朱 紅, 孔令剛, 張志浩, 畢思圣, 凌春輝, 韋 業(yè), 顏 攀, 王華田, 馬風(fēng)云, 劉秀梅, 唐 金, 陳淑英, 叢桂芝

磁化處理促進(jìn)施氮條件下葡萄氮素的代謝和分布*

朱 紅1,2, 孔令剛3, 張志浩1, 畢思圣1, 凌春輝1, 韋 業(yè)1, 顏 攀1, 王華田1, 馬風(fēng)云1, 劉秀梅4**, 唐 金5, 陳淑英5, 叢桂芝5

(1. 黃河下游森林培育國家林業(yè)和草原局重點實驗室 泰安 271018; 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院 泰安 271018; 3. 濟(jì)南市林業(yè)科技推廣站 濟(jì)南 250000; 4. 上海市環(huán)境學(xué)校 上海 200135; 5. 伊犁州林業(yè)科學(xué)研究院 伊寧 835000)

以‘夏黑’葡萄扦插苗為試驗材料, 采用盆栽試驗方法, 分析了磁化水灌溉后葡萄葉片、莖和根系中不同形態(tài)氮素含量、氮素代謝關(guān)鍵酶活性以及不同氮源的貢獻(xiàn)率, 探討磁化作用對‘夏黑’葡萄扦插苗生長以及氮素吸收、分配和利用的影響。以15N為外源氮肥, 分3次施入土壤中。試驗設(shè)置4個處理, 包括: 磁化水灌溉處理、非磁化水灌溉處理、磁化水灌溉+施氮處理、非磁化水灌溉+施氮處理。磁化處理組中利用磁化裝置處理灌溉水。結(jié)果表明: 1)施氮條件下, 與非磁化處理相比, 磁化處理后葡萄葉片、根系和全株的全氮量提高, 但是肥料中15N對不同器官中氮素的貢獻(xiàn)率無顯著差異; 葉片和根系的氮素利用率顯著提高; 全氮在葉片中分配率顯著提高, 在莖中的分配率則顯著降低。2)與非磁化處理相比, 磁化處理后葡萄葉片中谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性顯著提高, 根系中顯著降低。3)與單獨施氮相比, 磁化水灌溉+施氮提高了土壤氮含量; 氮肥中15N利用率提高, 損失率降低。由以上研究結(jié)果可以看出, 磁化水灌溉不僅可提高氮素代謝關(guān)鍵酶活性, 而且可提高不同器官中氮素營養(yǎng)的吸收和利用, 從而改變了氮素在不同器官中的分布。

磁化處理; 氮素代謝; 氮素利用效率; 營養(yǎng)分布; ‘夏黑’葡萄

1 材料與方法

1.1 試驗材料

磁化處理和施氮試驗于2016年3—9月進(jìn)行。試驗材料為1年生‘夏黑’葡萄扦插苗, 于3月下旬選地徑(0.95±0.05) cm、莖高25 cm、長勢一致、無病蟲害的植株于陶土盆(規(guī)格為上口徑30 cm、下口徑24 cm、高26 cm)中栽植, 每盆1株。試驗土壤為壤質(zhì)土, 每盆裝土14 kg。6月下旬移入遮雨棚中, 對扦插苗進(jìn)行統(tǒng)一抹芽以及病蟲害防治等田間管理措施。7月28日選取長勢一致的苗木進(jìn)行試驗處理。

1.2 試驗設(shè)計

施氮處理選用15N標(biāo)記尿素(上?；ぱ芯吭荷a(chǎn), 豐度為10.22%)。尿素施入量為3.0 g·株-1; 灌溉處理開始時, 氮肥隨灌溉水源進(jìn)入土壤, 尿素分3次施入, 間隔10 d。采用磁化裝置(U050, Magnetic Technologies, L.L.C.)處理灌溉水源。共4個處理, 分別為: 磁化水灌溉處理(M0)、非磁化水灌溉處理(NM0)、磁化水灌溉+施氮處理(MN)、非磁化水灌溉+施氮處理(NMN)。采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計, 5盆為一小區(qū), 3次重復(fù)。每7 d灌溉處理1次, 每盆灌水1 000 mL。

