施肥对毛竹根系酸性磷酸酶及氮代谢的影响

朱强根，金爱武，娄艳华，罗 静

(1.丽水学院，浙江 丽水 323000； 2.浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300)

施肥对毛竹根系酸性磷酸酶及氮代谢的影响

朱强根1，金爱武1，娄艳华2，罗 静2

(1.丽水学院，浙江 丽水 323000； 2.浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 临安 311300)

采用笋竹专用复合肥(N∶P∶K=18∶5∶8)开展不同施用量(0、375、900、1500 kg·hm-2分别记为CK、F1、F2、F3)对毛竹根系酸性磷酸酶及氮代谢相关酶活性的影响研究。结果表明：①根系酸性磷酸酶活性随施肥量增加而降低，与可溶性蛋白含量呈极显著负相关(r=0.806，P<0.01)。②硝酸还原酶(NR)活性表现为F2>F1>F3；谷氨酰胺合成酶(GS)活性表现为F3>F2>F1。③不同施肥水平下土壤养分差异显著，土壤养分与酶活性之间存在显著的相关性。

毛竹；施肥；根系；酸性磷酸酶；氮代谢

毛竹(Phyllostachysheterocyclacv.Pubescens)为禾本科大型的克隆植物，具有生长快、成材早、用途广、经济收益大等特点，为我国南方重要的经济竹种之一。磷是植物生长不可缺少的营养元素，在土壤中须以磷酸盐负离子形式被植物吸收利用，一些其他有机磷酸酯必须被分解为磷酸盐负离子才能进入植物根内，在此过程中，由微生物和植物根所分泌的酸性磷酸酶起到非常重要的催化作用[1]。酸性磷酸酶是植物体与土壤接触中重要的一种水解酶，对土壤环境和植株体内的磷进行分解利用，其活性高低与植物体中磷素丰缺状况有密切联系[2]。已有研究表明，土壤中供植物吸收的磷素含量减少时，会降低磷素对植物的利用率，限制植物的生长[3]。

根系是植株地上部分与地下部分进行营养交换的代谢器官，植物需要的氮素主要由根系吸收，氮在植物体内的代谢与许多酶活性关系密切[4]，其中硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)分别是植物氮同化与氨同化的关键酶，其活性的高低与土壤的供肥能力密切相关[2，4-7]。已有研究报道，氮代谢有关酶活性直接受到土壤供肥水平的影响[4]，在植物氮代谢过程中起到关键作用。硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的大小直接影响根系的生长和再分配，近年来，很多研究报道了施肥以及逆境条件下植物氮代谢相关酶活性的影响[6-7]，张鼎华等[8]对毛竹叶片酶活性进行了初步研究，但对毛竹根系相关酶活性的报道还是空白，因此本研究对此空白进行补充，以期为竹林施肥等技术提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概括

试验地设在浙江省龙泉市上垟乡，位于北纬27°42′—28°20′、东经118°42′—119°25′，属中亚热带季风气候区，温暖湿润，雨量充沛，四季分明。年降水量为1700 mm，年相对湿度为79 %，年均气温17.6 ℃，年无霜期263 d；林地土壤主要为发育于酸性岩浆岩和沉积岩的红壤或黄壤。

1.2 材料与方法

在2010年4月于龙泉市上垟乡，选取立地条件相似，立竹密度为(2250±115)株·hm-2，平均胸径8.3 cm的样地12块，每样地面积不低于400 m2，每3块样地设置1个施肥处理，共4个处理，以不施肥为对照(CK)。施肥量375、900、1500 kg·hm-2分别记为F1、F2、F3处理。每个处理3次重复，随机排列，肥料于每年5月中旬采用笋竹专用复合肥(氮∶磷∶钾=18∶5∶8)，沟施。连续施用3 a。

于2014年10月，每个处理选择毛竹1度、2度和3度植株，每度3株，间距30～50 cm，用土钻挖出毛竹根系，并用手抖法收集根系周围土壤，立即带回实验室，清洗根系并迅速过液氮冷冻后置于-80 ℃冰箱中保存，待分析酸性磷酸酶、硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性，土壤自然风干，测定土壤肥力等指标。

