氮肥施用量对谷子营养生长期形态发育和生物量分配的影响

刘琳琳，王倩怡，王小林，张 雄

(榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林 719000)

1 引言

土壤在农作物的生长过程中扮演着重要角色，土壤肥力高低直接决定了农作物的产量和农产品的质量[1]，而氮素含量是土壤肥力的主要影响因子之一[2]，对农作物的形态发育起到至关重要的作用[3]。土壤中固有的氮素含量不能满足高密度农作物的需求，因此人为补施氮肥普遍存在[2]。在农作物生长发育过程中，不同农作物可通过调节根、茎、叶的生物量分配以适应外界环境的变化[4]。为满足不断增长的人口对粮食的需求，大量的氮肥投入是传统粗放型农业生产的基本特征[5]，氮肥对提高农作物产量的贡献达到30%～50%[6]。农民单纯为了获得高产，过量施用氮肥已成常态[1]。据预测，2050年全球氮肥施用量将达到2.36亿t[7]，提高植物的氮肥利用效率显得尤为重要。

过量施用氮肥不仅造成严重的资源浪费，而且严重危害土壤生态环境，引起植物生理性病害和水资源污染，严重干扰整个土壤生物自然生态系统的物质转化和养分资源平衡[8]。因此，现代农业绿色发展要求在施用氮肥的过程中应同时考虑生态效益和经济效益[9]。榆林地处陕北黄土高原旱作农业区，谷子是该区域的主要粮食作物之一[10]。旱地谷子高产高效栽培对我国旱地农业的可持续发展具有重要作用[11]。合适的氮肥施用量可有效调节谷子形态发育和生物量分配，有助于提高谷子产量和质量[12]。长期、大量的化学氮肥投入，显著提升了土壤N素含量，N素残留对于作物产量和品质具有不可忽视的影响。因此，研究高氮肥施用量对谷子营养生长期形态发育和生物量分配的影响，明确氮肥施用量与谷子生物量分配及产量停滞不前之间的相互关系，对于建立谷子高产高效栽培技术体系具有基础理论参考价值。

2 材料与方法

2.1 试验材料及试验方法

本试验供试谷子品种为晋谷21号。供试肥料为尿素(含氮量≥46.4%)。试验土壤采自陕西省榆林市榆阳区0～20 cm耕层的沙质土壤(有效氮7.0 mg·kg-1，速效磷14.6 mg·kg-1，速效钾40.9 mg·kg-1，有机质含量1.07%)。试验采用盆栽土壤N肥梯度模拟方法，试验在陕西省榆林市榆阳区榆林学院室外试验场进行。共设置3个处理，分别为T1：3 g·kg-1N(低氮)；T2：5 g·kg-1N(中氮)；T3：10 g·kg-1N(高氮)，各处理其他环境条件均一致。用铁锹采集土样，利用标准检验筛(孔径0.9 mm)过筛后，装入自封袋，带回实验室风干至土壤含水量5%左右。在实验室称量土样(每盆3 kg)和氮肥(按照氮肥梯度)，将土样和氮肥混合均匀后装入塑料盆，装盆完毕后，用烧杯给每个塑料盆浇等量水，放置阴凉通风处晾晒至盆中土粒分散，土壤含水量在15%左右开始播种，每盆播种20粒，播种深度约5 cm。播种时间为2018年6月29日，最后采样时间为2018年8月25日。

2.2 测定项目及测定方法

2.2.1 根叶显微结构测定 幼苗期(播种后第37天)和拔节期(播种后第57天)用剪刀剪取谷子叶片中部(长1 cm，宽0.5 cm)和谷子根系中部最深处根尖部分，放置干冰保存，存放低温冰箱(-80℃)，作为解剖结构材料。石蜡切片法进行根、叶解剖结构切片制作。首先，放入装有FAA固定液[13]的样品瓶中，用真空泵抽真空后固定24 h。其次，利用乙醇对材料进行脱水处理，再利用二甲苯和乙醇对材料进行透明。接着，进行浸蜡、包埋、切片、粘片、展片、脱蜡、染色等步骤。最后，进行封片，每个处理重复10次。室温干燥后，利用荧光显微镜进行10 X，20 X和40 X的叶脉结构和根系尖端导管结构拍照， Motic Images Plus 2.0软件对显微结构进行量化分析。

