不同形态氮对谷子生长和氮利用的影响

崔纪菡，刘猛，赵宇，宋世佳，刘旭，夏雪岩，李顺国，刘建军

（1.河北省农林科学院谷子研究所／河北省杂粮研究实验室／国家谷子改良中心，河北 石家庄 050035；2.河北省农林科学院，河北 石家庄 050000；3.河北省杂粮产业技术研究院，河北 邯郸 056000）

谷子（Setaria italica（L.）Beauv.）是北方主要抗逆、度荒作物，因其耐瘠薄和耐旱性的特点，在我国干旱和半干旱地区具有明显的区位优势和生产优势［7］。目前，对谷子氮素利用的研究主要集中在氮肥运筹、氮磷钾配比、有机无机氮配施等方面，而在不同氮素形态方面的研究刚刚起步。崔纪菡等［8］研究认为硝态氮和铵态氮对谷子生长发育的作用各有侧重，硝态氮促进谷子株高、叶面积、生物量的提高，铵态氮促进谷子叶绿素含量和穗部累积，但是该研究尚未摸清谷子对不同氮素形态的氮素吸收、分配和利用特点，相关的研究也少见报道。为了明确不同形态氮及配施对谷子生长和氮利用的影响，本试验以冀谷38为材料，采用蛭石养苗法给谷子浇灌无氮、铵态氮、硝态氮和铵态氮－硝态氮混合营养液，通过对谷子形态、干物质重和氮素含量指标的测定，研究不同形态氮处理对谷子氮利用的影响，以期为谷子栽培中氮肥种类的选择，以及进一步研究不同形态氮影响谷子生长发育的生理机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年5—10月在河北省农林科学院谷子研究所试验基地进行。供试材料为冀谷38，由河北省农林科学院谷子研究所育成和提供。该品种具有优质高产、抗除草剂的特点。

1.2 试验设计及方法

试验在温室内采用蛭石浇灌营养液养苗法进行。试验前对谷种进行清选，采用10%的H2O2消毒，30 min后相继用蒸馏水、去离子水洗净，转移到预装有蛭石的塑料花盆中播种。蛭石用量为450 g／盆，每盆播10粒种子。种子发芽长至3叶时间苗，每盆定苗5株。

除氮外其他大量和微量元素均采用Hoaland改良配方配置［9］，pH值调至6.0后作为无氮营养液，另设3种形态氮处理，即铵态氮、硝态氮、铵态氮－硝态氮混合，以上4个处理简称无N、、和混合。3种营养液氮含量相同，即铵态氮处理浓度为140 mmol／L，硝态氮处理浓度为140 mmol／L，混合态氮处理、浓度均为70 mmol／L。每处理重复9次，3盆用于采集叶片测定硝酸还原酶，3盆用于测定株高和根系形态扫描，3盆用于测定根、茎、叶、穗部称重。每2 d浇灌1次营养液，每盆用量200 mL。温室设置白天6—18时光照强度为600μmol／（m·s），温度为25℃；晚上18时至第二天6时为黑暗，温度为20℃，相对湿度为40%～75%。

1.3 项目测定及方法

在谷子抽穗期，采集健康叶片，利用南京建成硝酸还原酶（NR）测定试剂盒比色法测定硝酸还原酶活性。谷子生长至谷穗成熟，将植株从花盆中拔出，先用清水冲洗根部至无残余基质，然后用蒸馏水冲洗。利用根系扫描仪（Winrhizo 2003b）测定根系总表面积、平均直径、根系总体积和根尖数。将植株分为根、茎、叶、穗部，65℃烘干称重，用球磨仪粉碎各部分干样，凯式定氮法（Hanon Kjeldahl Auto Analyzer K980）测定植株全氮含量，火焰光度法（Model410 Flame Photometer）测定钾含量。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2010进行试验数据统计和作图，利用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（邓肯氏新复极差法）。叶氮占比为叶部总氮量与地上部分总氮量的比值，穗氮占比为穗部总氮量与地上部分总氮量的比值。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮处理对谷子形态的影响

不同形态氮处理对谷子全生育期生长影响显著（表1、表2）。与单施铵态氮相比，单施硝态氮显著提高谷子株高、穗长，分别增加21.0%、19.0%，降低穗粗8.0%。混合态氮处理的谷子株高、穗长、穗粗值最高，比单施铵态氮分别增加16.3、3.4 cm和1.7 mm，比单施硝态氮分别增加6.6、2.6 cm和2.5 mm。

表1 不同形态氮处理对谷子株高和穗生长的影响

表2 不同形态氮处理对谷子根系的影响

由图1和表2可知，各施氮处理对谷子根系形态也有显著影响，谷子总根长、总表面积、平均投影面积存在显著差异，总投影面积、平均长度、平均表面积差异不显著。与单施铵态氮相比，单施硝态氮总根长、根总表面积分别增加40.3%、26.3%，根系平均长度、平均投影面积降低63.7%和21.7%。混合态氮处理的总根长、总表面积最高，显示出混合氮形态在作物生长发育中具有促进优势，但总投影面积、平均长度、平均投影面积、平均表面积等指标未体现出氮形态的混合优势。

