不同形态氮素施肥对小黑杨幼苗生长的影响

张 烁 张 宇 吴海波 刘洋荥 张 鹏

(东北林业大学林学院，哈尔滨 150040)

氮素是生物合成氨基酸，蛋白质及其他含氮有机物的大量营养元素,在植物的生命活动中发挥着极其重要的作用。土壤中的氮分为有机氮和无机氮，表土中90%的氮以有机氮形式存在[1]。经典的“植物矿质营养学说”认为,土壤中的有机氮必须经过微生物的矿化转化为无机氮才能被植物吸收利用，随着同位素示踪及分子生物学等新技术的发展，人们已相继证实植物可以直接吸收土壤中以氨基酸类为代表的小分子有机氮[2～5],氨基酸类有机氮可以作为有效的环境友好型氮源[6]。

对于有机氮施肥的生长和吸收效应研究过去多集中在生长周期短的农作物上,近些年才开始研究有机氮对树木的生长效应。现在已有报道证明在无菌条件下,氨基酸和多肽处理的植物,地下根系的生物量比地上部分所占的比重大[7～8]。Gruffman在此研究的基础上,在温室盆栽条件下，给挪威云杉(Piceaabies(L.) Karst)和欧洲赤松(PinussylvestrisL.)幼苗分别施无机氮肥和有机氮肥(精氨酸),发现在总生物量没有差异的情况下,生长在有机氮源的幼苗有更大的根生物量和根茎比,然后再将这些幼苗移植在苗圃地中,生长在有机氮源的挪威云杉幼苗当年的茎生长更高，有更好的大田表现[9]。他们认为有机氮在针叶树苗木育苗中有巨大潜力,可以作为无机氮源的替代和补充[10]。

土壤中含有十几种以上的自由氨基酸，不同物种对不同氨基酸的生长效应也有很大差异[11]。在农业的研究中，不同氨基酸对同一植物营养效应差异很大,同一氨基酸对不同植物营养效应差异也很大[12～13]。在树木幼苗的研究中，郭亚芬等采用水培试验,设置不同的有机氮肥(甘氨酸、谷氨酸、赖氨酸)供给落叶松(Larixolgensis)和红松(Pinuskoraiensis),发现施甘氨酸和谷氨酸的苗木生长状况好于施加赖氨酸的苗木[14～15]。

目前，氨基酸类有机氮对树木生长的影响研究还十分有限，已报道的研究主要集中在生长缓慢的针叶树种上，对于氨基酸类有机氮促进苗木生长的效应是否具有普遍性还需要更多的研究加以证明。本文以北方速生阔叶树种小黑杨(Populussimonii×Populusnigra)为对象，以其当年生播种苗为试验材料，通过对幼苗施用不同形态氮素及不同施氮量的处理，研究氨基酸态有机氮素对小黑杨幼苗生长的影响，验证阔叶树种对氨基酸态有机氮施肥的生长响应，同时为小黑杨苗期的合理施肥提供参考依据。

1 研究材料与方法

1.1 种子处理及育苗

试验材料为小黑杨的当年播种苗。小黑杨种子采自东北林业大学校园内成年母树上。小黑杨种子采集调制后，精选饱满、均匀的种子,用5‰的高锰酸钾溶液消毒浸种10 min，然后用去离子水反复冲洗多次直至去离子水清澈无色；将滤纸用去离子水浸湿后，平铺至直径为9 cm的培养皿中，将洗好的种子均匀摆放在滤纸上[16]，在室温(20℃)条件下发芽，待种子萌发后进行播种。

播种于5月下旬在温室内进行，播种容器选择长宽高分别为9 cm×9 cm×12 cm塑料容器，生长基质以草炭、河沙、圃地土按照体积比5∶3∶2的比例调配。每容器内播种5粒种子，待幼苗长出两片真叶后，挑选并保留长势均匀、一致的幼苗(每容器内仅保留一株)，进行后续的施肥试验。

1.2 施肥设置

(1)不同形态氮素及施氮量组合对小黑杨播种苗生长的影响。

氮肥选用有机氮(精氨酸)和无机氮(硝酸铵)两种，总施氮量分别为低氮(12 mg·株-1)、中氮(24 mg·株-1)、高氮(48 mg·株-1)3个水平，以不施任何氮肥的处理作为对照，共计7个处理。每周施肥1次，共计施肥12周，每周每株低氮、中氮和高氮处理的幼苗获得氮分别为1，2和4 mg。每个处理设置12次重复(即12株苗)。