9月上旬試驗結(jié)束后, 對葡萄植株進(jìn)行收獲處理, 同時采集根系分布層土壤(0~10 cm), 去除根系和雜物, 風(fēng)干過篩, 等量均勻混合后用于測定土壤氮素含量。

1.3 指標(biāo)測定和計算方法

1.3.1 全氮含量和15N豐度測定以及計算方法

稱取風(fēng)干土樣0.5 g于消煮管中, 采用H2SO4-H2O2消煮至內(nèi)容物為透明色后, 采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量[11]。

收獲時(9月上旬), 每小區(qū)選取3盆長勢均勻一致的植株, 重復(fù)3次, 全株取出帶回實驗室。植株解析為根系、莖、葉片3部分。選取一部分樣品按照清水→洗滌劑→清水→1%鹽酸→3次去離子水的順序沖洗樣品[12], 用紗布將樣品表面水分擦干, 105 ℃殺青30 min后, 85 ℃烘干至恒重, 粉碎后過60目篩, 混合均勻后備用。

稱取一定量烘干后的植物樣品, 用Flash 2000 HT同位素比質(zhì)譜儀(美產(chǎn))聯(lián)用元素分析儀(Thermo Scientific Flash 2000 HT; Thermo Fisher)進(jìn)行全氮含量測定。用CNOHS同位素質(zhì)譜儀(Isotope Ratio Mass Spectrometer; DETAV Advantage; Thermo Fisher)進(jìn)行15N豐度的測定, 并通過植物根系、莖和葉片中15N豐度、全氮含量以及生物量計算以下參數(shù):

各器官(根系、莖、葉片)全氮量(g)=各器官(根莖、葉片)全氮含量(%)×各器官生物量(g) (1)

植株全氮量(g)=根系全氮量(g)+莖全氮量(g)+葉片全氮量(g) (2)

15N原子百分超=樣品中15N豐度-自然豐 (3)

肥料15N量對各器官全氮的貢獻(xiàn)率(Ndff, %)=(樣品15N豐度-自然豐度)/(肥料15N豐度-自然豐度)×100 (4)

土壤氮對各器官全氮的貢獻(xiàn)率(Ndfs, %)= 1-Ndff (5)

各器官全氮量中來自肥料的15N量(g)=各器官Ndff×各器官全氮量(g) (6)

各器官全氮量中來自土壤的氮量(g)=植株各器官Ndfs×各器官全氮量(g) (7)

植株全氮量中來自氮肥的15N量(g)=葉片全氮中來自氮肥的15N量(g)+莖全氮中來自氮肥的15N量(g)+根系全氮中來自氮肥的15N量(g) (8)

植株全氮量中來自土壤的氮量(g)=葉片全氮中來自土壤的氮量(g)+莖全氮中來自土壤的氮量(g)+根系全氮中來自土壤的氮量(g) (9)

各器官的氮素分配率(%)=各器官全氮量(g)/植株全氮量(g) (10)

各器官肥料15N的分配率(%)=各器官來自肥料的15N量(g)/植株來自肥料的15N量(g) (11)

各器官土壤氮的分配率(%)=各器官來自土壤的氮量(g)/植株來自土壤的氮量(g) (12)

植株各器官的氮肥利用率(%)=植物各器官中15N吸收量(g)/肥料的15N施入量(g)=[各器官氮含量(%)×各器官生物量(g)×各器官15N原子百分超]/[施肥量(g)×肥料含氮量(%)×肥料15N原子百分超] (13)

肥料15N的利用率(%)=植株全氮中來自氮肥的15N量(g)/肥料的15N施用量(g) (14)

