施氮量对不同基因型花生结瘤特性及氮素利用的影响

郭佩，王佳艺，史晓龙，任婧瑶，陈冲，张萍，熊焕烨，张鹤，赵新华，王晓光，于海秋，蒋春姬

（沈阳农业大学农学院，沈阳 110161）

氮素是作物生长所必需的营养元素，在调控植物营养器官、生殖器官的发育及产量形成等方面均具有重要作用[1-3]。在农业生产中，由于土壤中的氮素不足以维持植物正常生长，人们往往会通过大量氮肥的投入以实现作物高产高效栽培，因此施用氮肥也被视为提高作物产量的有效途径。据统计，我国农业生产中氮肥使用量约占世界总消费的28%，但目前氮肥利用率仅为30%～35%[4]。长久以来氮肥的高投入和低利用率也造成一系列问题，如作物生产投入成本高、农田养分异质化和土壤板结等[5-8]。因此，优化氮肥施用、提高作物氮素吸收和提高氮素利用效率已成为当下农业发展所面临的重要任务。大量研究表明，通过提高豆科作物生物固氮能力可以在一定程度上为植物生长提供可持续氮源，同时也能降低农业生产的氮肥投入。因此，生物固氮对于提高氮肥利用效率和农业可持续发展具有重要意义[9-13]。

花生（Arachis hypogaeaL.）是我国主要的油料与经济作物[14]，对保障我国食用油安全具有重要的作用。近10年，辽宁省和吉林省花生种植面积增长较快，已跃居我国第四大产区[15]，在东北经济作物中占有一定地位。作为豆科作物，花生可以通过生物固氮来满足自身一半的氮素需求[16]，通过与根瘤菌形成根瘤共生，在根瘤内部将N2还原为氨，为植物所利用[17-18]。影响根瘤形成的要素有很多，例如外界环境因素中的温度、水分、pH、土壤氮素含量等，当土壤中有足够的氮时，豆科植物的根瘤数量、大小和固氮活性呈负相关。这有助于在不需要固氮的情况下保存资源和能量，从而保持氮与碳和其他资源的最佳平衡，但根瘤固氮也并不能满足整个生育期的需求，因此仍需要通过外施氮素的方法来补充植物所需氮元素[19]。研究表明，较高的根瘤固氮量有利于花生增产，一定程度上能减少花生对于肥料和土壤氮素的依赖性，这为提高植物氮素利用效率和减少农业实践中氮肥的投入提供有价值的途径[20]。但作物生物固氮过程需要消耗大量能量，根瘤数量不宜过多，否则不利于最终产量的形成[21]。因此充分发挥肥料供氮与根瘤固氮之间的平衡，最大化促进氮素的吸收利用，已成为未来农业可持续发展中一个更加有吸引力的选择[22]。

目前，国内外有关施氮量对花生生长发育及养分吸收研究较多，但针对不同基因型花生的结瘤特性、氮素利用及产量的相关研究报道较少。研究花生品种间结瘤特异性、不同施氮量对其结瘤的影响以及根瘤固氮对于花生氮素分配和产量形成的效应对花生实际生产具有重要意义。本研究以不同基因型花生为试材，分析品种间结瘤差异，氮肥用量对花生结瘤特性、干物质积累、氮素积累、氮素利用效率以及产量的影响，旨在为花生氮肥合理施用和充分发挥不同基因型花生的根瘤固氮潜力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年在沈阳农业大学南试验基地进行（41°82'N；123°56'E），试验地属温带半湿润大陆性气候，年平均气温在6.2～9.7℃，降雨量在600～800mm。供试材料为4个花生品种：东北地区主栽非高效结瘤花生品种农花5号（NH5）和铁引花1号（TYH1），南方地区高效结瘤花生品种红花16（HH16）和湘花11（XH11）。试验地土壤类型为棕壤土，土壤全氮1.12g·kg-1，碱解氮95.8mg·kg-1，速效磷23.6mg·kg-1，速效钾138.5mg·kg-1。