(2)不同氨基酸施肥对小黑杨播种苗生长的影响。

采用不同种类氨基酸设置相同施氮量(24 mg·株-1)进行施肥，不同氨基酸及其组合分别为精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、精氨酸和谷氨酸(纯氮各12 mg·株-1)组合(Arg×Glu)，精氨酸和甘氨酸(纯氮各12 mg·株-1)组合(Arg×Gly)、甘氨酸和谷氨酸(纯氮各12 mg·株-1)组合(Glu×Gly)、精氨酸、谷氨酸和甘氨酸(纯氮各8 mg·株-1)组合(Arg×Gly×Glu)，以不施任何氮肥的处理作为对照，共计8种处理，每种处理设置12次重复(即12株苗)。共计施肥12周，每周每株施肥幼苗获得2 mg氮。

1.3 基于重量测定的浇水施肥

为了防止施用的氮肥流失并避免因水分胁迫对幼苗造成影响，采用基于重量测定的浇水施肥方法。试验开始前，通过浇水确定出各容器系统内基质的田间持水量，并计算出容器内基质处于田间持水量70%～80%时的容器总重量。试验开始后，每日测定各育苗容器重量，若容器总重量处于基质的田间持水量70%～80%时的重量范围则对容器内的各株苗木进行浇水或施肥，浇水或施肥后恢复容器重量至田间持水量状态。

每次施肥时将事先称量好的氮素溶解到营养液中(营养液中各类元素的目标浓度及其配制药品如表1所示)，使加入氮素后的营养液除氮形态不同外，所有大量和微量元素的浓度都相同。使用注射器对每株苗施肥，每株苗每次获得20 mL含氮素的营养液，对照只施20 mL无氮营养液。施肥后再用注射器加水以恢复容器的田间持水量。

表1营养液中各类元素的目标浓度及其配制药品

Table1Thetargetconcentrationofvariouselementsinthestocksolutionanditspreparationofchemicals

大量营养元素Macronutrient elements目标浓度Concentration(mg·L-1)药品Chemical compound微量营养元素Micronutrient elements目标浓度Concentration(mg·L-1)药品Chemical compoundN133根据氮肥确定Fe4.00FeSO4·7H2OP10085%H3PO4Mn0.80MnCl2·4H2OK117KH2PO4Zn0.32ZnSO4·7H2OCa80CaCl2·2H2OCu0.15CuSO4·5H2OMg40MgSO4·7H2OMo0.02Na2M·O4S56MgSO4·7H2OB0.50H3BO3

1.4 生长和生理指标测定

试验期间，每次施肥后测定各处理幼苗的苗高和地径。苗木收获时，测定各处理幼苗的苗高和地径。苗木收获后，将每株苗木分为根、茎、叶三部分带回实验室，用清水和软毛刷子洗净根部浮土，将样品放置70℃烘箱中烘干至恒重(48 h)，用电子天平(±0.000 1 g)分别称重，得各器官干重。植株总重为各器官重量之和。将各个器官样品烘干后，放入高速粉碎机中粉碎，过60目筛子。称取各处理植物样品20～25 mg，利用元素分析仪(vario MACRO,Elementar Co,Germany)测定苗木各器官的全氮含量，每种处理3次重复。

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 2007对原始数据进行输入和整理。釆用SPSS19.0 for Windows统计软件进行数据的方差分析和多重比较，采用双因素方差分析检验不同形态氮素和不同施氮量及其交互作用对苗高、地径、生物量和各器官氮含量的影响；采用单因素方差分析检验不同氨基酸及其组合施肥对苗高、地径、生物量和各器官氮含量的影响。

