叶面施氮对棉花根系吸收硝态氮的影响

郑苍松，李鹏程，孙淼，庞朝友，赵新华，贵会平，刘帅，秦宇坤，董合林，余学科

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000)

棉花作为大田作物，根系吸收氮素以硝态氮为主[1]；硝态氮进入棉花根系后经过转运、还原、代谢成为氨基酸，最后被棉株利用[2]。根系的氮素吸收会受到土壤氮水平、土壤水分和环境温度的影响，在生长的关键时期（如现蕾期、花铃期等）由于生长旺盛还会导致农作物生理性缺氮，通过叶面施氮可以帮助农作物抵御逆境，促进生长发育，保障生产[3-7]。在棉花上，叶片对外源氮素吸收和分配的研究已经比较清楚[3，7]。然而，棉株是一个有机整体，叶面施用的氮素进入叶肉细胞后参与氮素同化及代谢循环，除了为植株地上部补充氮素养分外，对根系氮素的吸收是否有影响，尤其对根系吸收硝态氮是否有影响却不得而知。本研究拟通过含15N的营养液培养棉苗，比较叶面施用不同形态氮素对棉株干物质积累和根系吸收硝态氮的差异，探讨叶面养分吸收与根系养分吸收的关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试棉花品种为转基因抗虫棉中熟品种冀棉228，种子由中国农业科学院棉花研究所种质资源库提供。

1.2 试验设计

试验于2016年3—4月在中国农业科学院棉花研究所试验场（河南省安阳县白璧镇）控温温室中进行，叶面施氮设置清水 （蒸馏水，对照）、酰胺态氮 （原料为尿素，氮素施用浓度0.466%）、铵态氮（原料为硫酸铵，氮素施用浓度0.466%）、硝态氮（原料为硝酸钙，氮素施用浓度0.466%）4个处理，各处理喷雾量均为50 mL，重复4次。

采用营养液模拟培养法，将挑选好的种子消毒、催芽后播于洁净沙床上，待子叶展平，3月28日选择长势均匀幼苗移栽至体积为32 cm×24 cm×12 cm的不透光塑料长方盒中，先用1/4浓度Hoagland-Aron营养液培养[8]，每盒12株（3×4排列），24 h通气。4月4日更换1/4浓度Hoagland-Aron营养液，4月10日更换至1/2浓度Hoagland-Aron营养液中（氮源全部为NO3－），4月18日（3叶期）更换1/2浓度营养液（氮源全部为含15N 丰度为 10.16%的 Ca（NO3）2），4 月 19日进行叶面氮素喷施（喷施过程中采用聚乙烯塑料和厚吸水纸进行处理间隔离和漏液吸附），每盒中的12株棉花被划分为4行，每1行的3株被作为一个处理，随机排列，喷施6 d后（4月24日）进行样品收获。

1.3 测定项目与方法

将棉株按地上部和根分别收获，用蒸馏水清洗3次后于105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，分别称量干物质质量。

将烘干地上部和根系分别磨细过筛，用凯氏法测定植株全氮；样品中15N丰度由河北省农林科学院遗传生理研究所利用质谱法测定。

1.4 数据分析

棉花整株干物质质量＝地上部干物质质量＋根系干物质质量。

棉花整株氮含量＝（地上部干物质质量×地上部氮含量＋根系干物质质量×根系氮含量）/整株干物质质量×100%。

地上部（根系）15N 的积累量（mg·株－1）＝地上部（根系）干物质质量×地上部（根系）氮含量×（地上部（根系）15N 丰度－0.366 3）×100[9]。

根系吸收氮素在地上部（根系）的分配（mg·株－1）＝地上部 （根系）15N 的积累量 /（10.16－0.366 3）×100[9]。

根系吸氮相对效率（%）＝（叶面施氮处理15N的质量－清水处理15N的质量）/清水处理15N的质量×100，表征叶面施氮后各处理根系吸氮相对于对照的水平。

数据采用MS Excel 2013和PASW Statistics 18进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 叶面施氮对棉花生长和氮含量的影响

表1表明，与对照相比，叶面施用酰胺态氮和铵态氮6 d后，棉株地上部及根干物质质量均表现增加趋势；叶面施用硝态氮处理干物质积累量最低，但与对照处理无显著差异。铵态氮处理棉株地上部和整株干物质显著高于硝态氮处理。叶面施氮处理棉苗整株氮含量和地上部氮含量显著高于对照处理，根系氮含量基本无差异。

表1 叶面施氮对棉花干物质质量、氮含量的影响（5叶期）Table 1 Effects of foliar different nitrogen forms application on dry biomass and nitrogen content of cotton seedling(five-leaf stage)

2.2 叶面施氮对棉花氮素积累的影响

由图1可知，棉株地上部、根及整株氮素积累量以叶面施用铵态氮处理最高，但各处理间没有显著差异，地上部氮素积累量与根氮素积累量的比值约为3:1。同位素示踪结果显示，铵态氮处理棉株地上部和根系15N积累量分别为0.794 mg·株－1和 0.318 mg·株－1，高于对照和酰胺态氮处理，且显著高于硝态氮处理，表明铵态氮处理的棉株从营养液中吸收的氮素最多。

