劉曉靜,葉芳,張曉玲

(1.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/中美草地，畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

?

外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系特性的影響

劉曉靜1,2,葉芳1,2,張曉玲1,2

(1.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/中美草地，畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

在完全營養(yǎng)液的條件下，采用砂培法，研究了3種外源氮素形態(tài)配比(NO3--N，NH4+-N以及NO3--N∶NH4+-N為 1∶1)和3個氮素水平(0，105，210 mg/L)對“甘農3號”紫花苜蓿整個生育期根系特性的影響。結果表明，不同形態(tài)氮素處理下紫花苜蓿的根系生物量、根表面積、根體積、根系活力、根瘤數(shù)、根瘤重和固氮酶活性均顯著高于CK，NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下效果最好，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低，但對根系平均直徑的影響并不大。隨著氮素水平的增加，各形態(tài)配比下紫花苜蓿的根系生物量、根表面積、根體積、根系活力、根瘤數(shù)、根瘤重和固氮酶活性均呈增加的變化趨勢，各指標在NO3--N+NH4+-N的濃度為210 mg/L時，達到最大值。整個生育期，各處理下紫花苜蓿的根系生物量、根表面積、根系活力、根瘤數(shù)、根瘤重和固氮酶活性均在苗期、現(xiàn)蕾期、盛花期差異比較明顯，結莢期和鼓粒期差異不顯著，各指標之間均有不同程度的相關性。

紫花苜蓿；NO3--N；NH4+-N；生育期；根系特性

作為重要豆科牧草，紫花苜蓿(Medicagosativa)可以與根瘤菌有效共生進行生物固氮，從而為植株提供氮素，但根瘤的形成受生態(tài)環(huán)境與土壤肥力的影響較大[1]，自然條件惡劣或維持高水平生產時，僅靠生物固氮遠不能滿足其氮素需求，還必須施用氮肥。對大豆(Glycinemax)研究已證實，大豆與根瘤共生固氮所固定的氮素約占大豆一生需氮量的50%～60%[2]。在紫花苜蓿生產實踐中發(fā)現(xiàn)，施氮是保證其高產優(yōu)質的必要條件，尤其如“甘農”系列等高產紫花苜蓿品種，肥料報酬率高，施氮對其增產效果顯著[3]，主要是由于外源氮的有效補充，充分滿足了高產紫花苜蓿品種對氮素的較高要求，同時促進了其根系等器官的良好生長[4]。根系的形態(tài)特征和生理生化反應與植物氮素的利用效率極為相關[5-6]，其發(fā)育程度與植株生物量關系密切[7]，紫花苜蓿根系的生長狀況直接決定著其產草量[8]。

根系利用的主要氮素形式是NO3--N和NH4+-N，氮素形態(tài)不同，對植物生理代謝過程影響不同。研究表明，NO3--N可以促進擬南芥根系的長度生長以及表面積增大和密度的增加[9]，NH4+-N也能促進植物側根和根毛的生長。與單一的NO3--N或NH4+-N比，將NO3--N和NH4+-N以適度比例混合施用可促進絕大多數(shù)旱作作物的生長，目前關于外源氮素形態(tài)對植物根系影響的研究主要集中于玉米(Zeamays)[10]、水稻(Oryzasativa)[11]、大豆[12]等作物，孫敏等[13]研究表明，NH4+-N處理下小麥(Triticumaestivum)的根體積、根系生物量、根系活力均大于NO3--N 處理。宋海星等[14]對大豆(Glycinemax)的研究表明，NH4+-N對根瘤固氮的抑制作用明顯低于NO3--N，但不同形態(tài)氮素對紫花苜蓿影響的研究鮮有報道，另外，對豆科作物不同生育期需氮規(guī)律的研究也較少，且均集中在對大豆的研究上。甘銀波等[15]研究表明，根瘤形成初期是大豆營養(yǎng)生長階段的最佳施肥時間，而開花期是大豆生殖生長階段的最佳施肥時間。何建國等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在不同的時期增施氮肥對大豆產量的影響不同。針對紫花苜蓿不同生育期需氮規(guī)律的研究尚未見報道，適時適量的施氮可使紫花苜蓿生產效益最大化，降低生產成本，并可避免不合理施肥對環(huán)境的影響，是紫花苜蓿生產實踐中養(yǎng)分管理亟待解決的瓶頸問題。因此，本研究開展不同外源氮素形態(tài)及水平對紫花苜蓿各生育期根系生長的影響及各根系指標間的相關性，以期為生產實踐中苜蓿的養(yǎng)分管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試紫花苜蓿品種：“甘農3號”紫花苜蓿(M.sativaCV. Gannong No.3)，由甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院提供。

1.2 試驗方法

經蒸餾水清洗并滅菌后的粗砂裝入直徑16 cm、高20 cm 的花盆，每盆裝砂10 kg，澆透水，選取顆粒飽滿的滅菌種子[17]，于2013年4月25日播種，每日噴灑蒸餾水至對生真葉完全展開，澆入營養(yǎng)液，播種14 d后進行間苗，每盆保苗50株，置于塑料防雨棚內。