2 结果与分析

2.1 氮素形态与施氮量对小黑杨幼苗生长的影响

从表2可以看出，氮素形态与施氮量的交互作用对小黑杨播种苗各生长指标均无显著影响(P>0.05)，但施氮量对小黑杨播种苗苗高、地径、各器官生物量均有显著影响(P<0.05)。多重比较结果(表2)表明，小黑杨的苗高、地径均呈现随着施氮量的增加而增加的趋势,施氮处理苗木的苗高和地径都显著高于不施氮的对照处理，低氮、中氮和高氮处理的苗高分别比对照提高64%、83%和98%，低氮、中氮和高氮处理的地径分别比对照提高46%、54%和57%，但不同施氮量处理之间苗高和地径差异不显著。对茎生物量和根生物量的多重比较结果(表2)显示，低氮处理与对照差异不显著，但中氮和高氮处理的茎和根生物量显著高于对照，但两者之间差异不显著。对叶生物量、地上部分生物量和全株生物量的多重比较结果(表2)显示，施氮处理显著高于对照，中氮和高氮处理的生物量更高，但两者之间差异不显著。

氮素形态对小黑杨各生长指标(除根生物量外)的影响均不显著(P>0.05)。从根生物量上来看，施有机氮(精氨酸)的苗木略低于施无机氮(硝酸铵)的苗木。

2.2 氮素形态与施氮量对小黑杨幼苗组织氮含量的影响

从表3可以看出，氮素形态与施氮量的交互作用对小黑杨播种苗各器官氮含量无显著影响(P>0.05)，氮素形态对小黑杨播种苗各器官氮含量也无显著影响(P>0.05)。施氮量对小黑杨播种苗茎氮含量无显著影响(P>0.05),但施氮量显著影响小黑杨播种苗叶和根中的氮含量(P<0.05)。

多重比较结果(表3)显示，与对照相比，施氮处理显著提高了小黑杨播种苗叶和根的氮含量，叶氮含量最高的是低氮处理的苗木(26.97 mg·g-1),低氮、中氮和高氮处理的茎氮含量分别比对照提高了80%、39%和70%；根氮含量最高的是低氮处理的苗木(12.39 mg·g-1),低氮、中氮和高氮处理的根氮含量分别比对照提高了46%、36%和34%。

表2 不同形态氮素和施氮量条件下小黑杨播种苗的生长情况

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05),下同。

Note：The different letters in the same column indicate significantly different at 0.05 level(P<0.05),the same as below.

表3不同氮素形态和施氮量条件下小黑杨播种苗各器官氮含量

Table3NitrogenconcentrationdistributionindifferentorgansofP.simonii×nigraseedlingsfertilizedwithdifferentformsandamountsofnitrogen

处理Treatment茎氮含量Stem N concentration(mg·g-1)叶氮含量Leaf N concentration(mg·g-1)根氮含量Root N concentration(mg·g-1)施氮量Nitrogen amount(mg·seedling-1)09.49a15.00c8.51b1211.08a26.97a12.39a248.38a20.80b11.6a489.93a25.46a11.4aSE1.061.540.80氮素形态Forms of nitrogenNH4NO39.35a22.64a10.36aArginine10.09a21.47a11.59aSE0.751.090.57变异来源Source of variationdfP值P value氮形态Forms of nitrogen10.4930.4580.145施氮量Nitrogen amount 30.372<0.05<0.05氮形态×施氮量Forms of nitrogen×nitrogen amount30.8940.0610.829

2.3 不同氨基酸施肥对小黑杨幼苗生长的影响

与不施肥的对照相比,施用不同种类氨基酸均能促进小黑杨播种苗苗高和地径的生长，但不同种类氨基酸施肥的作用效果不同(表4)。不同种类氨基酸处理的小黑杨播种苗苗高差异显著(P<0.05),在单一氨基酸施用情况下，精氨酸和谷氨酸处理的苗高显著高于对照，分别比对照提高了61%和64%，甘氨酸处理与对照差异不显著；在氨基酸组合施用条件下，精氨酸和谷氨酸混合施用处理的苗高最高，精氨酸与甘氨酸混合施用处理的苗高生长也较好，两种处理的苗高均显著高于对照，分别比对照提高了73%和68%，但谷氨酸和甘氨酸混合施用处理的苗高生长较差，与对照苗高差异不显著。精氨酸、谷氨酸和甘氨酸混合施用处理的效果也较好，苗高比对照提高了53%。不同种类氨基酸处理的小黑杨播种苗地径差异显著(P<0.05),在单一氨基酸施用情况下，精氨酸、谷氨酸和甘氨酸处理的地径显著高于对照，分别比对照提高了42%、35%和27%，3种处理的地径差异不显著；在氨基酸组合施用条件下，精氨酸和甘氨酸混合施用处理的地径最高，精氨酸与谷氨酸混合施用处理的地径生长也较好，两种处理的地径均显著高于对照，分别比对照提高了40%和34%，但谷氨酸和甘氨酸混合施用处理的地径生长较差，与对照地径差异不显著。精氨酸、谷氨酸和甘氨酸混合施用处理的效果也较好，地径比对照提高了40%。