通过比较叶面施肥后各处理棉株氮素总积累量（图1）与根系吸收氮素（表2）的差值，发现叶面施用酰胺态氮处理的差值最大为41.66 mg·株－1，其次是铵态氮处理为40.17 mg·株－1，硝态氮和清水处理较低，分别为33.96 mg·株－1和31.95 mg·株－1，表明施用相同氮素浓度条件下，棉株叶片对酰胺态氮的吸收好于铵态氮和硝态氮。

图1 叶面施氮处理棉株N积累量和15N积累量的差异（5叶期）Fig.1 Differences of total nitrogen and15N accumulation amounts among foliar nitrogen application treatments(five-leaf stage)

2.3 叶面施氮对棉花根系吸收氮素分配和利用效率的影响

通过计算（表2）可知，叶面施氮后，铵态氮处理棉株根系吸收并积累的氮素约为11.35 mg·株－1， 高于对照 （8.73 mg·株－1）、 酰胺态氮处理（7.84 mg·株－1）和硝态氮处理（6.73 mg·株－1）；铵态氮处理地上部和根系中分配的根系吸收的氮素均最高，且显著高于硝态氮处理。各处理棉株地上部和根系中分配根系吸收氮素的比例均约为7:3，表明叶面施氮类型没有影响棉株对根系吸收硝态氮的分配。与对照相比，施用铵态氮处理棉株根系吸收氮素效率约提升28.0%，酰胺态氮和硝态氮处理则分别降低9.5%和20.5%，说明叶面施用铵态氮较施酰胺态氮和硝态氮更能促进根系氮素吸收，提高棉株根系对营养液中的氮素利用率，提高棉株氮素的含量和积累量。

表2 叶面施氮对棉株根系吸氮分配及根系吸氮相对效率的影响（5叶期）Table 2 Effects of foliar nitrogen application on nitrogen distribution and comparative efficiency via roots uptake(five-leaf stage)

3 讨论与结论

3.1 叶面施氮对棉花干物质积累的影响

本研究中（表1），铵态氮处理棉株干物质质量最高，大于酰胺态氮处理和清水处理，显著高于硝态氮处理。盆栽菠菜试验也表明，与清水处理相比，叶面施用1%硝酸钙处理菠菜干物质量降低，尿素和碳酸铵处理则高于清水处理[10]。这可能是叶面施用硝态氮后，植物地上部组织中硝态氮在短期内大量增加，影响了植株生理代谢[11]，导致植物干物质积累降低。

3.2 叶面施氮对棉花氮素吸收与积累的影响

叶面肥中的养分先通过气孔或叶表角质层的孔隙和亲水小孔[12-14]，再通过表皮细胞细胞壁到达原生质膜，或通过叶表细胞的质外连丝把营养物质吸收到细胞内部[15]。因此，叶面施氮的吸收效果受叶片类型、叶片表面性质、矿质养分粒子大小等诸多因素的影响[16-19]。本研究结果显示，在0.466%施氮浓度下棉花叶片对氮素的吸收强度大小顺序为酰胺态氮＞铵态氮＞硝态氮，这与应用氮素离子形态、化合价及离子半径水平相吻合[2]。叶面施氮处理6 d后，铵态氮处理棉株地上部及根系氮素积累量均最高，酰胺态氮处理其次，清水处理和硝态氮处理均较低，处理间棉株氮素积累量的差异不显著（图1），地上部和根中氮素积累比例约为3:1；由于根外施肥的吸收强度为酰胺态氮＞铵态氮＞硝态氮，所以推断各处理根系氮素吸收存在差异。

3.3 叶面施氮对棉花根系吸收硝态氮的影响

本研究中，各处理是在同一浓度营养液方盒中培养，15N仅来自于营养液中含有15N的NO3－，植物中15N的积累和分配表征了各处理对棉株根系硝态氮吸收的状况。硝态氮处理棉株中总氮积累量与对照基本一致，而棉株地上部和根系中15N积累量均较低，说明叶面施用的硝态氮虽然能够显著提高棉株地上部氮含量，但是影响了根对硝态氮的吸收；与清水处理相比，叶面施用铵态氮不仅为棉株提供了一定量的氮素，还促进了根系对硝态氮的吸收；叶面施用酰胺态氮处理的效果则介于铵态氮处理和硝态氮处理之间，各处理间根系吸氮相对效率差异进一步证明了这一结果。本研究中，叶面施用酰胺态氮处理棉株通过叶片吸收的氮素最多，其根系吸收的氮素却少于清水处理；叶面施用铵态氮处理棉株根系吸收的氮素最多，且高于清水处理。由此推断叶面施用铵态氮处理的棉株根系吸收更多的硝态氮不是由于叶面施氮促进棉株生长带来的附加效应，而是一种积极的正向的促进效应。

植物根系对于硝态氮的转运吸收受NRTs家族基因控制，包括低亲和力转运系统和高亲和力转运系统[20]。硝酸盐、氮代谢产物、昼夜节律、蔗糖和pH都会对硝态氮的转运蛋白产生诱导影响[21-24]。叶面施用的酰胺态氮、铵态氮和硝态氮，它们被植物叶片吸收后分别在脲酶、谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶等酶的作用下进行生理代谢，并最终形成有机化合物被棉株利用[2]。因此推断本研究中叶面施氮带来的处理间差异可能是由于叶片对吸收的不同形态氮素代谢差异带来的，然而主要影响因子是氮代谢产物或是其他代谢产物，还是硝酸盐浓度还需要重新设计试验进一步研究。