肥料15N的殘留率(%)=土壤全氮量(g)×土壤Ndff(%)/肥料的15N施用量(g) (15)

肥料15N的回收率(%)=肥料15N的利用率(%)+肥料15N的殘留率(%) (16)

肥料15N的損失率(%)=1-肥料15N的回收率 (17)

式中:15N自然豐度為0.366%。

1941年4月4日，熊式輝向蔣介石進(jìn)言:“領(lǐng)袖只宜以思想領(lǐng)導(dǎo)干部，功名利祿，只能奔走一般中下之士，凡為革命奮斗冒險犯難而不辭者，皆思想上信仰力之驅(qū)使，故把握正確的思想路線是第一要務(wù)。”?實則亦是針對蔣以功名利祿籠絡(luò)干部的做法提出的改進(jìn)意見。

1.3.2 葡萄氮代謝酶活性的測定

葡萄植株收獲后, 分別采集幼嫩根系和葉片50 g, 重復(fù)3次, 蒸餾水清洗, 紗布擦干后, 置于-80 ℃保存, 用于氮素關(guān)鍵酶活性測定。硝酸還原酶(nitrate reductase, NR)活性測定參照李忠光等[13]的試驗方法; 亞硝酸還原酶(nitrite reductase, NiR)活性測定參照Martínez-Espinosa等[14]的試驗方法; 谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)活性測定參照Fedorova等[15]的試驗方法; 谷氨酸合酶(glutamic synthase, GOGAT)活性測定參照Cordovilla等[16-17]的試驗方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SAS 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性檢驗(α=0.05); 采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化處理和施氮條件下葡萄體內(nèi)全氮含量的變化

施氮后葡萄各器官和全株全氮量提高, 且處理間總體呈顯著差異水平(表1)。其中, 與NM0處理相比, NMN處理葡萄葉片、莖、根系和全株全氮含量提高30.25%~106.28%; MN處理比M0處理提高7.09%~52.33%, 莖全氮含量的提高未達(dá)顯著水平。與非磁化處理相比, 磁化處理后植株各器官和全株的全氮量提高, 其中M0比NM0處理葡萄葉片、莖、根系和全株全氮含量提高21.12%~315.58%, MN處理較NMN處理, 葡萄葉片、根系和全株全氮含量顯著提高58.47%~191.35%, 而莖中全氮含量無明顯差異。

從氮源角度分析, 施氮后磁化處理顯著提高了葡萄各器官中來自肥料供應(yīng)的全氮量, 其中與NMN相比, NM處理下葡萄葉片、莖、根系和全株全氮含量提高5.45%~184.23%。而從植株中來自土壤的全氮量分析可知, 施氮條件下葡萄葉片、根系和全株從土壤中吸收累積的全氮量均顯著提高, NMN較NM0提高28.22%~50.50%, 莖中全氮量無顯著差異。磁化處理下, 與M0相比, MN處理葉片、根系和全株全氮量提高6.47%~17.57%, 莖中全氮量顯著降低19.12%。與非磁化處理相比, 磁化處理后葡萄葉片、根系和全株從土壤中吸收累積的全氮量顯著提高56.88%~315.58%; 但是, 施氮后莖中全氮量的提高幅度降低。

表1 磁化和非磁化水灌溉對施氮條件下葡萄不同器官中全氮量的影響

0: 磁化水灌溉+未施氮處理; NM0: 非磁化水灌溉+未施氮處理; MN: 磁化水灌溉+施氮處理; NMN: 非磁化水灌溉+施氮處理。表中同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。M0: treatment of magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; NM0: treatment of non-magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; MN: treatment of magnetized water irrigation with nitrogen fertilization; NMN: treatment of non-magnetized water irrigation with nitrogen fertilization. Different lowercase letters in the same row indicate significant differences among four treatments at< 0.05 level.