1.3 試驗設計

試驗設3種外源氮素形態(tài)：NO3--N，NH4+-N和混合態(tài)氮(NO3--N和NH4+-N按1∶1比例混合)；根據前期試驗結果[8]設3個氮素水平：0，105，210 mg/L(以純氮計，最高濃度為霍格蘭營養(yǎng)液中氮素的濃度，低氮為其倍數(shù))，共7個處理，分別以0、NO3--105、NO3--210、NH4+-105、NH4+-210、NO3-+NH4+-105、NO3-+NH4+-210表示，每處理重復15次，共105個處理，完全隨機排列。以Fahraeus無氮植物營養(yǎng)液結合Ca(NO3)2和(NH4)2SO4配制所需氮素濃度[18]，調節(jié)pH值為7。處理營養(yǎng)液均每7 d更換1次，每次每盆加入500 mL；每次更換營養(yǎng)液前用蒸餾水淋洗盆栽以防止砂培中鹽分積累。紫花苜蓿生長至3片復葉時，每盆接種新培養(yǎng)的苜蓿根瘤菌液50 mL(中華根瘤菌12531)。分別在苗期、現(xiàn)蕾期、盛花期、結莢期、鼓粒期測定紫花苜蓿的根系生物量、根體積、根表面積、根系活力、根瘤數(shù)和固氮酶活性等指標。

1.4 測定指標和方法

根系生物量：用濾紙吸干地下部水分，放入烘箱105℃下殺青15 min，而后于65～75℃烘干至恒重，每個處理重復6次。根表面積、根平均直徑：測定時將各處理的根系用清水洗凈，采用臺式掃描儀 (EPSON Experssion)和WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)軟件 (Regent Instruments, Inc., Quebec, Canada) 進行數(shù)據采集，每個處理重復6次。

根體積：用體積排水法測定，每個處理重復6次。根系活力：采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[19]，用根系還原力表示各處理下根系活力的差異。每個處理重復6次。根瘤數(shù)：統(tǒng)計單株根瘤數(shù)，每處理取10株。根瘤重：將每個單株上摘下的根瘤在電子天平上稱其鮮重，每個處理重復10次。

固氮酶活性：采用乙炔還原法測定[20]。測定儀器為GC-7890F氣相色譜儀，柱溫180℃，進樣器150℃，F(xiàn)ID檢測器170℃。氣體壓力：N2為0.3 MPa，H2為0.08 MPa，空氣為0.15 MPa。C2H4水平(μmol/g·h)=h×x(樣品峰面積)×C(標準C2H4水平，μmol/mL)/hs(標準C2H4峰面積)×24.9×t(C2H2反應時間，h)×m(瘤重，g)，每個處理重復3 次。

1.5 數(shù)據處理

采用 Excel 2007和 SPSS 17.0 專業(yè)統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據分析和差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系生物量的影響

由圖1可知，不同氮素形態(tài)處理下，紫花苜蓿的根系生物量隨著生育期的推進呈逐漸增加的趨勢，在結莢期達到峰值，而后隨著根系的衰老，根系生物量也明顯減少。但各生育時期各施氮處理根系生物量均與CK(無氮)有顯著的差異(P<0.05)，說明施氮能明顯促進紫花苜蓿的根系生長。苗期，紫花苜蓿根系生物量表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低，各氮素形態(tài)間差異顯著(P<0.05)，但同一氮素形態(tài)下除了混合態(tài)兩個水平間差異顯著，其余差異均不顯著。說明苗期施混合態(tài)氮肥有利于苜蓿根系生物量快速增長。結莢期和鼓粒期，雖然根系生物量的變化趨勢與苗期相同，但各處理間差異均不顯著。NO3--N+NH4+-N的濃度為210 mg/L時，紫花苜蓿的根系生物量達到最大值，苗期，現(xiàn)蕾期，盛花期顯著高于其他處理，結莢期和鼓粒期與其他處理差異不顯著，各個時期較NH4+-210分別增加了62.5%，35.89%，30.00%，15.32%，11.11%；較NO3--210分別增加了96.67%，82.76%，71.69%，41.58%，41.30%，由此可見，混合態(tài)氮比NO3--N和NH4+-N更能有利于紫花苜蓿地下生物量的積累。整個生育期，從苗期到結莢期，紫花苜蓿的根系生物量增加比較明顯。

從圖2可以看出，氮素形態(tài)對紫花苜蓿苗期根系總量影響很大，隨著氮素水平的增加，根系量明顯增加，在不同形態(tài)處理下，可以看出硝銨態(tài)混合效果最好。另外，從圖2中也可以明顯看出，隨著氮素水平的增加，各處理下紫花苜蓿的側根數(shù)也逐漸增大，氮素形態(tài)對側根數(shù)的影響表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低，各形態(tài)間有明顯的差異。由此可見，混合態(tài)氮可以明顯地增加紫花苜蓿的側根數(shù)，進而使其根系生物量也增加。

2.2 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系表面積的影響

“甘農3號”紫花苜蓿不同生長期根系表面積見圖3，不同施氮水平對紫花苜蓿根系表面積影響顯著，隨著施氮量的增加，紫花苜蓿的根系表面積逐漸增加，均顯著高于不施氮處理(P<0.05)。但現(xiàn)蕾期和盛花期，NO3--N處理下根系表面積隨著施氮量的增加逐漸減小，各水平之間差異不顯著。從氮素形態(tài)來看，同一氮素水平下，前4個時期，不同氮素形態(tài)處理下紫花苜蓿的根系表面積表現(xiàn)為：NO3--N+NH4+-N>NH4+-N>NO3--N，NO3-+NH4+-210處理下紫花苜蓿的根系表面積最大，顯著高于其他處理(P<0.05)，說明NO3--N和NH4+-N混合使用比單一NO3--N和NH4+-N更能促進根系表面積的增加，從而有利于植物從土壤中吸收更多的水分及礦質元素來維持自身的生長與代謝。

