翟曉芳，周君璽，孫浩然，唐 靚，沈玉芳

(1.西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

氮是植物蛋白質、酸性物質、葉綠素等物質的主要成分，在植物生理調控中起著重要作用，并且對植物的生長發(fā)育和產量形成起關鍵作用。根系是植物水分和養(yǎng)分吸收運輸的主要器官[1]，根系構型及形態(tài)和土壤環(huán)境中養(yǎng)分的分布密切相關[2]，其對土壤探測能力是影響氮素吸收效率的主要決定因素[3]。養(yǎng)分供應對根系形態(tài)也有很重要的調控作用。低氮脅迫會促進或抑制主根的生長[4-5]。Stitt等[6]在煙草上的研究發(fā)現，高濃度氮供應條件下，作物主根長度降低。Linkohr等[7]對擬南芥的研究也發(fā)現同樣的結果。Jia等[8]發(fā)現供應高濃度氮水稻種子根生長明顯被抑制。但Zhang等[9]的研究卻發(fā)現，外界氮濃度從0.01 mmol·L-1增加到100 mmol·L-1，擬南芥主根的長度沒有變化。因此，氮養(yǎng)分供應調控作物根系生長，但目前不同作物及作物不同種類根系形態(tài)對介質不同水平氮供應的響應表現不一。

黃土高原是全國光能資源最豐富地區(qū)之一，氣候生產潛力可觀[10]，水分是影響該地區(qū)作物產量的主要因素之一[11]，農田實際生產力變異較大。氮素在一定程度上可降低玉米對干旱的敏感程度[12]，對干旱條件下作物產量降低有補償作用[13]，但水分脅迫會影響作物對氮肥的有效吸收[14]。硝酸鹽是該旱作區(qū)農田土壤中氮素的主要存在形態(tài)，也是作物吸收利用的最主要形式。在作物生長初期，施肥后由于降雨或灌溉導致硝態(tài)氮急速增加，超過了作物對氮養(yǎng)分的獲取能力，使其隨水流出根區(qū)，在土壤中形成了非均勻分布[15]。此外作物殘體分解、施肥、耕作、土壤微生物活動等也會導致土壤養(yǎng)分的異質性分布[16]。因此研究作物對土壤中養(yǎng)分的異質性分布的響應對提高該地區(qū)肥料利用效率具有更重要的意義。

植物根系生長對土壤資源的異質性分布表現出較強的可塑性[17]，如在局部高濃度一側的根系側根顯著增加[18]。當供給不同數量、濃度以及距植株不同距離的局部養(yǎng)分時，作物根系會優(yōu)先分配較多的側根到養(yǎng)分富集區(qū)來獲取養(yǎng)分[19-20]，從而盡最大可能地獲取養(yǎng)分。玉米是黃土高原旱作區(qū)最主要的作物之一，具有復雜的根系系統(tǒng)，由主根、種子根和節(jié)根構成[21]，其中主根和種子根主要在苗期的生長發(fā)育過程中發(fā)揮作用[22-24]。但目前鮮見玉米不同種類根系及作物養(yǎng)分吸收對土壤中養(yǎng)分在時間和空間分布上異質性的響應研究報道。因此，開展不同水分條件下，兩個氮效率品種玉米不同種類根系形態(tài)及作物氮吸收對局部高濃度硝酸鹽供應的響應規(guī)律及差異性，以期為深入了解作物根系形態(tài)對養(yǎng)分非均勻性分布的響應策略，以充分挖掘作物根系生物學潛力，為提高旱作農田氮養(yǎng)分利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

水培試驗在西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕和旱地農業(yè)國家重點實驗室自然照明溫室內進行。選用了兩個不同氮效率玉米品種鄭單958和魯單981。設置正常水分(W)和中度水分脅迫(S，模擬溶液水勢-0.4 MPa)兩個水分處理；在每個水分處理下又分別對主根(PR)和種子根(SR)設置低濃度硝酸鹽 (0.5 mmol·L-1，L)和高濃度硝酸鹽(5 mmol·L-1，H) 處理：(1)主根和種子根均為低濃度硝酸鹽處理，LPR-LSR；(2)主根高濃度硝酸鹽處理，種子根低濃度硝酸鹽處理，HPR-LSR；(3)主根低濃度硝酸鹽處理，種子根高濃度硝酸鹽處理，LPR-HSR。