2.2 磁化處理和施氮條件下葡萄的氮素吸收、分配及利用

15N對植株全氮含量的貢獻(xiàn)率(Ndff)和土壤中氮量對植株全氮含量的貢獻(xiàn)率(Ndfs)在葡萄不同器官中表現(xiàn)有所差異。其中, Ndff表現(xiàn)為葉>莖>根, 土壤氮素貢獻(xiàn)率Ndfs則與Ndff表現(xiàn)相反(表2)。施氮條件下, 磁化處理對葡萄各器官中Ndff和Ndfs的影響不顯著。氮肥利用率是植物體內(nèi)全氮量中氮肥供應(yīng)部分占施氮量的比例。與非磁化處理相比, 磁化處理下葡萄葉片和根系的氮肥利用率顯著提高61.42%~184.71%。

2.3 磁化處理和施氮條件下葡萄不同器官中氮素分配率的變化

葡萄體內(nèi)的氮素主要源于土壤, 因而各器官中來自土壤的氮素分配率與全氮分配率基本一致(表3)。較非施氮處理相比, 施氮后葡萄根系氮素分配率提高4.55%~7.32%, 莖中氮素分配率則下降21.76%~24.67%, 且不同處理間差異顯著。葉片氮素分配率變化在磁化與非磁化處理間存在差異, 其中NMN較NM0相比, 葉片氮素分配率顯著提高23.84%, MN較M0則差異不顯著。這表明氮素供應(yīng)水平影響了葡萄各器官間的氮素分配, 施氮處理提高葡萄葉片和根系對氮素的征調(diào)能力, 而降低了莖的分配比率。與非磁化處理相比, 磁化水灌溉植株葉片全氮分配率提高70.65%~107.53%(<0.05); 莖和根系中降低7.28%~41.76%(<0.05)。

施氮條件下, 來自不同氮源中氮素的分配率在葡萄葉片和根系中存在差異(表3)。較未施氮處理相比,15N在葡萄葉片和根系中的分配率分別提高22.12%~35.75%、51.04%~55.86%; 以土壤為氮源的氮素在葡萄葉片、根系中的分配率分別提高18.41%~31.96%、55.01%~59.01?？梢娕c土壤相比, 外源氮肥所供給的氮素較少分配給根系, 而是更多地被葉片吸收。與土壤中氮素分配率相似的是, 磁化水灌溉同樣改變了葡萄莖和葉片間的15N分配, 主要表現(xiàn)為, 與NMN相比, MN處理后葉片氮素分配率顯著提高, 莖分配率則顯著降低。

表2 磁化和非磁化水灌溉對施氮條件下葡萄各器官中不同氮素來源對全氮量的貢獻(xiàn)率及氮肥利用率的影響

Ndff: 肥料氮對葡萄全氮的貢獻(xiàn)率; Ndfs: 土壤氮對葡萄全氮的貢獻(xiàn)率。MN: 磁化水灌溉+施氮處理; NMN: 非磁化水灌溉+施氮處理。同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。Ndff: contribution rate of fertilizer nitrogen to grapevine nitrogen; Ndfs: contribution of soil nitrogen to grapevine nitrogen. MN: treatment of magnetized water irrigation with nitrogen fertilization; NMN: treatment of non-magnetized water irrigation with nitrogen fertilization. Different lowercase letters in the same row indicate significant differences among four treatments at< 0.05 level.

表3 磁化和非磁化水灌溉對施氮條件下葡萄各器官中氮素分配率的影響

M0: 磁化水灌溉+未施氮處理; NM0: 非磁化水灌溉+未施氮處理; MN: 磁化水灌溉+施氮處理; NMN: 非磁化水灌溉+施氮處理。同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。M0: treatment of magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; NM0: treatment of non-magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; MN: treatment of magnetized water irrigation with nitrogen fertilization; NMN: treatment of non-magnetized water irrigation with nitrogen fertilization. Different lowercase letters in the same row indicate significant differences among four treatments at< 0.05 level.