從不同生育期來看，氮素形態(tài)對紫花苜蓿根系表面積的影響也很大。氮素濃度為105 mg/L時，苗期，混合態(tài)氮和NH4+-N根系表面積顯著大于NO3--N；現(xiàn)蕾期和盛花期，混合態(tài)氮根系表面積顯著大于NO3--N和NH4+-N；鼓粒期，NO3--N根系表面積顯著大于NH4+-N。結莢期和鼓粒期，各氮素形態(tài)處理下紫花苜蓿的根系表面積差異均顯著，其余時期差異均不顯著；氮素濃度為210 mg/L時，則苗期，現(xiàn)蕾期和盛花期，各氮素形態(tài)處理下的根系表面積差異均顯著，結莢期和鼓粒期差異不顯著。整個生育期，混合態(tài)氮處理下紫花苜蓿的根系表面積最大，苗期，現(xiàn)蕾期，盛花期和結莢期，NH4+-N處理下紫花苜蓿的根系表面積均高于NO3--N處理，鼓粒期，NO3--N處理下紫花苜蓿的根系表面積高于NH4+-N。

圖1 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系生物量的影響Fig.1 Effects of nitrogen forms on the underground biomass of alfalfa at different growth stages不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。The different small letters mean the significant differences at P<0.05, the same below.

圖2 苗期紫花苜蓿根系掃描圖片F(xiàn)ig.2 Seedling root scanning images of alfalfa

圖3 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系表面積的影響Fig.3 Effects of nitrogen forms on the root surface area of alfalfa at different growth stages

2.3 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根平均直徑的影響

不同氮素形態(tài)對紫花苜蓿根系平均直徑的影響見圖4，雖然紫花苜蓿的根系平均直徑隨著氮素水平的增加而呈增大的趨勢，但各水平間差異均不顯著(P>0.05)。不同形態(tài)氮素處理下，紫花苜蓿的根平均直徑從苗期到鼓粒期均是NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下的最低，各時期間差異不明顯。在苗期和盛花期，混合態(tài)氮處理下根平均直徑顯著高于CK，單一氮源與CK相比差異不顯著。由此可見，氮素對紫花苜蓿根系平均直徑的影響并不大。

圖4 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根平均直徑的影響Fig.4 Effects of nitrogen forms on the average root diameter of alfalfa at different growth stages

2.4 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根體積的影響

根系體積越大，植物與土壤的接觸面積就越大，越有利于植物大范圍吸收土壤水分、養(yǎng)分和微量元素[21]。由圖5可見，不同氮素形態(tài)處理下，紫花苜蓿的根體積均隨著生育時期的推進呈先迅速增加然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，這與根系生物量，根系表面積的變化情況基本相似。苗期，現(xiàn)蕾期和盛花期，紫花苜蓿的根體積均隨著氮素水平的增加呈增大的變化趨勢，各氮素形態(tài)處理下紫花苜蓿的根體積表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低。NO3--N+NH4+-N的濃度為210 mg/L時，紫花苜蓿的根體積取得最大值。但結莢期，紫花苜蓿的根體積隨著氮素水平的增加呈減小的變化趨勢，同一形態(tài)的兩個水平差異不顯著，說明在苜蓿生長后期施氮會使根系生長減緩。

圖5 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根體積的影響Fig.5 Effects of nitrogen forms on the root volume of alfalfa at different growth stages

2.5 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系活力的影響

氮素形態(tài)對紫花苜蓿根系活力的影響見圖6。有氮處理下紫花苜蓿的根系活力與對照相比均達到顯著水平(P<0.05)，盛花期和結莢期隨著氮素水平的增加呈增大的變化趨勢。苗期，在同一氮素水平下，不同氮素形態(tài)處理下紫花苜蓿根系活力的大小變化趨勢為：NO3--N+NH4+-N>NH4+-N>NO3--N，各處理間差異顯著(P<0.05)?；旌蠎B(tài)氮和NO3--N兩個水平間差異也顯著(P<0.05)，NO3--N+NH4+-N的濃度為105 mg/L時，紫花苜蓿根系活力取得最大值?，F(xiàn)蕾期，NO3--105處理下的根系活力高于NO3--210處理，且差異顯著。鼓粒期，NO3--105處理下的紫花苜蓿根系活力最大。整個生育期，紫花苜蓿的根系活力總體表現(xiàn)為NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，且隨著生育期的推進呈增大的趨勢，結莢期取得最大值，之后明顯下降。

圖6 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系活力的影響Fig.6 Effects of nitrogen forms on the root activity of alfalfa at different growth stages