2.2.2 根、叶形态指标测定 分别在谷子幼苗期(播种后第37天)和拔节期(播种后第57天)，将谷子整株从塑料盆中取出，用剪刀将根、茎、叶分开，装入自封袋并做好标记，带回实验室进行形态指标测定。根系装入细孔尼龙网袋，用自来水缓冲根系，除去根系表面杂质，放回塑封袋低温保存。叶片和根系分别用根系扫描仪进行扫描，得到根叶扫描图。然后用WinRHIZO软件对根、叶扫描图进行分析，得到根、叶形态指标(根系长度，根系表面积，根系体积，叶片长度，叶片表面积)，每个处理重复5次。

2.2.3 株高和茎粗测定 分别在谷子幼苗期(播种后第37天)和拔节期(播种后第57天)，将卷尺紧挨谷子基部量到谷子顶部最高位置，同一处理连续5株读数的平均值即为株高(cm)。游标卡尺校准调零后，测定与塑料盆上部同一平面处的谷子茎粗，同一处理连续5株读数的平均值即为茎粗(mm)。

2.2.4 器官生物量测定 在谷子拔节期(播种后第57天)，随机选择同一处理中5棵植株进行采样，将根、茎、叶分离并分别装入信封并做好标记，然后在80℃烘箱内烘至恒重，冷却至室温后用电子天平称重，计数作为生物量分配的计算依据。

2.3 数据分析

数据采用Excel 2010进行整理，使用SPSS 19.0对不同处理进行方差分析和多重比较，Origin Pro 9.1进行作图。

3 结果与分析

3.1 氮肥施用量对谷子根叶显微结构的影响

3.1.1 氮肥施用量对谷子根系内皮层直径的影响 谷子幼苗期，中氮处理和高氮处理间根系内皮层直径无显著差异，两者均显著高出低氮处理19.48%和15.75%(P<0.05，图1)。拔节期随着氮肥施用量的增加，处理间根系内皮层直径呈现先增后减趋势，中氮处理比低氮处理高3.15%，比高氮处理高2.31%。从幼苗期到拔节期，谷子低氮处理根系内皮层直径每天增长4.58 μm，中氮处理根系内皮层直径每天增长2.36 μm，高氮处理根系内皮层直径每天增长2.45 μm，可以推测出土壤高浓度N含量抑制谷子单根的横向生长。

3.1.2 氮肥施用量对谷子叶片初生韧皮部直径的影响 随着氮肥施用量的增加，处理间谷子叶片初生韧皮部直径先增加后减小，呈现有规律的适应性变化(图2)。在低氮条件下，谷子叶片初生韧皮部直径最小，中氮比低氮增加3.86%，高氮比低氮增加1.13%，高氮比中氮减少2.62%。拔节期3个处理之间无显著差异(P>0.05)，在低氮条件下，谷子叶片初生韧皮部直径最小，中氮比低氮增加2.88%，高氮比低氮增加1.01%，高氮比中氮减少1.81%。幼苗期和拔节期3个处理间初生韧皮部直径均无显著差异。