供試作物種子要求籽粒飽滿一致、無病蟲害。將玉米種子用10%的雙氧水(v/v)消毒30 min，用蒸餾水沖洗干凈，再用飽和CaSO4溶液浸種6 h后將種子置于暗室育苗發(fā)芽。育苗在植物恒溫智能培養(yǎng)箱中進行, 設定溫度為 25 ℃。期間，定時噴適量水，使濾紙?zhí)幱谝欢穸?。待長出兩片葉子后，挑選大小一致的幼苗去掉胚乳后，轉移至不透光的培養(yǎng)缽進行全營養(yǎng)液分根實驗，即將主根和種子根分別置于用有機玻璃擋板隔開的分根箱兩側(30cm×20cm×20cm)的營養(yǎng)液中，每側用加氧泵持續(xù)通氣，每7天更換一次營養(yǎng)液。營養(yǎng)液成分為：1.5 mM Ca(NO3)2，0.5 mM K2SO4，0.25 mM Ca(H2PO4)2，0.5 mM MgSO4, 75 μM Fe-EDTA，46.25 μM H3BO3，9.15 μM MnCl2，0.76 μM ZnSO4，0.32 μM CuSO4，0.51 μM H3MoO4，pH=6.0。硝酸鹽為Ca(NO3)2。低濃度營養(yǎng)液中用CaCl2補足離子濃度。自然光下溫室中生長,每處理重復3次。溫室中培養(yǎng)3周后取樣測定各指標。

1.2 測定項目及方法

根系形態(tài)測定：收獲的主根和種子根用掃描儀( EPSON Perfection V800，Suwa，Japan)掃描成圖片，然后用根系分析軟件WinRHIZO Pro Vision 5.0 software(Regent Instruments Inc.,Quebec，Canada)分別分析根系的根長、根表面積以及根系體積。

生物量及氮含量測定：將玉米植株分為地上部和根系兩部分，其中根系又細分為主根和種子根。在105℃下殺青，并在70℃烘箱中烘干至恒重。烘干后的樣品粉碎后用濃H2SO4消煮-凱氏定氮法測定各部分氮濃度，根據各部分生物量，計算各部分的氮含量，最后相加得到植株總的氮含量。公式如下：

地上部氮含量(mg)=地上部生物量(g)× 地上部氮濃度(mg·g-1)

根系氮含量(mg)=根系生物量(g)× 根系氮濃度(mg·g-1)

1.3 數據處理

采用EXCEL 2010軟件整理數據，利用SPSS 18.0軟件Duncan法進行差異顯著性分析，Sigmplot 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 局部高濃度硝酸鹽供應對玉米根系形態(tài)的影響

2.1.1 主根 局部高濃度硝酸鹽處理對玉米根系主根形態(tài)影響見圖1。不同品種看，氮高效品種鄭單958主根的根長和根表面積均大于魯單981，但根系體積的差異性表現不一。在水分脅迫條件下(S)，鄭單958和魯單981的主根根長、表面積以及體積總體上均低于正常水分條件(W)。與LPR-LSR處理相比，無論是在W還是S中，LPR-HSR處理兩個玉米品種的主根根長均增加，且在S條件下增加顯著，尤其是氮低效品種魯單981增加了152.6%；LPR-HSR處理增加兩個品種玉米的主根的表面積，特別是在S條件下，鄭單958和魯單981分別增加了62.1%、144.9%；然而在W條件下，LPR-HSR處理使主根體積減少，鄭單958和魯單981分別降低了5.8%、39.0%。與LPR-LSR處理相比， HPR-LSR處理鄭單958的主根根長在S條件下顯著增加23.6%，魯單981在S條件下顯著增加46.5%；HPR-LSR處理顯著增加S條件下的兩玉米品種的主根表面積；HPR-LSR處理顯著減少W條件下鄭單958主根體積，但顯著增加W和S條件下魯單981的主根體積。結果表明，無論是對主根或種子根的局部高濃度硝酸鹽處理，均可促進兩種氮效率玉米的主根根長和根表面積，且當主根處于高濃度環(huán)境中時對主根生長的影響較明顯。