2.6 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根瘤數(shù)的影響

結果表明(圖7)，各氮素形態(tài)處理下紫花苜蓿的根瘤數(shù)顯著大于CK(P<0.05)，且隨施氮量的增加，根瘤數(shù)目逐漸增加。相同氮素水平下，苗期，現(xiàn)蕾期和盛花期，不同氮素形態(tài)對紫花苜蓿根瘤數(shù)目的影響表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下的最低，各氮素形態(tài)處理間差異顯著(P<0.05)，結莢期和鼓粒期則表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NO3--N培養(yǎng)下次之，NH4+-N培養(yǎng)下的最低。說明在苜蓿生長后期NH4+-N不利于根瘤的形成。整個生育期，紫花苜蓿根瘤數(shù)的變化趨勢為：前期小，盛花期最大，之后又逐漸減小，且NH4+-N培養(yǎng)下減小的最快。NO3--N+NH4+-N的濃度為210 mg/L時，紫花苜蓿的根瘤數(shù)最大。

圖7 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根瘤數(shù)的影響Fig.7 Effects of nitrogen forms on root nodule number of alfalfa at different growth stages

2.7 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根瘤重的影響

由圖8可以明顯看出，氮素形態(tài)對紫花苜蓿根瘤重有顯著的影響。隨著生育期的推進紫花苜蓿的根瘤重呈增大的趨勢，在結莢期取得最大值，然后迅速降低。苗期和現(xiàn)蕾期，不同氮素形態(tài)處理下紫花苜蓿的根瘤重表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最好，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低，且隨著氮素水平的增加呈增加的變化趨勢。盛花期，NO3-+NH4+-105處理下的根瘤重高于NO3-+NH4+-210處理，但差異不顯著。結莢期，NO3--N和NH4+-N處理下的根瘤重在氮素濃度為105 mg/L顯著高于氮素濃度為210 mg/L，說明根瘤本身生長需要一定量的氮素營養(yǎng)，但在生長后期氮素過量會抑制根瘤的生長。鼓粒期，在設定的氮素水平范圍內，NO3--N處理下紫花苜蓿的根瘤重高于NH4+-N處理，但差異不顯著。整個生育期，除盛花期，其余時期均在NO3-+NH4+的濃度為210 mg/L時，紫花苜蓿的根瘤重取得最大值。

圖8 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根瘤重的影響Fig.8 Effects of nitrogen forms on root nodulation of alfalfa at different growth stages

2.8 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期固氮酶活性的影響

紫花苜蓿的固氮酶活性見圖9，現(xiàn)蕾期和盛花期，氮素濃度為210 mg/L時紫花苜蓿的固氮酶活性高于氮素濃度為105 mg/L，均顯著高于不施氮處理。同一氮素水平下，苗期，盛花期和結莢期，紫花苜蓿的固氮酶活性表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低。整個生育期，各處理下紫花苜蓿的固氮酶活性均隨著生育期的推進呈先增大后減小的變化趨勢，在結莢期取得最大值。氮素濃度為105 mg/L時，各處理下紫花苜蓿的固氮酶活性在各時期均表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NH4+-N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低。氮素濃度為210 mg/L時，現(xiàn)蕾期和鼓粒期，各處理下紫花苜蓿的固氮酶活性表現(xiàn)為：NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下最大，NO3--N培養(yǎng)下次之，NH4+-N培養(yǎng)下最低，各氮素形態(tài)間差異顯著(P<0.05)，其余時期均為NH4+-N培養(yǎng)下的固氮酶活性好于NO3--N培養(yǎng)?，F(xiàn)蕾期、盛花期和鼓粒期，NO3-+NH4+-210處理下紫花苜蓿的固氮酶活性最高，苗期和結莢期，NO3-+NH4+-105處理下紫花苜蓿的固氮酶活性最高。

圖9 氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期固氮酶活性的影響Fig.9 Effects of nitrogen forms on nitrogenase activity of alfalfa at different growth stages

時期Time項目Itemx1x2x3x4x5x6x7x8苗期Seedlingx11.0000.920**0.984**0.984**0.977**0.992**0.856**0.880**x21.0000.863**0.961**0.952**0.916**0.969**0.774*x31.0000.943**0.935**0.981**0.816*0.866**x41.0000.997**0.981**0.903**0.888**x51.0000.979**0.901**0.898**x61.0000.879**0.902**x71.0000.716*x81.000現(xiàn)蕾期Buddingx11.0000.967**0.972**0.953**0.986**0.965**0.988**0.782*x21.0000.954**0.867**0.971**0.936**0.976**0.676*x31.0000.897**0.961**0.969**0.985**0.724*x41.0000.945**0.926**0.912**0.923**x51.0000.983**0.977**0.801*x61.0000.957**0.796*x71.0000.721*x81.000盛花期Floweringx11.0000.983**0.995**0.953**0.977**0.971**0.904**0.992**x21.0000.972**0.952**0.979**0.940**0.872**0.974**x31.0000.965**0.982**0.985**0.904**0.996**x41.0000.979**0.952**0.850**0.965**x51.0000.976**0.918**0.991**x61.0000.937**0.990**x71.0000.935**x81.000結莢期Seedpoddingx11.0000.963**0.974**0.916**0.954**0.729*0.824*0.932**x21.0000.954**0.878**0.890**0.795*0.859**0.874**x31.0000.888**0.902**0.699*0.758*0.866**x41.0000.854**0.750*0.904**0.955**x51.0000.796*0.792*0.929**x61.0000.863**0.785*x71.0000.861**x81.000鼓粒期Poddingx11.0000.722*0.979**0.977**0.931**0.708*0.860**0.842**x21.0000.797*0.814*0.751*0.985**0.957**0.847**x31.0000.967**0.910**0.775*0.920**0.920**x41.0000.967**0.815*0.908**0.877**x51.0000.776*0.860**0.876**x61.0000.950**0.841**x71.0000.937**x81.000

