不同施氮水平对甘薯生长前期根系生物学特性的影响

高璐阳　房增国

摘要：在盆栽试验条件下，以甘薯LS9、YS25为试验材料，分析比较了不同施氮量对收获期薯块产量、氮素利用以及移栽后30～70 d根系活力、根长、根直径、根表面积、根体积等形态学指标的影响。结果表明，N0.1处理的薯块产量显著高于其他施氮水平，氮素利用效率、氮肥偏生产力随施氮量的增加而显著降低；N0.1水平下的根系活力最高，随施氮量的增加而逐渐降低，且YS25的根系活力受施氮水平的影响程度较LS9大；随甘薯生育期的延长，LS9、YS25的根干质量、总根长、根尖数、根系表面积、根体积均逐渐增加，而根系平均直径则先增大后减小；甘薯根系表面积、根体积在N0.1水平时达到最大值，根系平均直径在N0.2水平时最大，根长总体上在N0.1处理时最长，LS9、YS25的根尖数在N0.1、N0.2水平间无显著差异，但显著高于N0、N0.4处理。2个甘薯品种生长前期的根系生物学特性对不同氮水平响应程度的不同可能主要是由基因型差异造成的。

关键词：氮水平；甘薯；根系；生物学特性

中图分类号： S531.06 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0122-04

甘薯（Ipomoea batatas Lam.）为旋花科甘薯属一年生草本作物，是重要的粮食作物之一。目前中国甘薯种植面积和总产量均居世界首位[1]，因其具有适应性强、营养丰富等优点，近年来甘薯逐渐成为人们生活中的保健食品，市场需求逐渐增加[2]。氮是影响作物生长和产量提高的重要营养元素，合理施氮不仅有利于提高甘薯的干物质生产能力和块根产量，还能节约能源、减少环境污染；而过量施氮则会延迟结薯，导致茎叶徒长、薯块产量降低。国内对甘薯的研究主要集中在甘薯品种选育栽培及引种上[3-5]，与其他作物相比，甘薯施肥研究相对较少[6-7]，关于不同施氮水平对甘薯根系生物学特性影响的研究则鲜有报道。根系是甘薯主要的营养吸收器官，与地上部生长关系密切，作物具有强大的根系是获得高产的重要保证。因此，研究不同施氮水平下甘薯根系生物学特性的响应，对指导甘薯生产中氮素管理及环境生态保护等方面具有重要意义。本研究通过营养钵田间盆栽的种植方式，开展不同施氮水平对甘薯生长前期根系生物学特性影响的研究，旨在为甘薯氮肥的合理施用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验于2012年6—10月在青岛农业大学百埠庄甘薯试验基地进行，该地地处北温带季风区域，属温带季风气候，空气湿润、雨量充沛、温度适中、四季分明。供试土壤为0～20 cm耕层土壤，其基本化学性质为：有机质含量14.8 g/kg，碱解氮含量47.61 mg/kg，速效磷含量29.21 mg/kg，速效钾含量101.67 mg/kg。采用可装土20 kg的营养钵栽培，盆钵高、上口径、下口径分别为35、40、35 cm。供试鲜食型甘薯为短蔓品种LS9、长蔓品种YS25。试验统一育苗，6月16日每个营养盆栽插1株薯苗，10月28日收获，甘薯生长期间采用当地常规管理方法。

1.2 试验设计

试验共设置4个施氮水平：N0（不施氮肥）、N0.1（土中含氮量0.1 g/kg）、N0.2（土中含氮量0.2 g/kg）、N0.4（土中含氮量0.4 g/kg），各处理的磷、钾用量均为1.5 g P2O5/盆、3.0 g K2O/盆，装盆时用作底肥一次性施入。供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）、硫酸钾（含K2O 50%）。每个处理重复12次，完全随机排列。

1.3 测定方法

于定植后30、50、70 d 采集完整植株根系进行根系形态测定，首先于清水中反复洗净后，应用根系分析仪扫描完整根系，然后用根系分析软件（WinRhizo2009，Canada）进行相关根系指标分析，内容包括根长、表面积、体积、根尖数、平均直径等形态数据，分析完后将其烘干称质量。另取一部分用于根系活力测定，采用TTC还原法[8]。收获期记录每株地上部鲜质量、薯块鲜质量，并选取具有代表性的薯块洗净晾干切成粒状，薯蔓切成小段，采用四分法取200 g样品，置于干燥箱内105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干粉碎用于全氮含量测定，全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定[9]，同时测定薯蔓、薯块含水量。

1.4 测定项目与计算方法

有关指标的计算方法[10]如下：

植株吸氮量（g/株）=植株干物质积累总量×植株含氮量；

氮素利用效率（kg/kg）=薯块干物质量/植株吸氮量；

氮肥偏生产力（kg/kg）=某一种特定氮肥施用下薯块的产量/施氮量。

采用Microsoft Excel 2003处理数据和作图，用SAS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平对甘薯产量及氮素利用的影响