2.1.2 種子根 局部高濃度硝酸鹽處理對玉米根系種子根形態(tài)影響如圖2所示。不同品種看，與魯單981相比，正常水分條件下(W)氮高效品種鄭單958的種子根的生長無明顯優(yōu)勢，但在水分脅迫條件下(S)鄭單958的種子根的生長優(yōu)勢明顯。水分脅迫處理顯著降低魯單981的種子根的根長、根表面積和根體積。與LPR-LSR處理相比， LPR-HSR處理僅顯著增加了W條件下的鄭單958和魯單981種子根根長和魯單981種子根的表面積，其它條件下差異不顯著；對于種子根體積而言，無論是在W還是S條件下，鄭單958均表現為抑制作用，而魯單981均表現為促進作用。與LPR-LSR處理相比，在W和S條件下，HPR-LSR處理鄭單958種子根根長分別降低4.8%和10.0%，魯單981分別增加32.1%和降低29.9%，但差異均不顯著；鄭單958種子根表面積在S條件下增加67.0%，魯單981種子根表面積在W條件下增加51.2%；HPR-LSR處理對兩個玉米品種種子根根體積均表現為促進作用，尤其在S條件下，處理間達到顯著差異。結果表明，在W條件下，種子根的局部高濃度硝酸鹽處理對氮低效魯單981種子根的生長促進作用更顯著，而在S條件下，對鄭單958的種子根生長表現出抑制作用。主根的局部高濃度硝酸鹽處理對S條件下鄭單958的種子根表面積和根體積具有更顯著的促進作用。

注：W：正常水分；S：水分脅迫；LPR-LSR：主根和種子根均低濃度硝酸鹽供應(0.5 mmol·L-1)；LPR-HSR：主根低濃度硝酸鹽供應(0.5 mmol·L-1)，種子根高濃度硝酸鹽供應(5 mmol·L-1)；HPR-LSR：主根高濃度硝酸鹽供應(5 mmol·L-1)，種子根低濃度硝酸鹽供應(0.5 mmol·L-1)。不同字母表示處理間有顯著差異(P<0.05),下同。 Note: W: normal water ; S: water stress; LPR-LSR: primary and seminal root received a uniform low nitrate supply (0.5 mmol·L-1); LPR-HSR: primary root received a low nitrate supply (0.5 mmol·L-1), seminal roots received a high nitrate supply (5 mmol·L-1); HPR-LSR: primary root received a high nitrate supply (5 mmol·L-1), seminal roots received a low nitrate supply (0.5 mmol·L-1). Different letters mean significant differences among treatments at P<0.05 level. The same below.圖1 不同處理對玉米主根形態(tài)的影響Fig.1 Effects of different treatments on the morphology of primary root of maize

2.2 局部高濃度硝酸鹽供應對玉米根系生物量及氮含量的影響

局部高濃度硝酸鹽處理對主根和種子根生物量的影響如圖3所示。在相同處理條件下，鄭單958的主根生物量高于魯單981，尤其是在W條件下，但其種子根生物量低于魯單981。水分脅迫處理(S)對鄭單958的主根和種子根生長的抑制作用更顯著。局部高濃度硝酸鹽處理對兩玉米品種主根和種子根生物量的增加效應主要表現在W條件下。與LPR-LSR處理相比，在W條件下，LPR-HSR和HPR-LSR處理均增加鄭單958主根和種子根生物量，在LPR-HSR處理條件下，鄭單958主根和種子根生物量分別增加了11.6%、18.0%，魯單981分別增加了15.4%、30.6%；在HPR-LSR處理下，鄭單958分別增加了13.6%、16.0%，魯單981分別增加了51.7%、20.2%；S條件下，不同硝酸鹽處理鄭單958主根和種子根生物量基本一致。與LPR-LSR處理相比，LPR-HSR處理顯著減少S條件下魯單981的種子根生物量，表明在水分脅迫條件下，高濃度供氮處理種子根將抑制魯單981的種子根生長；W條件下，HPR-LSR處理后魯單981的主根和種子根生物量均增加，其中主根增加顯著，表明魯單981生物量受氮素供應影響較大。

圖2 不同處理對玉米種子根形態(tài)的影響Fig.2 Effects of different treatments on the morphology of seminal roots of maize

圖3 不同處理下玉米主根和種子根生物量Fig.3 Biomass of primary and seminal roots of maize under different treatments