1.2 试验设计

设置田间氮肥隔离池，隔离池以黑色隔板分块，隔板地下部深入40cm，地上部高出15cm，设计每个隔离池为2.35m×2.35m，面积5.5m2。每个隔离池种植4垄花生，垄长2.35m，垄距0.45m，边行距离隔离池0.5m。每垄种植1个花生品种，穴距0.12m，1穴2粒播种（图1）。试验设置5个N处理：45kg·hm-2（N45）、75kg·hm-2（N75）、105kg·hm-2（N105）、135kg·hm-2（N135）和165kg·hm-2（N165），各氮肥处理组均设置3次重复。其中N45和N75为低氮处理，N105为本地区花生常规施肥水平，N135和N165为高氮处理，并另设一组不施氮处理作为对照（N0），以计算氮肥农学效率（NAE）。试验中氮肥采用尿素（46%，N）形式，各处理磷、钾肥均为过磷酸钙（12%，P2O5）600kg·hm-2、硫酸钾（50%，K2O）225kg·hm-2，以基肥方式施入。于5月18日播种，9月22日收获。

图1 种植分布图Figure 1 Planting distribution map

1.3 测定项目及方法

1.3.1 根瘤性状测定于出苗后50d开始取样，间隔10d取样，至出苗后90d，共计5次。每次各品种5个氮肥处理组的3个重复均各取1穴，选取3株长势一致的植株，将根系剪下，用医用解剖刀将植部根瘤取下，统计根瘤数量（RNN）后装入牛皮纸袋，于烘箱105℃杀青30min，85℃烘干至恒重，称取根瘤干物重（RNDM）。

1.3.2 干物质积累量测定取样方式同上。将植株分为两部分，一部分为营养体（根、茎、叶、果针），另一部分为生殖体（荚果）[23]，装入牛皮纸袋中，置于烘箱105℃杀青30min，85℃烘干至恒重，分别称取营养体干物质积累量（VDM）、生殖体干物质积累量（ReDM）、总干物质积累量（TDM），样品研磨154μm过筛备用。

1.3.3 总氮含量测定各样品经浓H2SO4-H2O2消煮后定容、过滤，使用流动分析仪（SmartChem 200,WestCo,America）测定总氮含量，分别计算营养体氮积累量（VNA）、生殖体氮积累量（ReNA）、总氮积累量（TNA）。

1.3.4 产量测定收获时各个隔离池分别取10穴，装入大号纱网袋中自然风干测定产量。

1.3.5 相关计算公式

1.4 数据处理方法

利用Microsoft Excel 2019软件计算数据，DPS软件检验数据差异显著性，采用GraphPad prism 8及Origin 2017软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 施氮量对不同基因型花生结瘤性状的影响

由图2和图3可知，随着生育进程的推移不同基因型花生根瘤数量和根瘤干物重整体变化趋势存在差异，各处理下NH5、TYH1和XH11均在出苗后50～70d缓慢增长，而HH16涨幅较大。到出苗后80d各品种不同氮肥水平下结瘤能力均达到最大，HH16和XH11各处理均较另外2个品种高，80d后均呈下降趋势。出苗后80d，NH5和TYH1根瘤数量随施氮量增加逐渐减少，而HH16和XH11则随施氮量增加先增加后降低，在N75处理达到最大，2个品种的根瘤数量分别高达35个和121个，而NH5、TYH1仅14个和15个，品种间差异较大。根瘤干物重变化趋势同根瘤数量基本一致。

2.2 施氮量对干物质积累的影响

由图4可知，营养体干物质积累量基本呈现先增长后下降的单峰曲线，不同处理下NH5和XH11大多出苗后70d达到峰值，TYH1和HH16出苗后80d达到最大，各品种基本都是N105处理具有较高的营养体干物质积累量。出苗后60d各品种开始进入结荚期，生殖体干物质积累量随施氮量变化趋势存在品种间差异，NH5的生殖体干物质积累量涨幅最大，出苗后70d在N75处理下显著高于其他处理，出苗后90d则在N135处理下最大；TYH1、HH16和XH11的生殖体干物质积累动态基本相同，在出苗后90d基本都是N105处理积累量高于其他处理。不同处理下各品种总干物质积累量随生育时期的推移不断增长，NH5和XH11各处理在出苗后50～70d干物质积累增长较快，70d后均增速缓慢，而TYH1和HH16则在50～80d持续增长，80d之后增速平缓，且出苗后80d，NH5各处理的总干物质积累高于其他品种，总体上各品种均在N105处理总干物质积累量最大（表1）。

图2 施氮量对不同基因型花生根瘤数量的影响Figure 2 Effects of nitrogen application rate on root nodule number of different peanut genotypes

图3 施氮量对不同基因型花生根瘤干物重的影响Figure 3 Effects of nitrogen application rate on dry matter in root nodules of different peanut genotypes

图4 施氮量对不同基因型花生干物质积累量的影响Figure 4 Effects of nitrogen application rate on dry matter accumulation of different peanut genotypes