2.4 磁化處理和施氮條件下代謝酶活性變化

如圖1A、圖1B所示, 不同處理葡萄葉片中硝酸還原酶(NR)活性始終高于根系, 且處理間根系NR活性無顯著差異。施氮處理下葡萄葉片中的NR活性較非施氮處理提高15.57%~27.46%; 同濃度氮素環(huán)境下, 磁化處理植株葉片中NR活性較非磁化處理提高41.04%~55.55%, 且差異顯著。

圖1C、圖1D施氮和磁化處理均顯著提高了葡萄葉片和根系中的亞硝酸還原酶(NiR)活性, 且對根系的提高幅度遠(yuǎn)大于葉片。施氮處理對葡萄葉、根中NiR活性的影響在磁化和非磁化處理條件下表現(xiàn)相反; 其中與NM0處理相比, NMN處理葉片、根系中NiR活性顯著提高5.72%~90.58%; MN比M0處理葉片和根系中NiR活性則顯著降低2.85%~11.15%。施氮條件下, 磁化處理對葡萄葉片、根系中NiR活性的影響也存在差異; M0處理比NM0處理葡萄葉片、根系中NiR活性提高25.06%~102.31%; 施氮條件下MN比NMN處理葡萄葉片NiR活性提高14.92%, 根中降低5.68%, 且均呈顯著差異。

如圖1E、圖1F所示, 磁化處理下葡萄葉片和根系的谷氨酰胺合成酶(GS)活性發(fā)生了顯著變化。其中非磁化處理下, 葡萄根系中GS活性明顯高于葉片; 磁化處理下植株葉片、根系GS活性水平表現(xiàn)相反。磁化與非磁化處理相比, 施氮對葡萄體內(nèi)GS活性的影響存在差異; 其中非磁化條件下NMN處理較NM0處理葡萄葉片和根系中GS活性顯著提高11.75%~22.77%; 磁化條件下MN處理比M0處理葡萄葉片和根系GS活性則顯著降低7.63%~21.40%。相同氮處理下, 與非磁化處理相比, 磁化處理植株葉片GS活性顯著提高, 根系GS活性顯著降低; 其中M0處理比NM0處理葉片GS活性提高94.96%, 根系則降低25.92%; MN處理較NMN處理葉片GS活性提高61.15%, 根系降低52.57%。

圖1 磁化和非磁化水灌溉對施氮條件下葡萄氮代謝酶活性的影響

M0: 磁化水灌溉+未施氮處理; NM0: 非磁化水灌溉+未施氮處理; MN: 磁化水灌溉+施氮處理; NMN: 非磁化水灌溉+施氮處理。不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。M0: management of magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; NM0: treatment of non-magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; MN: treatment of magnetized water irrigation with nitrogen fertilization; NMN: treatment of non-magnetized water irrigation with nitrogen fertilization. NRA: nitrate reductase; NiRA: nitrite reductase; GSA: glutamine synthetase; GOGATA: glutamate synthetase. Different lowercase letters show significant differences among four treatments at< 0.05 level.

如圖1G、圖1H所示, 與GS活性相似, 磁化與非磁化處理條件下, 施氮對葡萄體內(nèi)谷氨酸合成酶(GOGAT)活性的影響同樣存在差異; 其中非磁化條件下NMN處理與NM0相比, 葡萄葉片中GOGAT活性無明顯差異, 根系中GOGAT活性顯著提高7.36%(<0.05); 磁化條件下MN處理較M0處理葉片中GOGAT活性顯著提高49.31%, 根系顯著降低38.22%。磁化處理對葡萄GOGAT活性的影響于施氮后有明顯變化。M0處理較NM0處理葡萄葉片、根系中GOGAT活性顯著降低, 分別降低22.94%和10.45%; 施氮條件下MN處理比NMN處理葡萄葉中GOGAT活性顯著提高18.27%, 根系中顯著降低48.46%。