图1 不同形态氮处理的谷子根系

2.2 不同形态氮处理对谷子干物质累积与分配的影响

从图2可知，不同形态氮处理对植株干物重影响极显著（P＜0.01）。无氮对照植株百株干重仅为3.2 g，硝态、铵态和混合态氮的百株干重分别达到63.1、91.8 g和164.4 g，表明两种形态氮均对谷子干物质累积有积极作用。其中，硝态氮处理的干物重比铵态氮处理提高45.5%（P＜0.01）。混合态氮处理的植株干物重最大，分别比铵态、硝态氮处理高160.5%、79.1%，表明混合态氮处理更能满足谷子对氮形态的多样化需求。以上结果表明，与无氮对照相比，谷子施氮能显著提高植株干物重，硝态氮比铵态氮效果显著，混合态氮处理的植株干物重最大。

图2 不同形态氮对植株干物质累积总量的影响

从图3可知，不同形态氮对谷子各器官干重的影响不同，与单施铵态氮相比，单施硝态氮显著提高根、茎、叶干重，分别提高101.6%、78.1%和46.4%，表明硝态氮能显著提升谷子营养器官的干物质累积。但该两种形态氮处理在穗部干重上未有显著差异，铵态氮处理的穗干重（12.4 g／百株）略高于硝态氮处理（10.8 g／百株）。表明，在提高谷子营养器官（根、茎、叶）方面的排序为：混合氮＞硝态氮＞铵态氮；在提高生殖器官（穗部）方面的排序为：混合氮＞铵态氮≈硝态氮。

图3 不同形态氮对植株干物质分配的影响

2.3 不同形态氮对谷子植株总氮累积量的影响

从图4可知，不同形态氮对谷子植株总氮累积量影响极显著，无氮对照的总氮累积量仅为1 g／万株，硝态、铵态和混合态氮处理的总氮累积量分别为178、204、447 g／万株。虽然硝态氮处理的植株干重比铵态氮处理高（图2），但铵态氮处理的植株总氮累积量比硝态氮处理高14.6%，说明铵态氮处理下谷子氮吸收总量高于硝态氮处理，铵态氮是谷子偏好利用的形态氮。混合态氮处理的植株总氮累积量最高，比铵态、硝态氮处理分别高了1.19、1.51倍，进一步体现了铵态、硝态氮的混合优势。以上结果表明，单施铵态氮比单施硝态氮显著提高谷子总氮累积量。

图4 不同形态氮对谷子植株总氮累积量的影响

2.4 不同形态氮对谷子植株各器官氮分配的影响

从图5可知，不同形态氮对根、茎、叶、穗氮含量的影响差异极显著。与单施硝态氮相比，单施铵态氮显著提高根、茎、叶、穗氮含量，分别提高1.76、2.64倍和38.0%、27.5%，说明铵态氮能有效提升谷子植株氮累积水平。与混合态氮处理相比，铵态氮处理显著提高谷子茎、叶、穗氮含量（P＜0.05），增幅 分别 为23.4%、19.4% 和33.8%，但二者根部氮含量差异不显著。硝态氮与混合氮处理的根、茎（P＜0.01）氮含量存在极显著差异，后者比前者的根、茎部氮含量分别提高2.27、1.95倍，表明单施硝态氮不利于提高谷子根、茎氮累积。以上表明，在提高谷子植株氮水平的排序为：铵态氮＞混合氮＞硝态氮。

图5 不同形态氮对植株各器官氮含量的影响

2.5 不同形态氮对叶、穗部氮分配比例的影响

由图6可知，不同形态氮对叶氮、穗氮总量占比的影响存在显著或极显著差异。其中，硝态氮处理的叶氮总量占比极显著高于铵态氮、混合氮处理，分别高21.7%、39.7%，说明硝态氮有利于谷子叶部氮素积累。铵态氮处理的穗氮占比较硝态氮处理提高27.7%，差异显著，说明更多的铵态氮转化为穗部总氮。铵态氮和混合氮处理的穗氮占比无显著差异。以上表明，硝态氮有利于提高谷子叶部氮的分配比例，铵态氮有利于提高穗部氮的分配比例。

图6 不同形态氮对叶、穗氮总量占比的影响

2.6 不同形态氮对植株硝酸还原酶活性的影响

由图7可知，施氮显著降低谷子植株体内硝酸还原酶活性，无氮对照的硝酸还原酶活性最高，各形态氮处理间植株硝酸还原酶活性无显著差异（P＜0.05）。表明，硝态氮和铵态氮对植株硝酸还原酶活性的影响差异不显著。