与不施肥的对照相比，施用不同种类氨基酸对小黑杨播种苗的茎生物量、根生物量、地上生物量虽然有所提高(表4)，但其差异不显著(P>0.05)。施用不同种类氨基酸对小黑杨播种苗的叶生物量和全株生物量影响显著(表4)。不同种类氨基酸处理的小黑杨播种苗叶生物量差异显著(P<0.05),在单一氨基酸施用情况下，精氨酸和谷氨酸处理的叶生物量显著高于对照，分别比对照提高了166%和98%，甘氨酸处理与对照差异不显著；在氨基酸组合施用条件下，精氨酸和谷氨酸混合施用处理的叶生物量最高，比对照提高了110%，但精氨酸与甘氨酸混合施用或谷氨酸和甘氨酸混合施用处理的叶生物量均较差，与对照叶生物量差异不显著。精氨酸、谷氨酸和甘氨酸混合施用处理的效果也较好，叶生物量比对照提高了108%。不同种类氨基酸处理的小黑杨播种苗全株生物量差异显著(P<0.05),在单一氨基酸施用情况下，精氨酸处理的全株生物量显著高于对照，比对照提高了114%，谷氨酸和甘氨酸处理的全株生物量与对照差异不显著；在氨基酸组合施用条件下，精氨酸和谷氨酸混合施用处理的全株生物量最高，比对照提高了111%，其它混合施用处理的全株生物量均较低，与对照差异不显著。

表4 不同种类氨基酸处理小黑杨播种苗的生长情况

注：表中数据为平均值±标准误,同列不同字母表示差异显著(P<0.05),下同。Note:Data were means±SE,The different normal letter in the same column indicate significantly different at 0.05 level(P<0.05),the same as below.

表5不同种类氨基酸处理小黑杨播种苗各器官氮含量

Table5NitrogenconcentrationdistributionindifferentorgansofP.simonii×nigraseedlingsfertilizedwithdifferentaminoacids

处理Treatment茎氮含量Stem N concentration(mg·g-1)叶氮含量Leaf N concentration(mg·g-1)根氮含量Root N concentration(mg·g-1)精氨酸Arg9.38±0.46a19.02±0.74abc12.23±0.63a甘氨酸Gly12.39±0.89a20.86±0.52ab11.12±0.13abc谷氨酸Glu8.93±0.77a20.98±0.66a11.93±0.64abArg×Glu8.73±1.06a18.03±1.35bc10.14±0.89abcArg×Gly9.97±2.12a20.51±1.27ab8.63±0.96cGly×Glu11.09±0.83a19.31±1.00abc10.84±0.98abcArg×Glu×Gly9.29±1.39a16.94±0.54cd9.33±0.68bc对照control9.49±1.37a15.00±0.12d8.51±1.23c

2.4 不同氨基酸施肥对小黑杨各器官氮含量的影响

由表5可见,施用不同种类氨基酸对小黑杨播种苗的茎氮含量影响不显著(P>0.05)，但对叶氮含量和根氮含量影响显著(P<0.05)。

不同种类氨基酸处理的小黑杨播种苗叶氮含量差异显著(表5),在单一氨基酸施用情况下，精氨酸、谷氨酸和甘氨酸处理的叶氮含量均显著高于对照，分别比对照提高了27%、39%和40%，但3种处理间的叶氮含量差异不显著；在氨基酸组合施用条件下，3种氨基酸的两两组合施用均能够提高叶氮含量，但精氨酸、谷氨酸和甘氨酸3种氨基酸混合施用处理的效果较差，叶氮含量与对照差异不显著。不同种类氨基酸处理的小黑杨播种苗根氮含量差异显著(表5),在单一氨基酸施用情况下，精氨酸和谷氨酸处理的根氮含量显著高于对照，分别比对照提高了44%和40%，甘氨酸处理与对照差异不显著；在氨基酸组合施用条件下，3种氨基酸的各种组合施用效果均较差，根氮含量与对照差异均不显著。

