溶液提取，并在520 nm下比色測定。其中，氯酸鈉抑制亞硝態(tài)氮到硝態(tài)氮的氧化[15]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果運(yùn)用SPSS 22.0軟件，采用鄧肯分析方法(p=0.05)，單因素方差分析和獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)來比較數(shù)據(jù)之間的差異性。運(yùn)用Origin 8軟件進(jìn)行制圖，利用CANOCO軟件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮處理和不同苦蕎品種對土壤理化性質(zhì)的影響

不同氮處理下，品種均對土壤的含水量、pH值產(chǎn)生顯著影響(p<0.05)，黑豐1號的土壤含水量分別較迪慶苦蕎高68.52%，33.78%，50.87%，黑豐1號的土壤pH值分別較迪慶苦蕎高1.43%，1.43%，1.83%。N1與N2處理相比，黑豐1號和迪慶苦蕎的土壤含水量分別顯著減少24.14%，14.45%(p<0.05)；黑豐1號N1處理的土壤pH值略高于N2處理，但差異不顯著；而迪慶苦蕎N1處理的土壤pH值顯著高于N2(p<0.05)(表1)。

N1處理下，黑豐1號的土壤全氮含量顯著高于迪慶苦蕎50%(p<0.05)，而全磷、全鉀含量無顯著差異；此外，N0，N2處理下幾種養(yǎng)分含量在品種間均無顯著差異。黑豐1號土壤中全氮含量在N1，N2處理之間無顯著差異，但分別比N0顯著高65.25%，83.05%(p<0.05)；迪慶苦蕎土壤中全氮含量在N2處理下比N0顯著高1倍，比N1高80%(p<0.05)(表1)。因此兩種苦蕎土壤中全氮含量基本表現(xiàn)為隨著氮肥施用量增加而增加。兩種苦蕎全磷、全鉀含量在N1，N2處理下均無顯著差異，由于本試驗(yàn)中不同氮處理所施磷肥、鉀肥含量一樣，因此磷和鉀的總貯量差異不大。

表1 氮處理和不同苦蕎品種對土壤含水量、pH值、全氮、全磷、全鉀的影響

注：N0為不施氮處理，N1為低氮處理，N2為常氮處理。表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。小寫字母表示同一品種不同氮處理間差異顯著(p<0.05)，不標(biāo)表示差異不顯著(p>0.05)；同一氮處理下黑豐1號與迪慶苦蕎相比，*表示差異顯著(p<0.05)，不標(biāo)表示差異不顯著(p>0.05)。

黑豐1號土壤中有效磷含量在N0，N1處理下分別顯著高于迪慶苦蕎12.08%，12.78%(p<0.05)，在N2處理下兩品種無顯著差異。黑豐1號土壤中有效磷含量在N1處理下達(dá)到最高值，分別比N0，N2顯著高31.65%，17.06%(p<0.05)；迪慶苦蕎土壤中N1和N2處理的有效磷含量差異不顯著，但分別比N0顯著高30.83%，25.23%(p<0.05)(圖1C)，說明兩種苦蕎土壤中有效磷含量在低氮處理下具有顯著差異，并且隨著氮肥施用量先增加后降低，在N1處達(dá)到最高值。

黑豐1號土壤中速效鉀含量在N0處理下顯著高于迪慶苦蕎12.06%，在N1，N2處理下分別顯著低于迪慶苦蕎15.43%，14.61%(p<0.05)。兩種苦蕎土壤中速效鉀含量在N1和N2處理下均無顯著差異(圖1D)，說明施氮處理對土壤速效鉀含量影響不大。

2.2 氮處理和不同苦蕎品種對土壤氨氧化酶活性的影響

不同苦蕎品種對土壤中氨氧化酶活性的影響具有顯著差異(p<0.05)，不同氮處理下，迪慶苦蕎土壤中氨氧化酶含量分別比黑豐1號高2.57倍，97%，85%。兩種苦蕎土壤中氨氧化酶活性均表現(xiàn)為隨著氮肥施用量的增加而增強(qiáng)。N2處理下，黑豐1號土壤中氨氧化酶含量分別比N0，N1顯著高15.28倍，2.2倍，迪慶苦蕎土壤中氨氧化酶含量分別比N0，N1顯著高7.44倍，2.01倍(p<0.05)(圖2)。

2.3 品種和氮處理對結(jié)果產(chǎn)生的差異性

主成分分析結(jié)果表明，第一二主軸分別解釋了總變異的48.4%，33.8%(圖3)。黑豐1號和迪慶苦蕎可以沿第一主軸明顯區(qū)分，但是N0處理下兩品種的差異性與其他兩個(gè)氮處理相反，表明品種對土壤理化性質(zhì)以及酶活性的影響明顯不同。黑豐1號的N0處理可以沿第二軸與N1，N2明顯區(qū)分，迪慶苦蕎的N0，N1處理可以沿第二軸與N2明顯區(qū)分，表明不施氮與施氮處理會(huì)對土壤理化性質(zhì)以及酶活性產(chǎn)生不同的影響。另外，土壤含水量、pH值均與土壤內(nèi)全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量以及氨氧化酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)。

注：HF為黑豐1號，DQ為迪慶苦蕎，N0為不施氮處理，N1為低氮處理，N2為常氮處理。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差，其上小寫字母表示同一品種不同氮處理間差異顯著(p<0.05)，不標(biāo)表示差異不顯著(p>0.05)；同一氮處理下黑豐1號與迪慶苦蕎相比，*表示差異顯著(p<0.05)，不標(biāo)表示差異不顯著(p>0.05)。下圖同。

圖1 氮處理和不同苦蕎品種對土壤速效養(yǎng)分的影響

圖2 氮處理和不同苦蕎品種對土壤氨氧化酶活性的影響

3 討 論

3.1 氮處理對不同苦蕎品種的土壤養(yǎng)分狀況以及酶活性的影響

圖3 主成分分析

3.2 不同苦蕎土壤含水量、pH值在低氮處理下的特征

4 結(jié) 論

不同基因型品種適應(yīng)脅迫的能力不同，脅迫環(huán)境下，耐瘠性強(qiáng)的迪慶苦蕎比耐瘠性弱的黑豐1號更具有競爭力。作物成熟期80%的氮素供給來自開花前植物體內(nèi)養(yǎng)分的積累及后期在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移，因此植物在開花前積累的氮素極為重要，這樣可以保證作物后期生長所需的營養(yǎng)，使其正常生長。低氮脅迫下迪慶苦蕎較黑豐1號吸收了更多水分，其根際土壤能夠保持較高的氨氧化酶活性，使得轉(zhuǎn)化出的有效態(tài)氮較多，而這些有效氮正是植物吸收利用氮素的主要來源。所以，對于未來貧瘠土壤上苦蕎的種植應(yīng)考量其耐瘠性的差異，選育耐瘠性強(qiáng)的品種來提高氮素吸收利用效率，增加效益。