由表1可以看出，2个甘薯品种茎叶鲜质量均随施氮量的增加而增加，各处理间差异显著。LS9在N0.1、N0.2、N0.4处理下茎叶鲜质量分别为N0处理的1.28、1.54、2.13倍，而YS25在N0.1、N0.2、N0.4处理下茎叶鲜质量分别为N0处理的1.25、1.59、1.77倍；2个品种的薯块鲜质量均在N0.1处理下达到最大值且与其他处理差异显著，而施氮量增加到N0.2、N0.4处理水平时，薯块鲜质量下降，LS9、YS25分别降低了12.5%、30.9%；8.0%、33.1%，说明适当增施氮肥可有效提高薯块产量。

在本试验条件下，LS9的总吸氮量随着施氮水平的升高而增加，且不同处理间差异显著，在N0.1、N0.2、N0.4处理下，分别比N0处理增加29.3%、59.8%、100.9%；而YS25则在N0.2处理时达到最大值，且与N0.4处理无显著差异，却显著高于N0、N0.1处理，N0.1、N0.2、N0.4施氮处理的吸氮量分别比N0处理增加33.1%、55.7%、54.0%。不同施氮水平对2个甘薯品种氮素利用效率、氮肥偏生产力的影响均达显著水平，表现为随施氮水平的升高而降低；不同品种间的差异表现为短蔓品种LS9的氮素利用效率、氮肥偏生产力均高于长蔓品种YS25。

2.2 不同氮水平对甘薯根干质量及根系活力的影响

2.2.1 不同氮水平对甘薯根系干质量的影响 由图1可知，不同施氮水平下，LS9、YS25的根系干质量均随着生育期的延长而明显增加，2个品种在移栽30、50、70 d时，4个氮水平下甘薯根系干质量的平均值分别为9.7、13.8、21.5 g/株；16.7、22.5、29.2 g/株，相同时期的根系干质量均表现为YS25>LS9。

比较不同施氮水平对甘薯根系干质量的影响可以看出，薯苗移栽30 d后施氮量对甘薯根系干质量的影响不大，移栽50 d开始影响效果才逐渐明显，具体表现为LS9的N0.2处理显著高于N0、N0.4处理，至移栽70 d后各水平间无显著差异；YS25则是移栽后50～70 d均表现为N0.2处理显著高于N0处理，而与N0.1、N0.4处理差异不显著。在本试验条件下，2个品种甘薯根系干质量随施氮量增加均表现出N0.2处理最大、N0处理最低的趋势。

2.2.2 不同氮水平对甘薯根系活力的影响 由图2可知，不同施氮水平下LS9、YS25的根系活力均随着生育期的延长而增强，其变化趋势与根系干质量相一致，移栽30、50、70 d时4个氮水平下甘薯根系活力的平均值分别为89.3、112.8、1343 μg/（g·h）；115.6、129.3、163.0 μg/（g·h），且相同时期的根系活力基本上表现为YS25>LS9。

比较不同施氮量对甘薯根系活力的影响可知，2个品种甘薯的根系活力均表现为在N0.1处理下最高，之后随施氮量的增加而逐渐减小的趋势。YS25的根系活力受氮水平影响的程度较LS9大，移栽30 d后，LS9的根系活力为N0、N0.1处理显著高于N0.4处理，YS25则表现为N0.1处理显著高于N0、N0.2处理，且3者均显著高于N0.4处理；移栽50 d后，LS9、YS25在N0.1处理下的根系活力均显著高于其他3个氮处理，且N0.4处理最低；移栽70 d后，LS9、YS25根系活力在不同氮水平之间的差异有所缩小，具体表现为LS9根系活力在N0.1处理时显著高于N0.4处理，而YS25则为N0.1处理显著高于另外3个氮水平。

2.3 不同氮水平对甘薯根系形态学指标的影响

由表2可知，LS9、YS25的总根长均随生育期的推进逐渐增加，且LS9总根长增幅较YS25略大。薯苗移栽30、50、70 d后时LS9、YS25在4个氮水平下的总根长平均值分别为1 281.6、1 493.8、2 136.0；1 344.4、1 811.5、1 972.7 cm；相对于移栽30 d后，薯苗移栽50、70 d后，LS9在4个氮水平下的总根长平均值分别增加了16.6%、66.7%，而YS25在4个氮水平下的总根长平均值分别增加了34.7%、46.7%。

比较不同施氮水平对甘薯总根长的影响可看出，薯苗移栽30、50 d后，LS9在N0、N0.1处理下的总根长无显著差异，但均显著高于N0.2、N0.4处理，N0.4处理最低且与其他施氮水平有显著性差异；移栽70 d后，N0处理的总根长有变化，显著低于N0.1处理，但与N0.2处理无显著差异；薯苗移栽30 d后，YS25在N0.1、N0.2处理下的总根长无显著差异，但显著高于N0、N0.4处理；移栽50、70 d后，N0、N0.1、N0.2处理的总根长无显著差异，但N0.4处理显著低于其他氮水平。

由表2还可看出，薯苗移栽30、50、70 d后，LS9、YS25在4个氮水平下的根尖数平均值分别为2 247、3 919、4 509 条/株；2 892、4 235、4 636条/株。可见随生育期的延长，2个甘薯品种的根尖数逐渐增加，品种间比较为YS25略大于LS9。