局部高濃度硝酸鹽處理對主根和種子根氮累積量的影響如圖4所示。在相同處理條件下，鄭單958和魯單981的主根和種子根氮累積量差異較小。水分脅迫處理(S)對兩玉米品種的主根和種子根氮累積的抑制作用顯著。與LPR-LSR相比，無論是在W還是在S條件下，LPR-HSR和HPR-LSR處理對兩品種玉米主根和種子根的氮累積量(除S條件下魯單981種子根外)均有顯著促進作用。與LPR-HSR處理相比，在W和S條件下，魯單981在 HPR-LSR處理下主根的氮累積量均顯著增加，鄭單958主根氮累積量增加不顯著。

2.3 局部高濃度硝酸鹽供應對玉米地上部生物量及氮含量的影響

局部高濃度硝酸鹽處理對地上部生物量和氮累積量的影響如圖5所示。不同品種看，總體上，相同處理條件下，鄭單958的地上部生物量和地上部氮累積量均高于魯單981。水分脅迫(S)處理顯著降低不同處理地上部生物量和氮累積量。與LPR-LSR處理相比，無論是在W還是在S條件下，LPR-HSR和HPR-LSR處理地上部生物量以及氮累積量均增加，并且在HPR-LSR處理下增幅較大,在LPR-HSR處理條件下，增加幅度范圍分別在35.0%～107.9%、162.9%～291.1%，在HPR-LSR處理條件下分別為56.7%～109.4%、204.1%～377.0%。在W條件下，通過局部高濃度硝酸鹽處理后魯單981地上部生物量和氮累積量增加的幅度較大，然而在S條件下，鄭單958的增加幅度較大，結果表明在正常水分環(huán)境中氮低效品種魯單981受氮素供應影響較大，并且對水分脅迫的反應較敏感。

圖4 不同處理下玉米主根和種子根氮累積量Fig.4 N accumulation of primary and seminal roots of maize under different treatments

圖5 不同處理下玉米地上部生物量和氮累積量Fig.5 Shoot biomass and N accumulation of maize under different treatments

3 討 論

氮是植物主要的營養(yǎng)元素，氮素供應對植物根系生長、形態(tài)以及分布具有明顯的影響。在氮素供應不足的情況下，局部高濃度氮素供應能夠促進根系在養(yǎng)分富集區(qū)的生長[25-28]。根系生長的可塑性使植物優(yōu)化了對養(yǎng)分的吸收，從而提高其對環(huán)境的適應性[29-30]。陳哲等[31]通過水培分根試驗也發(fā)現局部供氮可以促進側根的生長，并且存在基因型差異。本研究結果表明，在不同水分環(huán)境條件下，不同品種玉米主根和種子根生長對局部高濃度供氮的響應能力存在顯著差異。與LPR-LSR處理相比，無論是LPR-HSR還是HPR-LSR處理均能夠促進主根的根長和根表面積的增加，尤其是在水分脅迫(S)條件下；對種子根而言，在S條件下種子根伸長受到抑制，在正常水分(W)條件下表現為促進作用，且魯單981的主根和種子根的根長和根表面積的增加幅度較大，表明其對局部高濃度處理的反應較敏感，受氮素供應影響較大。局部高濃度的氮養(yǎng)分供應后增加根系的表面積，可以增大根系與養(yǎng)分的接觸面積，增加根系對養(yǎng)分的吸收[28]。這與于鵬[32]局部高濃度供氮僅刺激了本區(qū)域內主根的生長，而處于低濃度一側的種子根生長受到抑制的結果不同。與正常水分處理比較，水分脅迫條件下高濃度硝酸鹽供應可以促進主根的生長。這可能是在土壤中尋找可利用資源的一種覓食戰(zhàn)略[33-34]，并被看作是提高作物水分利用的增產性狀之一[35]。但種子根生長卻受到抑制，這表明與主根相比，水分脅迫會影響種子根的生長對硝酸鹽的響應。