图7 不同形态氮对植株硝酸还原酶的影响

2.7 不同形态氮对植株各器官钾含量的影响

相关研究表明，细胞膜对铵根离子、硝酸根离子和钾离子的运输存在一定关联，因此，在开展不同形态氮对谷子氮利用影响的研究时，对植株内的钾含量进行了检测。结果（图8）表明，硝态氮与铵态氮处理谷子各器官的钾含量差异极显著。与硝态氮处理相比，铵态氮处理的根、茎、叶、穗的钾含量分别降低34%、70%、74%和34%，与混合氮处理相比，硝态氮处理的茎、叶、穗的钾含量分别提高27%、37%、31%，根部钾含量无显著差别。这表明硝态氮被吸收利用的过程促进了钾离子的吸收，铵态氮对钾离子的吸收具有抑制作用。

图8 不同形态氮对植株各器官钾含量的影响

3 讨论

本研究表明，在单供铵态氮的体系中根系吸氮量要高于单供硝态氮的体系，铵态氮能更好地被谷子根系吸收。其原因可能是由于铵态氮是经济型氮源，的吸收和同化成本低于［10］，同化1 mol需要的能量等同20个三磷酸腺苷（denosine triphosphate，ATP），同化1 mol仅需要5个ATP，而根部吸收耗氧量约为的5倍［11］。

本研究中硝态氮处理的硝酸还原酶（NR）活性未见提高，这与该研究方面的主流结论不尽一致。主流研究认为，硝态氮能够诱导硝酸还原酶的合成，提高植株NR活性，如陈煜等［17］认为硝态氮显著增加大豆NR活性，铵态氮最差。而胡润芳等［18］在大豆上的研究刚好相反，铵态氮培养对大豆叶片NR活性效果显著优于混合氮素处理和硝态氮培养。在小麦［19］、菠菜［20］、水稻［21］等作物上的研究表明，两种氮素形态共存时的NR活性比单一营养高，其活性也随比例的增加而降低。以上研究存在矛盾而又一致的结论，可能是因为对NR活性既有促进又有抑制作用［22］。笔者认为，硝酸还原酶的合成或者初始化需要参与，一直生长在全硝态氮液中的植株，由于缺乏，限制了最先合成的硝酸还原酶的活性或者初始化，所以在全硝态氮液中，谷子没有表现出很高的NR活性。

在细胞质膜上有两种钾离子转运蛋白，一种是高亲和性转运系统，主要组成形式是载体，另一种是低亲和性吸收系统，主要组成形式是通道［23，24］。在环境中钾浓度在0.001～0.2 mmol／L时，载体蛋白发挥主要作用，在钾浓度为1～10 mmol／L时，蛋白通道发挥主要作用［25］。在对杂交狼尾草的研究中，铵态氮降低了组织中钾含量［13］，该结果与本研究一致。本研究中，铵态氮降低谷子根、茎、叶、穗34%～74%的钾含量。关于铵态氮降低钾吸收的原因，不少研究报道认同铵与钾的吸收之间存在拮抗关系［26，27］，钾的吸收受到铵的抑制。但这种拮抗机制究竟是怎么作用于载体和通道蛋白并不明确。利用离子耗竭技术对小麦的铵离子和钾离子吸收进行研究，钾离子的吸收受到了铵离子的抑制，通过分析二者的动力学机理，铵离子降低了细胞质膜对钾离子的亲和性［28］。孙小茗等［29］对水稻和大豆幼苗的研究也有相似的结果，但对拮抗机制有不同见解，该研究结果表明，铵离子并不能降低钾离子与细胞质膜载体的亲和力，而是通过降低质膜上的载体数目而抑制钾离子吸收的。而由于铵类氮肥的特点以及肥料的转化规律，土壤中含有铵离子是无法避免的，因此在思考如何提高氮的吸收效率的同时，也应该降低铵对钾的拮抗效应。

4 结论

不同形态氮对谷子生长和氮利用影响差异显著，硝态氮促进谷子生长，提高其株高、根茎叶部物质积累，但降低穗部干物重和穗氮占比。铵态氮延缓谷子生长，抑制根系对钾离子的吸收，但有助于提高穗部干物重、各部氮素积累和穗氮占比。相比硝态氮，铵态氮处理的植株总氮累积量提高14.6%，根、茎、叶、穗部含量分别高1.76、2.64倍和38.0%、27.5%，穗氮占比提高27.7%。相比铵态氮，硝态氮处理提高45.5%的干物重和21.7%的叶氮含量占比，株高、穗长分别增加21.0%、19.0%，总根长、根总表面积分别增加40.3%、26.3%。硝态氮和铵态氮有一种联合效应，混合施用利于植株生长、穗部发育和氮素累积。研究结果还表明，铵态氮对钾离子的吸收具有抑制作用，降低植株34%～74%的钾含量。综上所述，铵态氮是谷子较易利用的氮形态，谷子对铵态氮的吸收高于硝态氮；硝态氮能促进谷子营养器官的生长，铵态氮能促进谷子氮素累积和提高穗部产量；硝态氮－铵态氮处理对谷子生长、穗部产量、氮素利用提升均有良好效果。