酸性磷酸酶活性测定采用梁宏玲等[9-10]方法，可溶性蛋白质测定采用考马斯亮兰方法[11]，硝酸还原酶(NR)活性测定采用张志良等[12]方法，谷氨酰胺合成酶(GS)活性测定采用赵世杰等[13]方法。

土壤全氮含量的测定采用半微量凯氏定氮法；水解氮测定采用碱性扩散法；铵钛氮测定采用靛蓝比色法；硝态氮测定采用紫外分光光度法；全磷及有效磷测定采用钼锑钪比色法；全钾及速效钾测定采用火焰光度计法；有机质测定用重铬酸钾容量法(外加热法)[14]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0统计软件进行方差分析、Duncan多重比较及回归分析。

2 结果与分析

2.1 施肥对毛竹根系酸性磷酸酶活性的影响

研究表明，酸性磷酸酶活性与植物受低磷胁迫的适应机制有着密切关系[15]，在缺磷条件下植物体内的酸性磷酸酶活性增加。由图1可知，不同施肥处理间毛竹根系酸性磷酸酶活性差异显著(P<0.05)，施肥根系的酸性磷酸酶活性显著低于不施肥根系的酸性磷酸酶活性，并随施肥量的升高，根系酸性磷酸酶活性降低。与CK相比，F1、F2、F3处理根系酸性磷酸酶依次降低16.6%、27.0%、35.0%(P<0.05)；与F1相比，F2、F3处理根系酸性磷酸酶相应降低12.5%、1.6%(P<0.05)，说明施肥增加了土壤磷素的含量，降低了磷素缺失的状况，促使磷胁迫程度降到最低。相关性分析显示(图2)，根系酸性磷酸酶活性与根系中可溶性蛋白含量呈极显著的负相关，相关系数r=0.806**(P<0.01，n=12)。

不同小写字母为差异显著(P<0 05)，下同。图1 施肥对根系酸性磷酸酶活性的影响 图2 根系可溶性蛋白含量

2.2 施肥对毛竹根系氮代谢关键酶活性的影响

2.2.1 对硝酸还原酶(NR)活性的影响 硝酸还原酶(NR)是参与植物体内硝态氮还原过程，直接影响植物体内的氮代谢，是植物氮素代谢的关键酶[16]，对植物的生长和产量有重要影响。由图3可知，F1、F2、F3处理的硝酸还原酶活性显著高于不施肥(CK)处理，与CK相比，F1、F2、F3处理的硝酸还原酶(NR)活性相应增加8.7%、17.2%、6.1%，表现为F2>F1>F3，当施肥量达到F2时，硝酸还原酶(NR)活性最大，F3比F2降低9.5%。多重比较发现，F1处理与F3处理之间差异不显著，但F1处理比F3处理硝酸还原酶活性高0.15 μg·g-1·h-1。说明施肥有助于提高硝酸还原酶(NR)活性，但不能过量施肥，否则会降低硝酸还原酶(NR)活性，影响植物的生长发育和产量形成。

2.2.2 对谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影响 谷氨酰胺合成酶是一种控制氮代谢的关键酶。由图4可以看出，不同施肥处理间毛竹根系谷氨酰胺合成酶(GS)活性差异显著(P<0.05)，谷氨酰胺合成酶(GS)活性的大小随着施肥量的增加而上升，F1、F2和F3处理谷氨酰胺合成酶活性均高于CK处理，与CK相比，GS活性依次增加49.3%、65.4%、76.5%(P<0.05)，不同施肥水平间谷氨酰胺合成酶(GS)活性表现为F3>F2>F1，与F3相比，F2、F1分别降低15.4%、6.3%(P<0.05)，施肥量达到F3时，GS活性最大。说明施肥对谷氨酰胺合成酶(GS)活性有促进作用。