植物根系吸收氮素需要消費碳源來維持[36]。在本試驗中，與LPR-LSR處理相比，局部高濃度供氮后，刺激區(qū)域和低濃度區(qū)域的根系生物量均增加(除S條件下LPR-HSR處理種子根生物量外)，尤其在W條件下。這可能是因為在分根培養(yǎng)處理中存在氮素饑餓誘導信號，低濃度一側的氮素饑餓信號促進了光合產物從地上運輸到根系[37-38]。從而使植物在當前資源分布情況下根系發(fā)展更多的生物量[38]。在W條件下，除HPR-LSR處理下鄭單958外，處于高濃度一側的根系生物量的增加幅度大于低濃度一側根系的增加幅度，這應該與高濃度供氮區(qū)域有充分的養(yǎng)分有關，碳水化合物都將優(yōu)先運輸到此區(qū)域，以促進高濃度硝態(tài)氮供應區(qū)域的根系生長發(fā)育[39]，這與Shemesh 等[40]研究一致。無論是主根還是種子根區(qū)域局部高濃度氮處理，兩區(qū)域的根系氮累積量與均勻低濃度硝酸鹽處理間差異均達到顯著水平，這由于氮在植物體內的移動性較強，在氮富集區(qū)域吸收的氮可以轉移至氮脅迫區(qū)域從而促進不同種類根系的共同生長[41]。與氮高效品種鄭單958相比，氮低效品種魯單981在W條件下增加幅度較高，而在S條件下增加幅度較低，表明魯單981的根系生長受氮素和水分供應影響較大。與W處理相比，在S條件下局部高濃度供氮，主根和種子根生物量的增加幅度較低。有研究表明，在干旱條件下施氮主要增加根長和表面積而不是根系生物量[42]。

在氮素非均勻分布的環(huán)境中，根系主要依靠根系形態(tài)變化來獲取養(yǎng)分[32]，促進地上部的養(yǎng)分吸收和生長發(fā)育。在本試驗中，與LPR-LSR處理相比，無論是在W還是在S條件下，局部高濃度硝酸鹽供應處理均會促進地上部生物量以及氮累積量的增加，且HPR-LSR處理條件下地上部生物量增加的幅度較大。這表明在氮素非均勻分布環(huán)境中，當主根處于高濃度區(qū)域時將會更顯著促進生物量的增加，對玉米苗期生長發(fā)育發(fā)揮著重要作用。在相同處理條件下，兩個玉米品種在不同水分環(huán)境中存在基因型差異。在水分脅迫條件下，局部高濃度硝酸鹽處理后，鄭單958地上部生物量、氮含量提高的幅度高于在正常水分條件；而魯單981相反。這表明氮高效品種在水分脅迫下的局部高氮的調節(jié)效應更明顯，氮素具有較強的改善其生理功能、增強玉米抗旱性的作用[43]。而氮低效魯單981受水分影響較大，抗旱性較弱。研究表明，增加玉米根系根長可以提高對氮素的吸收能力，并促進其產量的形成[44-45]。尹霞[28]在局部供氮分根試驗中也發(fā)現蠡玉 13、鄭單958 和NE1由于具有根系生長優(yōu)勢，所以地上部氮含量顯著高于其它品種。在本試驗中，相同條件下，鄭單958有較大的根系生長優(yōu)勢。因此與魯單981相比，鄭單958的地上部生物量以及氮含量都較高，尤其是處于水分脅迫環(huán)境中。

4 結 論

1)與氮低效魯單981相比，氮高效鄭單958具有較大的主根根長、根表面積、根系生物量、地上部生物量和氮累積量。

2)水分脅迫對不同硝態(tài)氮供應條件下玉米主根和種子根形態(tài)影響不同，但會降低主根、種子根和地上部生物量和氮累積量。

3)局部高濃度硝酸鹽供應顯著影響玉米主根和種子根根系形態(tài)、生物量及氮累積。與LPR-LSR相比，局部高濃度處理促進正常水分條件下主根和種子根根長和根系表面積；但水分脅迫條件下，促進主根的生長，卻抑制種子根根長，這表明水分脅迫可能會影響種子根生長對高濃度硝酸鹽的響應。

4)除水分脅迫條件下LPR-HSR處理外，局部高濃度硝酸鹽處理可同時增加兩側根系和地上部的生物量及氮累積量；且HPR-LSR處理條件下地上部生物量和氮累積量增加的幅度較高，表明在氮素非均勻分布環(huán)境中，當主根處于高濃度區(qū)域時將會更顯著促進生物量的增加。