2.3 施氮量对不同基因型花生氮素积累量的影响

由图5可知，各个氮水平下营养体氮积累量随生育进程呈现先增长后下降的趋势。不同处理下NH5、TYH1、XH11均在出苗后70～80d达到最大，N105处理最高，HH16在80d达到峰值，最大值出现在N135处理，显著高于其他处理。各品种生殖体氮积累量涨幅表现不同，NH5增幅显著高于其他品种，结荚后期（80～90d）NH5、TYH1分别表现为N105、N45处理生殖体氮积累量最高，HH16、XH11都是N75处理显著高于N165处理。上述营养体和生殖体氮积累量决定了总氮积累量的处理和品种间差异，TYH1与HH16增幅较大，NH5与XH11则在70～90d涨幅变缓。结荚后期（80～90d）NH5除N75处理总氮积累量下降外，其他品种各处理则均处于上升趋势；TYH1除N45处理上升外，其他均处于缓慢下降趋势，另外2个品种下降幅度较大。TYH1、XH11分别在N45、N75处理总氮积累量最大，NH5、HH16则表现为N105处理最大，显著高于N45、N165处理（表2）。

2.4 施氮量对不同基因型花生氮素利用效率及产量的影响

由表1可知，各品种NPFP均随着施氮量的增加而下降，NH5在N45处理下NPFP达91.28，为各品种和处理间最大值。NH5、TYH1、HH16的NAE随施氮量的增加呈先增长后降低的趋势。其中NH5在N75处理最大，TYH1和HH16在N105处理达到最高；XH11的NAE随着施氮量的增加逐渐下降，较N45处理分别降低24.12%、43.54%、58.93%和77.33%。总体上NH5单株产量较其他品种高，各品种基本在N105或N135处理产量达到最大，NH5、TYH1、HH16和XH11在N105处理下分别较对照增产27.81%、27.55%、26.57%和23.24%，增产效果显著。低氮水平下各品种的产量均低于正产氮水平，而过量施氮较正常氮水平其增产效果未达到显著水平。

图5 施氮量对不同基因型花生氮积累量的影响Figure 5 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation of different peanut genotypes

表1 施氮量对不同基因型花生氮素利用率的影响Table 1 Effect of nitrogen application on nitrogen use efficiency of different peanut genotypes

2.5 根瘤数量与各生物量积累和氮素利用的相关性分析

由表2可知，各品种不同处理根瘤数量（RNN）与RNDM基本表现为显著或极显著的正相关，而且相关系数大多在0.9以上，而与其他指标间显著性与品种和施氮量均有关。其中NH5在N105处理下，根瘤数量与ReDM、TDM、ReNA、TNA呈显著正相关，表明关键时期根瘤主要作用于生殖体以及总植株的生长及氮素积累。TYH1在N75处理下，RNN与TDM显著正相关，N105、N135处理时与VDM、TDM、TNA呈显著正相关，N165处理则与ReDM、TDM、ReNA、TNA呈显著正相关，表明TYH1在正常氮水平下更有利于营养体生长，而在高氮水平下（N165）少量的根瘤主要有利于生殖体的生长。HH16在N45处理下根瘤数量与ReDM、TDM、ReNA、TNA呈显著正相关，N135处理则与VNA呈显著正相关，表明在低氮水平下其较高的生物固氮能力更有利于生殖体的形成，但N135处理其根瘤则主要与营养体的形成更相关。各处理下XH11的根瘤数量除与RNDM呈显著正相关，与其他指标之间差异不显著，即高效固氮能力并未显著作用于花生的生长。

表2 根瘤数量与生物量积累和氮素利用的相关关系Table 2 Correlation between nodule number biomass accumulation and nitrogen utilization

3 讨论与结论

3.1 施氮量对花生结瘤特性的影响

生物固氮是花生在整个生长发育过程中重要的氮素吸收途径之一，WANG等[6]研究发现花生需氮量在结荚期达到最大值，与此同时根瘤固氮能力也逐步增强，在营养生长向生殖生长转化的关键时期固氮能力最强。李飞等[25]研究也发现花生生育前期氮素主要从土壤和肥料中获得，生育后期（荚果形成开始）其氮素来源主要靠生物固氮。另外，适量的外源施氮可以促进结瘤，但随着施氮量的增加，结瘤能力一定程度上受到抑制[19]。本研究中，花生在结荚期结瘤能力最强，且结瘤特性在基因型中存在显著差异。结荚期结瘤能力低的NH5和TYH1根瘤数量（RNN）和根瘤干物重（RNDM）在低氮处理（N45）最大，随着施氮量的增加逐渐降低；结瘤能力高的HH16和XH11根瘤数量和根瘤干物重呈现先升高后下降的趋势，在N75处理达到最大。证明氮素适量促进、过量抑制结瘤的同时，还启示着有利于结瘤的适宜氮素水平因基因型而异。总体上HH16和XH11结瘤能力高于NH5和TYH1，但是产量上NH5＞HH16＞XH11＞TYH1，基本在105kg·hm-2氮水平下最大。但产量形成影响因素错综复杂，根瘤固氮促进氮素和干物质积累未必直接与高产相联系，与施氮水平、品种特性及环境因素的关系需要深入研究。