图3 施肥对毛竹根系NR活性的影响图4 施肥对毛竹根系GS活性的影响

2.3 施肥对土壤养分的影响

土壤养分的高低直接影响植物的表现特征，通过施肥可以显著提高毛竹林土壤养分总量。由表1可以看出，施肥后土壤养分均有显著提高，与CK相比，F1、F2、F3处理有效磷依次增加14.7%、8.4%、4.2%，且均存在显著差异(P<0.05)；碱解氮依次提高0.5%、1.0%、0.7%，且均存在显著差异(P<0.05)；土壤氨态氮含量依次增加了9.5%、12%、24.4%，且均存在显著差异(P<0.05)；而硝态氮依次增加0.3%、0.1%、0.4%，且均存在显著差异(P<0.05)；速效钾含量依次增加9.57%、25.79%、15.78%，且均存在显著差异(P<0.05)。

表1 毛竹林土壤养分对不同施肥水平的响应

*：同列不同小写字母为差异显著(P<0.05)。

2.4 土壤养分与根系酶活性相关性分析

由表2可以看出，酶活性与土壤养分因子之间有显著相关性，硝酸还原酶与碱解氮、有机质、速效钾、pH、全磷、全氮均呈极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)正相关关系；谷氨酰胺合成酶与氨态氮呈极显著正相关关系(P<0.01)，与硝态氮、全氮、全磷、全钾、有机质和碱解氮呈显著正相关关系(P<0.05)；酸性磷酸酶与全钾、全磷、硝态氮和氨态氮呈极显著负相关关系(P<0.01)，与碱解氮、有机质和全氮呈显著负相关关系(P<0.05)。

表2 酶活性与土壤营养因子之间的关联性分析

*：X1为氨态氮；X2为硝态氮；X3为有效磷；X4为全氮；X5为全磷；X6为pH；X7为速效钾；X8为有机质；X9为碱性氮；X10为全钾；Y1为硝酸还原酶；Y2为谷氨酰胺合成酶；Y3为酸性磷酸酶；*为P<0.05；**为P<0.01。

3 结论与讨论

根系是植物吸收与储存养分的重要器官，具有高度的可塑性，土壤中营养因子有效性的高低和分布状况对植物根构型有一定的调控作用[17]。施肥对毛竹根系酸性磷酸酶及氮代谢相关酶活性具有显著影响，土壤养分及其与根系酶活性之间关系在不同施肥水平下存在明显差异。

酸性磷酸酶是植物体与土壤中一种重要的水解酶，其活性的高低反映了不同植物对磷胁迫的适应程度和耐低磷胁迫的能力。李峰等[18]研究发现，在低磷胁迫条件下水稻根系中酸性磷酸酶活性升高，与张恩和等[19]缺磷条件下小麦体内酸性磷酸酶活性研究一致。Yan等[20]认为植物耐低磷胁迫的能力是通过其他途径实现的，酸性磷酸酶活性的升高可能是植物对低磷环境的一种适应程度。Lefebre等[21]认为植物体内的酸性磷酸酶活性与植物对磷的利用效率关系密切。已有研究表明，土壤中可供植物直接吸收利用的磷含量较少，这在很大程度上限制了植物对磷素的利用率[3]，降低了植物根系养分的吸收利用，所以要用施肥来提高磷的利用率。本研究发现，施肥后根系的酸性磷酸酶活性显著低于不施肥根系的酸性磷酸酶活性，当施肥量为1500 kg·hm-2时，根系酸性磷酸酶活性最高，说明施肥增加了土壤磷素的含量，降低了磷素缺失的状况，提高了磷的利用率。