2.5 磁化處理和施氮條件下土壤中氮肥去向

由表4可知, 施氮處理提高了土壤全氮量, 其中NMN處理較NM0處理提高11.26%, MN處理較M0處理提高11.85%, 磁化處理下施氮對土壤全氮量的提高幅度達(dá)顯著水平。磁化處理組土壤全氮量均高于非磁化處理組, 其中M0處理較NM0處理提高2.49%, MN處理較NMN處理提高3.03%。表明磁化水灌溉有利于土壤供氮水平的提高。磁化處理顯著提高了肥料中氮素的利用率、殘留率和回收率, 顯著降低肥料中氮素的損失率。MN處理后土壤中肥料15N的利用率、殘留率和回收率較NMN處理分別提高76.50%、36.39%和55.31%,15N損失率降低了35.33%

表4 磁化和非磁化處理對土壤中全氮量和肥料15N去向的影響

M0: 磁化水灌溉+未施氮處理; NM0: 非磁化水灌溉+未施氮處理; MN: 磁化水灌溉+施氮處理; NMN: 非磁化水灌溉+施氮處理。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。M0: treatment of magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; NM0: treatment of non-magnetized water irrigation without nitrogen fertilization; MN: treatment of magnetized water irrigation with nitrogen fertilization; NMN: treatment of non-magnetized water irrigation with nitrogen fertilization. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among four treatments at< 0.05 level.

3 討論

3.1 磁化水灌溉對施氮條件下葡萄氮素吸收、利用、分配和氮代謝的影響

氮素營養(yǎng)和氮素分配不僅影響植物的生長潛力, 同時也決定了植物的物質(zhì)生產(chǎn)力[18]。研究發(fā)現(xiàn), 施氮處理和磁化水灌溉均有效提高了葡萄各器官的全氮量, 表明磁化水灌溉改善了土壤的供氮水平, 促進(jìn)了葡萄的氮素吸收。另外, 磁化水灌溉后提高了葡萄植株各器官對氮素的吸收水平, 這是由于磁化水灌溉提高了土壤的持水力, 促進(jìn)了土壤中養(yǎng)分的溶解和運輸, 進(jìn)而提高了葡萄的水肥吸收效率[19-20]。施氮條件下, 磁化水灌溉顯著提高了葡萄葉片、根系和全株全氮量, 但提高幅度均小于非磁化處理, 且莖、根系中氮含量降低。這是由于, 首先, 單獨磁化水灌溉顯著提高了葡萄的氮累積量, 而葡萄對氮素的營養(yǎng)利用水平存在閾值, 所以磁化處理和施氮處理共同作用下有利于葡萄生長, 但增施氮肥對葡萄生長的影響作用有所降低[21]; 其次, 磁化水灌溉后葡萄體內(nèi)的氮素運輸和氮代謝加速, 促使葡萄能夠高效利用所吸收的氮素, 同時改變了氮素在不同器官中的分配格局[22]。

從氮源角度分析, 施氮條件下葡萄對氮素的吸收以土壤氮素為主, 外施氮源為輔, 分別占葡萄體內(nèi)全氮量的75%和25%左右, 且兩者在葡萄體內(nèi)的分布存在細(xì)微的差異; 土壤氮素在根系中分配比例較高, 外施氮素則更多在葉片富集, 這與氮素形態(tài)差異導(dǎo)致的代謝途徑不同有關(guān)[23]。而磁化水灌溉并未影響氮肥對葡萄體內(nèi)氮素累積的貢獻(xiàn)度(Ndff), 表明磁化處理下葡萄氮素利用能力的提高, 可能與氮肥形態(tài)差異無直接關(guān)系。施氮處理和磁化水灌溉均提高了葡萄葉片、根系的氮素分配率(包含來自土壤和肥料的氮素吸收), 而對莖的氮素分配影響降低, 兩者提高幅度表現(xiàn)為葉>根, 這與汪新穎等[24]的研究結(jié)果一致。表明氮素將優(yōu)先向葉片和根系富集, 構(gòu)建良好的冠—根形態(tài)是葡萄提高自身生長能力和養(yǎng)分利用效率的重要策略。而施氮條件下磁化水灌溉植株葉片和根系氮素利用率顯著提高, 且全氮含量在葉片的分配率顯著提高, 莖中顯著降低, 表明磁化水灌溉能夠進(jìn)一步提高葡萄葉片和根系對體內(nèi)氮素的征調(diào)能力, 優(yōu)化了葡萄物質(zhì)分配格局, 為葡萄對氮肥的高效利用提供了良好基礎(chǔ)。