3 讨论

氮的可利用性对于提高植物的生产力是有决定作用的。当土壤中氮素缺乏时，施氮能促进植物生物量的积累[17]，当供氮过多时，有些植物也有可能出现抑制作用[18]。所以确定氮利用效率最高的施肥量,既有利于苗木的生长，也可以避免不必要的浪费。在本研究中，无论是施无机氮还是有机氮条件下，小黑杨的苗高、地径和生物量都是随施氮量的增加而增加(叶生物量和根生物量除外)，但是中氮和高氮处理的生长效应差异不显著，所以在中氮水平施肥时的小黑杨氮利用效率最高。一般认为在低氮供应时，氮更多分配到根部[19]，在本研究中，根氮含量在3种施氮水平没有显著差异，说明就目前的施氮量来讲都能够满足根对氮素的吸收和同化要求。叶氮含量在低氮水平下达到最高，但低氮处理幼苗的叶生物量和地上生物量却较低，说明虽然叶片中氮浓度较高，但可能由于缺乏光合产物而没有很好地同化，从而导致生物量降低。

本研究中，无论在哪种施氮量下，施有机氮(精氨酸)和施无机氮(硝酸铵)的小黑杨幼苗的苗高、地径、生长量(除根生物量外)和各器官氮含量都没有显著差异，表明对于小黑杨来说，施用有机氮(精氨酸)能够获得与施用无机氮相似的育苗效果，这与Gruffman[9]的研究结果相符。而由于传统无机肥料氮素易淋溶，在北方森林苗圃中施用氮肥,施加的大量氮素会随着雨水冲刷而流失，不仅污染了环境，还不得不去施加更多的肥料[20];土壤基质对氨基酸有高吸附力，不易流失,肥效持久。所以对于小黑杨等阔叶树种来说，在不考虑肥料成本的前提下，施用氨基酸态氮肥与传统无机氮肥相比具有更好的发展潜力。

氨基酸态氮肥对植物的生长效应取决于植物种类和氨基酸种类。本研究发现：3种单一氨基酸施用时，精氨酸对小黑杨的促进效果最好,谷氨酸其次,甘氨酸最差。不同氨基酸组合处理效果差异很大,但有精氨酸的组合肥效都较好，有甘氨酸的组合肥效表现较差。这一现象与许玉兰的研究相符,肥效好的某些氨基酸组成的氨基酸群体,肥效依然高,肥效不好的氨基酸组成的氨基酸群体,肥效依然不好[21]。但是其研究中氨基酸组合的肥效均好于单施氨基酸的肥效，这与本研究结果不同，这可能是由于植物种类的不同和实验方法的不同造成的。

综上所述，对于小黑杨来说，无机氮和有机氮在3种施氮水平上都有相似的营养效应，中氮(24 mg·株-1)处理氮的利用效率最高。施用有机氮(精氨酸)可以与施用无机氮(硝酸铵)获得相同的促进苗木生长的效果。不同氨基酸施肥处理中，施用精氨酸促进苗木生长的效果最好，谷氨酸次之，甘氨酸最差。

1.Schulten H R,Schnitzer M.The chemistry of soil organic nitrogen:a review[J].Biology and Fertility of Soils,1997,26(1):1-15.

2.Kielland K.Amino acid absorption by Arctic plants:implications for plant nutrition and nitrogen cycling[J].Ecology,1994,75(8):2373-2383.

3.Raab T K,Lipson D A,Monson R K.Non-mycorrhizal uptake of amino acids by roots of the alpine sedgeKobresiamyosuroides:implications for the alpine nitrogen cycle[J].Oecologia,1996,108(3):488-494.

4.Persson J,Näsholm T.Amino acid uptake:a widespread ability among boreal forest plants[J].Ecology Letters,2001,4(5):434-438.

5.Inselsbacher E,Näsholm T.The below-ground perspective of forest plants:soil provides mainly organic nitrogen for plants and mycorrhizal fungi[J].New Phytologist,2012,195(2):329-334.