此外，本研究中各品种不同处理RNN与RNDM基本表现为显著或极显著正相关，且相关系数大多在0.9以上，决定系数大多超过0.8，即根瘤干物重与根瘤数量密切相关。研究还发现出苗后根瘤数量和干物重变化趋势存在显著基因型间差异，但是各品种都是出苗后80d达到最大值，基因型间差异也最大。因此可以采用出苗后80d（结荚期）根瘤数量或根瘤干物重两个指标之一评价花生基因型的结瘤特性。

3.2 施氮量对花生干物质积累以及氮素积累的影响

合理施氮可以增加花生干物质积累和向荚果的分配比例，促进增产与肥料的合理利用[26-27]。然而，过量施氮会使植株生育后期由于植株贪青晚熟，地上部营养生长过长而影响生殖生长，从而降低干物质向荚果的分配并造成减产[28-30]，且同一作物不同品种达到最大干物质积累量时的施氮量存在差异[31-33]。本试验中，花生结荚后期地上部不断衰老，叶片脱落，同时根系木质化程度加剧，其营养体干物质积累、氮素积累有不同程度的下降。生殖体干物质积累量及氮素积累后期迅速增长，各品种在N105处理下积累量最高。植株总干物质积累量、氮素积累变化趋势在品种之间存在差异，其中NH5生殖体、总干物质积累增长较快，可能有较高的高产潜力。

3.3 施氮量对花生氮素吸收利用效率及产量的影响

氮肥农学效率（NAE）和氮肥偏生产力（NPFP）是施肥增产效果的综合体现。研究发现增施氮肥能显著提高春油菜[34]、大豆[35]、小麦[36]等作物的氮肥利用率、农学效率以及偏生产力，但过量则会使作物氮肥的响应度下降，造成产量增幅变小，氮肥利用率和农学效率降低。本试验研究表明，施氮量对各品种NAE影响不一致，XH11的NAE随施氮量的增加一直下降，其他3个品种则呈先上升后下降，在N75处理下表现最高。各个品种NPFP均随施氮量的变化迅速下降。产量上，与对照相比，施氮均能实现增产效果，在N45水平下，其增产效果不明显，当施氮量为105～135kg·hm-2时，各品种产量均达到最大，而过量施氮增产效果并未显著高于正常氮水平，且不同结瘤特性品种之间的增产效果不同，XH11增产效果较低，较对照提高23.24%，而NH5增产效果则高达27.81%。可能是由于高效结瘤花生品种XH11在根瘤固氮的同时消耗自身养分过多，至成熟后期根瘤减少且自身养分不足而结荚能力下降，不利于产量的形成。

相关性分析表明，N105处理下，非高效结瘤花生NH5少量的根瘤对生殖体和植株整体的生长及氮素积累有较高的影响，从而有助于产量形成，而TYH1主要作用于营养体。高效结瘤品种HH16在低氮（N45）水平下根瘤数量高，更有利于荚果产量的提高，但在N135处理下，其根瘤供氮主要影响营养生长。XH11结瘤数量较多，但各处理下根瘤供氮对于花生产量的形成影响较小。杨文英等[37]发现结瘤能力弱的品种其氮素转运能力更高，从而有助于增产。因此，NH5氮素向荚果转运和分配的能力可能更强。

适宜施氮（105kg·hm-2）能有效提高花生干物质积累、氮素积累及产量，过量施氮增产效果不显著。不同基因型花生结瘤能力对施氮量的响应以及根瘤固氮对于花生氮素积累的作用均存在差异，增加施氮量抑制结瘤能力弱的品种形成根瘤，而少量施氮则促进结瘤能力强的品种结瘤。在正常氮水平下，HH16根瘤固氮有利于营养体的形成，而NH5有利于荚果氮素积累的形成进而增产，造成各品种根瘤氮素转运和分配而形成产量上的差异机理还有待进一步研究。