注：*表示顯著相關(P<0.05)；**表示極顯著相關(P<0.01)；x1：根系生物量；x2：根系表面積；x3：根平均直徑；x4：根體積；x5：根系活力；x6：根瘤數(shù)；x7：根瘤重；x8：固氮酶活性。

Note:*indicates significant correlations(P<0.05),**indicates significant correlations(P<0.01)；x1:Underground biomass；x2:Root surface area；x3:Average root diameter；x4:Root volume；x5:Root activity；x6: Root nodule number；x7:Root nodulation；x8:Nitrogenase activity.

2.9 不同時期各指標的相關分析

對不同生育期的各指標進行相關性分析，結果如表1所示，苗期，根瘤重與根平均直徑，根表面積與固氮酶活性，根瘤重與固氮酶活性均呈顯著正相關關系(P<0.05)，相關系數(shù)都達到了70.0%以上，其余各指標之間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數(shù)都達到了85.0%以上?，F(xiàn)蕾期，固氮酶活性與根系生物量、根表面積、根平均直徑、根系活力、根瘤數(shù)、根瘤重均呈顯著正相關關系(P<0.05)，其余各指標間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)。盛花期，各指標之間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)，相關系數(shù)都達到了85.0%以上。結莢期，根瘤數(shù)與根系生物量、根系表面積、根體積、根平均直徑、根系活力，根瘤重與根系生物量、根表面積、根系活力、固氮酶活性之間均呈顯著正相關關系(P<0.05)，相關系數(shù)都達到了70.0%以上，其余各指標間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)。鼓粒期，根系生物量與根系表面積、根體積、根系活力、根平均直徑、根瘤數(shù)，根瘤數(shù)與根平均直徑、根體積、根系活力均呈顯著正相關關系(P<0.05)，其余各指標間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

3 討論與結論

從本研究結果發(fā)現(xiàn)，在本試驗的氮素濃度下，紫花苜蓿的根系生物量、根系表面積、根系活力、根瘤數(shù)、根瘤重均高于CK， NO3--N和NH4+-N混合培養(yǎng)下表現(xiàn)最優(yōu)，NH4+N培養(yǎng)下次之，NO3--N培養(yǎng)下最低，本課題組在前期對紫花苜蓿的研究中也發(fā)現(xiàn)NH4+-N培養(yǎng)下苗期生長優(yōu)于NO3--N培養(yǎng)[4]，說明雖然NO3--N和NH4+-N均能促進根系的生長，但NH4+-N處理下根系生長好于NO3--N，二者以一定的比例混合使用更有利于根系的生長以及根表面積的增加，張辰明等[22]的研究中發(fā)現(xiàn)，NO3--N和NH4+-N混合使用最有利于水稻根系的生長。Saravitz等[23]研究表明，在等氮量的情況下，與單獨供應NH4+-N相比，等比例供應NO3--N和NH4+-N使大豆在10 d內的累積吸收增加了1倍，NH4+的吸收是NO3-吸收的兩倍。

增施氮肥能明顯增加紫花苜蓿的鮮干草產量及營養(yǎng)品質[24]，而紫花苜蓿產草量的決定因素之一是根系的生長發(fā)育狀況，所以施氮直接影響紫花苜蓿的根系生長。在本研究中無論是NO3--N、NH4+-N還是混合態(tài)氮作用下，紫花苜蓿的根系特性都呈現(xiàn)出隨著氮素濃度的增加，根系生物量，根表面積，根體積，根系活力均增大的趨勢。在NO3-+NH4+的濃度為210 mg/L時，各指標均達到最大值，說明施用一定量的氮肥對紫花苜蓿的根系生長發(fā)育有促進作用，進而提高苜蓿的產量。紫花苜蓿等豆科植物施用適量的“起爆氮”，能顯著促進植物的前期生長。王樹起等[25]對大豆的研究也證實了這一點。