3.2 氮肥施用量对谷子根叶形态指标的影响

3.2.1 氮肥施用量对谷子根系形态指标的影响 谷子在不同氮肥胁迫条件下，中氮处理根系各形态指标显著高于低氮处理和高氮处理(P<0.05)。随着单株根系总长度的不断增加，单株根系总表面积和单株根系总体积均呈现增加趋势(表1)。幼苗期，在低氮条件下，谷子单株根系总长度、总表面积和总体积最小，中氮处理根系总长度比低氮处理增加31.50%，根系总表面积比低氮处理增加58.92%，根系总体积比低氮处理增加88.33%。拔节期，在中氮条件下，谷子单株根系总长度、总表面积和总体积最大，中氮处理根系总长度比低氮处理增加66.83%，根系总表面积比低氮处理增加72.02%，根系总体积比低氮处理增加77.97%。由此表明，谷子在中氮条件下根系生长状况最好。

表1 氮肥施用量对谷子根系形态指标的影响

注：不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

3.2.2 氮肥施用量对谷子叶片形态指标的影响 由表2可知，中氮处理谷子叶片各形态指标与低氮处理和高氮处理具有显著差异(P<0.05)，低氮处理和高氮处理无显著差异(P>0.05)。中氮处理叶片总长度每天比低氮处理增加58.15%，高氮处理叶片总长度每天比低氮处理增加6.74%，中氮处理叶片总表面积每天比低氮处理增加20.36%，高氮处理叶片总表面积每天比低氮处理增加4.48%。拔节期叶片总长度和叶片总表面积约为幼苗期叶片总长度和叶片总表面积的2倍(中氮处理叶片总表面积除外)，说明中氮处理对谷子叶片生长具有明显促进作用。可能是因为中氮环境有利于叶片将光合作用产物运输到谷子各部位，进而促进叶片的生长。

表2 氮肥施用量对谷子叶片形态指标的影响

3.3 氮肥施用量对谷子株高和茎粗的影响

谷子在不同氮肥施用量条件下株高生长速率存在显著差异(P<0.05，图3 a)。植株高度生长速率对比可知，中氮处理比低氮处理株高生长速率高6.82%，高氮处理比低氮处理高3.09%，高氮处理比中氮处理低3.49%。原因可能是中氮环境，有利于谷子茎部营养物质的吸收，进而促进茎部伸长生长。

不同氮肥施用量条件下，谷子茎粗生长速率存在显著差异(P<0.05，图3 b)。低氮处理茎粗每天增长0.03 mm，中氮处理茎粗每天增长0.08 mm，高氮处理茎粗每天增长0.06 mm，中氮处理比低氮处理茎粗生长速率高157.73%，高氮处理比低氮处理高95.88%，高氮处理比中氮处理低24.00%。由此表明，施用氮肥对谷子茎粗具有促进作用，氮肥施用量为5 g·kg-1时，谷子茎粗最大。

3.4 氮肥施用量对谷子各器官生物量积累的影响

不同氮肥施用量对根系生物量没有显著影响(P>0.05，表3)。在本试验中晋谷21号生物量积累最多的是中氮处理，其次是高氮处理，最后是低氮处理。随着氮肥施用量的增加，根、茎、叶生物量均呈现先增后减趋势。中氮处理根、茎、叶生物量均达到最大值。中氮处理根系生物量比低氮处理增加18.84%，高氮处理根系生物量比低氮处理增加5.80%，高氮处理根系生物量比中氮处理减少10.98%。说明低氮处理使谷子生物量有一定程度的降低，增施氮肥可以促进谷子生物量的积累。随着氮肥施用量的逐渐增加，谷子生物量并不是一直升高，谷子生物量最大值出现在施氮量为5 g·kg-1时。原因可能是中氮环境最有利于谷子根系和叶片运输有机物质，进而促进各器官生物量的积累。