3.2 磁化水灌溉對施氮條件下土壤中氮肥去向的影響

氮肥的有效性不僅受限于在植物的吸收效率, 同時也受土壤固氮能力的影響。氮肥施入土壤后通過轉(zhuǎn)化成為土壤氮庫的一部分進(jìn)入土壤-植物氮循環(huán)中, 部分被植物吸收, 但仍有大量的氮素礦化、分解后被土壤微生物固定下來成為潛在氮源, 兩者共同構(gòu)成植物的氮源。而當(dāng)外源氮素輸入超出土壤負(fù)荷時, 過量氮肥就會通過徑流、淋溶、氨揮發(fā)及硝化反硝化等途徑的損失, 造成環(huán)境污染[30]。也有研究認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)中氮的臨界負(fù)荷值高低與水分含量的高低有關(guān)[31]。施氮條件下, 磁化水灌溉提高了土壤全氮量, 表明磁化水灌溉有效提高了土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力。而對施入土壤的氮肥去向分析發(fā)現(xiàn), 肥料15N的利用率為18.37%~32.43%, 回收率為38.98%~60.54%, 損失率為61.02%~39.46%。磁化處理顯著提高了肥料中氮素的利用率、殘留率和回收率, 顯著降低了氮素?fù)p失率。表明磁化處理能夠提高土壤中氮素的有效性, 同時改善土壤膠體對氮素的固持能力, 有效避免了氮素?fù)p失造成的浪費和環(huán)境污染。這與劉秀梅等[32]之前對歐美楊的研究結(jié)果一致。主要原因在于磁化水灌溉能夠促進(jìn)土壤的礦化能力, 改善土壤結(jié)構(gòu); 同時, 磁化水灌溉下土壤持水力和養(yǎng)分運移速率提高, 能夠快速地將肥料中的氮素淋溶進(jìn)植物的細(xì)根分布區(qū), 從而達(dá)到根層施肥的效果, 提高植物的氮素利用率, 有效避免土壤淺層氮肥以氨揮發(fā)的形式散失。

4 結(jié)論

通過對磁化和非磁化水灌溉后對施氮條件下葡萄不同器官中氮素含量、氮素利用率以及氮素代謝關(guān)鍵酶活性的影響發(fā)現(xiàn):

1)外源施氮條件下, 磁化水灌溉促進(jìn)了葡萄對氮素的吸收, 顯著提高了葡萄葉片的氮含量和葉片、根系、全株中的氮素累積及葉片、根系的氮素利用率; 改變了氮素在葡萄不同器官中的分布。

2)磁化水灌溉顯著提高了葡萄葉片中GS、GOGAT活性, 改善了葡萄葉片的氮素同化能力, 并將氮代謝的主要器官由根系變?yōu)槿~片。

3)磁化水灌溉能夠有效提高葡萄對氮肥的利用效率和土壤的固氮能力。

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Effect of applying nitrogen fertilizer on nitrogen metabolism and distribution in grapevine under magnetic treatment of water*

ZHU Hong1,2, KONG Linggang3, ZHANG Zhihao1, BI Sisheng1, LING Chunhui1, WEI Ye1, YAN Pan1, WANG Huatian1, MA Fengyun1, LIU Xiumei4**, TANG Jin5, CHEN Shuying5, CONG Guizhi5