比较不同施氮水平对甘薯根尖数的影响可知，2个甘薯品种根尖数均表现为N0.1、N0.2处理显著高于N0、N0.4处理。由此可见，在一定范围内增施氮肥可以提高甘薯根尖数，过量施氮则显著降低根尖数。

由表3可知，随生育期的推进，2个品种甘薯的根系平均直径呈先增大后减小的规律，且品种间表现为YS25变幅大于LS9。随着施氮水平的增加，2个品种甘薯的根系平均直径先增大后减小，在N0.2处理时达到最大值。

随着甘薯生育期的延长，LS9、YS25的根系表面积、体积均逐渐增大。从总体上说，LS9的根系表面积与YS25基本相当，但根体积明显大于YS25。比较不同施氮水平对甘薯根系总表面积及体积的影响可以看出，在本试验条件下，2个品种甘薯根系总表面积、体积均为N0.1处理最大，之后随施氮量增加而逐渐减小，且N0.1处理的根系总表面积、体积显著大于N0.4处理。

3 结论与讨论

氮素是作物必需的矿质营养元素之一，对甘薯生长发育和产量形成具有极其重要的作用。已有研究表明，施氮能促进甘薯叶片的光合作用和碳氮代谢[11]，但高氮可能导致块根延缓膨大[12]以及块根干物质分配比例降低[13]。Hartemink等认为，甘薯产量与氮肥用量呈负相关关系[14]。孙泽强等研究也表明，济薯21鲜薯产量和施氮量之间呈极显著负相关关系（土壤碱解氮含量为90.5 mg/kg）[15]。本研究表明，在碱解氮为47.6 mg/kg的土壤中，随着施氮水平的升高，薯蔓鲜质量及植株总吸氮量总体呈增加的趋势；当施氮量为N0.1处理水平时，薯块产量和氮肥偏生产力达最大值，然后随着施氮量的增加逐渐下降，且2个品种变化趋势相同，说明过量施氮有利于提高地上部鲜质量，但不利于薯块产量的提高。在实际生产中施用氮肥能否提高薯块产量，主要受气候条件、甘薯品种、栽培技术、土壤类型、基础肥力等因素的影响。

甘薯属于营养繁殖的匍匐作物，具有较强的发根能力，有研究认为在一定施氮量范围内，甘薯生长前期的根系总量随施氮量的增加而增加[16]。甘薯根系是甘薯吸收利用养分、水分的器官，其吸收能力不仅与根系生物量和形态特征相关，还与根系活力相关。根系活力是衡量作物根系代谢活动的强弱，反映根系吸收能力的一项基本生理指标，其活力大小直接影响作物对养分吸收能力和最终产量的高低。林文等研究认为，过高的氮素营养可降低水稻根系活力[17]。吕小红等研究表明，施氮肥能提高水稻根系氧化力，且适当提高氮素供应水平有利于维持后期根系活力，延缓根系衰老[18]。而有关不同施氮水平对甘薯根系活力影响的研究国内尚无报道。本研究表明，供试的2个品种甘薯的根系活力均在N0.1水平下最大，之后随施氮量的增加呈逐渐降低的趋势，且YS25的根系活力受氮水平的影响程度较LS9大，这与薯块产量的变化规律相吻合。

总根长是评价根系吸收功能最常用的指标。林文等认为，过高的氮素营养可抑制水稻根系的伸长[17]。根系表面积可反映与土壤直接接触的程度，其大小直接影响根系对土壤养分的吸收。金婷婷等证明，根系表面积、根系直径极显著影响作物根的吸收水平[19]。而作物能否高效吸收土壤中的养分在很大程度上取决于其根系构型，作物根系体积是组成根系构型的重要部分，直接决定根系吸收的动力。有研究表明，适量施氮可促进根分枝，增加根长和根质量；施氮过多则导致根系变短变细，根质量降低、侧根缩短及侧根数量减少[20]；而宁运旺等研究结果表明，在甘薯苗移栽后30 d，施氮肥处理下甘薯生长前期的根长、根平均直径、根表面积和根体积比不施氮肥处理均显著降低[21]，剖析其得出该结论的原因可能是尽管试验所用土壤的碱解氮含量与本试验相差不大，为 44.1 mg/kg，但施氮水平（分别为150、300 mg/kg 氮）较高或甘薯品种对氮水平的反应能力不同所致。本研究结果表明，随着甘薯生育期的延长，LS9、YS25的总根长、根尖数、根系表面积及根体积均逐渐增加，而根系平均直径则呈先增大后减小的趋势。甘薯根系形态学特性对不同施氮水平的响应为N0.1处理时，根系表面积、根体积达到最大值，N0.2处理时根系平均直径最粗。2个甘薯品种的总根长基本上在N0.1处理时最长，LS9、YS25的根尖数则分别是在N0.1、N0.2处理时最多，且每个品种在N0.1、N0.2处理间无显著差异，但显著高于N0、N0.4处理。2个甘薯品种生长前期的根系生物学特性对不同氮水平响应程度的不同可能主要是由于基因型差异造成的。

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