6.Öhlund J,Näsholm T.Low nitrogen losses with a new source of nitrogen for cultivation of conifer seedlings[J].Environmental Science & Technology,2002,36(22):4854-4859.

7.Soper F M,Paungfoo-Lonhienne C,Brackin R,et al.ArabidopsisandLobeliaancepsaccess small peptides as a nitrogen source for growth[J].Functional Plant Biology,2011,38(10):788-796.

8.Cambui C A,Svennerstam H,Gruffman L,et al.Patterns of plant biomass partitioning depend on nitrogen source[J].PLoS One,2011,6(4):e19211.

9.Gruffman L,Ishida T,Nordin A,et al.Cultivation of Norway spruce and Scots pine on organic nitrogen improves seedling morphology and field performance[J].Forest Ecology and Management,2012,276:118-124.

10.Gruffman L.Nitrogen nutrition and biomass distribution in conifers[M].Umeå:Acta Universitatis agriculturae Sueciae,2013.

11.马林.植物对氨基酸的吸收和利用[J].西南科技大学学报,2004,19(1):102-107.

Ma L.Absorption and utilization of amino acids by plant[J].Journal of Southwest University of Science and Technology,2004,19(1):102-107.

12.张政.氨基酸态氮对黄瓜的营养效应[D].重庆:西南农业大学,2005.

Zhang Z.Effects of amino acid nitrogen on cucumber growth[D].Chongqing:Southwest Agricultural University,2005.

13.王莹,史振声,王志斌,等.植物对氨基酸的吸收利用及氨基酸在农业中的应用[J].中国土壤与肥料,2008,(1):6-11.

Wang Y,Shi Z S,Wang Z B,et al.Absorption and utilization of amino acids by plant and application of amino acids on agriculture[J].Soil and Fertilizer Sciences in China,2008,(1):6-11.

14.刘春娜.落叶松幼苗对不同形态氮的营养响应[D].哈尔滨:东北林业大学,2010.

Liu C N.Nutrition effects of different nitrogen onLarixgmeliniiseedings[D].Harbin:Northeast Forestry University,2010.

15.郭亚芬,付连云,崔晓阳.红松幼苗氮素营养效应研究[J].土壤通报,2009,40(5):1107-1110.

Guo Y F,Fu L Y,Cui X Y.Nutrition effects of nitrogen onPinuskoraiensisseedings[J].Chinese Journal of Soil Science,2009,40(5):1107-1110.

16.苑婧娴.氨基酸对小麦幼苗生长及生理特性的影响[D].南京:南京农业大学,2013.

Yuan J X.Effects of amino acid on growth and physiological traita in wheat seeding[D].Nanjing:Nanjing Agricultural University,2013.

17.赵燕,董雯怡,张志毅,等.施肥对毛白杨杂种无性系幼苗生长和光合的影响[J].林业科学,2010,46(4):70-77.

Zhao Y,Dong W Y,Zhang Z Y,et al.Effects of fertilization on seedling growth and photosynthesis of hybrid clone seedlings ofPopulustomentosa[J].Scientia Silvae Sinicae,2010,46(4):70-77.

18.魏红旭,徐程扬,马履一,等.不同指数施肥方法下长白落叶松播种苗的需肥规律[J].生态学报,2010,30(3):685-690.

Wei H X,Xu C Y,Ma L Y,et al.Nutrient upkate ofLarixolgensisseedlings in response to different exponential regimes[J].Acta Ecologica Sinica,2010,30(3):685-690.

19.Ibrahim L,Proe M F,Cameron A D.Interactive effects of nitrogen and water availabilities on gas exchange and whole-plant carbon allocation in poplar[J].Tree Physiology,1998,18(7):481-487.

20.Juntunen M L,Hammar T,Rikala R.Leaching of nitrogen and phosphorus during production of forest seedlings in containers[J].Journal of Environmental Quality,2002,31(6):1868-1874.

21.许玉兰,刘庆城.氨基酸肥效研究[J].氨基酸和生物资源,1997,19(2):1-6.

Xu Y L,Liu Q C.Study on the fertilizer efficiency of amino acids[J].Amino Acids & Biotic Resources,1997,19(2):1-6.