就氮素吸收過程而言，決定吸氮量的另一個因素是生育期。本研究發(fā)現(xiàn)，各處理下紫花苜蓿的根系各指標均隨著生育期的推進呈先增加后減小的單峰變化趨勢。在整個生育期中，苗期施氮處理的根系生物量、根瘤數(shù)和根瘤重與對照相比增幅最顯著，且與氮素濃度正相關，說明苗期是紫花苜蓿整個生育期的氮營養(yǎng)關鍵期，此時紫花苜蓿根瘤尚未形成或不具備固氮能力，因此，需要大量補充外源氮；并且，苗期施氮可以很好地促進紫花苜蓿的根系發(fā)育，使根系生物量增加，一方面可提高紫花苜蓿根系的營養(yǎng)吸收能力，另一方面，可為根瘤菌侵染和結瘤提供充分的物質條件。此外，現(xiàn)蕾期和盛花期的氮素養(yǎng)分管理也不容忽視，因為本研究結果表明，紫花苜蓿的根系生物量，根體積、根瘤數(shù)和固氮酶活性從苗期到現(xiàn)蕾期，現(xiàn)蕾期到盛花期的增幅最大，說明紫花苜蓿苗期到盛花期是氮營養(yǎng)吸收旺盛期，此時及時補充外源氮素，氮肥效率高，可促進紫花苜蓿產量和品質的形成。王丹英和汪自強[26]、何建國等[16]關于大豆最佳氮肥施用時期的研究也認為，大豆營養(yǎng)生長階段的最佳追肥時間應為苗期、現(xiàn)蕾期和盛花期。從本試驗看，紫花苜蓿從盛花期到結莢期，各處理下各根系指標基本趨于穩(wěn)定的變化趨勢，紫花苜蓿從營養(yǎng)生長進入生殖生長，植株已經定型，生長不如現(xiàn)蕾期和盛花期旺盛，但仍需要氮素來維持紫花苜蓿生殖生長，促進籽粒的發(fā)育，所以應該適量施氮。從結莢期到鼓粒期，紫花苜蓿的根瘤數(shù)、根瘤重和固氮酶活性開始急速下降，可能是生長后期外源氮過多會抑制根瘤的生長，董守坤等[27]在大豆的研究中也得出了同樣的結論。從相關性分析上可以看出，苗期，現(xiàn)蕾期和盛花期，紫花苜蓿的各指標間均呈顯著正相關關系，這恰恰反映了在以上3個時期各指標對紫花苜蓿的根系生長和生物量的積累有明顯的促進作用，他們之間密切聯(lián)系、彼此影響；也說明在生長前期施肥最能促進紫花苜蓿的生長，甘銀波等[15]對大豆的研究也得出了相似的結論。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在NH4+-N營養(yǎng)條件下隨著生育的推進，從結莢期到鼓粒期，紫花苜蓿的根系活力、根瘤數(shù)和根瘤重下降最快，NH4+-N培養(yǎng)下紫花苜蓿的根瘤數(shù)顯著低于NO3--N培養(yǎng)。Li等[28]在水稻的研究中也發(fā)現(xiàn)隨著培養(yǎng)時間的增長，大量的NH4+-N來不及利用和轉移，根系中NH4+-N濃度過大，對水稻的根系生長起到抑制作用，根尖數(shù)增加明顯變小，根系變短變粗，根表面呈暗棕色等癥狀。賈彥博等[29]研究也表明供應過量NH4+-N則對根系有一定毒害作用，會抑制根系的生長發(fā)育，降低根系生物量。

綜上所述，NO3--N和NH4+-N均能促進紫花苜蓿各時期根系生長，但二者混合使用效果最佳，當NO3--N+NH4+-N的濃度為210 mg/L時，紫花苜蓿根系生長最好。紫花苜蓿整個生育期中，外源氮素供應的適宜時期為苗期、現(xiàn)蕾期和盛花期，此時施氮，肥料報酬率高，且可有效促進紫花苜蓿的生長。

[1] Fan F, Zhang Q G, Zhang Y L,etal. Fertilization effects on alfalfa nodule. Bulletin of Agricultural Science and Technology, 2006, (7): 96-98. [2] Yan J, Han X Z, Wang S Y,etal. Effect of different forms nitrogen on nodule growth and nitrogen fixation in Soybean. Soybean Science, 2009, 28(4): 674-677.

[3] Liu X J, Liu Y N. Effects of different N levels on productivity and quality of alfalfa varieties. Acta Agrestia Sinica, 2013, 7(4): 702-707.

[4] Liu X J, Kuai J L, Li W Q,etal. Effects of NH4+-N and NO3--N on root growth, nodulation and nitrogen-fixation of alfalfa. Journal of Gansu Agricultural University, 2011, 46(5): 106-110.

[5] Heidi T, Heuberger J, Kling G,etal. Contribution of N uptake and morphological root characteristics to N efficiency in tropical maize cultivars. Crop Production, 2002, 29: 958-963.

[6] Xu G W, Li S, Zhao Y F,etal. Effects of straw returning and nitrogen fertilizer application on root secretion and nitrogen utilization of rice. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 140-146.

[7] Peng L Q, Li X Y, Qi X,etal. The relationship of root traits with persistence and biomass in 10 alfalfa varieties. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 147-153.

[8] Kuai J L, Liu X J, Li W Q. Effects of different nitrogen levels on the growth characteristics of alfalfa inoculated with rhizobium. Grassland and Turf, 2010, 31(3): 56-59.

[9] Linkohr B I, Williamson L C, Fitter A H,etal. Nitrate and phosphate availability and distribution have different effects on root system architecture ofArabidopsis. The Plant Journal, 2002, 29(6): 751-760.

[10] Chen P, Feng K, Wang X L,etal. Effects of pH on uptake of different forms of nitrogen by young core. Journal of Yangzhou University (Agricultural and Life Sciences Edition), 2003, 24(3): 46-50.

[11] Yang X E, Sun X. Different varieties of NH4+-N and NO3--N absorption kinetics. Chinese Journal of Soil Science, 1991, 22(5): 222-224.

[12] Qiao Y F, Miao S J, Han X Z. Effects of nitrogen forms on the root morphology and proton extrusion in soybean. Soybean Science, 2006, (3): 265-269.

[13] Sun M, Guo W S, Sun T F,etal. Effects of nitrogen forms on root characteristics in wheat. Journal of Yangzhou University (Agricultural and Life Sciences Edition), 2007, 28(1): 54-57.