施肥能够增强植物体内的氮代谢，促进植物对氮素的吸收。孙小霞等[22]研究发现施肥能提高植物体内NR活性。周晓琳等[23]研究表明，施肥对玉米氮代谢的形成具有显著的调节作用，随施肥量增加，NR活性增加。本研究发现，施肥后硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性增强，其原因一方面是肥料直接促进NR与GS活性的提高，另一方面是肥料促进植物吸收更多的氮素，使植物体合成更多的NR与GS，间接导致活性升高。赵越等[24]对甜菜NR与GS活力研究发现，NR与GS活性随氨态氮肥浓度的增加而呈增加趋势，陈煜等[25]对大豆叶片NR与GS活性研究发现，不同氮源的NR与GS活性都高于对照处理，与本研究一致。另外，根系酶活性与土壤养分之间均有显著的相关关系。刘淑云等[26]对夏玉米关键酶活性研究发现，硝酸还原酶与碱解氮(r=0.737，P<0.01)呈极显著相关关系，与有机质、全氮、全磷、速效磷、速效钾和pH都无显著相关性，谷氨酰胺合成酶也无显著相关性。本研究硝酸还原酶与碱解氮、有机质、速效钾、pH、全钾、全氮均有显著相关性，谷氨酰胺合成酶与氨态氮、硝态氮、全氮、全磷、全钾、有机质和碱解氮均有显著相关性。包耀贤等[27]研究表明，施肥后的土壤肥力显著高于不施肥，与本研究一致。龚伟等[28]认为施肥能维持和提高土壤肥力，促进植物根系代谢和生长，间接地提高酶活性。

综上所述，施肥量为1500 kg·hm-2时，可以提高毛竹林土壤供给营养元素的能力，增强土壤肥力，促进毛竹林根系繁殖生长和氮代谢的能力。本研究对今后深入研究毛竹根系酶活性将会起到推动作用，并对了解毛竹根系氮代谢具有重要的生理意义。

[1]孙海国，张福锁.缺磷条件下的小麦根系酸性磷酸酶活性研究[J].应用生态学报，2002，13(3)：379-381.

[2]黄宇，张海伟，徐芳森.植物酸性磷酸酶的研究进展[J].华中农业大学学报，2008，27(1)：148-154.

[3]Selvaraj P，Munusamy M，Tongmin S.Isolation and identification of phosphate solubilizing bacteria from Chinese cabbage and their effect on growth and phosphorus utilization of plants[J].Microbiol Biotechnol，2008，18(4)：773-777.

[4]王华静，吴良欢.氮形式对植物生长和品质的影响及其机理[J].科技通报，2005，21(1)：50-51.

[5]Lawlor DW.Dependence of photosynthesis of sunflower and maize leaves on phosphate supply，ribulose，bisphosphate carboxylase/oxygenase activity，and ribulose，Bispho sphatepool size[J].Plant physiology，1992，98(5)：801-807.

[6]Wang X-D，Yu Z-W，Wang D.Effect of potassium on flag leaf proteinase sactivity and kernel quality in wheatl[J].Act a Agron Sin(作物学报)，2003，29(3)：285-289.

[7]Gouia H，Ghorba M H，Meyer C.Effects of cadmium on activity of nitrate reductase and on other enzymes of the nitrate assimilation pathway in Bean[J].Plant Physiol Biochem，2000，38(4)：629-638.

[8]张鼎华，王德水，邱燕，等.毛竹硝酸还原酶活性的初步研究[J].福建林业科技，2003，30(2)：22-27.

[9]梁宏玲.两个不同磷效率甘蓝型油菜品种磷吸收利用的差异性机理研究[D].武汉：华中农业大学资源与环境学院，2005.

[10]UekiK，Sato.Regulation of PhosPhatase synthesis by orther PhosPhate in eultured tobaceo cell[J].Plnat cell，1977(18)：1253-1263.

[11]皱琦.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业出版社，2000：27-30.

[12]张志良，瞿伟菁.植物生理学实验指导[M].北京：高等教育出版社，2009：33-35.

[13]赵世杰.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业科学技术出版社，2002：48-51.

[14]全国农业技术推广服务中心.土壤分析技术规范[M].北京：中国农业出版社，2006：3-74.

[15]Garcia M，Ascencio J.Root morphology and acid phosphatase activity in tomato plants during development of and recovery from phosphorus stress[J].Journal of Plant Nutrition，1992，15(11)：2491-2503.