(1. State Forestry and Grassland Administration Key Laboratory of Silviculture in Downstream Areas of the Yellow River, Tai’an 271018, China; 2. College of Plant Protection, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 3. Jinan Extension Station of Forestry Science and Technology, Jinan 250000, China; 4. Shanghai Environment College, Shanghai 200135, China; 5. Yili Academy of Forestry Science, Yining 835000, China)

The aim of this study was to investigate nitrogen (N) absorption and distribution, as well as nitrogen-use efficiency, of grape seedlings grown in magnetic and non-magnetic water treatments. One-year-old grape(×L. hybrid) seedlings were planted in pots and fertilized with exogenous15N, and then grown under different magnetic water treatments or a control (untreated irrigated water). The proportional content of different forms of N, the activities of key enzymes relative to N metabolism, and the fate of N in leaves, stems, and roots of treated grape seedlings were analyzed. Under N application, we found that compared with the non-magnetic treatment (NMT), the magnetic treatment of water (MTW) appeared to promote N uptake and N-use efficiency in treated grape seedlings, while also optimizing the N allocation pattern and improving N assimilation ability of N fertilizer. We also identified that the total content of N in the leaves and roots (and in the plant generally) of treated seedlings were significantly increased when grown in the MTW. Conversely, the degree of contribution by N fertilizer (Ndff) to total N was not significantly different. Notably, the N utilization efficiencies of leaves and roots was significantly increased under MTW compared to that of the NMT treatment. The N allocation rate in leaves showed a marked increase under MTW, while that in stems showed a significant decrease. Additionally, it was found that the activities of glutamine syntheses and glutamic synthase increased significantly in the leaves, but decreased in the roots of treated seedlings. Finally, we identified that MTW increased the N-use efficiency and fixing capacity of plants and, additionally, alleviated the loss of N fertilizer in grape seedlings. Compared with treatments applying N fertilizer, the content of inorganic N and total N were promoted by 3.03%-3.45% in soil when exposed to MTW with N application. The utilization rate, residual rate, and recovery rate of seedlings increased by 36.39%-76.50% under MTW after the addition of15N, and the loss rate of15N decreased significantly (35.33% reduction). Based on our findings, it appears that the magnetic treatment of water can be effective in promoting N absorption and allocation in grape seedlings while also improving the plant fertilizer use efficiency from soil.

Magnetic treatment; Nitrogen metabolism; Nitrogen use efficiency; Nutrient distribution;בSummer Black’

S512; S562

10.13930/j.cnki.cjea.190648

朱紅, 孔令剛, 張志浩, 畢思圣, 凌春輝, 韋業(yè), 顏攀, 王華田, 馬風(fēng)云, 劉秀梅, 唐金, 陳淑英, 叢桂芝.磁化處理促進(jìn)施氮條件下葡萄氮素的代謝和分布[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(4): 535-544

ZHU H, KONG L G, ZHANG Z H, BI S S, LING C H, WEI Y, YAN P, WANG H T, MA F Y, LIU X M, TANG J, CHEN S Y, CONG G Z. Effect of applying nitrogen fertilizer on nitrogen metabolism and distribution in grapevine under magnetic treatment of water[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(4): 535-544

* 山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目(魯財農(nóng)指[2016]36號)和國家引進(jìn)國際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)計劃(2011-4-60)資助

劉秀梅, 主要從事林木生理生態(tài)以及土壤生態(tài)修復(fù)研究。E-mail: xiaomi8869@163.com

朱紅, 主要從事林木生理生態(tài)及氮素循環(huán)利用研究。E-mail:meige1988@126.com

2019-09-04

2019-11-28

* The study was supported by the Agricultural Major Application Technology Innovation Program of Shandong Province (Financial and Agricultural Indicators, [2016]36) and the National Program of the International Introduction of Advanced Science and Technology in Forestry of China (948 Program, 2011-4-60).

, E-mail: xiaomi8869@163.com

Sep. 4, 2019;

Nov. 28, 2019