[14] Song H X, Shen S L, Ma S Y,etal. Effects of NH4+-N and NO3--N on the nitrogen fixation of soybean nodules. Soybean Science, 1997, 16(4): 283-286.

[15] Gan Y B, Tu X W, Tian R J. Study on optimum timing of nitrogen application on soybean. Soybean Science, 1998, 17(4): 287-291.

[16] He J G, Yan H, Jia J C,etal. Effect of nitrogen management on growth and yield of soybean. Soybean Bulletin, 1990, (10): 11-15.

[17] Zhang Q, Zhang L, Wei S Q,etal. Effects of Ca2+on acid tolerance ofMedicagosativaandRhizobiummeliloti. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(6): 1231-1236.

[18] Sun J G, Zhang Y C, Xu J,etal. Isolation and biological characteristic investigation on efficient nitrogen-fixing bacilli. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(6): 2043-2051.

[19] Wang F, Liu B, Zhu J W. Effect of magnesium (Mg) on root activity, chlorophyll content and permeability of soybean. Journal of Agro-Environment Science, 2004, 23(2): 235-259.

[20] Yao T, Zhang D G, Hu Z Z. Associative nitrogen-fixing bacteria in the rhizosphere ofAvenasativain an alpine region I Isolation an identification. Acta Prataculturae Sinica, 2004, 13(2): 106-111.

[21] Nan L L, Shi S L, Zhang J H. Study on root system development ability of different root-type alfalfa. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 117-124.

[22] Zhang C M, Xu Y H, Zhao H J. Effects of different nitrogen forms on nitrogen uptake and root growth of rice at the seedling stage. Journal of Nanjing Agricultural University, 2011, 34(3): 72-76.

[23] Saravitz C H, Chaillou S, Mussel J,etal. Influence of nitrate on uptake of ammonium by niteogen-depleted soybean: is the dffect located in roots or shoot. Journal of Experimental Botany, 1994, 280(45): 1575-1584.

[24] Liu Y N, Liu X J, Zhang X L,etal. Effect of clipping and fertilization on production performance of different alfalfa varieties. Grassland and Turf, 2013, 33(3): 69-73.

[25] Wang S Q, Han X Z, Qiao Y F. Root morphology and nitrogen accumulation in soybean (GlycinemaxL.) under different nitrogen application levels. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2009, 17(6): 1069-1073.

[26] Wang D Y, Wang Z Q. Effect of planting date, plant density and nitrogen application rate on yield and quality of vegetable soybean. Journal of Zhejiang University (Agricultural and Life Sciences Edition), 2001, 27(1): 69-72.

[27] Dong S K, Liu L J, Sun C Z,etal. Effects of nitrogen levels on nodule growth of soybean using15N tracing method. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(4): 985-988.

[28] Li B Z, Xin W J, Sun S B,etal. Physiological and molecular responses of nitrogen starved rice plants to re-supply of different nitrogen sources. Plant and Soil, 2006, 287(1-2): 145-159.

[29] Jia Y B, Yang X E, Liu J X. Morphological and physiological adaptation of plant root to nutrient defficit and elemental toxicity stress. Chinese Journal of Soil Science, 2005, 36(4): 610-616.

參考文獻：

[1] 范富, 張慶國, 張永亮, 等. 施肥對紫花苜蓿根瘤的影響. 農業(yè)科技通報, 2006, (7): 96-98.

[2] 嚴君, 韓曉增, 王守宇, 等. 不同形態(tài)氮對大豆根瘤生長及固氮的影響. 大豆科學, 2009, 28(4): 674-677.

[3] 劉曉靜, 劉艷楠. 供氮水平對不同紫花苜蓿產量及品質的影響. 草地學報, 2013, 7(4): 702-707.

[4] 劉曉靜, 蒯佳林, 李文卿, 等. 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮對紫花苜蓿根系生長及結瘤固氮的影響. 甘肅農業(yè)大學學報, 2011, 46(5): 106-110.

[6] 徐國偉, 李帥, 趙永芳, 等. 秸稈還田與施氮對水稻根系分泌物及氮素利用的影響研究. 草業(yè)學報, 2014, 23(2): 140-146.

[7] 彭嵐清, 李欣勇, 齊曉, 等. 紫花苜蓿品種根部特性與持久性和生物量的關系. 草業(yè)學報, 2014, 23(2): 147-153

[8] 蒯佳林, 劉曉靜, 李文卿. 不同氮素水平對接種根瘤菌紫花苜蓿生長特性的影響. 草原與草坪, 2010, 31(3): 56-59.

[10] 陳平, 封克, 汪曉麗, 等. 營養(yǎng)液pH對玉米幼苗吸收不同形態(tài)氮素的影響. 揚州大學學報(農業(yè)與生命科學版), 2003, 24(3): 46-50.

[11] 楊肖娥, 孫羲. 不同水稻品種NH4+-N和NO3--N吸收的動力學. 土壤通報, 1991, 22(5): 222-224.

[12] 喬云發(fā), 苗淑杰, 韓曉增. 氮素形態(tài)對大豆根系形態(tài)性狀及釋放H+的影響. 大豆科學, 2006, (3): 265-269.