[16]陈少裕.膜脂过氧化与植物逆境胁迫[J].植物学通报，1989，6(4)：211-217.

[17]严小龙.根系生物学[M].北京：科学出版社，2007：72-75.

[18]李锋，李木英，潘晓华，等.不同水稻品种幼苗适应低磷胁迫的根系生理生化特性[J].中国水稻科学，2004，18(1)：48-52.

[19]张恩和，王惠珍，阎秋洁.不同基因型春小麦对磷胁迫的适应性反应[J].麦类作物学报，2006，26(2)：117-120.

[20]Yan X L，Liao H，Trull MC，Steve E，Beebe S E，Lynch J P.Induction of amajor leaf acidphosphatasedoesnot confer adaptation to low phosphorus availability in common bean[J].Plant Physiology，2001，125(4)：1901-1911.

[21]Lefebre D D，Duff S M G，File C，et a1.Response to phosphate deprivation in brassica nigra suspension cells[J].Plant Physiology，1990，93(2)：504-511.

[22]孙小霞，林豪森，林瑞余.不同施肥条件对鱼腥草碳氮代谢生理指标的影响[J].植物生理学科，2007，23(5)：216-220.

[23]周晓琳，薛登峰，刘树堂，等.长期定位施肥对夏玉米氮代谢的影响[J].中国农学通报，2009，25(2)：85-88.

[24]赵越，魏自民，马风鸣.不同水平铵钛氮对甜菜硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活力的影响[J].中国糖科，2003，22(1)：22-25.

[25]陈煜，朱保葛，张敬，等.不同氮源对大豆硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性及蛋白质含量的影响[J].大豆科学，2004，23(2)：143-145.

[26]刘淑云，董树亭，赵秉强，等.长期施肥对夏玉米叶片氮代谢关键酶活性的影响[J].作物学报，2007，33(2)：278-283.

[27]包耀贤，黄庆海，徐明岗.长期不同施肥下红壤性水稻土综合肥力评价及其效应[J].植物营养与肥料学报，2013，19(1)：74-81.

[28]龚伟，颜晓元，王景燕.长期施肥对土壤肥力的影响[J].土壤，2011，43(3)：336-342.

Effect of Fertilization on Root Acid Phosphatase and Nitrogen Metabolism ofPhyllostachysheterocyclacv.Pubescens

ZHU Qiang-gen1，JIN Ai-wu1，LOU Yan-hua2，LUO Jing2

(1.Lishuicollege，Lishui323000，Zhejiang，China； 2.Forestcultivationschoolofforestryandbiotechnology，ZhejiangUniversityofagricultureandforestry，Lin′an311300，Zhejiang，China)

An experimental research was conducted to investigate the effect of different fertilization(0、375、900、1500 kg·hm-2)levels on root acid phosphatase and nitrogen metabolism ofPhyllostachysheterocyclacv.Pubescens.The results showed that：①The activity of root acid phosphatase which had very significant negative correlation with soluble protein content (r=0.806，P< 0.01) decreased with increasing in fertilizer rate.②The activity of nitrate reductase (NR) showed that F2>F1>F3；the activity of glutamine synthetase (GS) showed that F3>F2>F1.③There was a significant difference between the soil nutrients under different fertilization levels，there was significant correlation between soil nutrients and enzyme activity.

Phyllostachysheterocyclacv.Pubescens；fertilization；root；acid phosphatase；nitrogen metabolism

2015-02-02；

2015-04-14

丽水市科技局自筹项目(2013ZC001)；公益技术应用项目(2013JYZB09)

朱强根(1975—)，男，江西丰城人，丽水学院讲师，博士，从事人工林高效培育和土壤生态学研究。E-mail：qianggenzhu@163.com。

金爱武，男，浙江遂昌人，丽水学院研究员，博士，从事竹林培育与利用研究。E-mail：kinaw@zafu.edu.cn。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.01.006

S795.7；S725.5

A

1002-7351(2016)01-0030-05