表3 氮肥施用量对每株谷子各器官生物量积累的影响

4 讨论与结论

4.1 讨论

土壤N含量通过影响根系养分吸收、转化效率，实现对作物地上部生物量分配的间接调控，最终调节碳水化合物在籽粒中的积累[13,14]。本试验通过谷子根、叶形态发育、生物量分配和显微结构变化的对比分析，研究不同土壤氮含量环境对谷子营养生长期形态发育和生物量的影响，结果表明，土壤N素含量对谷子根、叶形态发育和生物量分配具有明显调节作用。首先，相比低氮土壤环境，中氮土壤环境谷子根系总表面积和根系总体积分别增长58.92%～72.02%，88.33%～77.97%。这与崔纪菡等[14]研究结果相似，说明中氮土壤环境促进了根部细胞正常的负压调节能力，进而促进根系增粗生长和伸长生长。有利于谷子地下部分的生长，进而促进地上部分的生长。其次，随着氮肥施用量增加，谷子株高和茎粗在中氮土壤环境下明显高于低氮土壤环境，但氮肥施用量过高会使株高和茎粗相比中氮土壤环境下减小，这与曾蓉[12]和赵国顺等[15]研究结果一致。而袁宏安等[16]研究表明，随着氮肥施用量的增加，谷子株高持续增加，茎粗先增后减。随着氮肥施用量的增加，谷子株高出现先增后减的原因可能是本研究是盆栽试验(模拟环境下进行)，限制了谷子根、茎的生长发育空间。适量氮肥可有效调节谷子营养生长期各器官生物量的积累和分配，谷子各器官生物量积累量由大到小依次为：茎、叶、根，储存较多碳水化合物，以备后期生殖生长的能量需求。Leblanc等[17]研究发现，增施氮肥可以提高珍珠粟干物质产量，说明适当增施氮肥可以提高珍珠粟的氮肥利用率，为产量提升打好物质基础。施用氮肥增加了谷子根、茎、叶生物量的积累，这与吴浩等[4]研究结果基本一致，不同的是上述学者研究发现燕麦的生物量积累量由大到小依次为：茎、根、叶。出现这种情况可能是因为作物习性不同，根、茎、叶生物量积累规律对于环境的响应模式不同。最后，随着氮肥施用量增加，谷子生物量均呈现先增加后降低趋势，这与曾蓉[12]研究结果一致，谷子生物量积累出现先增后减的原因可能是随着氮肥施用量的增加，造成谷子叶片营养生长过剩，各植株间间隙变小，群体透光能力下降，光能利用率降低，呼吸过旺，消耗过多的光合产物而降低干物质的有效积累，进而降低农作物的籽粒产量，土壤N含量与谷子地上部生物量积累存在明显的正态分布相关关系，适宜N肥投入有利于谷子碳水化合物向籽粒转化积累[18]。

综上所述，合理的氮肥施用量对谷子根、叶生长发育有促进作用，而国内外借助谷子根叶切片研究不同氮肥施用量对谷子营养生长期形态发育和生物量影响的文献研究报道较少，石蜡切片技术主要应用于临床方面，植物方面应用较少[13]，因此借助谷子切片研究谷子的相关指标可以作为研究手段的方向，可为谷子高产栽培技术提供理论依据。笔者试验在研究过程中缺少植株全氮含量、蛋白质含量以及氨基酸含量等指标的测定，在今后的试验中会弥补不足。

4.2 结论

不同氮肥含量环境下，谷子营养生长期根叶显微结构、根叶形态、株高、茎粗，生物量积累等都会受到不同程度影响，从而发生适应性生长。本研究主要得出以下结论：①中氮处理有利于谷子根部细胞对溶质的吸收以及自下而上输导水分和无机盐，促进根系的正常生长和功能发挥；②谷子根叶形态指标随着氮肥施用量的增加先增加后减小，这表明中氮环境有利于谷子根、叶形态发育，为产量提升奠定良好的生物学基础；③氮肥施用量增加促进谷子叶片伸长生长的同时限制了根系横向增粗，此现象随氮肥施用量增加而减弱；④氮肥胁迫激发谷子根、茎、叶生物量积累向茎叶积累，根系生物量受到限制，合适的氮素含量可有效调节谷子根冠关系，可作为产量潜力提升的突破点。