[13] 孫敏, 郭文善, 孫陶芳, 等. 氮素形態(tài)對小麥根系特性影響的初步研究. 揚州大學學報: 農業(yè)與生命科學版, 2007, 28(1): 54-57.

[14] 宋海星, 申斯樂, 馬淑英, 等. 硝態(tài)氮和氨態(tài)氮對大豆根瘤固氮的影響. 大豆科學, 1997, 16(4): 283-286.

[15] 甘銀波, 涂學文, 田任久. 大豆的最佳氮肥施用時期研究. 大豆科學, 1998, 17(4): 287-291.

[16] 何建國, 嚴華, 賈金川, 等. 不同氮肥管理對大豆生長及產量的影響. 大豆通報, 1990, (10): 11-15.

[17] 張琴, 張磊, 魏世清, 等. 鈣離子對紫花苜蓿及苜蓿根瘤菌耐酸能力的影響. 應用生態(tài)學報, 2007, 18(6): 1231-1236.

[18] 孫建光, 張燕春, 徐晶, 等. 高效固氮芽孢桿菌篩選及其生物學特性. 中國農業(yè)科學, 2009, 42(6): 2043-2051.

[19] 王芳, 劉鵬, 朱靖文. 鎂對大豆根系活力葉綠素含量和膜透性的影響. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2004, 23(2): 235-259.

[20] 姚拓, 張德罡, 胡自治. 高寒地區(qū)燕麥根際聯(lián)合固氮菌研究Ⅰ: 固氮菌分離及鑒定. 草業(yè)學報, 2004, 13(2): 106-111.

[21] 南麗麗, 師尚禮, 張建華. 不同根型苜蓿根系發(fā)育能力研究. 草業(yè)學報, 2014, 23(2): 117-124.

[22] 張辰明, 徐燁紅, 趙海娟. 不同氮形態(tài)對水稻苗期氮素吸收和根系生長的影響. 南京農業(yè)大學學報, 2011, 34(3): 72-76.

[24] 劉艷楠, 劉曉靜, 張曉磊, 等. 施肥與刈割對不同紫花苜蓿品種生產性能的影響. 草原與草坪, 2013, 33(3): 69-73.

[25] 王樹起, 韓曉增, 喬云發(fā). 施氮對大豆根系形態(tài)和氮素吸收積累的影響. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2009, 17(6): 1069-1073.

[26] 王丹英, 汪自強. 播期、密度、氮肥用量對菜用大豆產量和品質的效應. 浙江大學學報(農業(yè)與生命科學版), 2001, 27(1): 69-72.

[27] 董守坤, 劉麗君, 孫聰姝, 等. 利用15N標記研究氮素水平對大豆根瘤生長的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2011, 17(4): 985-988.

[29] 賈彥博, 楊肖娥, 劉建祥. 植物根系對養(yǎng)分缺乏和毒害的適應及其與養(yǎng)分吸收效率的關系. 土壤通報, 2005, 36(4): 610-616.

Effects of exogenous nitrogen forms on root characteristics of alfalfa at different growth stages

LIU Xiao-Jing1,2, YE Fang1,2, ZHANG Xiao-Ling1,2

1.CollegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.KeyLaboratoryofGrasslandEcosystemofMinistryofEducation/Sino-U.S.CentersforGrazingLandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China

This paper reports research on the effect of exogenous nitrogen on the root characteristics of “Gannong No. 3” Alfalfa at different growth stages. Samples were cultivated for the whole growth period using the sand culture method under the condition of complete nutrient solution. Three exogenous nitrogen forms (nitrate nitrogen, ammonium nitrogen and nitrate nitrogen) were investigated; with the ammonium nitrogen solution at 1∶1 and the others are three solution levels (CK, 105, 210 mg/L). Results showed that under different forms of nitrogen treatment, the root biomass, root surface area, root volume, root activity, root nodule number, nodule weight, and nitrogenase activity of alfalfa are significantly higher than that of CK. With increasing nitrogen levels, there were increases in the proportions of alfalfa root biomass, root surface area, root volume, root activity, root nodule number, nodule weight and nitrogenase activity. The effects are in the following order: NO3--N and NH4+-N mixed culture the highest, followed by NH4+-N and with NO3--N the lowest. The impact on root average diameter was not large. The maximum values were reached by NO3-+NH4+with a concentration of 210 mg/L. In terms of the whole growth stage, root biomass, root surface area, root activity, root nodule number, nodule weight and nitrogenase activity were significantly different during the seedling, budding and flowering stages. However, differences during seed podding and podding were not significant.

Alfalfa (Medicagosativa); nitrate nitrogen; ammonium nitrogen; growing; root characteristics

10.11686/cyxb2014269

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-06-09；改回日期：2014-09-12

國家自然科學基金(31460622)，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室(甘肅農業(yè)大學)項目(CYZS-2011012)和甘肅省財政廳項目資助。

劉曉靜(1968-)，女，甘肅酒泉人，博士，教授。 E-mail：liuxj@gsau.edu.cn

劉曉靜, 葉芳, 張曉玲. 外源氮素形態(tài)對紫花苜蓿不同生育期根系特性的影響. 草業(yè)學報, 2015, 24(6): 53-63.

Liu X J, Ye F, Zhang X L. Effects of exogenous nitrogen forms on root characteristics of alfalfa at different growth stages. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(6): 53-63.